回采巷道礦壓理論

1、2024/3/18,1,回采巷道礦壓理論,回采工作面周圍巷道是回采工作面通風(fēng)、行人、運(yùn)輸?shù)难屎?，同時受回采工作引起的覆巖運(yùn)動和支承壓力的作用，其維護(hù)狀況直接影響礦井正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。,根據(jù)礦山壓力分布及其顯現(xiàn)規(guī)律選擇回采工作面周圍巷道的合理位置，以盡可能地減輕采動影響，改善巷道維護(hù)狀況。,（1）選擇巷道開掘的合理位置和時間；（2）正確預(yù)計巷道圍巖變形量、確定初始工作斷面；（3）正確進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，包括確定支架對圍巖的工作狀態(tài)、選擇支

2、護(hù)類型和支護(hù)方式以及設(shè)計新型支架、計算支護(hù)密度。,2024/3/18,2,回采巷道礦壓理論,2024/3/18,3,回采巷道礦壓理論,8.1.2 煤體處于彈性狀態(tài)時巷道開掘位置和時間,（1）煤體邊緣處于彈性狀態(tài)條件下的沿空留巷方案,,圖8.1 煤體邊緣處于彈性變形狀態(tài)條件下留巷的圍巖狀況,基本頂在煤體邊緣裂斷，由基本頂回轉(zhuǎn)下沉造成的頂板下沉量??；煤體邊緣處于彈性變形狀態(tài)，由煤體變形引起的巷道頂板下沉量小、兩幫壓力??；支承壓力高峰在煤體邊

3、緣，巷道底膨量小。因此，在無內(nèi)應(yīng)力場條件下沿空留巷維護(hù)一般是比較容易的，特別是在有相應(yīng)的支護(hù)手段時，應(yīng)積極采用沿空留巷。,2024/3/18,4,回采巷道礦壓理論,（2）送巷開掘的位置和時間,在煤體邊緣處于彈性變形狀態(tài)的條件下，工作面兩側(cè)煤體上的支承壓力分布如圖8.2所示，上區(qū)段工作面后方支承壓力高峰在煤體邊緣，下區(qū)段工作面前方疊加支承壓力高峰仍在煤體邊緣或進(jìn)入煤體內(nèi)部。,,圖8.2 煤體邊緣處于彈性變形狀態(tài)條件下側(cè)向煤體上支承壓力分布

4、Ⅰ—上區(qū)段工作面后方側(cè)向煤體上支承壓力分布；Ⅱ—下區(qū)段工作推進(jìn)時疊加支承壓力分布（高峰在煤體邊緣）；Ⅲ—下區(qū)段工作面推進(jìn)時疊加支承壓力分布（高峰進(jìn)入體內(nèi)煤部）,在煤體邊緣處于彈性變形狀態(tài)條件下有三種可能送巷位置：沿空送巷（位置1）、小煤柱的送巷（位置2）和大煤柱送巷（位置3）。,2024/3/18,5,回采巷道礦壓理論,基本頂觸矸后沿空送巷是比較合理的。因為煤體邊緣處于彈性變形狀態(tài)，送巷引起的圍巖變形較小。,當(dāng)受本工作面回采影響時

5、，如果煤體邊緣由于疊加支承壓力的作用進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)，巷道圍巖變形量會急劇增加。但支承壓力高峰要向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，位置2的巷道將處于疊加支承壓力峰值區(qū)內(nèi)，勢必受到疊加壓力高峰影響，巷道圍巖同樣會進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)（巷道兩幫煤體處于單向受力狀態(tài)）、而且小煤柱可能失去穩(wěn)定性，因此巷道2的圍巖變形也會急劇增加。,巷道位置3在原始應(yīng)力區(qū)中，只受超前支承壓力作用，巷道圍巖變形量最小。但煤柱損失大，且給下部煤層開采帶來不利影響，尤其是深部開采和開采有沖

6、擊傾向性煤層更加不利。,2024/3/18,6,回采巷道礦壓理論,（a）基本頂觸矸前送巷 (b) 基本頂觸矸后送巷圖8.3 送巷時間對巷道頂板下沉的影響,沿空送巷如在基本頂觸矸前掘出，則巷道將由于基本頂回轉(zhuǎn)來壓而產(chǎn)生很大的頂板下沉（圖8.3（a））；在基本頂巖梁觸矸石后掘巷，則不受頂板顯著運(yùn)動的影響（圖8.3（b））。,2024/3/18,7,回采巷道礦壓理論,8.1.3 煤體邊緣進(jìn)入塑性狀態(tài)時

