1、高应力巷道围岩应力转移理论与技术,2,引言顶板掘巷应力转移原理与技术底板掘巷的应力转移原理与技术煤层上行开采的应力转移原理与技术巷道底板松动爆破应力转移与注浆加固技术巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术国内外其它技术,主要内容,高应力巷道围岩应力转移理论与技术,岩松软破碎：单轴抗压强度1020MPa 深井（自重应力）高应力 采动应力（原岩应力的36倍）构造应力松软破碎高应力,1.大变形巷道难维护的原因,引言,4,第一类，围岩软弱型，即软岩巷道第二类，采动影响型，即动压巷道第三类，深井高应力型，即深井巷道第四类，上述三类巷道的复合型,2.高应力巷道类型,引言,5,动压巷道煤层开采引起的采动应力通常
2、在原岩应力的310倍左右，将造成回采巷道、受跨采影响等巷道的严重破坏。,引言,6,软岩巷道是指在工程力作用下能产生显著显著的塑性变形和非连续变形的巷道。工程力指作用在巷道围岩的力之和，包括自重应力、残余构造应力、水的作用力，采动影响力及膨胀应力等。,引言,7,深井巷道根据我国煤矿的巷道支护技术水平和地质条件，一般将800m作为深部开采的标准，部分软岩矿井的深部开采标准可定为600m或更浅。,引言,8,我国国有大中型煤矿开采深度每年约以9 m的速度向深部增加。一些老矿区和缺煤矿区相继进入深部开采阶段。由于开采深度的加大，岩体应力急剧增加，地温升高，当岩体应力达到甚至超过岩体强度时，有关岩体力学科
3、学与工程的若干问题由量变逐渐发生质的变化，造成资源开采的极端困难，并引发矿井重大安全事故危险性增加，严重威胁矿井的安全生产。,3.深井软岩成为重点,引言,9,我国是世界产煤大国，也是用煤大国。我国煤炭储量大部分埋藏在深部，埋深大于600 m 和1000 m 的储量分别占到73.19%和53.17%。我国人口众多，用煤量大，不可能关闭深部矿井而依靠进口煤炭。因此，无论从战略高度还是从当前生产实际出发，都迫切需要积极开展深部开采中的基础理论研究，以求在新理论的指导下，使实用技术有新的突破和发展，使矿井深部开采走上安全、高产高效的健康轨道。,引言,10,矿井高应力巷道具有围岩破碎严重，塑性区、破碎区
4、范围很大，蠕变严重。巷道围岩变形少则几百毫米，多达1.02.0m。巷道在服务期间需要进行不断的维护与返修，特别是它们的两类或三类的复合型，问题更为突出。严重时，在巷道掘进或使用期间将会在巷道中引发煤与瓦斯突出，甚至岩爆等动力灾害，严重威胁矿井的安全生产。这不但造成巷道支护成本高，而且造成煤炭资源开采的极端困难，严重威胁着矿井的安全生产。这种局面将成为我国煤矿今后必须长期面对的开采技术难题。,4.高应力巷道特点,引言,11,巷道围岩控制的基本原理如下式。,传统的控制方法主要是：其一，提高围岩强度（如注浆加固、锚注等）；其二，合理的支护技术（如砌碹、架棚、锚网等）。,5.大变形巷道围岩控制的技术途
5、径,引言,12,分别研究周边位移u0与围岩性质（c、）、支护阻力Pi及围岩应力P0的关系得到：,引言,13,由上图可见，围岩应力的改善对巷道围岩变形控制的效果最为明显。据此，提出本研究成果应力转移理论与技术，是从引起巷道围岩变形破坏的力学环境为着眼点，以控制巷道围岩应力为中心，将高应力转化为低应力，这样可以显著减小巷道围岩塑性区和围岩变形量，达到实现巷道围岩稳定的控制目标。,引言,14,1.顶板掘巷的应力转移原理,巷道顶板掘巷实现应力转移的简单模型,顶板掘巷应力转移原理与技术,15,2.鲍店煤矿工程实例,胶带输送机硐室与回采工作面的关系,兖州矿业集团公司鲍店煤矿矿井北翼布置一条轨道大巷和一条胶
6、带运输机大巷，轨道大巷布置在430水平，胶带运输大巷高于轨道大巷5 m，两巷水平间距30 m。胶带输送机硐室位于1306工作面南侧50 m处，其与邻近巷道的位置关系如图3-3所示。该硐室及其大巷均处于二迭系山西组3#煤层底板泥岩或粘土页岩中，与3#煤层间距为28 60 m。矿井北翼的生产采区都按倾斜长壁采煤法布置并使工作面跨大巷仰斜开采。该采区内，3#煤层为主采煤层，其平均厚度为9 m，分3层开采，分层采高2.8 3.0 m。,顶板掘巷应力转移原理与技术,16,胶带输送机硐室与回采工作面的关系,顶板掘巷应力转移原理与技术,17,顶部掘巷的研究方案,为解决问题，初步提出以下五种方案，利用数值计算
