1、 掘 進 科- 宋 勤 發第一節：礦山壓力一、巷道礦山壓力的基本概念 1、巷道礦山壓力：地下巖體未被開挖時，在巖體內的各種力處于平衡狀態。開挖以后，在巖石自重應力、構造應力以及采掘引起的附加應力等各種應力作用下的巖體，失去了原來力的平衡，使巖體內應力發生重新分布。作用在巷道周圍巖體中及支護體上重新分布的力就是巷道礦山壓力，或簡稱為巷道礦壓。 2、圍巖壓力：地下工程開挖以后，巷道（或硐室）邊界上的巖體失去原有支承力而向巳開挖的空間變形。為了防止圍巖過度變形或塌坍，就要對圍巖設置支護體，這時支護體將受到圍巖的作用力。這種作用在支護體上的圍巖的變形擠壓力或塌落巖體的重力統稱為圍巖壓力。根據圍巖變形破

2、壞機理的不同，圍巖壓力可分為松脫壓力，變形壓力、沖擊壓力和膨脹壓力等四類。 3、松脫壓力：由于地質弱面的切割，采動引起的離層或巖塊冒落等原因所造成的松散巖體作用于支護結構物上的壓力，稱散體地壓或松脫壓力。當支護結構不能有效地限制圍巖變形的發展，而在周圍巖體內形成松動圈時，往往導致松動圍巖壓力的出現。松脫壓力可采用松散介質極限平衡理論或塊體極限平衡理論進行分析和估算 4、變形壓力：是指由于圍巖產生指向巷道（硐室）的位移時擠壓支護體而造成的壓力。它在圍巖與支護體相互作用過程中施加于支護體上。在“圍巖一支架”力學體系中，只要圍巖變形而支護體又限制其變形，圍巖就對支護體施加變形壓力。 此外變形壓力又和

3、支護體的剛度有關。在一定的條件下，支護體剛度越大，變形壓力也越大。圍巖變形不僅包括彈性變形，塑性變形，而且還包括與時間有關的流變變形，對于松軟巖體尤為明顯，其值遠比彈，塑性變形大，而且隨時間而不斷增加，因而支護體所受到的變形壓力也不斷增加。5、膨脹壓力： 是指由于圍巖吸水發生膨脹而對支護 體產生的壓力。這種壓力實質上是變形壓力的一種，只是它因含有大量蒙脫石等膨脹性礦物的粘土巖所特有的一種圍巖壓力。 6、沖擊壓力： 又稱礦山沖擊、沖擊地壓、巖爆等，是礦壓顯現的動力現象之一。它是在集中應力作用下，煤，巖體內積聚的彈性應變能在一定條件下突然釋放，使煤、巖體發生急劇脆性破壞或大塊煤體突然向已采空間拋射

4、的現象。 7、松動圈：巷道周圍巖體發生破裂和松動的區域，通常稱為松動圈。其范圍一般為0.5-1.5米，它與巖體性質及抗壓強度等有關.8、塑性圈：在集中應力作用下，當巷道圍巖所受應力超過其屈服強度時，就會產生塑性變形，在巷道周圍形成一個塑性變形區，其邊界稱為塑性圈。圈內巖體的基本特征是裂隙增多。由于塑性圈內巖石逐漸松弛，而喪失部分承載能力，使原來巷道周邊附近巖石承受的一部分應力轉移給鄰近的一定深度的巖體，因而塑性圈也隨之逐步擴展到巖體內的一定深度。9、巷道影響區： 是指巷道周圍巖體中由于掘進巷道而使應力比原巖應力發生明顯變化（大于5% ）的地區。該區的范圍與礦山巖石的性質、開采深度、巷道的形狀和

5、尺寸等有關，一般影響范圍的直徑為巷道最大線性尺寸的2-4倍。一、巷道支架與圍巖相互作用和 共同承載原理 1、圍巖是一種天然承載結構 在開掘巷道、架設支架以后形成的“支架一圍巖”力學平衡系統中，圍巖通常承受著大部分巖層壓力，而支架卻只承擔其中一小部分。這說明，地下巷道中架設的支架，與承受固定靜載的地面結構不同，給支架施載的圍巖同時又是承載體，可以把圍巖看作是一種天然的承載結構。因此，要重視巷道圍巖自身具有承載能力即自承力這個事實。 2、合理利用巷道圍巖的自承力 為了利用圍巖的自承力，就要容許圍巖產生某些變形。這種變形會使圍巖中的能量得到一定釋放，從而起到一定的“卸載作用”，這將有利于減輕支架受載

