(8)--7 巷道矿压显现规律.ppt
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1、第七章第七章巷道矿压显现规律巷道矿压显现规律矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制主要内容主要内容 7.1 巷道围岩应力及变形规律巷道围岩应力及变形规律7.2 受采动影响巷道矿压显现规律受采动影响巷道矿压显现规律7.3 巷道围岩控制原理巷道围岩控制原理矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制第一节第一节 巷道围岩应力及变形规律巷道围岩应力及变形规律 (一一一一)原原原原岩岩岩岩体体体体内内内内掘掘掘掘进进进进巷巷巷巷道道道道引引引引起起起起的围岩应力的围岩应力的围岩应力的围岩应力 巷道开掘后原岩应力重新巷道开掘后原岩应力重新巷道开掘后原岩应力重新巷道开掘后原岩应力重新分布,巷道围岩内出现应力集分布,
2、巷道围岩内出现应力集分布,巷道围岩内出现应力集分布,巷道围岩内出现应力集中。中。中。中。如果围岩应力小于岩体强如果围岩应力小于岩体强如果围岩应力小于岩体强如果围岩应力小于岩体强度,围岩仍处于弹性状态,围度,围岩仍处于弹性状态,围度,围岩仍处于弹性状态,围度,围岩仍处于弹性状态,围岩应力可用弹性力学方法按平岩应力可用弹性力学方法按平岩应力可用弹性力学方法按平岩应力可用弹性力学方法按平面应变问题计算。面应变问题计算。面应变问题计算。面应变问题计算。双向等压原双向等压原双向等压原双向等压原岩应力场内圆形巷道围岩应力岩应力场内圆形巷道围岩应力岩应力场内圆形巷道围岩应力岩应力场内圆形巷道围岩应力分布如图
3、分布如图分布如图分布如图7-17-1所示。所示。所示。所示。一、受采动影响巷道的围岩应力一、受采动影响巷道的围岩应力 图7-1 圆形巷道围岩弹性变形应力分布 如果围岩应力大于岩体强度,巷道围岩会产生塑性变如果围岩应力大于岩体强度,巷道围岩会产生塑性变如果围岩应力大于岩体强度,巷道围岩会产生塑性变如果围岩应力大于岩体强度,巷道围岩会产生塑性变形,从巷道周边向围岩深处扩展到一定范围,出现塑性形,从巷道周边向围岩深处扩展到一定范围,出现塑性形,从巷道周边向围岩深处扩展到一定范围,出现塑性形,从巷道周边向围岩深处扩展到一定范围,出现塑性变形区,成为变形区,成为变形区,成为变形区,成为弹塑性介质弹塑性介
4、质弹塑性介质弹塑性介质。在塑性区内圈(在塑性区内圈(在塑性区内圈(在塑性区内圈(A A)围岩强度明显削弱,低于原始应)围岩强度明显削弱,低于原始应)围岩强度明显削弱,低于原始应)围岩强度明显削弱,低于原始应力力力力HH,围岩发生破裂和位移称为,围岩发生破裂和位移称为,围岩发生破裂和位移称为,围岩发生破裂和位移称为破裂区破裂区破裂区破裂区,也叫卸载和也叫卸载和也叫卸载和也叫卸载和应应应应力降低区力降低区力降低区力降低区。塑性区外圈(。塑性区外圈(。塑性区外圈(。塑性区外圈(B B)的应力高于原始应力,它)的应力高于原始应力,它)的应力高于原始应力,它)的应力高于原始应力,它与弹性区内应力增高部分
5、均为与弹性区内应力增高部分均为与弹性区内应力增高部分均为与弹性区内应力增高部分均为承载区承载区承载区承载区,也称也称也称也称应力增高区应力增高区应力增高区应力增高区。再向围岩深部即为处于稳定状态的原始应力区。再向围岩深部即为处于稳定状态的原始应力区。再向围岩深部即为处于稳定状态的原始应力区。再向围岩深部即为处于稳定状态的原始应力区。图7-2 圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布 A破裂区;B塑性区;C弹性区;D原始应力区(二)(二)(二)(二)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 煤层开采过程破坏原岩应力场的平衡状态,引起应力煤层
