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动压巷道围岩稳定理论动压巷道围岩稳定理论与控制技术研究与控制技术研究 中国矿业大学中国矿业大学柏建彪柏建彪（博士、教授）（博士、教授）（，）（，）1主要内容主要内容1概述概述2巷道围岩塑性区分布巷道围岩塑性区分布3巷道围岩不均匀整体下沉和局部上升巷道围岩不均匀整体下沉和局部上升4沿空掘巷围岩大、小结构稳定性原理沿空掘巷围岩大、小结构稳定性原理5动压巷道底鼓机理动压巷道底鼓机理6巷道围岩控制的基本途径巷道围岩控制的基本途径21概述概述动压巷道：受采动支承应力作用的巷道。动压巷道：受采动支承应力作用的巷道。1.1现状现状占煤矿巷道占煤矿巷道80以上。以上。围岩松软，地应力大，维护十分困难。围岩松软，地应力大，维护十分困难。31概述概述1.2岩性和应力特征岩性和应力特征岩性：分层性质显著，强度小（特别两帮）。岩性：分层性质显著，强度小（特别两帮）。岩性：分层性质显著，强度小（特别两帮）。岩性：分层性质显著，强度小（特别两帮）。应力：侧向支承应力，超前支承应力应力：侧向支承应力，超前支承应力应力：侧向支承应力，超前支承应力应力：侧向支承应力，超前支承应力一次、多次采动影响一次、多次采动影响一次、多次采动影响一次、多次采动影响应力集中系数应力集中系数应力集中系数应力集中系数2 28 8。41概述概述1.3重要性重要性制约矿井高产高效和经济、社会效益，威制约矿井高产高效和经济、社会效益，威胁矿井安全。胁矿井安全。矿井开采理论和技术的难点和重点。矿井开采理论和技术的难点和重点。52巷道围岩塑性区分布巷道围岩塑性区分布62巷道围岩塑性区分布巷道围岩塑性区分布73 巷道围岩不均匀整体下沉和局部上升巷道围岩不均匀整体下沉和局部上升 大面积开采，采动支承压力和不同护巷方式引起。大面积开采，采动支承压力和不同护巷方式引起。相似材料模拟试验结果相似材料模拟试验结果u1、u2、u3、u4、u5下沉曲线下沉曲线D1、D2、D3破断曲线破断曲线83 巷道围岩不均匀整体下沉和局部上升巷道围岩不均匀整体下沉和局部上升 94 沿空巷道围岩大、小结构稳定性原理沿空巷道围岩大、小结构稳定性原理大、小结构概念大、小结构概念大结构：包括直接顶（顶煤）、老顶及其上载荷岩大结构：包括直接顶（顶煤）、老顶及其上载荷岩大结构：包括直接顶（顶煤）、老顶及其上载荷岩大结构：包括直接顶（顶煤）、老顶及其上载荷岩层的结构。层的结构。层的结构。层的结构。小结构：锚杆支护与围岩形成的锚固体。小结构：锚杆支护与围岩形成的锚固体。小结构：锚杆支护与围岩形成的锚固体。小结构：锚杆支护与围岩形成的锚固体。104 沿空巷道围岩大、小结构稳定性原理沿空巷道围岩大、小结构稳定性原理 大结构的稳定性分析大结构的稳定性分析沿空掘巷与上覆岩层的结构关系沿空掘巷与上覆岩层的结构关系114 沿空掘巷围岩大、小结构稳定性原理沿空掘巷围岩大、小结构稳定性原理M关键块关键块B的回转力矩；的回转力矩；M本工作面老顶岩层断本工作面老顶岩层断裂，岩块裂，岩块A的回转力矩的回转力矩124 沿空掘巷围岩大、小结构稳定性原理沿空掘巷围岩大、小结构稳定性原理三角块受力分析图三角块受力分析图134 沿空掘巷围岩大、小结构稳定性原理沿空掘巷围岩大、小结构稳定性原理 三角块结构失稳的方式主要有三角块结构失稳的方式主要有三角块结构失稳的方式主要有三角块结构失稳的方式主要有2 2种，即滑落失稳和种，即滑落失稳和种，即滑落失稳和种，即滑落失稳和转动失稳。转动失稳。转动失稳。