7、 巷道開掘位置和時間,圖（c），由于煤體邊緣進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)，支承壓力高峰進(jìn)入煤體內(nèi)部，基本頂巖梁從煤體內(nèi)部裂斷，因此，留巷的頂板下沉、底板膨起、兩幫移近都較大。沿空留巷在采空區(qū)頂板活動穩(wěn)定后將長期處于采空區(qū)邊緣的應(yīng)力降低區(qū)，只要巷道支護(hù)類型和支護(hù)方式得當(dāng)，即可達(dá)到改善巷道維護(hù)狀況的目的。,2024/3/18,8,回采巷道礦壓理論,沿空留巷的優(yōu)點：,①與送巷相比可以少掘一條巷道，從而大幅度降低巷道掘進(jìn)率，減少掘進(jìn)工程量和掘進(jìn)費(fèi)用；②可

8、以避免沿空掘巷需要滯后掘進(jìn)的缺點，從而保證回采工作在時間、空間上按各區(qū)段順序連續(xù)開采，有利于礦井集中生產(chǎn)，改善礦井采掘接替關(guān)系；③可以避免因地質(zhì)變化而造成的停采待掘現(xiàn)象，有利于提高工作面單產(chǎn)。,在適宜的支護(hù)技術(shù)水平和地質(zhì)條件下應(yīng)大力推廣沿空留巷，但應(yīng)根據(jù)圍巖性質(zhì)、煤層厚度、傾角等條件，選擇合理的巷內(nèi)支架和巷旁支護(hù)的類型及參數(shù)，對巷道進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，適當(dāng)加大掘進(jìn)斷面使巷道留有一定的備用收縮量。,另外，對沿空留巷要盡快加以復(fù)用，以改善維護(hù)狀

9、況，提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。,2024/3/18,9,回采巷道礦壓理論,不同送巷位置和時間時的礦壓顯現(xiàn)與護(hù)巷效果,內(nèi)應(yīng)力場穩(wěn)定后，在內(nèi)應(yīng)場中送巷時，巷道圍巖在應(yīng)力重新分布過程中會有明顯變形，但隨掘出的時間延長按負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減，一般經(jīng)過10天左右變形速度就趨向穩(wěn)定。,圖8.5 回風(fēng)平巷在內(nèi)應(yīng)力場中送巷的圍巖變形,圖8.6 1100區(qū)段平巷受回采影響的圍巖變形,2024/3/18,10,回采巷道礦壓理論,,圖8.7 潞安五陽礦送巷的幾種位置,

10、例2：潞安礦務(wù)局五陽煤礦的護(hù)巷實踐證明了上述關(guān)于煤層巷道位置的分析結(jié)果。該礦通過回采工作面動態(tài)礦壓觀測，摸清了回采工作面基本頂沿傾向的運(yùn)動特征，其運(yùn)動穩(wěn)定后的狀況如圖8.7所示。其中基本頂?shù)谝粠r梁厚度4m，裂斷步距10m，裂斷線距煤壁距離（內(nèi)應(yīng)力場范圍）4.5m，直接頂厚度5m，采高2m。,該礦曾先后采用不同尺寸的煤柱護(hù)巷，如圖8.7中位置1、2、3所示，煤柱尺寸分別為10m、15m、8m，這三個位置的巷道位于外應(yīng)力場峰值區(qū)附近，均難以

11、維護(hù)，在使用中一般需要翻修1～2次，最后留2m小煤柱。即在內(nèi)應(yīng)力場中的位置4送巷效果很好。,2024/3/18,11,回采巷道礦壓理論,8.1.4 厚煤層中、下分層巷道開掘位置和時間,（1）送巷的位置和時間,,①在上分層已穩(wěn)定附近無煤柱影響的采空區(qū)下方送巷,巷道處于靜壓狀態(tài)，只受本分層工作面回采時超前壓力的作用。若圍巖為中等穩(wěn)定以上，其維護(hù)狀況一般都較好。峰峰、平頂山等礦區(qū)的實踐表明，這種巷道在掘進(jìn)過程中引起的圍巖變形一般為60mm左右

12、。,2024/3/18,12,圖8.9 厚煤層中下分層送巷方式a—在上分層已穩(wěn)定附近無煤柱影響的采空區(qū)下方送巷；b—在上分層一側(cè)采空的煤體邊緣附近送巷；c—在上分層兩側(cè)采空的煤柱邊緣附近送巷；d—在本分層煤體邊緣送巷,2024/3/18,13,回采巷道礦壓理論,,圖8.10 厚煤層中下分層巷道圍巖變形1—位于上分層已穩(wěn)定的采空區(qū)下方；2—位于上分層一側(cè)采空的煤柱邊緣下方,如圖8.10所示，受采動影響期間圍巖變形速度一般為0.8

