深部巷道围岩控制

二煤处于中裂隙
带上方、弱裂隙 带底部，只产生 离层裂隙及轻微 的周期性斜交裂 隙，二煤及其顶 底板结构保持完 整，不发生台阶 错动。
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.2 巷道围岩应力转移
(2) 上行开采的应力转移关键技术 孙村煤矿工程实例
现场应用情况 （1）在下行开采时，二煤工作面由于顶板压力大，煤壁片帮与机道冒漏顶
图2-1 已采区及其两侧煤柱的应力分布
Ⅰ－－冒落带；Ⅱ－裂隙带；Ⅲ－变曲下图4-1 已采区及其两侧煤柱沉带；A－ 原始应力区；B1、B2－应力增高区、C－应力降低区；D－应力稳定区
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.1 合理布置巷道（双巷及迎采）
图2-2 留区段煤柱时回采空间垂直应力等值线分布
：巷道所在位置的围岩应力（P0）、围岩
力学性能（c、φ、G）、支护阻力（Pi）和
巷道断面形式与尺寸，这也是控制巷道围
岩变形的4个主要技术途径。
巷道周边弹塑性位移u0/MPa
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
随着巷道周边围岩应力增加，巷道表面位移及 塑性区范围显著增大，降低巷道围岩应力对保持巷 道围岩稳定具有重要作用。
现象十分严重，需要水力膨胀锚杆超前护顶、坑木穿顶，顶板管理极其困难， 推进速度很慢。四煤采用上行开采后，二煤回采工作面复合顶板稳定，工作 面无冒漏顶事故发生，平均原煤单产与推进速度提高到1.88倍，平均推进速度 由48m/月提高到90m/月左右，原煤平均单产由1.8～2.0万吨/月提高到4.2万吨/ 月左右，显著提高了工作面单产、降低了材料消耗。
1.3 岩性与矿压显现
协庄矿地应力测试结果
测试地点 水平标高 主应力/MPa P1/P2/P3
3213面
－460
wenku.baidu.com16.55 13.65 -1.92
1215W （石门）
－463
16.07 11.77 3.51
主应力方向（夹角）/
x
y
z
108
19
85
30
71
112.5
67
87.5
23
47
45
101.5
30m
3807采空区
3905工作面
30m
9m
9m
3905皮顺
3905回顺 3907工作面
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.1 合理布置巷道
（2）巷道布置的原则：
1）空间上尽量避免支承压力的强烈影响、叠加影响和多次影响 ；时间上尽量缩短支承压力影响时间。
2）巷道布置在应力降低区或原岩应力区。 3）采用无煤柱开采，必须留煤柱时在保证煤柱稳定的条件尽可 能小。 4）如果需要留煤巷保护巷道，所留护巷煤柱尺寸应使巷道不受 支承压力影响或影响较小。 5）避免在煤柱上、下方布置巷道。合理选择底板岩巷与煤柱边 缘的水平距离x、与煤层垂直距离Z。 6）在围岩受采动影响稳定后再掘巷道。 7）巷道轴线方向尽量与最大水平主应力方向平行，避免与之垂 直。
（2）二煤具有强烈冲击倾向，上行开采完全消除了冲击危险。 （3）解决了原来二煤工作面推进慢，制约四煤开采的被动局面，缓解了采 掘接续，大幅度提高了矿区煤炭产量与经济效益，矿井利税取得历史最好水 平。
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.2 巷道围岩应力转移
(3) 底板松动爆破的应力转移关键技术
改善巷道围岩应力状态的主要技术途径包括： 合理布置巷道、巷道围岩应力转移。
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.1 合理布置巷道
时间、空间上减少巷道承受支承压力影响；巷道布置在应力 降低区；合理设计煤柱尺寸；考虑最大水平应力的影响。
（1）采动引起的应力重新分布(高抽布置)
42.8
132
82
87.7
76
13.7
深部巷道围岩控制
1.3 岩性与矿压显现
（1）塑性区、破碎区范围显著增加； （2) 两帮和顶、底角破碎区显著增大，围岩变形显
著增加； 原因：水平应力增加，两帮煤软，角部应力集中。
（3）底鼓严重； （4) 持续蠕变。
2. 深部巷道围岩控制的基本途径
深部巷道围岩控制
(1)巷道底板掘巷的应力转移关键技术 蒋庄煤矿工程实例
工业性试验方案