转动失稳。滑落稳定性系数滑落稳定性系数滑落稳定性系数滑落稳定性系数K K1 1；转动稳定性系数；转动稳定性系数；转动稳定性系数；转动稳定性系数K K2 2，即，即，即，即:144 沿沿空空掘掘巷巷围围岩岩大大、小小结结构构稳稳定定性性原原理理 掘掘掘掘 巷巷巷巷 前前前前、掘掘掘掘 巷巷巷巷 后后后后：三三三三 角角角角 块块块块 结结结结 构构构构 均均均均 保保保保 持持持持 稳稳稳稳 定定定定。采采采采动动动动影影影影响响响响期期期期间间间间：三三三三角角角角块块块块结结结结构构构构的的的的回回回回转转转转下下下下沉沉沉沉是是是是沿沿沿沿空空空空巷巷巷巷道道道道围围围围岩岩岩岩大大大大变变变变形形形形的的的的主主主主要要要要原原原原因因因因之之之之一一一一；随随随随采采采采高高高高增增增增加加加加，沿沿沿沿空空空空掘掘掘掘巷巷巷巷维维维维护护护护难难难难度度度度增增增增加加加加，大大大大采采采采深深深深时时时时应应应应防防防防止止止止发发发发生生生生回回回回转转转转失失失失稳稳稳稳，在在在在煤煤煤煤软软软软、大采深时应防止发生滑落失稳。大采深时应防止发生滑落失稳。大采深时应防止发生滑落失稳。大采深时应防止发生滑落失稳。15小结构的稳定性分析1）沿空侧护巷窄煤柱的宽度式中：x1因上区段工作面开采而在下区段沿空掘巷窄煤柱中产生的破碎区，其宽度为：x2巷道窄煤柱一帮锚杆有效长度，再增加15富裕系数，m；x3增加的煤柱稳定性系数，按0.2（x2+x3）计算162)强化围岩强度，确度锚杆支护强度强化围岩强度后能在大结构回转下沉影响下保持围岩稳定，保证足够的锚杆初锚力与支护强度。3）综放两道围岩变形规律巷道围岩变形量对比表序序对比项目对比项目实体煤巷道实体煤巷道沿空掘巷沿空掘巷1顶板、两帮变形顶板、两帮变形110152回回采采期期间间与与掘掘巷巷期期间间围围岩岩变变形比值形比值1.21.5563两帮变形与顶底板变形比值两帮变形与顶底板变形比值122.517 掘巷期间综放沿空掘巷支护效果掘巷期间综放沿空掘巷支护效果掘巷期间综放沿空掘巷支护效果掘巷期间综放沿空掘巷支护效果18 工作面前方工作面前方工作面前方工作面前方10m10m处支护效果实照图处支护效果实照图处支护效果实照图处支护效果实照图195动压巷道底鼓机理动压巷道底鼓机理5.1机理机理巷巷道道两两帮帮下下沉沉引引起起底底鼓鼓。两两帮帮下下沉沉、底底角角破破坏坏，水平应力挤压，底板浅部鼓起，顶板下沉、离层水平应力挤压，底板浅部鼓起，顶板下沉、离层。（a）（b）两帮下沉与底鼓关系两帮下沉与底鼓关系（a）东庞矿（中硬岩）；（东庞矿（中硬岩）；（b）黄塘岭矿（软岩）黄塘岭矿（软岩）20图图3巷道底板深基点位移巷道底板深基点位移图图4巷道底板垂直位移巷道底板垂直位移No垂直位移为零；垂直位移为零；N零应变点零应变点权台矿现场实测权台矿现场实测浅部鼓起，深部下沉；与采煤工作面距离不同而变化。浅部鼓起，深部下沉；与采煤工作面距离不同而变化。21（1）力学计算）力学计算 Q(y)作用下作用下M点的位移点的位移根根据据弹弹性性力力学学理理论论，平平面面应应变变条条件件下下的的半半无无限限平平面体，面体，Q(y)dy 载荷作用下载荷作用下M点的垂直位移分量点的垂直位移分量dux力学计算简图力学计算简图22Q(y)作作用用下下，M点点的的垂垂直直位位移移ux 等等于于上上式式在在a,b区间上的积分区间上的积分。