(3.4)--4.1 巷道矿压显现规律.ppt
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1、巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律矿山压力及岩层控制矿山压力及岩层控制知识单元四知识单元四巷道矿压显现规律及围岩控制巷道矿压显现规律及围岩控制巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律知识点知识点1:巷道矿压显现规律:巷道矿压显现规律教学内容教学内容p受采动影响巷道的围岩应力分布;受采动影响巷道的围岩应力分布;p受采动影响巷道的围岩变形;受采动影响巷道的围岩变形;p区段巷道的位置和矿压显现规律;区段巷道的位置和矿压显现规律;p巷道围岩应力及影响因素;巷道围岩应力及影响因素;p巷道围岩控制原理和方法。巷道围岩控制原理和方法。重点与难点重点与难点相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定;受采动影响巷道的围岩变形;巷
2、相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定;受采动影响巷道的围岩变形;巷道位置类型和矿压显现规律;巷道位置参数的选择;巷道围岩应力及影响道位置类型和矿压显现规律;巷道位置参数的选择;巷道围岩应力及影响因素;巷道围岩控制原理和方法;巷道围岩稳定性分类及支护选择。因素;巷道围岩控制原理和方法;巷道围岩稳定性分类及支护选择。巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律3本讲提要本讲提要1.巷道巷道围岩岩应力及力及变形形规律律 2.受采受采动影响巷道影响巷道矿压显现规律律3.巷道巷道围岩控制原理岩控制原理 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 1 1、受采动
3、影响巷道的围岩应力受采动影响巷道的围岩应力 1 1)原岩体内掘进巷道引起的围岩应力)原岩体内掘进巷道引起的围岩应力圆形巷道围岩弹性变形应力分布圆形巷道围岩弹性变形应力分布4圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布p-原始应力;原始应力;t-切向应力;切向应力;r-径向应力;径向应力;pi-支护阻力;支护阻力;a-巷道半径巷道半径R-塑性区半径;塑性区半径;A-破裂区;破裂区;B-塑性区;塑性区;C-弹性区;弹性区;D-原岩应力区原岩应力区巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律在各向等压条件下,圆形巷道塑性区半径在各向等压条件下,圆形巷道塑性区半径R R和周边位移和周边位移u
4、u的计算公式:的计算公式:式中,式中,p p-原岩应力;原岩应力;p pi i-支护阻力;支护阻力;R R0 0-圆形巷道半径;圆形巷道半径;-围岩的内摩擦角;围岩的内摩擦角;C C-围岩的粘聚力;围岩的粘聚力;G G-围岩的剪切弹性模数围岩的剪切弹性模数。5内摩擦角和粘聚力内摩擦角和粘聚力C C的影响的影响 巷道的塑性区半径巷道的塑性区半径R R和周边位移和周边位移u u随随内摩擦角内摩擦角和粘聚力和粘聚力C C的减小,即围岩的减小,即围岩强度降低,显著增大。强度降低,显著增大。巷道的周边位移随着巷道所在位置巷道的周边位移随着巷道所在位置原岩应力的增大,呈指数函数关系迅原岩应力的增大,呈指数
5、函数关系迅速增长;指数的大小取决于速增长;指数的大小取决于的变化,的变化,其值越小,指数越大,其值越小,指数越大,u u值增长越迅速。值增长越迅速。一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律在拐角区要形成在拐角区要形成应力叠加,力叠加,应力集中系数可达力集中系数可达57。工作面前方超前支撑压力工作面前方超前支撑压力工作面倾斜、仰斜方向残余支撑压力工作面倾斜、仰斜方向残余支撑压力工作面后方采空区支撑压力工作面后方采空区支撑压力2 2)回采工作面周围支承压力分布)回采工作面周围支承压力分布工工作作面面超超前前支支承承压压力力峰峰值值一一般般在在煤煤壁壁前
6、前48米米,影影响响范范围围为为4060米米。少少数数可可达达6080米米。应应力力集集中系数为中系数为2.53。工工作作面面倾倾斜斜方方向向固固定定支支承承压压力力范范围围一一般般为为1530米米。少少数数可可达达3540米米,峰值一般距煤壁峰值一般距煤壁1520米,应力集中系数为米,应力集中系数为23。采采空空区区支支撑撑压压力力 通通常常应应力力增增高高系系数数小小于于1,个个别别情情况况可可达达1.3,但但是是在某些地方会相互叠合,应力增高系数增大。在某些地方会相互叠合,应力增高系数增大。6一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律 煤层拐角
