高應力巷道 圍巖應力轉移理論與技術,2,引言 頂板掘巷應力轉移原理與技術 底板掘巷的應力轉移原理與技術 煤層上行開采的應力轉移原理與技術 巷道底板松動爆破應力轉移與注漿加固技術 巷道迎頭超前鉆孔應力轉移原理與技術 國內外其它技術,主要內容,高應力巷道圍巖應力轉移理論與技術,巖松軟破碎：單軸抗壓強度1020MPa 深井（自重應力） 高應力 采動應力（原巖應力的36倍） 構造應力 松軟破碎高應力,1.大變形巷道難維護的原因,引 言,4,第一類，圍巖軟弱型，即軟巖巷道 第二類，采動影響型，即動壓巷道 第三類，深井高應力型，即深井巷道 第四類，上述三類巷道的復合型,2.高應力巷道類型,引 言,5,動壓巷道 煤層開采引起的采動應力通常在原巖應力的310倍左右，將造成回采巷道、受跨采影響等巷道的嚴重破壞。,引 言,6,軟巖巷道 是指在工程力作用下能產生顯著顯著的塑性變形和非連續(xù)變形的巷道。工程力指作用在巷道圍巖的力之和，包括自重應力、殘余構造應力、水的作用力，采動影響力及膨脹應力等。,引 言,7,深井巷道 根據(jù)我國煤礦的巷道支護技術水平和地質條件，一般將800m作為深部開采的標準，部分軟巖礦井的深部開采標準可定為600m或更淺。,引 言,8,我國國有大中型煤礦開采深度每年約以9 m的速度向深部增加。一些老礦區(qū)和缺煤礦區(qū)相繼進入深部開采階段。 由于開采深度的加大，巖體應力急劇增加，地溫升高，當巖體應力達到甚至超過巖體強度時，有關巖體力學科學與工程的若干問題由量變逐漸發(fā)生質的變化，造成資源開采的極端困難，并引發(fā)礦井重大安全事故危險性增加，嚴重威脅礦井的安全生產。,3.深井軟巖成為重點,引 言,9,我國是世界產煤大國，也是用煤大國。我國煤炭儲量大部分埋藏在深部，埋深大于600 m 和1000 m 的儲量分別占到73.19 % 和53.17 %。 我國人口眾多，用煤量大，不可能關閉深部礦井而依靠進口煤炭。因此，無論從戰(zhàn)略高度還是從當前生產實際出發(fā)，都迫切需要積極開展深部開采中的基礎理論研究，以求在新理論的指導下，使實用技術有新的突破和發(fā)展，使礦井深部開采走上安全、高產高效的健康軌道。,引 言,10,礦井高應力巷道具有圍巖破碎嚴重，塑性區(qū)、破碎區(qū)范圍很大，蠕變嚴重。巷道圍巖變形少則幾百毫米，多達1.02.0m。巷道在服務期間需要進行不斷的維護與返修，特別是它們的兩類或三類的復合型，問題更為突出。嚴重時，在巷道掘進或使用期間將會在巷道中引發(fā)煤與瓦斯突出，甚至巖爆等動力災害，嚴重威脅礦井的安全生產。這不但造成巷道支護成本高，而且造成煤炭資源開采的極端困難，嚴重威脅著礦井的安全生產。這種局面將成為我國煤礦今后必須長期面對的開采技術難題。,4.高應力巷道特點,引 言,11,巷道圍巖控制的基本原理如下式。,傳統(tǒng)的控制方法主要是：其一，提高圍巖強度（如注漿加固、錨注等）；其二，合理的支護技術（如砌碹、架棚、錨網(wǎng)等）。,5.大變形巷道圍巖控制的技術途徑,引 言,12,分別研究周邊位移u0與圍巖性質（c、）、支護阻力Pi及圍巖應力P0的關系得到：,引 言,13,由上圖可見，圍巖應力的改善對巷道圍巖變形控制的效果最為明顯。 