23（2）煤柱巷道底板等效载荷分布）煤柱巷道底板等效载荷分布煤柱巷道底板等效载荷分布煤柱巷道底板等效载荷分布简化的载荷分布简化的载荷分布24（3）底板中心线上的垂直位移）底板中心线上的垂直位移各区段分布载荷在巷道底板各区段分布载荷在巷道底板中心线上引起的垂直位移中心线上引起的垂直位移巷道底板中心线上巷道底板中心线上总的垂直位移总的垂直位移255.2 加固两帮和底角控制巷道底鼓（1）锚杆加固（柳新煤矿）26试验试验编号编号巷道表面移近量巷道表面移近量mm、项试验与项试验与对比对比顶底板顶底板两两帮帮移近量减少值移近量减少值mm移近量减少百分移近量减少百分数数%顶底板顶底板两两帮帮顶底板顶底板两两帮帮37426458631461.054.32759068548871.484.4960578试验效果对比试验效果对比试验效果对比试验效果对比 27（2）注浆加固注浆加固权台矿注浆孔布置权台矿注浆孔布置注浆孔布置注浆孔布置注浆材料、工艺、费用注浆材料、工艺、费用v材料：材料：ZKD高水速凝材料，水灰比高水速凝材料，水灰比1.8 1v注浆压力：注浆压力：0.10.15MPav材料费用：材料费用：13.83元元/m28注浆效果注浆效果权台矿注浆前、后对比权台矿注浆前、后对比权台矿注浆前、后对比权台矿注浆前、后对比对比项目对比项目岩石质量指标岩石质量指标RQD（%）钻孔测定强度钻孔测定强度（MPa）注浆前注浆前9.114.7注浆后注浆后96.722.5注与不注浆段对比注与不注浆段对比底鼓量（底鼓量（mm）两帮移近量（两帮移近量（mm）不注浆不注浆538651注注浆浆144151显德汪矿注浆效果显德汪矿注浆效果显德汪矿注浆效果显德汪矿注浆效果29（1）锚杆加固顶角锚杆加固顶角FLAC计算计算顶板下沉量减少顶板下沉量减少42%底鼓量减少底鼓量减少14%（2）锚杆加固两帮及底角、顶角锚杆加固两帮及底角、顶角有显著降低围岩移近量效果有显著降低围岩移近量效果当当加加固固帮帮、底底角角不不能能满满足足需需要要时时，可可增增加加顶顶角角加固加固5.3 加固巷道其它部位控制底鼓306巷道围岩控制的基本途径巷道围岩控制的基本途径6.1影响巷道围岩稳定性的三大因素影响巷道围岩稳定性的三大因素围岩强度、岩体应力、支护技术围岩强度、岩体应力、支护技术1）前前苏苏联联阿阿尔尔达达晓晓夫夫、巴巴仁仁根根据据巷巷道道垂垂直直应应力力H与与底底板板单单轴轴抗抗压压强强度度R的的比比值值作作为为判判断断巷巷道道是是否否底底鼓的准则：鼓的准则：稳定的（不底鼓）：稳定的（不底鼓）：中等稳定（有底鼓）：中等稳定（有底鼓）：不稳定（强烈底鼓）：不稳定（强烈底鼓）：0.631 2 2）我校邹喜正教授根据围岩强度与岩体应力对）我校邹喜正教授根据围岩强度与岩体应力对）我校邹喜正教授根据围岩强度与岩体应力对）我校邹喜正教授根据围岩强度与岩体应力对我国矿井巷道的极限深度提出的见解。我国矿井巷道的极限深度提出的见解。我国矿井巷道的极限深度提出的见解。我国矿井巷道的极限深度提出的见解。围岩单轴抗压强度围岩单轴抗压强度MPa巷巷道道极极限限深深度度m601000中中国国矿矿业业大大学学（北北京京）何何满满朝朝教教授授通通过过对对深深部部巷巷道道稳稳定定性性研研究究、根根据据巷巷道道维维护护难难度度分分类类提提出出了了不不同同岩岩层层的的极限深度。极限深度。3）支护技术）支护技术从轴对称圆巷的弹塑性分析从轴对称圆巷的弹塑性分析卡斯特纳方程中卡斯特纳方程中可以看出：由于支护反力可以看出：由于支护反力P的作用，加大了塑性区应的作用，加大了塑性区应力而减小了塑性区半径。力而减小了塑性区半径。