7、方法进行研究：方案一：无顶部卸压巷时方案二：硐室顶部开掘82 m2卸压巷方案三：硐室顶部开掘122 m2卸压巷方案四：硐室顶部开掘162 m2卸压巷方案五：硐室顶部开掘202 m2卸压巷,顶板掘巷应力转移原理与技术,18,研究结果一：对控制围岩变形的影响,顶板掘巷应力转移原理与技术,19,研究结果二：对围岩应力场的影响,顶板掘巷应力转移原理与技术,20,顶部卸压巷设计方案,顶板掘巷应力转移原理与技术,21,现场实测分析,1顶底2两帮,顶板掘巷应力转移原理与技术,22,1.底板掘巷的应力转移原理,简单模型,底板掘巷应力转移原理与技术,23,2.蒋庄煤矿工程实例,问题的提出,蒋庄煤矿设计生产能力为
8、150万t/a，是枣庄矿业集团公司的骨干生产矿井。该矿自1989年6月投产以来，至今已生产原煤2000多万吨，由于生产强度的不断加大，造成生产接续紧张，南翼一部和二部强力胶带输送机担负着矿井水平的南翼煤岩输送任务，因此其机头硐室群的良好维护就是十分重要的问题，一旦出现问题，势必影响到全矿井的生产。,底板掘巷应力转移原理与技术,24,胶带机头硐室群与3上307、3下307工作面平面位置对照图,底板掘巷应力转移原理与技术,25,南翼二部强力胶带输送机头硐室群平面图,底板掘巷应力转移原理与技术,26,应力转移技术对围岩的控制效果比较,注：（）内数字表示采取应力转移技术与不采取应力转移技术时的变形比值
9、。负值表示整体下沉。,底板掘巷应力转移原理与技术,27,卸压巷主要参数的研究模型,底板掘巷应力转移原理与技术,28,工业性试验方案,底板掘巷应力转移原理与技术,29,围岩变形实测,（1）采动影响下，围岩变形不明显。（2）硐室两帮相对移近量在20 mm之内。（3）底鼓量在10 mm左右。,底板掘巷应力转移原理与技术,30,1.基本的应力转移原理,上行开采应力转移的基本原理为：下部煤层先行开采后，在采空区上方形成冒落带、裂隙带、缓沉带，上部煤层处于裂隙带或缓沉带内。此时，上部煤层的应力发生了转移，下部煤层采空区上方的应力基本转移到周围煤体上，因而此区域的应力显著降低。将上部煤层的巷道和工作面布置在
10、下部煤层开采边界影响范围以内，即布置在煤岩层已发生充分移动变形的区域内，巷道和工作面处于应力已经转移的低应力区，可以显著降低支护难度，有效提高矿井的生产安全水平。,煤层上行开采应力转移原理与技术,31,2.孙村煤矿工程实例,问题的提出,孙村煤矿-800m水平埋深达980m，属于深部开采范畴。不仅如此，其原岩应力中最大水平主应力与垂直主应力之比为1.34:1.0，属构造应力复杂区域。当受到采动影响后围岩应力将提高到原岩应力的38倍，对巷道维护带来严重困难。该矿上组煤的主采煤层为二、四层煤，倾角一般为1925。二层煤平均厚度2.02m，四层煤厚度1.15-2.15m，层间距平均为22m，煤层顶底板
11、以砂岩、粉细砂岩为主体；三层煤厚度平均为1.0m，局部可采，与四层煤之间的层间距为（6.028.0）/16.0m，与二层的层间距为（3.07.0）/5.0m。,煤层上行开采应力转移原理与技术,32,物理模拟研究模型,煤层上行开采应力转移原理与技术,33,模拟结果1：四煤开采时老顶初次破断情况,煤层上行开采应力转移原理与技术,34,模拟结果2：四煤开采时老顶周期破断情况,煤层上行开采应力转移原理与技术,35,模拟结果3：四煤开采后二煤的赋存状态,煤层上行开采应力转移原理与技术,36,模拟结果4：四煤上行开采条件下二煤采动时,煤层上行开采应力转移原理与技术,37,应力转移后上部煤层巷道围岩变形曲线
12、,受采动影响时,煤层上行开采应力转移原理与技术,38,应力转移后对上部煤层工作面的影响,（1）在下行开采时，二煤工作面由于顶板压力大，煤壁片帮与机道冒漏顶现象十分严重，需要水力膨胀锚杆超前护顶、坑木穿顶，顶板管理极其困难，推进速度很慢，生产十分被动。四煤采用上行开采后，二煤回采工作面复合顶板稳定，工作面无冒漏顶事故发生，平均原煤单产与推进速度提高到1.88倍，平均推进速度由48m/月提高到90m/月左右，原煤平均单产由1.82.0万吨/月提高到4.2万吨/月左右，显著提高了工作面单产、降低了材料消耗。（2）二煤具有强烈冲击倾向，上行开采完全消除了冲击危险。（3）解决了原来二煤工作面推进慢，制约
13、四煤开采的被动局面，缓解了采掘接续，大幅度提高了矿区煤炭产量与经济效益，矿井利税取得历史最好水平。,煤层上行开采应力转移原理与技术,39,经济效益,煤层上行开采应力转移原理与技术,40,1.基本的应力转移原理,在巷道底板中布置钻孔，并进行药壶爆破，在巷道底板中产生围岩弱化区，将集中应力转移到围岩较深部。,底板松动爆破应力转移与注浆加固技术,41,2.松动爆破的关键技术,爆破的内部作用原理,当发生内部爆破作用时，在围岩中形成爆破空腔、压碎圈、裂隙圈及震动圈。裂隙圈的大小是影响应力转移的关键因素,底板松动爆破应力转移与注浆加固技术,42,炮孔深度的确定,式中：W装药的临界深度，m；h预留的完整岩体
