高應力巷道圍巖應力轉移技術與工程應用研究完成單位：中國礦業大學匯報：姚強嶺博士導師：李學華教授高應力巷道圍巖應力轉移技術與工程應用研究完成單位：中國礦業大1研究背景總體研究思路主要研究內容對推動行業技術進步的作用匯報提綱研究背景匯報提綱2研究對象之一：動壓巷道。煤層開采引起的采動應力通常為原巖應力的3~10倍左右，將造成回采巷道、受跨采影響等巷道的嚴重破壞。1研究背景研究對象之一：動壓巷道。13研究對象之二：高應力軟巖巷道。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。1研究背景研究對象之二：高應力軟巖巷道。14研究對象之三：深井巷道。根據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。1研究背景研究對象之三：深井巷道。15以上三類巷道以及這三類巷道的復合型巷道均為高應力巷道，是本研究的主要對象。這些高應力巷道在其服務期間圍巖塑性區大，變形十分嚴重，少則幾百毫米，多則1.0~2.0m。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。1研究背景以上三類巷道以及這三類巷道的復合型巷道均為高應力巷道，是本研6巷道圍巖控制的基本原理如下式。2總體研究思路傳統的控制方法主要是：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、錨網等）。巷道圍巖控制的基本原理如下式。2傳統的控制方法主要是：其一，7針對高應力巷道，從以上兩方面展開圍巖控制方面的研究，仍不足以解決高應力巷道難維護的問題。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和圍巖變形量，達到實現巷道圍巖穩定的控制目標。2總體研究思路針對高應力巷道，從以上兩方面展開圍巖控制方面的研究，仍不足以8創立了巷道圍巖應力轉移新理論理論的實質在于：通過人為在巷道內部或外部形成若干圍巖松動或破壞區域，可將巷道淺部圍巖的高應力轉移到遠離巷道的深部，使巷道處于相對較低的應力區中；改變巷道淺部圍巖中的應力分布狀態，使其對巷道維護相對有利；巷道受采動影響時，可以改變向巷道圍巖傳遞應力的路徑，或減弱應力傳遞的強度，相對減小外部應力環境對巷道的影響。通過以上作用，從根本上消除或減弱高應力影響，達到有效控制圍巖變形的目的。3主要研究內容創立了巷道圍巖應力轉移新理論理論的實質在于：通過人為在巷道內9之一：頂部構建軟弱區應力轉移原理與技術基本原理如圖。關鍵參數為：硐室距上部軟弱區的垂距、軟弱區的范圍。3主要研究內容之一：頂部構建軟弱區應力轉移原理與技術基本原理如圖。關鍵參數10技術關鍵：在硐室上方（垂距5m）兩側開掘兩條與硐室平行的小斷面巷道，然后在巷道間進行松動爆破，在硐室上方構建一個寬19m、長60m的松動區。3主要研究內容效果：開掘應力轉移巷后最大應力集中系數僅為2.6，是不開掘應力轉移巷時的30%。實測表明，受采動影響期間，硐室頂底板移近量累計為24mm，兩幫移近量累計為31mm，達到了預期目標。技術關鍵：在硐室上方（垂距5m）兩側開掘兩條與硐室平行的小斷11之二：底部構建軟弱區應力轉移原理與技術基本原理如圖。關鍵參數為：底板巷道與硐室的垂直相對位置、底板巷道與硐室的水平相對位置、底板巷道是否進行爆破松動、松動爆破的范圍。3主要研究內容之二：底部構建軟弱區應力轉移原理與技術基本原理如圖。關鍵參數12技術關鍵：在硐室底板兩側開掘小巷道，巷道尺寸為3.0×2.0m（寬×高），巷道距硐室底板4.0m，距主硐室兩幫的距離均為1.0m。兩個巷道之間可根據情況選擇爆破方式連通或半連通以達到應力轉移的目的。3主要研究內容技術關鍵：在硐室底板兩側開掘小巷道，巷道尺寸為3.0×2.013效果：采用底板掘巷加底角松動爆破的應力轉移技術后，圍巖垂直應力轉移效果十分明顯，約為原來應力的1/5左右。