13、mm/d～1.0mm/d，受采動影響的圍巖變形量120mm左右。巷道整個服務(wù)期間的變形量一般為200 mm～400mm，單位維修費(fèi)為40元/（m·a）～60元/（m·a）。,2024/3/18,14,回采巷道礦壓理論,②在上分層一側(cè)采空的煤柱邊緣附近送巷,上分層工作面基本頂顯著運(yùn)動結(jié)束后，上分層煤體邊緣至基本頂觸矸點之間的下分層煤體只受垮落矸石重量的作用，不再受頂板活動的動力作用，垂直方向和水平方向均處于卸壓狀態(tài)。送

14、巷后將一直處于卸壓狀態(tài)，變形量較小。,2024/3/18,15,回采巷道礦壓理論,③上分層兩側(cè)采空的煤柱邊緣附近送巷,上分層兩側(cè)采空的煤柱（寬度不太大）上必然作用著較大的支承壓力，受下分層回采影響后煤柱上的支承壓力又會升高。由于煤柱上強(qiáng)大的支承壓力影響，沿煤柱邊緣下方掘進(jìn)的下分層巷道周圍煤體穩(wěn)定性極差，不但具有較大的頂壓，而且側(cè)壓也很大，底膨非常嚴(yán)重。,2024/3/18,16,回采巷道礦壓理論,,圖8.12 陽泉丈八煤中下分層巷道圍巖

15、變形1—上分層煤柱寬度B=20m；2—B=3~5m實線—頂?shù)装逑鄬σ平?；虛線—兩幫相對移近,這類巷道受本工作面采動影響前，圍巖變形速度高達(dá)3～4mm/d，受采動影響后增長到10～20mm/d。受工作面采動影響的圍巖變形量高達(dá)300～400mm，整個服務(wù)期間的圍巖變形量經(jīng)常超過1000mm，維修費(fèi)達(dá)200元/m·a以上，比附近無上分層煤柱影響的中下分層巷道要高2～3倍。,即使煤柱寬度達(dá)到40～50m，煤柱邊緣附近的中下分層

16、巷道狀況也難以得到明顯改善。可見，厚煤層分層開采時，上分層遺留煤柱對中下分層巷道維護(hù)是不利的。,2024/3/18,17,回采巷道礦壓理論,④在本分層（中下分層）煤體邊緣送巷,由于中下分層煤體邊緣受上分層工作面和本分層相鄰工作面回采影響，煤體邊緣處于高卸壓狀態(tài)，上覆巖層顯著運(yùn)動后沿空掘巷應(yīng)力擾動很小。峰峰、平頂山、鶴崗等礦區(qū)的實踐表明，沿空掘巷維護(hù)比較容易，比上分層沿空掘巷的效果更為顯著。,中下分層在內(nèi)應(yīng)力場中留小煤柱送巷的效果不如上分

17、層留小煤柱送巷。中下分層煤體受多次采動影響，送巷后削弱了煤體的支撐能力，煤體將處于塑性流動狀態(tài)，巷道圍巖變形量很大，支護(hù)難以適應(yīng)圍巖變形，巷道支護(hù)常常在架設(shè)后不久遭到損壞。因此，建議進(jìn)行沿空送巷。,2024/3/18,18,回采巷道礦壓理論,8.2 巷道圍巖變形量預(yù)計,8.2.1 巷道圍巖變形過程,（1）沿空留巷的圍巖變形,在整個服務(wù)期間其圍巖變形過程可分為七個階段（如右圖所示）。,Ⅰ.在煤體內(nèi)開掘巷道后，破壞了原始應(yīng)力狀態(tài)，巷道圍巖出

18、現(xiàn)應(yīng)力集中，在圍巖塑性破壞發(fā)展過程中，巷道周邊發(fā)生顯著移近。隨著掘進(jìn)時間延長，圍巖移近速度將逐漸降低。Ⅱ.掘巷引起的應(yīng)力重新分布趨向穩(wěn)定后，由于煤層一般具有流變性質(zhì)，巷道圍巖仍保持一定變形速度。Ⅲ.在上區(qū)段工作面超前支承壓力作用下，圍巖塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，圍巖變形增長較快。,2024/3/18,19,回采巷道礦壓理論,Ⅳ.在工作面后方巖梁斷裂前彎曲下沉及巖梁斷裂后顯著運(yùn)動過程中，基本頂巖梁運(yùn)動迫使巷道頂板快速下沉，將造成很大的下沉量。

19、Ⅴ.在基本頂觸矸后，隨著采空區(qū)矸石壓實，巷道圍巖移近速度逐漸趨于穩(wěn)定。Ⅵ.回采引起的頂板活動和應(yīng)力分布趨向穩(wěn)定后，巷道圍巖保持一定的流變速度。Ⅶ.受下區(qū)段工作面回采影響時，由于支承壓力疊加使煤柱塑性區(qū)顯著增大，引起巷道圍巖變形。,,2024/3/18,20,回采巷道礦壓理論,留巷在整個服務(wù)期間的圍巖變形量為：,,2024/3/18,21,回采巷道礦壓理論,（2）沿空送巷,基本頂觸矸后在內(nèi)應(yīng)力場中送巷，巷道只受采空區(qū)矸石壓縮和下區(qū)段