7、处叠加支承压力煤层拐角处叠加支承压力7在拐角区要形成应力叠加,应力集中系数可达在拐角区要形成应力叠加,应力集中系数可达57。一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律支承压力在被开采煤层顶底板中分布示意图支承压力在被开采煤层顶底板中分布示意图1.采动影响带边界采动影响带边界2.支承压力区支承压力区3.卸载区边界卸载区边界8一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律工作面控顶区垮落岩石松散区工作面前方应力变化区工作面前方应力变化区垮落岩石逐渐压缩区垮落岩石压实区垮落岩石压实区9一、巷道围岩应力及变形规律一、巷
8、道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律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10一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律一侧采空一侧采空两侧采空两侧采空影响深度为影响深度为1.52B影响深度为影响深度为34B压力传递影响角一般为压力传递影响角一般为3040度度3 3)采动引起的底板岩层应力分布)采动引起的底板岩层应力分布11一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律底板岩层内任一点的应力分布规律性:底板岩层内任一点的应力分布规律性:(1 1)一侧采空煤体及两侧采空、宽度较
9、大的煤柱,作用于煤层上的支承压力)一侧采空煤体及两侧采空、宽度较大的煤柱,作用于煤层上的支承压力的影响深度约为的影响深度约为1.51.5B B2 2B B;两侧采空、宽度较小的煤柱,作用于煤柱上的支承;两侧采空、宽度较小的煤柱,作用于煤柱上的支承压力的影响深度约为压力的影响深度约为3 3B B4 4B B。(2 2)两侧采空、宽度较小的煤柱,底板岩层内同一水平面上)两侧采空、宽度较小的煤柱,底板岩层内同一水平面上z z以煤柱中心线以煤柱中心线处最大。一侧采空煤体,底板岩层内同一水平面上处最大。一侧采空煤体,底板岩层内同一水平面上z z最大值在煤体下方,距最大值在煤体下方,距采空区边缘数米处,两
10、侧采空、宽度较大的煤柱下,底板岩层内同一水平面上采空区边缘数米处,两侧采空、宽度较大的煤柱下,底板岩层内同一水平面上z z以煤柱中心线处较小,靠近煤柱边缘出现峰值。以煤柱中心线处较小,靠近煤柱边缘出现峰值。(3 3)无论在何种形式煤层载荷作用下,底板岩层内应力分布都呈扩展状态,)无论在何种形式煤层载荷作用下,底板岩层内应力分布都呈扩展状态,数值等于自重应力值的等值线与煤柱边缘垂线的夹角,该角为影响角数值等于自重应力值的等值线与煤柱边缘垂线的夹角,该角为影响角,一般,一般为为30304040。一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律底板岩层受采动影响
11、过程中,随工作面推进,在高度集中后急剧卸压,底板岩层受采动影响过程中,随工作面推进,在高度集中后急剧卸压,在铅直方向产生压缩和膨胀,伴生出水平方向的压缩和膨胀,出现水在铅直方向产生压缩和膨胀,伴生出水平方向的压缩和膨胀,出现水平应力升高区和卸压区。采空区下方底板浅部卸压甚至出现拉应力,平应力升高区和卸压区。采空区下方底板浅部卸压甚至出现拉应力,岩层强度已大为减弱。同时,考虑到煤柱的影响作用,位于应力降低岩层强度已大为减弱。同时,考虑到煤柱的影响作用,位于应力降低区内的底板巷道,与上部采空区及煤柱边缘之间应保持一定距离。区内的底板巷道,与上部采空区及煤柱边缘之间应保持一定距离。上部煤层采动遗留保
12、护煤柱上部煤层采动遗留保护煤柱引起底板岩层内应力分布引起底板岩层内应力分布(a)上部煤层一侧采动)上部煤层一侧采动(b)上部煤层两侧采动)上部煤层两侧采动一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律2 2、相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定 1 1)巷道围岩应力影响带)巷道围岩应力影响带14一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律巷道开掘以后,巷道周围岩体内的应力重新分布。巷道围岩应力受扰巷道开掘以后,巷道周围岩体内的应力重新分布。巷道围岩应力受扰动的区域称为影响带,一般以