硐室兩幫的相對移近量一般均在40mm之內。硐室底鼓量均在10mm之內，且為均勻底鼓，硐室基礎未受到破壞。3主要研究內容效果：采用底板掘巷加底角松動爆破的應力轉移技術后，圍巖垂直應14之三：上行開采的應力轉移原理與技術基本原理為：下部煤層先行開采后，在采空區上方形成冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，上部煤層處于裂隙帶或彎曲下沉內。此時上部煤層中的巷道處于低應力區，易于維護。3主要研究內容四煤采空區二煤層之三：上行開采的應力轉移原理與技術基本原理為：下部煤層先行開15效果：采用上行開采后孫村礦二煤回采巷道的斷面收縮率由原來的50%減小為：頂底板移近量最大不超過250mm，兩幫水平移近量也不超過250mm，基本上實現了零維修。3主要研究內容效果：采用上行開采后孫村礦二煤回采巷道的斷面收縮率由原來的516之四：巷道底板深部反拱及應力轉移原理與技術基本原理如下。技術關鍵主要有：裝藥量和炮孔間排距、爆破區域的范圍、炮孔深度等。3主要研究內容之四：巷道底板深部反拱及應力轉移原理與技術基本原理如下。技術17現場實施效果：在該絞車房采用應力轉移技術方案后，對圍巖變形結果監測顯示，硐室底鼓顯著降低，底鼓量僅為原絞車房底鼓量的1/3。3主要研究內容現場實施效果：在該絞車房采用應力轉移技術方案后，對圍巖變形結18之五：掘進工作面超前鉆孔應力轉移原理與技術基本原理與關鍵技術參數3主要研究內容之五：掘進工作面超前鉆孔應力轉移原理與技術基本原理與關鍵技術19效果：對比如下圖。可見，在迎頭打超前鉆孔將應力轉移到深部后，巷道圍巖變形比不打超前鉆孔時明顯減小；而且在現場施工過程中發現，未打超前鉆孔段巷道頂板破碎，需要反復清底，而打超前鉆孔段巷道頂板較完整，便于支護，而且只進行一次清底。3主要研究內容效果：對比如下圖。可見，在迎頭打超前鉆孔將應力轉移到深部后，20隨著我國煤礦開采深度和難度的進一步增加，深部礦井、高應力區域、以及圍巖松軟等條件下的巷道維護問題將會日趨嚴重，巷道圍巖的變形破壞控制十分困難，該項研究成果對解決這類問題具有重要的理論意義和實用價值，在其他條件類似的地下工程中也有廣泛的推廣應用前景。4對推動行業技術進步的作用隨著我國煤礦開采深度和難度的進一步增加，深部礦井、高應力區域21謝謝謝謝22高應力巷道圍巖應力轉移技術與工程應用研究完成單位：中國礦業大學匯報：姚強嶺博士導師：李學華教授高應力巷道圍巖應力轉移技術與工程應用研究完成單位：中國礦業大23研究背景總體研究思路主要研究內容對推動行業技術進步的作用匯報提綱研究背景匯報提綱24研究對象之一：動壓巷道。煤層開采引起的采動應力通常為原巖應力的3~10倍左右，將造成回采巷道、受跨采影響等巷道的嚴重破壞。1研究背景研究對象之一：動壓巷道。125研究對象之二：高應力軟巖巷道。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。1研究背景研究對象之二：高應力軟巖巷道。126研究對象之三：深井巷道。根據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。1研究背景研究對象之三：深井巷道。127以上三類巷道以及這三類巷道的復合型巷道均為高應力巷道，是本研究的主要對象。這些高應力巷道在其服務期間圍巖塑性區大，變形十分嚴重，少則幾百毫米，多則1.0~2.0m。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。1研究背景以上三類巷道以及這三類巷道的復合型巷道均為高應力巷道，是本研28巷道圍巖控制的基本原理如下式。2總體研究思路傳統的控制方法主要是：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、錨網等）。巷道圍巖控制的基本原理如下式。2傳統的控制方法主要是：其一，29針對高應力巷道，從以上兩方面展開圍巖控制方面的研究，仍不足以解決高應力巷道難維護的問題。