據(jù)此，提出本研究成果應力轉移理論與技術，是從引起巷道圍巖變形破壞的力學環(huán)境為著眼點，以控制巷道圍巖應力為中心，將高應力轉化為低應力，這樣可以顯著減小巷道圍巖塑性區(qū)和圍巖變形量，達到實現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定的控制目標。,引 言,14,1.頂板掘巷的應力轉移原理,巷道頂板掘巷實現(xiàn)應力轉移的簡單模型,頂板掘巷應力轉移原理與技術,15,2.鮑店煤礦工程實例,膠帶輸送機硐室與回采工作面的關系,兗州礦業(yè)集團公司鮑店煤礦礦井北翼布置一條軌道大巷和一條膠帶運輸機大巷，軌道大巷布置在430水平，膠帶運輸大巷高于軌道大巷5 m，兩巷水平間距30 m。膠帶輸送機硐室位于1306工作面南側50 m處，其與鄰近巷道的位置關系如圖3-3所示。該硐室及其大巷均處于二迭系山西組3#煤層底板泥巖或粘土頁巖中，與3#煤層間距為28 60 m。礦井北翼的生產采區(qū)都按傾斜長壁采煤法布置并使工作面跨大巷仰斜開采。該采區(qū)內，3#煤層為主采煤層，其平均厚度為9 m，分3層開采，分層采高2.8 3.0 m。,頂板掘巷應力轉移原理與技術,16,膠帶輸送機硐室與回采工作面的關系,頂板掘巷應力轉移原理與技術,17,頂部掘巷的研究方案,為解決問題，初步提出以下五種方案，利用數(shù)值計算方法進行研究： 方案一：無頂部卸壓巷時 方案二：硐室頂部開掘82 m2卸壓巷 方案三：硐室頂部開掘122 m2卸壓巷 方案四：硐室頂部開掘162 m2卸壓巷 方案五：硐室頂部開掘202 m2卸壓巷,頂板掘巷應力轉移原理與技術,18,研究結果一：對控制圍巖變形的影響,頂板掘巷應力轉移原理與技術,19,研究結果二：對圍巖應力場的影響,頂板掘巷應力轉移原理與技術,20,頂部卸壓巷設計方案,頂板掘巷應力轉移原理與技術,21,現(xiàn)場實測分析,1頂?shù)?2兩幫,頂板掘巷應力轉移原理與技術,22,1.底板掘巷的應力轉移原理,簡單模型,底板掘巷應力轉移原理與技術,23,2.蔣莊煤礦工程實例,問題的提出,蔣莊煤礦設計生產能力為150萬t/a，是棗莊礦業(yè)集團公司的骨干生產礦井。該礦自1989年6月投產以來，至今已生產原煤2000多萬噸，由于生產強度的不斷加大，造成生產接續(xù)緊張，南翼一部和二部強力膠帶輸送機擔負著礦井水平的南翼煤巖輸送任務，因此其機頭硐室群的良好維護就是十分重要的問題，一旦出現(xiàn)問題，勢必影響到全礦井的生產。,底板掘巷應力轉移原理與技術,24,膠帶機頭硐室群與3上307、3下307工作面平面位置對照圖,底板掘巷應力轉移原理與技術,25,南翼二部強力膠帶輸送機頭硐室群平面圖,底板掘巷應力轉移原理與技術,26,應力轉移技術對圍巖的控制效果比較,注：（）內數(shù)字表示采取應力轉移技術與不采取應力轉移技術時的變形比值。 負值表示整體下沉。,底板掘巷應力轉移原理與技術,27,卸壓巷主要參數(shù)的研究模型,底板掘巷應力轉移原理與技術,28,工業(yè)性試驗方案,底板掘巷應力轉移原理與技術,29,圍巖變形實測,（1）采動影響下，圍巖變形不明顯。 （2）硐室兩幫相對移近量在20 mm之內。 （3）底鼓量在10 mm左右。,底板掘巷應力轉移原理與技術,30,1.基本的應力轉移原理,上行開采應力轉移的基本原理為：下部煤層先行開采后，在采空區(qū)上方形成冒落帶、裂隙帶、緩沉帶，上部煤層處于裂隙帶或緩沉帶內。 