6、。但應當注意的是，這種變形應是有限制的。 3、合理選擇支架工作點 合理利用圍巖自承力的途徑是使支架與圍巖在相互約束的狀態下共同承載，即在不導致圍巖松動破壞的前提下，既充分利用圍巖的自承力，又使支架提供的支護阻力最小。 1、巷道布置在應力降低區巷道布置在應力降低區的主要措施A：應用沿空巷 根據支承壓力沿煤層傾斜方向的顯現規律，在采空區邊緣掘進和維護巷道可以達到減輕巷道受壓的目的。沿空巷道主要有兩種形式，即沿空掘巷和沿空留巷。B：跨巷回采： 是指回采工作面從底板巖石巷道上方連續采過去，不在被跨越的巷道上方留設保護煤柱。這是根據采空區下方通常是低壓區的原理而采取的改善巷道支護的一種措施。跨巷回采包括

7、跨越大巷，采區上（下）山、采區石門及區段巖石集中巷等。 2、將巷道布置在較穩定的巖層 中第一節 無煤柱開采的優點 無煤柱護巷的基本原理 1、提高煤炭回收率一般可使采區回收率提高10%-20%，有些甚至提高25%-30%。 2、改善巷道維護條件應用無煤柱開采，可使巷道維護條件得到不同程度的改善。如銅川鴨口礦，應用沿空掘巷后，使回采巷道維修量降低了25%。 3、降低巷道掘進率 一般情況下，沿空掘巷可使巷道掘進率降低5-10%;沿空留巷可降低25-33%，個別礦井降低幅度達40%以上。 4. 促進安全生產:由于無煤柱開采減少煤炭損失，在很大程度上消除了自然發火根源, 無煤柱開采對降低沼氣涌出和突出也

8、有明顯作用。如能進行正確通風管理，無煤柱工作面回風流中的瓦斯含量可減少30-50%。 5. 改善礦井技術經濟指標 1. 在回采工作面兩側煤體邊緣，存在比原巖應力低的應力降低區，而且在回采工作面推進并經過相當時間以后，這個區仍能較穩定地長期保存下來。處在這個區域中的巷道承受的礦山壓力較小。在這個區域掘進的巷道，支架所受載荷也較小。 2. 工作面兩側支承壓力從開始形成到向煤體深部轉移和逐漸均勻化，有一個時間過程。因此，要使沿采空區邊緣開掘的順槽在掘進后保持穩定，必須在時間上避開未穩定的支承壓力作用期，也就是應使沿空掘巷相對于上區段的回采工作面有一個合理的帶后時間。 一、沿空掘巷的基本方式與適用條件

9、 1.完全沿空掘巷：在上工作面運輸巷或回風巷 廢棄以后，待采空區上覆巖層移動基本穩定時，緊貼原廢棄的巷道在煤體內重新掘巷。 優點： 巷道靠煤壁邊緣掘進，處于應力降低區內，巷 道受壓不大，便于維護.煤體邊緣為煤層松弛區，可使 瓦斯得到自然釋放，大大減少煤層發生沖擊地壓和煤與瓦斯突出的危險，有利于掘巷安全。與留煤柱護巷相比，以提高煤炭資源回收率；與沿空留巷相比，可以減少巷道維護時間。 2. 留小煤柱沿空掘巷： 為使巷道與采空區隔離，巷道與采空區之間留1-3米的小煤柱, 留小煤柱主要不是以其支承頂板，而是防止采空區竄矸和采空區積水流入巷道。 1. 確定合理的沿空掘巷時間:沿 空掘巷相對于上區段回采應