13、超过原岩应力的动的区域称为影响带,一般以超过原岩应力的5%5%作为影响带的边界。作为影响带的边界。断面相同的两圆形巷道的间距断面相同的两圆形巷道的间距D D为:为:半径不同的两圆形巷道的间距半径不同的两圆形巷道的间距D D为:为:式中,式中,R R-大圆形巷道半径;大圆形巷道半径;r r-小圆形巷道半径。小圆形巷道半径。相邻巷道合理间距:相邻巷道合理间距:对于非圆形巷道的弹塑性围岩体,其应力分布和塑性区半径可采用数对于非圆形巷道的弹塑性围岩体,其应力分布和塑性区半径可采用数值计算方法。值计算方法。一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律2 2)巷间
14、岩柱的稳定性)巷间岩柱的稳定性经验公式经验公式Obert-Dwvall/WangObert-Dwvall/Wang(19671967)BieniawskiBieniawski(19681968)公式:)公式:式中,式中,R R-岩柱强度,岩柱强度,MpaMpa;R Rc c-岩柱原位临界立方体单轴抗压强度,岩柱原位临界立方体单轴抗压强度,MpaMpa;B B-岩柱宽度,岩柱宽度,m m;h h-岩柱高度,岩柱高度,m m。式中,式中,RcRc1-1-临界尺寸岩柱的强度,临界尺寸岩柱的强度,MpaMpa。当岩柱的宽高比当岩柱的宽高比B/h大于大于5时,岩柱强度将随着时,岩柱强度将随着B/h的增加
15、而显著增大;的增加而显著增大;当当B/h大于大于10时时,一般情况下岩柱不易破碎。,一般情况下岩柱不易破碎。一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律3 3)相邻巷道间合理距离)相邻巷道间合理距离巷道的合理间距巷道的合理间距D D由巷道宽度、巷道埋深、围岩强度、岩层倾角、巷道由巷道宽度、巷道埋深、围岩强度、岩层倾角、巷道与岩层走向的夹角五个因素决定,并按下式计算:与岩层走向的夹角五个因素决定,并按下式计算:式中,式中,a a1 1+a a2 2-相互影响的巷道总宽度,相互影响的巷道总宽度,m m;K K1 1-巷道相互影响系数,由表确定。巷道相互影响
16、系数,由表确定。巷道距离地表深度(m)平行巷道相互影响系数K1沿走向巷道围岩强度(Mpa)沿倾向巷道围岩强度(Mpa)30609012030609012012005.5443.532.321.83.42.92.41.717一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律3 3、构造应力对巷道稳定性的影响构造应力对巷道稳定性的影响1 1)构造应力)构造应力以水平应力为主,具有明显的方向性、区域性。以水平应力为主,具有明显的方向性、区域性。2 2)水平应力对巷道的影响:)水平应力对巷道的影响:薄层页岩岩层面滑移薄层页岩岩层面滑移厚层砂岩剪切、失稳冒落厚层砂岩剪
17、切、失稳冒落巷道顶板巷道顶板巷道底板巷道底板软岩(煤层)底臌、蠕变软岩(煤层)底臌、蠕变巷道两帮巷道两帮引起拉应力,破裂、鼓出、塌落引起拉应力,破裂、鼓出、塌落18一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律19一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律3 3)巷道布置的合理方向)巷道布置的合理方向原岩应力场一定时,通过计算不同巷道方向条件下巷道围岩应力的变化,原岩应力场一定时,通过计算不同巷道方向条件下巷道围岩应力的变化,分析巷道与构造应力之间方向夹角对巷道稳定性的影响关系,确定合理分析巷道与构造应力之间方
18、向夹角对巷道稳定性的影响关系,确定合理的巷道方向。的巷道方向。巷道轴向与构造应力成一定角度时,巷道轴向与构造应力成一定角度时,周边围岩应力计算简图周边围岩应力计算简图 巷道轴向平行、垂直构造应力条件下,周边围岩应力分布巷道轴向平行、垂直构造应力条件下,周边围岩应力分布(a)平行构造应力;()平行构造应力;(b)垂直构造应力)垂直构造应力20一、巷道围岩应力及变形规律一、巷道围岩应力及变形规律 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律21本讲提要本讲提要1.巷道巷道围岩岩应力及力及变形形规律律 2.受采受采动影响巷道影响巷道矿压显现规律律3.巷道巷道围岩控制原理岩控制原理 巷道矿压显现规律巷道矿压显现规
19、律巷道矿压显现规律二、受采动影响巷道矿压显现规律二、受采动影响巷道矿压显现规律(1)本煤层巷道)本煤层巷道(2)底板或顶板巷道)底板或顶板巷道(3)厚煤层中下分层以及相邻煤层中的煤层巷道)厚煤层中下分层以及相邻煤层中的煤层巷道采区巷道采区巷道采区内的准备巷道和回采巷道。采区内的准备巷道和回采巷道。含采区上下山,区段平巷、回风平巷及切眼、各种联络巷道含采区上下山,区段平巷、回风平巷及切眼、各种联络巷道采区巷道特点:采区巷道特点:(1)大部分属煤层巷道,围岩强度低;)大部分属煤层巷道,围岩强度低;(2)受开采影响大,巷道破坏严重;)受开采影响大,巷道破坏严重;(3)服务期限短,支护要求较低。)服务