14、厚度，m；炮孔与巷道底板所夹的锐角，。,底板松动爆破应力转移与注浆加固技术,43,三区半径计算,空腔半径Rk为：压碎区半径Rc为：裂隙圈半径Rp为：,底板松动爆破应力转移与注浆加固技术,44,装药量和炮孔间排距,合理的装药量Q：炮孔间排距：,底板松动爆破应力转移与注浆加固技术,45,3.平顶山六矿工程实践,问题的提出,六矿二水平戊二采区开发中，设计的上山绞车房水平标高-260m，埋深550m。绞车房坐落在戊11煤层下部5m处，绞车房围岩由顶部到底板分别为：0.59m厚的戊11煤层、3.91m厚的泥岩、3.24m厚的细砂岩、4.25m的砂质泥岩。该绞车房在掘进完成后不久即因底鼓严重而破坏，影响了
15、采区的生产。分析表明，绞车房的破坏主要是因为较高的围岩应力所致。,底板松动爆破应力转移与注浆加固技术,46,技术路线,、利用松动爆破的应力转移原理，将绞车房周围较高的围岩应力转移到深部，为硐室治理创造有利的应力环境。、在爆破破碎区中进行注浆，对底板进行加固，达到最终稳定硐室围岩的目的。,底板松动爆破应力转移与注浆加固技术,47,方案参数设计,底板松动爆破应力转移与注浆加固技术,48,围岩底鼓量观测结果,与原绞车房不进行任何处理时的底鼓量相比，底鼓量明显降低，约为不进行处理时底鼓量的1/3。,底板松动爆破应力转移与注浆加固技术,49,1.基本原理,1巷道掘进头 2应力转移钻孔,1掘进巷道 2超前
16、钻孔3钻孔前垂直应力分布曲线4钻孔后垂直应力分布曲线,巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术,50,2.平顶山十一矿工程实践,巷道围岩条件,己16-1722120工作面，两侧均为未开采的实体煤。工作面煤层地质构造简单，为单斜构造；煤层倾角1020，平均18，厚度5.010.0m，煤的坚固性系数f值1.0左右；工作面地面标高166.39175.30m，煤层底板等高线标高-680-750m，工作面埋深846.39925.3m。巷道沿煤层顶板掘进，斜梯形断面。巷道埋深达800m。,巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术,51,数值计算研究模型,由于模拟巷道掘进过程，所以模型沿巷道轴向剖面建立，岩层层面为水平
17、，巷道高度取平均值3m，宽度4.2m。模型模拟范围为长宽=8060m2，网格为130114。采用应力-位移混合边界条件，模型的上表面施加均匀的垂直压应力，模型两侧面施加随深度变化的水平压应力，模型下表面垂直位移固定，采用摩尔-库仑准则。此次数值模拟包括两个方案：方案一模拟卸压钻孔对围岩应力场的改变效果；方案二模拟不同钻孔长度、直径等钻孔参数对围岩变形尤其是顶板下沉、底板鼓起的影响，从而确定合适的钻孔参数。,巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术,52,不同钻孔长度时的应力转移效果比较,分别打4、6、8、12、14、16m钻孔时，围岩高应力（30 MPa、40MPa）位置的变化情况。应力转移效果相当
18、明显。,巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术,53,钻孔位置对顶底板移近减小量的影响关系,巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术,54,钻孔长度对顶底板移近减小量的影响关系,巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术,55,钻孔直径对顶底板移近减小量的影响关系,巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术,56,应力转移效果比较（围岩变形量）,采用应力转移前采用应力转移后,巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术,57,应力转移效果比较（围岩变形速度）,采用应力转移前采用应力转移后,巷道迎头超前钻孔应力转移原理与技术,58,1.开槽孔,巷道周边开槽孔后的应力分布围岩应力较低区；应力升高区；原岩应力区,开槽后应力向深部转移。槽孔可在底板、两侧或全断面,相关的应力转移原理与技术,59,2.松动爆破,相关的应力转移原理与技术,60,工程实例 赵各庄矿垂深900 m 的7 层煤回采巷道。煤层倾角30，采用非对称型可缩性支架、锚杆、上帮底角单孔爆破卸压联合控制技术。100天时间巷道平均底鼓量287 mm，较无锚杆、无卸压段减少了61.6%。,相关的应力转移原理与技术,61,3.巷道一侧或两侧布置巷峒,巷道一侧布置巷硐后效果示意图,相关的应力转移原理与技术,