此時，上部煤層的應力發(fā)生了轉移，下部煤層采空區(qū)上方的應力基本轉移到周圍煤體上，因而此區(qū)域的應力顯著降低。將上部煤層的巷道和工作面布置在下部煤層開采邊界影響范圍以內，即布置在煤巖層已發(fā)生充分移動變形的區(qū)域內，巷道和工作面處于應力已經轉移的低應力區(qū)，可以顯著降低支護難度，有效提高礦井的生產安全水平。,煤層上行開采應力轉移原理與技術,31,2.孫村煤礦工程實例,問題的提出,孫村煤礦-800m水平埋深達980m，屬于深部開采范疇。不僅如此，其原巖應力中最大水平主應力與垂直主應力之比為1.34:1.0，屬構造應力復雜區(qū)域。當受到采動影響后圍巖應力將提高到原巖應力的38倍，對巷道維護帶來嚴重困難。該礦上組煤的主采煤層為二、四層煤，傾角一般為1925。 二層煤平均厚度2.02m，四層煤厚度1.15-2.15m，層間距平均為22m，煤層頂?shù)装逡陨皫r、粉細砂巖為主體；三層煤厚度平均為1.0m，局部可采，與四層煤之間的層間距為（6.028.0）/16.0m，與二層的層間距為（3.07.0）/5.0m。,煤層上行開采應力轉移原理與技術,32,物理模擬研究模型,煤層上行開采應力轉移原理與技術,33,模擬結果1：四煤開采時老頂初次破斷情況,煤層上行開采應力轉移原理與技術,34,模擬結果2：四煤開采時老頂周期破斷情況,煤層上行開采應力轉移原理與技術,35,模擬結果3：四煤開采后二煤的賦存狀態(tài),煤層上行開采應力轉移原理與技術,36,模擬結果4：四煤上行開采條件下二煤采動時,煤層上行開采應力轉移原理與技術,37,應力轉移后上部煤層巷道圍巖變形曲線,受采動影響時,煤層上行開采應力轉移原理與技術,38,應力轉移后對上部煤層工作面的影響,（1）在下行開采時，二煤工作面由于頂板壓力大，煤壁片幫與機道冒漏頂現(xiàn)象十分嚴重，需要水力膨脹錨桿超前護頂、坑木穿頂，頂板管理極其困難，推進速度很慢，生產十分被動。四煤采用上行開采后，二煤回采工作面復合頂板穩(wěn)定，工作面無冒漏頂事故發(fā)生，平均原煤單產與推進速度提高到1.88倍，平均推進速度由48m/月提高到90m/月左右，原煤平均單產由1.82.0萬噸/月提高到4.2萬噸/月左右，顯著提高了工作面單產、降低了材料消耗。 （2）二煤具有強烈沖擊傾向，上行開采完全消除了沖擊危險。 （3）解決了原來二煤工作面推進慢，制約四煤開采的被動局面，緩解了采掘接續(xù)，大幅度提高了礦區(qū)煤炭產量與經濟效益，礦井利稅取得歷史最好水平。,煤層上行開采應力轉移原理與技術,39,經濟效益,煤層上行開采應力轉移原理與技術,40,1.基本的應力轉移原理,在巷道底板中布置鉆孔，并進行藥壺爆破，在巷道底板中產生圍巖弱化區(qū)，將集中應力轉移到圍巖較深部。,底板松動爆破應力轉移與注漿加固技術,41,2.松動爆破的關鍵技術,爆破的內部作用原理,當發(fā)生內部爆破作用時，在圍巖中形成爆破空腔、壓碎圈、裂隙圈及震動圈。 裂隙圈的大小是影響應力轉移的關鍵因素,底板松動爆破應力轉移與注漿加固技術,42,炮孔深度的確定,式中：W裝藥的臨界深度，m； h預留的完整巖體厚度，m； 炮孔與巷道底板所夾的銳角，。,底板松動爆破應力轉移與注漿加固技術,43,三區(qū)半徑計算,空腔半徑Rk為： 壓碎區(qū)半徑Rc為： 裂隙圈半徑Rp為：,底板松動爆破應力轉移與注漿加固技術,44,裝藥量和炮孔間排距,合理的裝藥量Q ： 炮孔間排距 ：,底板松動爆破應力轉移與注漿加固技術,45,3.