6、开采过程破坏原岩应力场的平衡状态,引起应力煤层开采过程破坏原岩应力场的平衡状态,引起应力煤层开采过程破坏原岩应力场的平衡状态,引起应力重新分布。重新分布。重新分布。重新分布。对于受到采动影响的巷道,它的维护状况除了对于受到采动影响的巷道,它的维护状况除了对于受到采动影响的巷道,它的维护状况除了对于受到采动影响的巷道,它的维护状况除了受巷道所处位置的自然因素影响以外,主要取决于采动影受巷道所处位置的自然因素影响以外,主要取决于采动影受巷道所处位置的自然因素影响以外,主要取决于采动影受巷道所处位置的自然因素影响以外,主要取决于采动影响。煤层开采以后,采空区上部岩层重量将向采空区周围响。煤层开采以后
7、,采空区上部岩层重量将向采空区周围响。煤层开采以后,采空区上部岩层重量将向采空区周围响。煤层开采以后,采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支承点转移,从而在采空区四周形成支承压力带(图新的支承点转移,从而在采空区四周形成支承压力带(图新的支承点转移,从而在采空区四周形成支承压力带(图新的支承点转移,从而在采空区四周形成支承压力带(图7-37-3)。)。)。)。图图 7-3 采空区应力重新分布概貌采空区应力重新分布概貌11工作面前方超前支承压力工作面前方超前支承压力工作面前方超前支承压力工作面前方超前支承压力 ;2 2、33工作面倾斜方向残余支承压力;工作面倾斜方向残余支承压力;工作面倾斜方向残
8、余支承压力;工作面倾斜方向残余支承压力;44工作面后方采空区支承压力工作面后方采空区支承压力工作面后方采空区支承压力工作面后方采空区支承压力 工作面超前支承压力影响范围为工作面超前支承压力影响范围为工作面超前支承压力影响范围为工作面超前支承压力影响范围为404080m80m,支承压力峰,支承压力峰,支承压力峰,支承压力峰值位置距煤壁一般为值位置距煤壁一般为值位置距煤壁一般为值位置距煤壁一般为4 48m8m应力增高系数为应力增高系数为应力增高系数为应力增高系数为2 24 4。工作面倾工作面倾工作面倾工作面倾斜方向固定性支承压力影响范围一般为斜方向固定性支承压力影响范围一般为斜方向固定性支承压力影
9、响范围一般为斜方向固定性支承压力影响范围一般为151540m40m,支承压力,支承压力,支承压力,支承压力峰值位置距煤壁一般为峰值位置距煤壁一般为峰值位置距煤壁一般为峰值位置距煤壁一般为151520m20m,应力增高系数为,应力增高系数为,应力增高系数为,应力增高系数为2 23 3。相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相互叠加,称为互叠加,称为互叠加,称为互叠加,称为叠合支承压力叠合支承压力叠合支承压力叠合支承压力。例如,。例如,。例如,。例如,在上
10、下区段之间,上在上下区段之间,上在上下区段之间,上在上下区段之间,上区段采空区形成的残余支承压力与下区段工作面超前支承区段采空区形成的残余支承压力与下区段工作面超前支承区段采空区形成的残余支承压力与下区段工作面超前支承区段采空区形成的残余支承压力与下区段工作面超前支承压力叠加,在煤层向采空区凸出的拐角,形成很高的叠合压力叠加,在煤层向采空区凸出的拐角,形成很高的叠合压力叠加,在煤层向采空区凸出的拐角,形成很高的叠合压力叠加,在煤层向采空区凸出的拐角,形成很高的叠合支承压力,应力增高系数可达支承压力,应力增高系数可达支承压力,应力增高系数可达支承压力,应力增高系数可达5 57 7,有时甚至更高,