10、有合理的滯后間隔時間。間隔時間過短，采動影響尚未消失，對沿空巷道的維護不利,還易引起自然發火；間隔寸間太長，將造成采掘接續緊張,一般4-6個月。 2. 為沿空掘巷創造條件: 上區段回采時，要為下區段沿空掘巷創造一定的條件： 在廢棄上區段的運輸（或回風）巷時，應盡量將坑木回收干凈，工作面放頂要徹底 頂板堅硬時，應強制放頂，以減少懸伸巖梁長度 為使頂板冒落矸石更易膠結，通常采用預注泥漿的方法 在被廢棄巷道靠煤體一側，預掛擋矸笆片，沿空掘巷時可起到導向作用。 3.合理選擇支架及參數:要理選擇支架形式，支架可縮量，支護密度及工作面前后采動影響帶加固段長度。而且要注意使巷道斷面積留有必要的預留量，以適應

11、圍巖的變形 4. 控制小煤柱的寬度:沿空掘巷需要留設 小煤柱時，必須控制煤柱寬度。一般，不宜超過1-3米。 一、沿空留巷的基本方式一般走向長壁工作面沿空留巷的基本方式是將上區段工作面的輸送機巷，在工作面采過之后留下作為下區段的回風巷。 錨桿支護是通過圍巖內部的桿體，改變圍巖本身的力學狀態，提高圍巖的強度，從而在巷道周圍巖體內形成一個完整穩定的承載圈，與圍巖共同作用，達到維護巷道的目的。因此，錨桿支護起到了主動加固圍巖的作用。如何正確認識錨桿及錨桿系統的作用機理，對于正確地設計和應用錨桿支護，最大限度地發揮錨桿系統的主動支護能力，具有非常重要的意義。 各種錨固支護理論的研究都是以一定的假說為基礎

12、的，各自從不同的角度、不同的條件闡述錨桿支護的作用機理，而且力學模型簡單，計算方法簡明易懂，適用于不同的圍巖條件，得到了國內外的認可和應用。 近年來，隨著錨桿支護理論的研究不斷深入，各種新的錨桿支護理論不斷提出，并在工程實踐中得到完善和發展，極大推動了錨桿支護技術在巷道支護中的應用。第一節 傳統錨桿支護理論傳統的錨桿支護理論有:懸吊理論、組合梁理論、組合拱（壓縮拱）理論。懸吊理論認為：錨桿支護的作用就是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩定巖層上，以增強較軟弱巖層的穩定性。懸吊理論只適用于巷道頂板，不適用于巷道幫、底。如果頂板中沒有堅硬穩定巖層或頂板軟弱巖層較厚，圍巖破碎區范圍較大，無法將錨桿錨固

13、到上面堅硬巖層或者未松動巖層上，懸吊理論就不適用。 組合梁理論認為：在層狀巖體中開挖巷道，當頂板在一定范圍內不存在堅硬穩定巖層時，錨桿的懸吊作用居次要地位。如果頂板巖層中存在若干分層，頂板錨桿的作用，一方面是依靠錨桿的錨固力增加各巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現離層現象； 另一方面，錨桿桿體可增加巖層間的抗剪剛度，阻止巖層間的水平錯動，從而將巷道頂板錨固范圍內的幾個薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層（組合梁）。這種組合厚巖層在上覆巖層荷載的作用下，其最大彎曲應變和應力都將大大減小，組合梁的撓度也減小，而且組合梁越厚，梁內的最大應力、應變和梁的撓度也就越小. 組合梁理論，是對錨桿將頂板

14、巖層鎖緊成較厚巖層的解釋。在分析中，將錨桿作用與圍巖的自穩作用分開，與實際情況有一定差距，并且隨著圍巖條件的變化，在頂板較破碎、連續性受到破壞時，組合梁也就不存在了。組合梁理論只適合于層狀頂板錨桿支護的設計，對于巷道的幫、底不適用。組合拱理論認為：在拱形巷道圍巖的破裂區中安裝預應力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應力圓錐體將相互交錯，就能在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即承壓拱（也稱組合拱或壓縮拱），這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。在承壓拱內的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應力狀態，其圍巖強度得到提高，支撐