20、工作面回采的影響，其變形量為：,,2024/3/18,22,回采巷道礦壓理論,8.2.2 巷道圍巖變形量預(yù)計,通過實測確定基本頂巖梁運(yùn)動特征參數(shù)，特別是端部裂斷位置和采空區(qū)觸矸位置，即可對留巷的主要變形量作出預(yù)計。,,圖8.14 留巷受頂板運(yùn)動影響的狀況,圖8.14滿足以下關(guān)系：,,,則：,,2024/3/18,23,回采巷道礦壓理論,壓實矸石過程中的巷道變形u3為 ：,受頂板活動影響造成的總變形量：,,2024/3/18,24,回采

21、巷道礦壓理論,8.2.3 影響巷道圍巖變形量的因素,（1）地質(zhì)因素,①頂板條件 基本頂巖梁的運(yùn)動情況對留巷的頂板下沉量影響很大，基本頂巖梁懸跨度愈小，端部斷裂線進(jìn)入煤體內(nèi)部的距離愈大（內(nèi)應(yīng)力場范圍愈大），則沿空留巷的頂板下沉量也愈大。,②底板條件 底板巖性對底膨量的影響很大，特別是開采深度較大時這種影響更明顯。底板巖性愈差，底膨量愈大，底膨量占頂?shù)装逡平康谋壤罡吣苓_(dá)到60%～70%。,③開采深度 開采深度大，支承壓力也大，煤體

22、塑性破壞范圍就越大。,巷道頂板下沉量、底膨量、兩幫移近量都隨開采深度增大而增加。大深度開采時巷道礦壓控制越來越困難就是這個道理。,2024/3/18,25,回采巷道礦壓理論,（2）開采因素,①巷道開掘的位置和時間,巷道開掘的位置和時間不同，變形量也不同。巖梁觸矸后在內(nèi)應(yīng)力場中送巷，不受頂板劇烈活動的影響，且避免了高應(yīng)力的作用，是較合理的。,②支護(hù)阻力的大小,支護(hù)阻力在一定程度上對圍巖變形起著限制作用。在基本頂處于給定變形狀態(tài)時，支護(hù)阻力

23、使直接頂與基本頂貼緊，并保持其穩(wěn)定性，可以減少巷道變形量。采用強(qiáng)力的巷旁支護(hù)對巷道頂氏板移近能得到一定的控制效果。,增大支護(hù)對煤幫的側(cè)向工作阻力，可減小煤體塑性破壞區(qū)，從而取得減少頂?shù)装搴蛢蓭鸵平男Ч?2024/3/18,26,回采巷道礦壓理論,③采高,巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平颗c采高成線性關(guān)系增加。,④巷道寬度,留巷的頂板下沉一巷道寬度成線性增長。,淮北楊莊礦沿空留巷寬度2.9m時，在工作面手方要進(jìn)行翻修，將寬度縮小到2.2m后有效地

24、改善了維護(hù)狀況。平頂山、銅川等礦區(qū)的實踐經(jīng)驗都證實留巷應(yīng)盡量減小寬度，以利于維護(hù)。,⑤巷道高度,頂?shù)装逡平颗c高度成線性關(guān)系增長。,2024/3/18,27,回采巷道礦壓理論,8.3 回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方法,8.3.1 分類的依據(jù),（1）影響煤巷圍巖穩(wěn)定性的因素,煤巷圍巖穩(wěn)定性受多種因素的影響，它不僅取決于地質(zhì)因素，同時也取決于生產(chǎn)技術(shù)因素。巷道圍巖變形是其穩(wěn)定性的反映，是多種因素綜合影響的結(jié)果。,影響煤巷圍巖穩(wěn)定性的因素主要有巷道

25、圍巖狀況、地應(yīng)力、開采影響等方面。,①巷道圍巖強(qiáng)度,較軟弱的圍巖容易產(chǎn)生變形和破壞，巷道的維護(hù)比較困難；與此相反，較堅硬的圍巖就不易變形和破壞，巷道容易維護(hù)。,2024/3/18,28,回采巷道礦壓理論,,,,,圖8.15 巷道圍巖移近率與圍巖強(qiáng)度同自重應(yīng)力之比的關(guān)系（巷道一側(cè)采空）,圖8.16 巷道圍巖移近率與圍巖強(qiáng)度同自重應(yīng)力之比的關(guān)系（巷道兩側(cè)為實體煤）,2024/3/18,29,回采巷道礦壓理論,,,圖8.17 頂?shù)装逡平?/p>