11、有时甚至更高,有时甚至更高,有时甚至更高(图图图图7-4)7-4)。图7-4 煤层凸出角处叠加支承压力(三)(三)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 煤层开采引起回采空间周围岩层应力重新分布,不仅煤层开采引起回采空间周围岩层应力重新分布,不仅在回采空间周围煤体(柱)上造成应力集中,还会在顶板在回采空间周围煤体(柱)上造成应力集中,还会在顶板与底板岩层内形成应力的重新分布。在底板岩层一定范围与底板岩层内形成应力的重新分布。在底板岩层一定范围内应力的重新分布,成为影响底板巷道布置和维护的重要内应力的重新分布,成为影响底板巷道布置和维护的重要因素。因素。煤层顶底板中支承压力集中程度
12、煤层顶底板中支承压力集中程度随距开采煤层距离的随距开采煤层距离的增加而降低。增加而降低。(a)一侧采空图7-5 三种典型的煤柱载荷作用下底板岩层的应力分布(b)两侧采空,煤柱宽)两侧采空,煤柱宽B图图7-5 三种典型的煤柱载荷作用下底板岩层的应力分布三种典型的煤柱载荷作用下底板岩层的应力分布(c c)两侧采空,煤柱宽)两侧采空,煤柱宽2B2B图图7-5 三种典型的煤柱载荷作用下底板岩层的应力分布三种典型的煤柱载荷作用下底板岩层的应力分布图图7-6 上部煤层采动遗留保护煤柱引起底板岩层内应力分布上部煤层采动遗留保护煤柱引起底板岩层内应力分布二、相邻巷道的应力分布及巷道间距的确定二、相邻巷道的应力
13、分布及巷道间距的确定(一)巷道围岩应力影响带(一)巷道围岩应力影响带 巷道开掘以后,巷道周围岩体内的应力重新分布。巷道开掘以后,巷道周围岩体内的应力重新分布。巷道围岩应力受扰乱巷道围岩应力受扰乱的区域称为的区域称为影响带影响带,一般以超过,一般以超过原岩应力值的原岩应力值的5作为影响带的边界。作为影响带的边界。如果相邻巷道的如果相邻巷道的应力影响带彼此不重叠,可应力影响带彼此不重叠,可以忽略巷道间的相互影响。以忽略巷道间的相互影响。如果相邻巷道的应力影响带彼此重叠,但没有到达相如果相邻巷道的应力影响带彼此重叠,但没有到达相邻巷道,可进行巷道围岩应力值的叠加。邻巷道,可进行巷道围岩应力值的叠加。
14、在静水压应力场中,巷道的应力影响区域形状为在静水压应力场中,巷道的应力影响区域形状为半径等于半径等于6r的圆(的圆(r为巷道断面半径)。为巷道断面半径)。在非静水压应在非静水压应在非静水压应在非静水压应力场中,巷道的应力影响区域形状不再是圆形,一般力场中,巷道的应力影响区域形状不再是圆形,一般力场中,巷道的应力影响区域形状不再是圆形,一般力场中,巷道的应力影响区域形状不再是圆形,一般为长轴不大于为长轴不大于为长轴不大于为长轴不大于12r12r的椭圆。的椭圆。的椭圆。的椭圆。因此,断面相同两圆形巷道的间距因此,断面相同两圆形巷道的间距D为:为:6rD12r 半径不同两圆形巷道的间距半径不同两圆形
15、巷道的间距D为:为:6RD6(rR)如果巷道周边形成塑性变形区,相邻巷道的应力如果巷道周边形成塑性变形区,相邻巷道的应力影响带不宜超过影响带不宜超过塑性变形区与弹性变形区的交界面塑性变形区与弹性变形区的交界面。(二)巷间岩柱的稳定性(二)巷间岩柱的稳定性 岩柱的稳定性主要取决于岩柱的岩柱的稳定性主要取决于岩柱的岩柱的稳定性主要取决于岩柱的岩柱的稳定性主要取决于岩柱的载荷载荷载荷载荷和和和和岩柱强度岩柱强度岩柱强度岩柱强度。当岩柱所承受的载荷超过岩柱的承载能力时,岩柱是不当岩柱所承受的载荷超过岩柱的承载能力时,岩柱是不当岩柱所承受的载荷超过岩柱的承载能力时,岩柱是不当岩柱所承受的载荷超过岩柱的承