15、能力也相應加大。 錨桿支護設計關系到巷道錨桿支護工程的質量優劣、是否安全可靠以及經濟是否合理等重要問題，因而廣泛被國內外學者所重視。 目前的巷道錨桿支護設計方法基本 上可歸納為四大類：第一類是工程類比法，包含簡單的經驗公式進行設計；第二類是理論計算法；第三類是以計算機數值模擬為基礎的設計方法；第四類是監測法。 工程類比法在中國巷道錨桿支護設計中應用相當廣泛，主要有以回采巷道圍巖穩定性分類為基礎的錨桿支護設計方法和巷道圍巖松動圈分類與支護沒計建議等。 理論計算方法很多，主要有懸吊理論法、冒落拱理論法、組合梁理論法、組合拱理論法等。由于各種理論計算方法所依據的理論基礎不問，加以計算中的一些參數難于

16、確定，因此計算結果存在局限性，在某些條件下能夠應用，某些條件下則難以應用。隨行汁算機的廣泛應用，借助數值模擬進行錨桿支護設計得到了較大發展，盡管仍存在不同的觀點，但人們逐步認識到數值模擬應力應變分析是地下巖石結構設汁和分析的重要手段。 目前，中國地下工程錨桿支護設計方法主要是工程類比法和經驗公式計算法。特別是礦山井巷錨桿支護設計，面對巖性和巖體結構變化大，荷載影響因素多，采準巷道維護時間短，支護材料和結構可能選擇的范圍小等實際情況，在設計時，使用工程類比法和經驗公式計算法，設計簡單、推廣容易、實用性強、效果較好。 一一、 經驗公式計算法錨桿長度L=N(1.3+W/10) N-圍巖影響系數0.9

17、1.2 W-巷道或硐室的跨度M 錨桿間距 M小于等于0.4Ll二、 工程類比法1、錨桿支護結構形式選擇分析 （ 1）單體錨桿單體錨桿是錨桿支護結構中最簡單的支護結構形式，每根錨桿是一個個體，單獨對頂板起作用，但通過巖體的聯系又把每根錨桿的作用聯合起來，每根錨桿集合作用的結果，控制了不規則弱面的發展、危石的掉落，增強了巖體強度，形成了加固巖梁，共同支撐外部荷載。 2）錨梁結構錨梁結構是指錨桿和鋼筋梯梁或W形鋼帶組合的支護結構。錨桿通過鋼筋梯梁或W形鋼帶擴大錨桿作用力的傳遞范圍、把個體錨桿組合成錨桿群共同協調加固巷道圍巖，這種組合大大增強了錨桿群體的作用和護表功能。（ 3）錨梁網結構錨梁網結構是錨

18、桿托梁、梁壓網、網護頂的組合錨桿支護結構。它是在錨梁結構的基礎上發展起來的，除具有錨梁結構的支護功能和作用外，由于使用金屬網把錨梁間裸露的巖體全部封閉起來，護表功能更強。 （ 4）錨梁網索結構錨梁網索結構是在錨梁網支護結構基礎上增加錨索的組合支護結構。它凸現了錨索對錨梁網的補強作用，增大了支護強度，改善了巷道受力條件，提高了巷道維護的安全可靠程度。 在選擇錨桿支護結構時應注意各類錨桿支護結構的適應性和特點：單體錨桿支護結構主要適應：一是巖石穩定、層厚較厚、堅固性系數大于6、節理裂隙不發育的頂板條件；二是巖石穩定、層厚較厚、堅固性系數4-6、頂板節理裂隙不發育，且采深較淺、圍巖應力較小的條件。

19、單體錨桿支護的特點：巷道支護施工方便，工序簡單，有利于單進水平提高；對圍巖的護表功能較弱，用于較差圍巖條件，圍巖表層容易首先破壞，由表及里，導致錨桿失效。 錨梁支護結構主要適用于：圍巖強度較大，節理裂隙較發育的2、3類圍巖條件。 錨梁支護的特點：支護操作方便， 施工簡單，有利于單進水平提高。 錨梁網支護結構主要適用于：厚煤層沿底板掘進的煤層頂板、巖煤交替沉積層厚較薄的復合頂板和巖體松軟、壓力大的巷道圍巖條件。 錨梁網支護的特點：適應性強，護表效果好，加固巖體性能穩定。支護結構相對復 雜，操作工序增多，對掘進速度有一定影 響。 錨梁網索支護結構主要適用于：復雜地質開采條件下的巷道支護，包括厚煤層