326.2基本途径基本途径（1）提高围岩强度）提高围岩强度布布置置在在稳稳定定岩岩层层中中；布布置置锚锚杆杆，强强化化围围岩岩强强度度；围围岩岩注注浆浆，提提高高岩岩体体强强度度；封封闭闭、疏疏干干、防防风风化化，防防止围岩碎裂、强度降低止围岩碎裂、强度降低（2）减小岩体应力）减小岩体应力合合理理布布置置巷巷道道：时时间间、空空间间上上减减少少巷巷道道承承受受支支承承压压力力影影响响，巷巷道道布布置置在在应应力力降降低低区区；合合理理设设计计煤煤柱柱尺尺寸；考虑最大水平应力的影响寸；考虑最大水平应力的影响巷巷道道卸卸压压：跨跨采采进进行行巷巷道道卸卸压压；开开槽槽卸卸压压；震震动动爆破卸压；布置卸压峒室卸压爆破卸压；布置卸压峒室卸压336.2基本途径基本途径（3）巷道支护）巷道支护巷道金属支架巷道金属支架作作用用：给给围围岩岩提提供供支支护护阻阻力力；当当前前注注意意：可可缩缩性性支支架架的的使使用用界界限限、连连接接件件、矿矿工工钢钢可可缩缩支支架架、支支架架壁壁后密实。后密实。锚杆支护锚杆支护作作用用：强强化化围围岩岩强强度度；围围岩岩强强度度强强化化理理论论、高高强强（超超高高）强强度度锚锚杆杆、设设计计方方法法、复复杂杂条条件件下下的的锚锚杆杆支支护、桁架锚杆支护。护、桁架锚杆支护。346.3 巷道布置巷道布置（1）巷道布置巷道布置从从巷巷道道围围岩岩稳稳定定角角度度来来谈谈布布置置。要要保保持持围围岩岩稳稳定定，布置巷道时应考虑围岩强度与岩体应力。布置巷道时应考虑围岩强度与岩体应力。356.3 巷道布置巷道布置采动引起的应力重新分布采动引起的应力重新分布已采区及其两侧煤柱的应力分布已采区及其两侧煤柱的应力分布冒落带；冒落带；裂隙带；裂隙带；弯曲下沉带；弯曲下沉带；A原始应力区；原始应力区；B1、B2应力增高区、应力增高区、C应力降应力降低区；低区；D应力稳定区应力稳定区36留区段煤柱时回采空间垂直应力等值线分布留区段煤柱时回采空间垂直应力等值线分布37煤体与采空区交界处底板垂直应力等值线分布煤体与采空区交界处底板垂直应力等值线分布上上覆覆岩岩层层容容重重；H埋埋藏藏深深度度：底底板板岩岩石石应应力力升升高高区区的的扩扩展展影影响响角角；Z被被跨跨巷巷道道与与上上部部回回采采煤煤层层间间的法线距；的法线距；X-被跨巷道与上部回采煤柱边缘的水平距被跨巷道与上部回采煤柱边缘的水平距38煤柱下方底板垂直应力等值线分布煤柱下方底板垂直应力等值线分布（煤柱载荷均布，应力集中系数为（煤柱载荷均布，应力集中系数为3）在应力重新分布下，从时间和空间上保证布在应力重新分布下，从时间和空间上保证布置的巷道围岩稳定、维护费用低。置的巷道围岩稳定、维护费用低。39（2）巷道布置的原则）巷道布置的原则1）空空间间上上尽尽量量避避免免支支承承压压力力的的强强烈烈影影响响、叠叠加加影影响和多次影响；时间上尽量缩短支承压力影响时间。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。）巷道布置在应力降低区或原岩应力区。3）采采用用无无煤煤柱柱开开采采，必必须须留留煤煤柱柱时时在在保保证证煤煤柱柱稳稳定的条件尽可能小。定的条件尽可能小。4）如如果果需需要要留留煤煤桂桂保保护护巷巷道道，所所留留护护巷巷煤煤柱柱尺尺寸寸应使巷道不受支承压力影响或影响较小。应使巷道不受支承压力影响或影响较小。5）避避免免在在煤煤柱柱上上、下下方方布布置置巷巷道道。合合理理选选择择底底板板岩巷与煤柱边缘的水平距离岩巷与煤柱边缘的水平距离X、与煤层垂直距离、与煤层垂直距离Z。6）在围岩受采动影响稳定后再掘巷道。）