16、载能力时,岩柱是不稳定的稳定的稳定的稳定的。P202P202 (三)相邻巷道间合理距离(三)相邻巷道间合理距离 我国煤矿目前采深条件下:我国煤矿目前采深条件下:大大巷巷间间的的距距离离以以2040m为为宜宜,围围岩岩较较稳稳定定时时取取小小值值,不不稳稳定定时时取取大大值值。在在浅浅部部和和坚坚硬硬围围岩岩以以及及在在急急倾倾斜斜煤煤层层条条件件下下,大大巷巷间间距距可可减减小小至至10m;在在深深部部和和松软围岩条件下,大巷间距可增大至松软围岩条件下,大巷间距可增大至50m。上上下下山山及及集集中中巷巷间间距距以以1530m为为宜宜,围围岩岩较较稳稳定定时时取取小小值值,不不稳稳定定时时取取
17、大大值值;在在浅浅部部和和坚坚硬硬围围岩岩以以及及在在急急倾倾斜斜煤煤层层条条件件下下,上上述述距距离离可可减减小小到到10m,在在深深部部和和松松软软围围岩岩以以及及厚厚煤煤层层内内,间间距距应应扩扩大大到到4050m。表7-2 巷道相互影响系数 前前前前苏联煤矿巷道合理布置保护和支护规程苏联煤矿巷道合理布置保护和支护规程苏联煤矿巷道合理布置保护和支护规程苏联煤矿巷道合理布置保护和支护规程规定:规定:规定:规定:D D(a a1 1a a2 2)K K1 1 a a1 1a a2 2相互影响的巷道总宽度,相互影响的巷道总宽度,相互影响的巷道总宽度,相互影响的巷道总宽度,mm K K1 1巷道
18、相互影响系数巷道相互影响系数巷道相互影响系数巷道相互影响系数三、构造应力对巷道稳定性的影响三、构造应力对巷道稳定性的影响 P203(一)构造应力(一)构造应力 构造应力的基本特点是以水平应力为主,具有明显的方向性和区域性。(二)水平应力对巷道稳定性的影响二)水平应力对巷道稳定性的影响 水平应力是影响巷道顶板冒落、底板臌起、两帮内挤的主要因素。顶板岩层在水平应力作用下可能出现两种破坏形式:一是薄层页岩类岩层沿层面滑移一是薄层页岩类岩层沿层面滑移;二是厚层的砂岩二是厚层的砂岩类岩层以小角度或沿小断层产生剪切,顶板失稳冒落。类岩层以小角度或沿小断层产生剪切,顶板失稳冒落。(三)合理的巷道布置方向(三
19、)合理的巷道布置方向(三)合理的巷道布置方向(三)合理的巷道布置方向 P203P203 巷道轴向与构造应力方向之间夹角不同,巷道围岩中巷道轴向与构造应力方向之间夹角不同,巷道围岩中巷道轴向与构造应力方向之间夹角不同,巷道围岩中巷道轴向与构造应力方向之间夹角不同,巷道围岩中水平应力集中程度就不同。水平应力集中程度就不同。水平应力集中程度就不同。水平应力集中程度就不同。因此,在构造应力影响较强烈因此,在构造应力影响较强烈因此,在构造应力影响较强烈因此,在构造应力影响较强烈的区域,要重视巷道布置方向,依靠正确调整巷道轴向与的区域,要重视巷道布置方向,依靠正确调整巷道轴向与的区域,要重视巷道布置方向,
20、依靠正确调整巷道轴向与的区域,要重视巷道布置方向,依靠正确调整巷道轴向与构造应力方向间的关系,削减构造应力对巷道围岩稳定性构造应力方向间的关系,削减构造应力对巷道围岩稳定性构造应力方向间的关系,削减构造应力对巷道围岩稳定性构造应力方向间的关系,削减构造应力对巷道围岩稳定性的影响。的影响。的影响。的影响。图图7-7 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 周边应围岩应力计算简图周边应围岩应力计算简图 图图7-8 7-8 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