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.2 巷道围岩应力转移
(1)巷道底板掘巷的应力转移关键技术 蒋庄煤矿工程实例
围岩变形实测
（1）采动影响下，围岩 变形不明显。
（2）硐室两帮相对移近 量在20 mm之内。
水平应力与垂直应力之比
水平应力
埋 深 ≤ 1000m ， 水 平
应力与垂直应力的比 开
值大约为1.5-5.0
采
深
度
埋 深 ≥ 1000m ， 水 平
应力与垂直应力的比
值逐渐趋于集中，约
为0.5-2.0
(Brown & Hoek, 1978)
深部巷道围岩控制
1.3 岩性与矿压显现
我国地应力 测量结果
深部巷道围岩控制
深部巷道围岩控制
主要内容
1 概述 1.1 背景和意义 1.2 “深部巷道”的概念 1.3 岩性与矿压显现
2 深部巷道围岩控制的基本途径 2.1 途径一 （改善巷道围岩应力状态） 2.2 途径二（改善巷道围岩力学性能） 2.3 途径三（提高巷道的支护阻力） 2.4 途径四（优化巷道断面）
> 60
巷道极限深度 / m 150
300 ~ 400 650 ~ 750
> 1000
极限深度以上支护简单、易维护；以下则明显困难。
深部巷道围岩控制
1.3 岩性与矿压显现
垂直应力
岩层因自重引
开 采
起的垂直应力
深
随深度增加呈
度
线性增大。
(Brown & Hoek, 1978)
深部巷道围岩控制
1.3 岩性与矿压显现
基本原理：下部煤层先行开采后，上部煤层因处于裂隙
带或缓沉带内，上部煤层的应力发生了转移，此区域的 应力显著降低。将上部煤层的巷道和工作面布置在下部 煤层该区域以内，巷道和工作面处于应力已经转移的低 应力区，可以显著降低支护难度，有效提高矿井的生产 安全水平。
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.1 影响巷道围岩稳定性的因素
经典的Kastner巷道围岩特性曲线方程：
Ra[(p0cpic oc t c)o (1 t sin)]12 ssiin n
u 02 sG in a(p 0cco t)R 2
式中：R－塑性区半径；a－巷道半径；P0－原岩应力； Pi－支护阻力；c－岩石内聚力；φ－岩石内摩擦角；
3 深部巷道围岩控制的突出难点 3.1 深部巷道底鼓特征及控制原则 3.2 深部巷道蠕变特性及控制原则 4 控制技术汇总
1. 概述
深部巷道围岩控制
1.1 背景和意义
深部软岩成为重点
随着矿井开采深度、强度的增加， 岩体应力急剧增加，地 温升高，当岩体应力达到甚至超过岩石抗压强度时，有关 岩体力学科学与工程的若干问题由量变逐渐发生质的变化， 造成资源开采的极端困难，并引发矿井重大安全事故危险 性增加，严重威胁矿井的安全生产。巷道维护困难已成为 制约煤矿安全高效开采的瓶颈，巷道围岩控制是煤矿开采 中急待解决的关键问题之一。
采空区上方垂直应力有大幅度减少，距离采空区越近减少幅 度越大，随着远离采空区逐步增大，逐渐恢复到原岩应力。煤柱 附近垂直应力的值较大，且均为压应力；随着距离的增加，应力 逐渐减小，逐渐恢复到原岩应力。
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.2 巷道围岩应力转移
(2) 上行开采的应力转移关键技术 孙村煤矿工程实例
2.2.2 巷道围岩应力转移
(1)巷道顶板掘巷的应力转移关键技术
对深部巷道而言，在顶板中或 底板中开掘巷道并松动爆破， 形成卸压带，从而将围岩应力 往深部转移，降低了被保护巷 道围岩浅部的应力，这是一种 巷道保护的有效方法。
顶板或底板中开掘的大面积卸 压带
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
力转移的关键因素
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.2 巷道围岩应力转移
(3) 底板松动爆破的应力转移关键技术
平顶山六矿工程实践示意图 与原绞车房不进行任何处理时的底鼓量相比， 550m、泥岩、煤层围岩 底鼓量明显降低，约为不进行处理时底鼓量的1/3。
深部巷道围岩控制
1.2 “深部巷道”的概念
深部巷道与深井是两个不同的概念。一般认为：矿井深度大 于800m为深井。而深部巷道是由矿井深度和岩性两个因素决定。
矿井巷道由浅部过渡到深部的深浅部界限称为“极限深度”。
表1-1 巷道极限深度表
围岩单轴抗压强度 / MPa < 20