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和圍巖變形量，達到實現巷道圍巖穩定的控制目標。2總體研究思路針對高應力巷道，從以上兩方面展開圍巖控制方面的研究，仍不足以30創立了巷道圍巖應力轉移新理論理論的實質在于：通過人為在巷道內部或外部形成若干圍巖松動或破壞區域，可將巷道淺部圍巖的高應力轉移到遠離巷道的深部，使巷道處于相對較低的應力區中；改變巷道淺部圍巖中的應力分布狀態，使其對巷道維護相對有利；巷道受采動影響時，可以改變向巷道圍巖傳遞應力的路徑，或減弱應力傳遞的強度，相對減小外部應力環境對巷道的影響。通過以上作用，從根本上消除或減弱高應力影響，達到有效控制圍巖變形的目的。3主要研究內容創立了巷道圍巖應力轉移新理論理論的實質在于：通過人為在巷道內31之一：頂部構建軟弱區應力轉移原理與技術基本原理如圖。關鍵參數為：硐室距上部軟弱區的垂距、軟弱區的范圍。3主要研究內容之一：頂部構建軟弱區應力轉移原理與技術基本原理如圖。關鍵參數32技術關鍵：在硐室上方（垂距5m）兩側開掘兩條與硐室平行的小斷面巷道，然后在巷道間進行松動爆破，在硐室上方構建一個寬19m、長60m的松動區。3主要研究內容效果：開掘應力轉移巷后最大應力集中系數僅為2.6，是不開掘應力轉移巷時的30%。實測表明，受采動影響期間，硐室頂底板移近量累計為24mm，兩幫移近量累計為31mm，達到了預期目標。技術關鍵：在硐室上方（垂距5m）兩側開掘兩條與硐室平行的小斷33之二：底部構建軟弱區應力轉移原理與技術基本原理如圖。關鍵參數為：底板巷道與硐室的垂直相對位置、底板巷道與硐室的水平相對位置、底板巷道是否進行爆破松動、松動爆破的范圍。3主要研究內容之二：底部構建軟弱區應力轉移原理與技術基本原理如圖。關鍵參數34技術關鍵：在硐室底板兩側開掘小巷道，巷道尺寸為3.0×2.0m（寬×高），巷道距硐室底板4.0m，距主硐室兩幫的距離均為1.0m。兩個巷道之間可根據情況選擇爆破方式連通或半連通以達到應力轉移的目的。3主要研究內容技術關鍵：在硐室底板兩側開掘小巷道，巷道尺寸為3.0×2.035效果：采用底板掘巷加底角松動爆破的應力轉移技術后，圍巖垂直應力轉移效果十分明顯，約為原來應力的1/5左右。硐室兩幫的相對移近量一般均在40mm之內。硐室底鼓量均在10mm之內，且為均勻底鼓，硐室基礎未受到破壞。3主要研究內容效果：采用底板掘巷加底角松動爆破的應力轉移技術后，圍巖垂直應36之三：上行開采的應力轉移原理與技術基本原理為：下部煤層先行開采后，在采空區上方形成冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，上部煤層處于裂隙帶或彎曲下沉內。此時上部煤層中的巷道處于低應力區，易于維護。3主要研究內容四煤采空區二煤層之三：上行開采的應力轉移原理與技術基本原理為：下部煤層先行開37效果：采用上行開采后孫村礦二煤回采巷道的斷面收縮率由原來的50%減小為：頂底板移近量最大不超過250mm，兩幫水平移近量也不超過250mm，基本上實現了零維修。3主要研究內容效果：采用上行開采后孫村礦二煤回采巷道的斷面收縮率由原來的538之四：巷道底板深部反拱及應力轉移原理與技術基本原理如下。技術關鍵主要有：裝藥量和炮孔間排距、爆破區域的范圍、炮孔深度等。3主要研究內容之四：巷道底板深部反拱及應力轉移原理與技術基本原理如下。技術39現場實施效果：在該絞車房采用應力轉移技術方案后，對圍巖變形結果監測顯示，硐室底鼓顯著降低，底鼓量僅為原絞車房底鼓量的1/3。3主要研究內容現場實施效果：在該絞車房采用應力轉移技術方案后，對圍巖變形結40之五：掘進工作面超前鉆孔應力轉移原理與技術基本原理與關鍵技術參數3主要研究內容之五：掘進工作面超前鉆孔應力轉移原理與技術基本原理與關鍵技術41效果：對比如下圖。可見，在迎頭打超前鉆孔將應力轉移到深部后，巷道圍巖變形比不打超前鉆