20、期限短,支护要求较低。采区巷道变形与破坏形式:采区巷道变形与破坏形式:冒落、下沉、鼓帮、片帮、底臌、开裂冒落、下沉、鼓帮、片帮、底臌、开裂221.巷道位置类型(巷道与回采空间相对位置及采掘时间关系)巷道位置类型(巷道与回采空间相对位置及采掘时间关系)巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律1 1)区段巷道的布置方式)区段巷道的布置方式煤体煤体-煤体煤体1煤体煤体-煤柱(采稳)煤柱(采稳)1煤体煤体-煤柱(采动)煤柱(采动)2煤体煤体无煤柱(沿空掘巷)无煤柱(沿空掘巷)2煤体煤体无煤柱(留巷)无煤柱(留巷)232.2.区段巷道的位置和矿压显现规律区段巷道的位置和矿压显现规律二、受采动影响巷道矿压显现规律
21、二、受采动影响巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律2 2)巷道围岩变形量的构成)巷道围岩变形量的构成顶板下沉量、底板鼓起量、巷帮移近量、深部围岩移近量、巷道剩余断面面积。顶板下沉量、底板鼓起量、巷帮移近量、深部围岩移近量、巷道剩余断面面积。3 3)巷道围岩变形规律)巷道围岩变形规律巷道掘进影响阶段巷道掘进影响阶段掘进影响稳定阶段掘进影响稳定阶段 采动影响阶段采动影响阶段采动影响稳定区采动影响稳定区二次采动影响阶段二次采动影响阶段242.2.区段巷道的位置和矿压显现规律区段巷道的位置和矿压显现规律二、受采动影响巷道矿压显现规律二、受采动影响巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律巷道矿压显现
22、规律区段巷道矿压显现规律区段巷道矿压显现规律25(1 1)煤体)煤体-煤体巷道服务期间内,围岩的变形将经历巷道掘进影响、掘进影响煤体巷道服务期间内,围岩的变形将经历巷道掘进影响、掘进影响稳定和采动影响三个阶段。稳定和采动影响三个阶段。(2 2)煤体)煤体-煤柱或无煤柱(沿空掘巷煤柱或无煤柱(沿空掘巷-采动稳定)巷道服务期间,围岩的变形采动稳定)巷道服务期间,围岩的变形同样经历巷道掘进影响、掘进影响稳定和采动影响三个阶段(工作面前方采动同样经历巷道掘进影响、掘进影响稳定和采动影响三个阶段(工作面前方采动影响)。但是巷道整个服务期内,始终受相邻区段采空区残余支承压力的影响,影响)。但是巷道整个服务
23、期内,始终受相邻区段采空区残余支承压力的影响,三个影响阶段的围岩变形均大于煤体三个影响阶段的围岩变形均大于煤体-煤体巷道。煤体巷道。(3 3)煤体)煤体-煤柱或无煤柱(沿空留巷煤柱或无煤柱(沿空留巷-正采动)巷道服务期间,围岩的变形将正采动)巷道服务期间,围岩的变形将经历全部的五个阶段。围岩变形量远大于无采动及一侧采动稳定后巷道。经历全部的五个阶段。围岩变形量远大于无采动及一侧采动稳定后巷道。二、受采动影响巷道矿压显现规律二、受采动影响巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律26二、受采动影响巷道矿压显现规律二、受采动影响巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律4 4)厚煤层中
24、下分层区段巷道布置和矿压显现规律)厚煤层中下分层区段巷道布置和矿压显现规律 厚煤层中、下分层区段巷道相对本层工作面仍然厚煤层中、下分层区段巷道相对本层工作面仍然是煤体是煤体-煤体、煤体煤体、煤体-煤柱(采动稳定、正采动)、煤柱(采动稳定、正采动)、煤体煤体-无煤柱(采动稳定、正采动)三种布置方式。无煤柱(采动稳定、正采动)三种布置方式。中、下分层巷道如果位于上分层一侧已采的煤体中、下分层巷道如果位于上分层一侧已采的煤体附近,上分层煤体的支承压力,对下部分层巷道附近,上分层煤体的支承压力,对下部分层巷道会产生一定影响。它的影响程度与巷道和上分层会产生一定影响。它的影响程度与巷道和上分层煤体边缘之
25、间的水平距离有关。煤体边缘之间的水平距离有关。厚煤层中下分层区段巷道布置方式厚煤层中下分层区段巷道布置方式(a)在已稳定采空区下方)在已稳定采空区下方(b)在已稳定采空区下方靠近上分层护巷煤柱)在已稳定采空区下方靠近上分层护巷煤柱(c)在护巷煤柱下部)在护巷煤柱下部272.2.区段巷道的位置和矿压显现规律区段巷道的位置和矿压显现规律二、受采动影响巷道矿压显现规律二、受采动影响巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律28厚煤层分层区段巷道布置方式厚煤层分层区段巷道布置方式a、d重叠式;重叠式;b、e倾斜式;倾斜式;c内错式内错式1运输巷;运输巷;2回风巷;回风巷;a、b、c煤柱护巷;煤柱
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