20、沿底板掘進的煤層頂板、巖煤交替沉積、層厚較薄的復合頂板和巖體松軟、壓力大的巷道圍巖條件，以及巷道斷面加大、位于采空區側巷道、孤島開采的工作面兩巷、受構造影口向區域的巷道等。 錨梁網索支護的特點：支護強度大，護表效果好，適 應范圍寬，安全可靠性高，支護結構相對復雜，施工工 序和難度相對較大，對掘進速度有一定影響，支護成本較高。 2、錨桿支護參數合理選擇錨桿支護參數選擇應在理論指導下進行，且應經過實踐檢驗和確認。 四、樹脂錨桿與其支護構件的選擇1、桿體的選擇錨桿桿體是錨桿支護的主要受力構件，它的強度和性能優劣對錨桿支護效果起著重要作用。因此，在錨桿桿體開發上，煤炭系統的專家和工程技術人員開發出了多

21、種錨桿桿體，現介紹如下： （1）左旋帶縱筋建筑螺紋鋼錨桿桿體左旋帶縱筋建筑螺紋鋼錨桿桿體是樹脂錨桿早期發展的產物，當時沒有專用樹脂錨桿螺紋鋼，只能用建筑螺紋鋼來代替，基本滿足了當時錨桿支護發展的要求。由于它不是專用樹脂錨桿螺紋鋼，在使用中顯現出了明顯的缺點。一是端部螺紋加工，需要扒皮成圓滾絲，使桿體出現加工弱面，導致桿體強度低，力學性能差，二是帶縱筋螺紋鋼在攪拌樹脂錨固劑時，影響攪拌質量，錨固劑混合不夠均勻和不易充滿兩縱筋處，這將降低錨固強度。隨著錨桿專用螺紋鋼的開發和利用，左旋帶縱筋建筑螺紋鋼錨桿桿體己逐步淘汰。（2）右旋無縱筋螺紋鋼錨桿桿體右旋無縱筋螺紋鋼錨桿桿體端部螺紋可直接為螺母緊固用

22、，不需任何加工，減少了加工工序，沒有加工弱面，桿體強度相等，稱之為等強錨桿。它力學性能好，錨固強度大，材料利用高，安裝使用方便快捷。由于該錨桿桿體直接利用桿體螺紋作為端部緊固螺母螺紋，成材對螺紋要求高，成材率相對較低，螺母與螺紋的優良配合控制難度大。 （3）普通圓鋼錨桿桿體普通圓鋼錨桿桿體是樹脂錨桿早期發展和不規范使用的產物，錨固端和螺紋端兩端都需加工，加工工序多，工作量大；兩端多由企業自行加工，設備簡陋，質量難以保證；該類錨桿桿體應列入淘汰產品之列。（4）左旋無縱筋螺紋鋼錨桿桿體（最佳） 1）樹脂藥卷在不同圍巖條件下的錨固強度樹脂錨固劑通常是將樹脂、固化劑和促凝劑嚴密包裝在一定長度和直徑的膠

23、囊中，其中樹脂和促凝劑裝在一室，固化劑與之隔離包裝在另一室。當錨固劑膠囊被錨桿錨頭搗破并攪拌后，促凝劑促進樹脂和固化劑發生化學反應，加快凝固速度，使錨頭通過錨固劑與孔壁錨固在一起。（2）錨固形式和長度的選擇錨桿的錨固方式有:端錨、加長錨和全長錨。錨桿的這些錨固方式有著各自的使用條件，要根據實際需要確定 錨桿采用全長錨固，巷道圍巖表面避免了集中受力點，且能夠得到更有效加固，錨桿受力條件有所改善，實際錨固力增大。根據實測結果，全長錨固的錨桿，安裝24小時后，測得最大錨固力為10噸 ，在錨桿正常工作時可隨著外部荷載的增加和圍巖變形的增大逐步達到屈服極限和極限荷載。 全長錨固能夠提供更高的抗剪能力，在頂板受垂直層面方向的應力作用時，巖層常常發生沿層間的錯動，這使層面間的黏聚力迅速降低，繼而使巖層間發生離層和破壞。