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，）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。避免与之垂直。40注浆材料注浆材料（1）材料类别）材料类别化学类：丙烯酰胺类、聚氨脂类化学类：丙烯酰胺类、聚氨脂类水泥类：单液水泥浆；水泥、水玻璃双液浆；水泥类：单液水泥浆；水泥、水玻璃双液浆；ZKD高水速凝材料（双液或单液）高水速凝材料（双液或单液）6.4注浆加固围岩注浆加固围岩41结晶水体积比占结晶水体积比占81.6%，再吸附大量水，水体积比，再吸附大量水，水体积比达到达到90%（重量比（重量比2.5:1）。）。速速凝凝早早强强，水水灰灰比比高高；结结石石率率高高（100%），不不淅淅水水，强强度度高高;当当水水灰灰比比1.5:1时时，ZKD强强度度9.514.0MPa；水水泥泥浆浆淅淅水水率率65%，强强度度4MPa；固固结结体体塑塑性性好好，高高水水条条件件下下微微膨膨胀胀；空空气气中中易易风风化化失失水水（注注入入岩岩体体、水水中中、或或密密封，防风化）封，防风化）（2）ZKD高水速凝材料高水速凝材料机理：硫铝酸盐水泥熟料、石灰、石膏、若干种添机理：硫铝酸盐水泥熟料、石灰、石膏、若干种添加剂水化生成钙矾石加剂水化生成钙矾石42浆体流动性参数与水用量关系曲线浆体流动性参数与水用量关系曲线1主料浆主料浆W 0；2配料浆配料浆W 0；3主料浆主料浆W p；4配料浆配料浆W p43水泥浆液和高水材料的性质与水灰比的关系水泥浆液和高水材料的性质与水灰比的关系44单轴条件下固结体试块变形曲线单轴条件下固结体试块变形曲线45不同围压条件下固结体应力应变曲线不同围压条件下固结体应力应变曲线12345分别代表围压为分别代表围压为0.13、0.26、0.38、0.50、0.75MPa时的曲线时的曲线461）围岩松软破碎、随掘随冒时使用；）围岩松软破碎、随掘随冒时使用；2）超前迎头钻孔注浆；）超前迎头钻孔注浆；3）地应力特别大时难以注入。）地应力特别大时难以注入。注浆时机注浆时机（1 1）超前注浆）超前注浆471）注浆滞后时间注浆滞后时间围岩裂隙发展变慢前后或进入掘后稳定期不久围岩裂隙发展变慢前后或进入掘后稳定期不久岩石变形与渗透关系曲线权台煤矿3116上分层回风平巷掘头后方巷道围岩裂隙分布（2 2）围岩滞后注浆）围岩滞后注浆482）注浆孔深度）注浆孔深度破碎区应完全固结，并超过此区，尽可能深，一破碎区应完全固结，并超过此区，尽可能深，一般般2m左右。左右。3）滞后注浆压力）滞后注浆压力不不超超过过岩岩石石单单轴轴抗抗压压强强度度的的13。围围岩岩严严重重破破碎碎时时0.5MPa，较较破破碎碎时时1.0MPa，裂裂隙隙较较小小时时1.02.0MPa，最高不超过，最高不超过3MPa。494）浆液渗透半径与注浆孔布置）浆液渗透半径与注浆孔布置浆液的流动力学参数及初凝时间等。一般采用浆液的流动力学参数及初凝时间等。一般采用渗透公式初步计算后由现场试验确定。渗透公式初步计算后由现场试验确定。注浆孔间排距，要求两孔渗透半径贯通。一般注浆孔间排距，要求两孔渗透半径贯通。一般在在2m左右。左右。注浆位置根据需要，帮角、顶板或全断面。注浆位置根据需要，帮角、顶板或全断面。505）注浆量）注浆量每孔注浆量每孔注浆量式中：A浆液消耗系数（1.21.5）；L钻孔长度方向加固区厚度，m；R（间、排距）/2，m；围岩的裂隙率（0.5%10%）；浆液的充填系数（0.61.0）（m3）51谢谢52