26、與圍巖強(qiáng)度的關(guān)系（巷道一側(cè)采空）,圖8.18 頂?shù)装逡平逝c圍巖強(qiáng)度的關(guān)系（巷道兩側(cè)為實體煤）,2024/3/18,30,回采巷道礦壓理論,巷道一側(cè)采空時,,巷道兩側(cè)為實體煤時,式中： H—巷道埋藏深度，m。,2024/3/18,31,回采巷道礦壓理論,地應(yīng)力是引起圍巖變形和破壞的根本作用力。在生產(chǎn)實踐中，掘進(jìn)巷道的投資、巷道參數(shù)的設(shè)計及巷道的維護(hù)，在很大程度上取決于地應(yīng)力的大小。因此，在考慮巷道圍巖穩(wěn)定性時，地應(yīng)力是不可忽視的一個

27、因素。,,,圖8.19 不同圍巖頂?shù)装逡平逝c巷道埋深的關(guān)系（巷道一側(cè)采空）,圖8.20 不同圍巖頂?shù)装逡平逝c巷道埋深的關(guān)系（巷道兩側(cè)為實體煤）,2024/3/18,32,回采巷道礦壓理論,③巖體完整性,一般巖體都程度不同地含有地質(zhì)弱面和構(gòu)造，比如層理、節(jié)理、裂隙、斷層主褶皺等，這將降低巖體的強(qiáng)度。把反映地質(zhì)弱面和構(gòu)造的程度稱為巖體完整性（以巖體完整性指數(shù)表示）。顯然，在節(jié)理裂隙不發(fā)育、構(gòu)造少、完整性好的巖體中，巷道圍巖穩(wěn)定性就好

28、，反之，則較差。,,,圖8.21 頂板垮落高度與裂隙數(shù)目的關(guān)系,圖8.22 垮落巖石量與50m厚頂板巖層分層厚度的關(guān)系,2024/3/18,33,回采巷道礦壓理論,頂板垮落狀況與頂板裂隙和分層厚度有密切關(guān)系，即頂板垮落高度隨頂板裂隙數(shù)目和分層數(shù)目的增加而增加。,直接頂初次垮落步距與節(jié)理裂隙間距及分層厚度有密切關(guān)系。直接頂初次垮落步距可以作為反映巖體完整性的一個綜合指標(biāo)，它能映頂板結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的影響。,,圖8.23 直接頂初次垮落步距同節(jié)理

29、裂隙間距、分層厚度的關(guān)系,2024/3/18,34,回采巷道礦壓理論,④開采影響,直接頂厚度與采高的比值（N）可以反映基本頂來壓的強(qiáng)度，即在同樣基本頂條件下，N值越大，基本頂來壓強(qiáng)度越小，反之亦然。一般，當(dāng)N≥4時，基本頂?shù)目迓浜湾e動對巷道維護(hù)狀況無多大影響；當(dāng)N＜4時，基本頂活動的影響就比較顯著。,巷道圍巖變形率與煤柱寬度的典型曲線如圖8.24所示，關(guān)系可表示為：,,2024/3/18,35,回采巷道礦壓理論,8.3.2 分類指標(biāo),分

30、類指標(biāo)取值的方法：,圍巖強(qiáng)度是指圍巖的單向抗壓強(qiáng)度，單位為MPa。頂板強(qiáng)度取相當(dāng)1.5倍巷道寬度的頂板范圍內(nèi)的各巖層強(qiáng)度的加權(quán)平均值，底板強(qiáng)度取1倍巷道寬度的底板范圍內(nèi)各巖層強(qiáng)度的加權(quán)平均值。分層開采時上分層巷道的底板強(qiáng)度就是煤層強(qiáng)度。,（2）埋藏深度（H）,2024/3/18,36,回采巷道礦壓理論,（3）巖體完整性指數(shù)（D）,以直接頂初次垮落步距（L）表示，單位為m。,對生產(chǎn)礦井，L取值可參考同一煤層其他工作面直接頂初次垮落步距值。

31、對于未開采煤層和新建礦井，L值可按巖性與強(qiáng)度特征確定。,（4）直接頂厚度與采高比值（N）,（5）護(hù)巷煤柱寬度（X）,護(hù)巷煤柱寬度（X）是指順槽一側(cè)的實際煤柱寬度，單位為m。當(dāng)巷道兩側(cè)為實體煤時，取X=100m；當(dāng)無煤柱護(hù)巷時，取X=0。,2024/3/18,37,回采巷道礦壓理論,8.2.3 分類方法,①分類指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理,表8.3 原始數(shù)據(jù)處理結(jié)果,2024/3/18,38,回采巷道礦壓理論,②數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的目的主要是