平頂山六礦工程實踐,問題的提出,六礦二水平戊二采區(qū)開發(fā)中，設計的上山絞車房水平標高-260m，埋深550m。絞車房坐落在戊11煤層下部5m處，絞車房圍巖由頂部到底板分別為：0.59m厚的戊11煤層、3.91m厚的泥巖、3.24m厚的細砂巖、4.25m的砂質泥巖。 該絞車房在掘進完成后不久即因底鼓嚴重而破壞，影響了采區(qū)的生產。分析表明，絞車房的破壞主要是因為較高的圍巖應力所致。,底板松動爆破應力轉移與注漿加固技術,46,技術路線,、利用松動爆破的應力轉移原理，將絞車房周圍較高的圍巖應力轉移到深部，為硐室治理創(chuàng)造有利的應力環(huán)境。 、在爆破破碎區(qū)中進行注漿，對底板進行加固，達到最終穩(wěn)定硐室圍巖的目的。,底板松動爆破應力轉移與注漿加固技術,47,方案參數(shù)設計,底板松動爆破應力轉移與注漿加固技術,48,圍巖底鼓量觀測結果,與原絞車房不進行任何處理時的底鼓量相比，底鼓量明顯降低，約為不進行處理時底鼓量的1/3。,底板松動爆破應力轉移與注漿加固技術,49,1.基本原理,1巷道掘進頭 2應力轉移鉆孔,1掘進巷道 2超前鉆孔 3鉆孔前垂直應力分布曲線 4鉆孔后垂直應力分布曲線,巷道迎頭超前鉆孔應力轉移原理與技術,50,2.平頂山十一礦工程實踐,巷道圍巖條件,己16-1722120工作面，兩側均為未開采的實體煤。工作面煤層地質構造簡單，為單斜構造；煤層傾角1020，平均18，厚度5.010.0m，煤的堅固性系數(shù)f值1.0左右；工作面地面標高166.39175.30m，煤層底板等高線標高-680-750m，工作面埋深846.39925.3m。巷道沿煤層頂板掘進，斜梯形斷面。巷道埋深達800m。,巷道迎頭超前鉆孔應力轉移原理與技術,51,數(shù)值計算研究模型,由于模擬巷道掘進過程，所以模型沿巷道軸向剖面建立，巖層層面為水平，巷道高度取平均值3m，寬度4.2m。模型模擬范圍為長寬=8060m2，網(wǎng)格為130114。采用應力-位移混合邊界條件，模型的上表面施加均勻的垂直壓應力，模型兩側面施加隨深度變化的水平壓應力，模型下表面垂直位移固定，采用摩爾-庫侖準則。 此次數(shù)值模擬包括兩個方案：方案一模擬卸壓鉆孔對圍巖應力場的改變效果；方案二模擬不同鉆孔長度、直徑等鉆孔參數(shù)對圍巖變形尤其是頂板下沉、底板鼓起的影響，從而確定合適的鉆孔參數(shù)。,巷道迎頭超前鉆孔應力轉移原理與技術,52,不同鉆孔長度時的應力轉移效果比較,分別打4、6、8、12、14、16m鉆孔時，圍巖高應力（30 MPa、 40MPa）位置的變化情況。應力轉移效果相當明顯。,巷道迎頭超前鉆孔應力轉移原理與技術,53,鉆孔位置對頂?shù)装逡平鼫p小量的影響關系,巷道迎頭超前鉆孔應力轉移原理與技術,54,鉆孔長度對頂?shù)装逡平鼫p小量的影響關系,巷道迎頭超前鉆孔應力轉移原理與技術,55,鉆孔直徑對頂?shù)装逡平鼫p小量的影響關系,巷道迎頭超前鉆孔應力轉移原理與技術,56,應力轉移效果比較（圍巖變形量）,采用應力轉移前 采用應力轉移后,巷道迎頭超前鉆孔應力轉移原理與技術,57,應力轉移效果比較（圍巖變形速度）,采用應力轉移前 采用應力轉移后,巷道迎頭超前