21、应力 四、受采动影响巷道的围岩变形四、受采动影响巷道的围岩变形(一)巷道围岩变形量的构成(一)巷道围岩变形量的构成 巷道围岩变形量包括巷道顶板下沉量、底板臌起量、巷道围岩变形量包括巷道顶板下沉量、底板臌起量、巷帮移近量、深部围岩移近量以及巷道剩余断面积等。巷帮移近量、深部围岩移近量以及巷道剩余断面积等。(二)(二)巷道围岩变形规律巷道围岩变形规律 采准巷道从开掘到报废,经历采动造成的围岩应力重采准巷道从开掘到报废,经历采动造成的围岩应力重新分布过程,围岩变形会持续增长和变化。新分布过程,围岩变形会持续增长和变化。以受到相邻区以受到相邻区段回采影响的工作面回风巷为例,围岩变形要经历五个阶段回采影
22、响的工作面回风巷为例,围岩变形要经历五个阶段(图段(图7-9)。)。p204 图7-9 区段平巷围岩变形(1)巷道掘进影响阶段(2)无采掘影响阶段(3)采动影响阶段(4)采动影响稳定阶段(5)二次采动影响阶段表表表表7-3 7-3 采区平巷不同矿压显现带内顶、底板移近规律采区平巷不同矿压显现带内顶、底板移近规律采区平巷不同矿压显现带内顶、底板移近规律采区平巷不同矿压显现带内顶、底板移近规律一、巷道位置类型 根据巷道与回采空间相对位置及采掘时间关系的根据巷道与回采空间相对位置及采掘时间关系的根据巷道与回采空间相对位置及采掘时间关系的根据巷道与回采空间相对位置及采掘时间关系的不同不同不同不同,巷,
23、巷,巷,巷道位置可以分为以下几类:道位置可以分为以下几类:道位置可以分为以下几类:道位置可以分为以下几类:(1 1)本)本)本)本煤层巷道:煤层巷道:煤层巷道:煤层巷道:与回采空间在同一层面的巷道。与回采空间在同一层面的巷道。与回采空间在同一层面的巷道。与回采空间在同一层面的巷道。分析本煤层巷道位置时,仅考虑回采空间周围煤体上分析本煤层巷道位置时,仅考虑回采空间周围煤体上分析本煤层巷道位置时,仅考虑回采空间周围煤体上分析本煤层巷道位置时,仅考虑回采空间周围煤体上支承压力的分布规律,可作为平面问题处理。支承压力的分布规律,可作为平面问题处理。支承压力的分布规律,可作为平面问题处理。支承压力的分布
24、规律,可作为平面问题处理。第二节第二节 受采动影响巷道矿压显现规律受采动影响巷道矿压显现规律 (2)顶板巷道与底板巷道:)顶板巷道与底板巷道:与回采空间不在同一与回采空间不在同一层面,位于其下方的巷道,称底板巷道层面,位于其下方的巷道,称底板巷道;位于回采空位于回采空间所在层面上方的巷道,称顶板巷道。间所在层面上方的巷道,称顶板巷道。分析底板巷道分析底板巷道位置时,应该考虑回采空间周围底板岩层中应力分布位置时,应该考虑回采空间周围底板岩层中应力分布规律。规律。(3)厚煤层中、下分层以及相邻煤层中的煤层巷)厚煤层中、下分层以及相邻煤层中的煤层巷道,有可能同时受到本分层和上分层以及相邻煤层采道,有
25、可能同时受到本分层和上分层以及相邻煤层采面的采动影响。面的采动影响。分析这类巷道位置时,依据巷道与回分析这类巷道位置时,依据巷道与回采空间位置和采掘时间关系,综合考虑回采空间周围采空间位置和采掘时间关系,综合考虑回采空间周围煤体上支承压力和顶、底板岩层中应力的叠加影响。煤体上支承压力和顶、底板岩层中应力的叠加影响。二、区段巷道的位置和矿压显现规律二、区段巷道的位置和矿压显现规律(一)区段巷道的布置方式(一)区段巷道的布置方式区段巷道的布置方式一般有三种方式:区段巷道的布置方式一般有三种方式:区段巷道的布置方式一般有三种方式:区段巷道的布置方式一般有三种方式:(1 1)位位位位于于于于未未未未经
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