32、消除分類指標(biāo)量綱及絕對值大小之間差別的影響。,（a）無量綱化,,（b）將數(shù)據(jù)壓縮到0與1之間，計算公式為,,2024/3/18,39,回采巷道礦壓理論,③分類指標(biāo)加權(quán)處理,加權(quán)的具體實施方法，就是在各指標(biāo)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)上乘以相應(yīng)的權(quán)值。權(quán)值是采用多元回歸分析法確定的。,表8.4 分類指標(biāo)的權(quán)值,④標(biāo)定,標(biāo)定就是計算出衡量被分類對象間相似程度的統(tǒng)計量rij,⑤聚類,2024/3/18,40,回采巷道礦壓理論,（2）分類結(jié)果,將巷道圍

33、巖穩(wěn)定性分為非常穩(wěn)定（Ⅰ）、穩(wěn)定（Ⅱ）、中等穩(wěn)定（Ⅲ）、不穩(wěn)定（Ⅳ）及極不穩(wěn)定（Ⅴ）5類。,（3）巷道類別的識別,識別是在用模糊聚類分析方法對巷道穩(wěn)定性分類的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。根據(jù)分類的結(jié)果，確定出5個類別的標(biāo)準(zhǔn)樣本（聚類中心），以此作為模式，將待識別巷道與各個類別模式作比較，確定出待識別巷道的類別。巷道類別識別采用模糊綜合評判方法。,2024/3/18,41,回采巷道礦壓理論,表8.5 各指標(biāo)線性化后的聚類中心,2024/3/18,42,

34、回采巷道礦壓理論,8.4 回采巷道支護(hù)設(shè)計,8.4.1 巷道支架對圍巖的工作狀態(tài),圖8.25 上覆巖層在工作面?zhèn)认虻倪\(yùn)動狀況,為避免由于基本頂顯著運(yùn)動給巷道造成很大的頂板下沉量，應(yīng)在基本頂觸矸后送巷，此時巷道支護(hù)對基本頂只能采取給定變形的工作狀態(tài)。,沿空留巷上方基本頂顯著運(yùn)動時，在傾斜方向不能形成三鉸拱結(jié)構(gòu)，其懸跨度較大，沿空留巷要經(jīng)歷整個覆巖運(yùn)動發(fā)展至穩(wěn)定的全過程。因此，沿空留巷的支護(hù)不可能對基本頂運(yùn)動的最終位態(tài)加以限制，采取給定變形

35、的工作狀態(tài)。,巷道支護(hù)對基本頂起到給定變形的作用，即要以足夠的阻力對直接頂?shù)倪\(yùn)動加以限制，保證直接頂與基本頂貼緊，避免出現(xiàn)離層現(xiàn)象，減少圍巖變形量；同時使直接頂保持較好的穩(wěn)定性，保證安全生產(chǎn)。,2024/3/18,43,回采巷道礦壓理論,8.4.2 支護(hù)選擇,（1）木支護(hù),木材支架的特點是重量輕、加工容易、對巷道條件變化的適應(yīng)性較強(qiáng)，但強(qiáng)度低、不耐久、不防火。木材支架一般允許圍巖相對移近200mm左右，不適用于圍巖變形大、淋水、服務(wù)時間

36、長的巷道，對易于自燃的煤層也不宜采用。新建礦井一般禁止采用木支護(hù)。,2024/3/18,44,回采巷道礦壓理論,（2）拱形及環(huán)形可縮性金屬支架,圖8.26 拱形和環(huán)形金屬可縮性支架結(jié)構(gòu)形式,金屬支架承載能力大，可多次復(fù)用，具有較大的可縮量，是受采動影響的巷道支護(hù)改革的主要方向之一。拱形可縮性支架是應(yīng)用最廣的一種形式。,拱形和環(huán)形可縮性金屬支架通常采用多種型鋼制造，其斷面形狀有U型、工字型、鐘型等幾種。U型鋼有較好的抗彎、抗扭性能，容易制

37、造成弧形搭接式可縮性連接構(gòu)件，使用效果較好，國內(nèi)外均普遍應(yīng)用。,制造可縮性支架的型鋼重量一般為18~42kg/m，隨著開采深度增加，趨向于采用重量更大的型鋼。我國所用的型鋼重量多為18、25、29kg/m的三種。,2024/3/18,45,回采巷道礦壓理論,（3）梯形金屬支架,梯形支架掘進(jìn)施工簡便，斷面利用率高，有利于保持頂板完整性，巷道與工作面連接處支護(hù)作業(yè)簡單，但支架承載能力較小。因此，梯形支架通常適用于開采深度不大、斷面小、壓力不