20 ~ 30 30 ~ 60
350
煤 300
250
200
页岩 150
100
砂页岩
花岗岩
砂岩 50
石灰岩
0 cφ
巷道周边弹塑性位移u0/mm
煤 1600
砂页岩
砂岩
页岩
石灰岩
花岗岩
1400
1200
1000
800
600
400
200
0 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
原岩应力p0/MPa
影响巷道围岩稳定性的主要因素有四
2.2.2 巷道围岩应力转移
(1)巷道底板掘巷的应力转移关键技术
水平应力的转移效果
受采动影响期间，不采用应力转移技术时，底板最大水平应力为48 MPa。 采用转移技术后，主硐室底板的水平应力减小为15 MPa左右。
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.2 巷道围岩应力转移
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.1 合理布置巷道
图2-3 煤体与采空区交界处底板 垂直应力等值线分布
图2-4 煤柱下方底板垂直应力 等值线分布
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.1 合理布置巷道
8号煤 9号煤
3805工作面（正回采）
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.2 巷道围岩应力转移 巷道顶底板掘巷的应力转移关键技术 煤层上行开采的应力转移关键技术 底板松动爆破的应力转移关键技术 巷道迎头超前钻孔的应力转移关键技术 相关的应力转移技术
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
平均水平应力与垂直应力之比
开 采 深 度
深部巷道围岩控制
1.3 岩性与矿压显现
孙村矿地应力测试结果
主应力
1 2 3
数值/MPa
与东西方向夹 与垂直方向夹 与南北方向夹
角/
角/
角/
38.13
26.5
114.2
100.1
28.35
63.9
28.5
79.3
1.61
85.5
104.1
14.8
深部巷道围岩控制
u0－巷道周边位移；G－围岩剪切模量。
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巷道周边弹塑性位移uo/mm
2.1 影响巷道围岩稳定性的因素
煤 350
砂页岩
砂岩
页岩
石灰岩
花岗岩
300
250
200
150
100
50 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45
支护强度p /MPa i
2.2.2 巷道围岩应力转移
(2) 上行开采的应力转移关键技术
上行开采理论计算模型： 下部煤层可设定为带状 无限长板，通过复变函 数方法对弹性带状无限 长板应力问题进行求解， 建立以下力学模型。
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.2 巷道围岩应力转移
(2) 上行开采的应力转移关键技术
（3）底鼓量在10 mm左右。
位移 /mm
20
15
10
5
0 60 40 20
两帮 底板 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 -160
测点距工作面距离 /m
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.2 巷道围岩应力转移
(2) 上行开采的应力转移关键技术
(1)巷道底板掘巷的应力转移关键技术
垂直应力
硐室受采动影响期间，如不采用底板掘巷应力转移技术，主要硐室周边的垂
直应力最大为40 MPa左右。
采用应力转移技术后，主要硐室周边的垂直应力降低为7.5 MPa左右。效果
十分明显。
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.2 巷道围岩应力转移
在巷道底板中布置钻孔，并进行药壶爆破，在巷道底板中产生围 岩弱化区，将集中应力转移到围岩较深部。
深部巷道围岩控制
2.2 基本途径一 （改善巷道围岩应力状态）
2.2.2 巷道围岩应力转移
(3) 底板松动爆破的应力转移关键技术
当发生内部爆破作用时，
在围岩中形成爆破空腔、 压碎圈、裂隙圈及震动 圈。
裂隙圈的大小是影响应