礦井深部巷道圍巖控制

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1、深部巷道圍巖控制1概述1.1背景和意義1.2“深部巷道”的概念1.3巖性與礦壓顯現(xiàn)2深部巷道圍巖控制的基本途徑2.1途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）2.2途徑二（改善巷道圍巖力學(xué)性能）2.3途徑三（提高巷道的支護(hù)阻力）2.4途徑四（優(yōu)化巷道斷面）3深部巷道圍巖控制的突出難點(diǎn)3.1深部巷道底鼓特征及控制原則3.2深部巷道蠕變特性及控制原則4控制技術(shù)匯總主要內(nèi)容1.概述隨著礦井開采深度、強(qiáng)度的增加，巖體應(yīng)力急劇增加，地溫升高，當(dāng)巖體應(yīng)力達(dá)到甚至超過巖石抗壓強(qiáng)度時(shí)，有關(guān)巖體力學(xué)科學(xué)與工程的若干問題由量變逐漸發(fā)生質(zhì)的變化，造成資源開采的極端困難，并引發(fā)礦井重大安全

2、事故危險(xiǎn)性增加，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。巷道維護(hù)困難已成為制約煤礦安全高效開采的瓶頸，巷道圍巖控制是煤礦開采中急待解決的關(guān)鍵問題之一。深部軟巖成為重點(diǎn)1.1背景和意義深部巷道與深井是兩個(gè)不同的概念。一般認(rèn)為：礦井深度大于800m為深井。而深部巷道是由礦井深度和巖性兩個(gè)因素決定。礦井巷道由淺部過渡到深部的深淺部界限稱為“極限深度”。圍巖單軸抗壓強(qiáng)度/MPa巷道極限深度/m<2015020~30300~40030~60650~750>60>1000極限深度以上支護(hù)簡單、易維護(hù)；以下則明顯困難。表1-1巷道極限深度表1.2“深部巷道”的概念垂直應(yīng)力(Brown

3、&Hoek,1978)開采深度巖層因自重引起的垂直應(yīng)力隨深度增加呈線性增大。1.3巖性與礦壓顯現(xiàn)水平應(yīng)力水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比(Brown&Hoek,1978)開采深度埋深≤1000m，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值大約為1.5-5.0埋深≥1000m，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值逐漸趨于集中，約為0.5-2.01.3巖性與礦壓顯現(xiàn)開采深度平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比我國地應(yīng)力測量結(jié)果1.3巖性與礦壓顯現(xiàn)主應(yīng)力數(shù)值/MPa與東西方向夾角/?與垂直方向夾角/?與南北方向夾角/??138.1326.5114.2100.1?228.3563.928.579.3?31.61

4、85.5104.114.8孫村礦地應(yīng)力測試結(jié)果1.3巖性與礦壓顯現(xiàn)測試地點(diǎn)水平標(biāo)高主應(yīng)力/MPaP1/P2/P3主應(yīng)力方向（夾角）/?xyz3213面－46016.55108198513.653071112.5-1.926787.5231215W（石門）－46316.074745101.511.7742.8132823.5187.77613.7協(xié)莊礦地應(yīng)力測試結(jié)果1.3巖性與礦壓顯現(xiàn)（1）塑性區(qū)、破碎區(qū)范圍顯著增加；（2)兩幫和頂、底角破碎區(qū)顯著增大，圍巖變形顯著增加；原因：水平應(yīng)力增加，兩幫煤軟，角部應(yīng)力集中。（3）底鼓嚴(yán)重；（4)持續(xù)蠕變。1.3巖性

5、與礦壓顯現(xiàn)2.深部巷道圍巖控制的基本途徑2.1影響巷道圍巖穩(wěn)定性的因素經(jīng)典的Kastner巷道圍巖特性曲線方程：式中：R－塑性區(qū)半徑；a－巷道半徑；P0－原巖應(yīng)力；Pi－支護(hù)阻力；c－巖石內(nèi)聚力；φ－巖石內(nèi)摩擦角；u0－巷道周邊位移；G－圍巖剪切模量。2.1影響巷道圍巖穩(wěn)定性的因素影響巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素有四：巷道所在位置的圍巖應(yīng)力（P0）、圍巖力學(xué)性能（c、φ、G）、支護(hù)阻力（Pi）和巷道斷面形式與尺寸，這也是控制巷道圍巖變形的4個(gè)主要技術(shù)途徑。050100150200250300350花崗巖石灰?guī)r砂巖砂頁巖頁巖巷道周邊彈塑性位移u0/MPacφ煤

6、2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）隨著巷道周邊圍巖應(yīng)力增加，巷道表面位移及塑性區(qū)范圍顯著增大，降低巷道圍巖應(yīng)力對保持巷道圍巖穩(wěn)定具有重要作用。改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)的主要技術(shù)途徑包括：合理布置巷道、巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移。（1）采動引起的應(yīng)力重新分布(高抽布置)圖2-1已采區(qū)及其兩側(cè)煤柱的應(yīng)力分布Ⅰ－－冒落帶；Ⅱ－裂隙帶；Ⅲ－變曲下圖4-1已采區(qū)及其兩側(cè)煤柱沉帶；A－原始應(yīng)力區(qū)；B1、B2－應(yīng)力增高區(qū)、C－應(yīng)力降低區(qū)；D－應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)2.2.1合理布置巷道時(shí)間、空間上減少巷道承受支承壓力影響；巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)；合理設(shè)計(jì)煤柱尺寸；考慮最大水平應(yīng)力的影響。2

7、.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）圖2-2留區(qū)段煤柱時(shí)回采空間垂直應(yīng)力等值線分布2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）2.2.1合理布置巷道（雙巷及迎采）圖2-3煤體與采空區(qū)交界處底板垂直應(yīng)力等值線分布圖2-4煤柱下方底板垂直應(yīng)力等值線分布2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）2.2.1合理布置巷道2.2基本途徑一（改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)）2.2.1合理布置巷道（2）巷道布置的原則：1）空間上盡量避免支承壓力的強(qiáng)烈影響、疊加影響和多次影響；時(shí)間上盡量縮短支承壓力影響時(shí)間。2）巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)或原巖應(yīng)力區(qū)。3）采用無煤柱開采，必須留煤柱時(shí)在保證煤

8、柱穩(wěn)定的條件盡可能小。4）如果需要留煤巷保護(hù)巷道，所留護(hù)巷煤柱尺寸應(yīng)使巷道不受支