38、太大的巷道。,梯形支架有剛性和可縮性兩種。剛性梯形支架通常為工字鋼或槽鋼制成，適用于圍巖變形較小的巷道。為適應(yīng)圍巖變形較大的巷道，國內(nèi)外已研制成功梯形可縮性支架。,（4）錨桿支護(hù),圖8.27 煤層巷道錨桿支護(hù)1—頂板金屬錨桿；2—煤幫中木錨桿,2024/3/18,46,回采巷道礦壓理論,為提高錨桿支護(hù)效果，防止煤巖松動冒落和片幫，安設(shè)錨桿時常采用笆片、金屬網(wǎng)、托板等進(jìn)行護(hù)頂、護(hù)幫，或采取噴漿措施。,錨桿支護(hù)的可靠性和支護(hù)效果與錨固力大

39、小和圍巖性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。通常，在大多數(shù)煤層的圍巖中，錨固力約為70 kN ~120kN，在煤體中約為30 kN ~60KN。為改善錨桿的工作性能，發(fā)展起來的承載快、錨固力大的樹脂錨桿，它能根據(jù)需要將錨桿端部或其全長與煤巖體粘接在一起。,近年來國外已研制出一些可縮量大的錨桿，如摩擦滑動錨桿和可伸長滑動錨桿。這類錨桿具有特殊結(jié)構(gòu)的錨頭，當(dāng)錨桿承受拉力時，能在保持恒定工作阻力的情況下沿鉆孔滑動較長距離，從而獲得較大的縮量。,2024/3/1

40、8,47,回采巷道礦壓理論,8.4.3 支護(hù)方式確定的原則,（1）采用聯(lián)合支護(hù)方式,①采用錨桿和棚子聯(lián)合支護(hù),錨桿可以起到加固圍巖、提高圍巖身身的承載能力和穩(wěn)定性的積極作用，減少圍巖的破壞范圍和巷內(nèi)支架的負(fù)擔(dān)，從而達(dá)到更好的控制效果。,②巷內(nèi)永久加強(qiáng)支護(hù),當(dāng)巷道寬度較大時，為提高梯形或拱形支架的承載能力，可以在原有支架的基礎(chǔ)上設(shè)中柱或偏心柱。,③巷內(nèi)臨時加強(qiáng)支護(hù),在工作面前方受采動影響較明顯處開始架設(shè)臨時支護(hù)，到工作面后方基本頂顯著運(yùn)動

41、結(jié)束后拆除，可以取得明顯的控制效果。,2024/3/18,48,回采巷道礦壓理論,圖8.28 巷內(nèi)支架與臨時加強(qiáng)支護(hù)、巷旁支護(hù)聯(lián)合支護(hù)方式1—巷內(nèi)基本支架；2—巷內(nèi)臨時加強(qiáng)支架；3—巷旁支架,④巷內(nèi)支架和巷旁支護(hù)聯(lián)合支護(hù)（圖8.28）,（2）保持良好的支架工作狀態(tài),支架的使用效果與掘巷工程質(zhì)量和支護(hù)質(zhì)量有關(guān)。如支架壁后充填、背幫不好，造成巷道空幫空頂，支架受力不均，承載能力將大大降低。,2024/3/18,49,回采巷道礦壓理論,8.

42、4.4 煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計方法,（1）錨桿支護(hù)理論現(xiàn)狀,①懸吊理論,懸吊理論認(rèn)為錨桿支護(hù)的作用就是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)固的巖層上。,圖8.29 懸吊理論示意圖,錨桿的懸吊作用主要取決于所懸吊的巖層的厚度、層數(shù)及巖層彎曲時相對的剛度與彈性模量，還受錨桿長度、密度及強(qiáng)度等因素的影響。這一理論提出的較早，滿足其前提條件時，有一定的實用價值。但是大量的工程實踐證明，即使巷道上部沒有穩(wěn)固的巖層，錨桿亦能發(fā)揮支護(hù)作用。例如，在全煤巷道中，

43、錨桿就錨固在煤層中也能達(dá)到支護(hù)的目的，說明這一理論有局限性。,2024/3/18,50,回采巷道礦壓理論,②組合梁理論,圖8.30 組合梁理論示意圖,組合梁理論認(rèn)為巷道頂板中存在著若干分層的層狀頂板，可看作是由巷道兩幫作為支點的一種梁，這種巖梁支承其上部的巖層載荷，如圖所示。,使用錨桿將各層“裝訂”成一個整體的組合梁，防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象。在上覆巖層荷載作用下，這種較厚的組合梁比單純的迭加梁，其最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力將

44、大大減小，撓度亦減小。而且各層間摩擦阻力愈大，整體強(qiáng)度愈大，補(bǔ)強(qiáng)效果愈好。,2024/3/18,51,回采巷道礦壓理論,③組合拱理論,圖8.31組合拱理論示意圖,在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中，安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果沿巷道周邊布置的錨桿間距足夠小，各個錨桿的壓應(yīng)力維體相互交錯，這樣使巷道周圍的巖層形成一種連續(xù)的組合帶（拱）。,④最大水平應(yīng)力理論,,巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力影響，且有三個特點：①與最大

45、水平應(yīng)力平行的巷道受水平應(yīng)力影響最小，頂?shù)装宸€(wěn)定性最好；②與最大水平應(yīng)力呈銳角相交的巷道，其頂板變形破壞偏向巷道某一幫；③與最大水平應(yīng)力垂直的巷道，頂?shù)装宸€(wěn)定性最差,圖8.32 不同巷道布置方向的應(yīng)力效應(yīng),2024/3/18,52,回采巷道礦壓理論,⑤全長錨固中性點理論,圖8.33 錨桿受力曲線,由東北大學(xué)王明恕教授等提出的。該理論認(rèn)為在靠近巖石壁面部分（錨桿尾部），錨桿阻止圍巖向壁面變形，剪力指向壁面。在圍巖深處（錨桿頭部），圍巖阻止

46、錨桿向壁面方向移動。錨桿上的剪力指向相背的分界點，稱為中性點，該點處剪應(yīng)力為零，軸向拉應(yīng)力為最大。由中性點向錨桿兩端剪應(yīng)力逐漸增大，軸向拉應(yīng)力逐漸減少。,2024/3/18,53,回采巷道礦壓理論,⑥松動圈理論,由中國礦業(yè)大學(xué)董方庭教授提出 。,圍巖松動圈的存在是巷道固有的特性，它的范圍大?。ê穸戎礚）目前可以用聲波儀或者多點位移計等手段進(jìn)行測定。巷道支護(hù)的主要對象是圍巖松動圈產(chǎn)生、發(fā)展過程中產(chǎn)生的碎脹變形力，錨桿承受拉力的來源在于松動

47、圈的發(fā)生、發(fā)展；并根據(jù)圍巖松動圈厚度值的大小，將其分為小、中、大三類。,⑦圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論,（a）巖體經(jīng)錨桿錨固后，其峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均得到提高，隨著錨桿布置密度的增加，強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)逐漸增大，錨桿布置密度一定時，錨桿對巖體殘余強(qiáng)度的強(qiáng)化程度大于對巖體的峰值強(qiáng)度的強(qiáng)化程度。,2024/3/18,54,回采巷道礦壓理論,（c）利用錨桿支護(hù)，可以提高錨固區(qū)域巖體的強(qiáng)度，可以有效的減小巷道圍巖塑性區(qū)，破碎區(qū)半徑及巷道表面位移，保持巷道圍巖穩(wěn)定

48、。,⑧錨固力與圍巖變形量關(guān)系理論,⑨錨固平衡拱理論,2024/3/18,55,回采巷道礦壓理論,（2）采動影響的定量評價方法,①煤柱尺寸與巷道圍巖變形的關(guān)系,圖8.34 陽泉丈八煤上分層回采巷道一側(cè)采動影響期間的圍巖變形與煤柱寬度的關(guān)系,煤柱寬度與巷道圍巖變形之間并非簡單的線性關(guān)系。,巷道圍巖變形與護(hù)巷煤柱寬度之間明顯地呈現(xiàn)三個區(qū)域：第一為隨著煤柱寬度增加，巷道圍巖變形衰減平緩的區(qū)域CD（圖中煤柱寬度20 m ~30m以上的區(qū)域）；,

49、第二為隨著煤柱寬度減小，巷道圍巖變形增長迅速的急陡區(qū)域BC（圖中煤柱寬度從20m減小到10m左右的區(qū)域）；第三為隨著煤柱寬度進(jìn)一步減小，巷道圍巖變形變化不大或略有升高的區(qū)域AB（圖中煤柱寬度10m以內(nèi)的區(qū)域）。,2024/3/18,56,回采巷道礦壓理論,圍巖變形量與煤柱寬度間近似呈高斯分布的性質(zhì)。故設(shè)圍巖變形量S(x)與煤柱尺寸x間的關(guān)系為：,,表8.7 徐州礦區(qū)部分巷道頂?shù)装逡平颗c煤柱寬度間的實測結(jié)果,,2024/3/18,57,

50、回采巷道礦壓理論,圖8.35 徐州礦區(qū)部分回采巷道煤柱尺寸與變形量的關(guān)系,2024/3/18,58,回采巷道礦壓理論,②不同采動條件的應(yīng)力集中系數(shù),表8.10 采動應(yīng)力集中系數(shù)取值表,2024/3/18,59,回采巷道礦壓理論,（3）煤巷錨桿支護(hù)基本模型,通過地質(zhì)雷達(dá)探測和數(shù)值模擬表明，煤層巷道圍巖破壞的區(qū)域呈現(xiàn)拱狀，如圖8.33所示，巷道破壞范圍輪廓可近似簡化為圖8.34所示的拱狀結(jié)構(gòu)。,,（a）雷達(dá)探測結(jié)果