(第七章)準(zhǔn)巷道礦壓控制課件

第一節(jié)

準(zhǔn)備巷道圍巖應(yīng)力分布與礦壓顯現(xiàn)

一、巷道圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)（一）圍巖應(yīng)力分布與應(yīng)力集中概念經(jīng)采動(dòng)的巖體，在巷道開(kāi)掘以前，通常處于彈性變形狀態(tài)，巖體的原始垂直應(yīng)力P為上部覆蓋巖層的重量γH（巖體的容重與埋藏深度的乘積）。在巖體內(nèi)開(kāi)掘巷道后，巖體內(nèi)部會(huì)發(fā)生應(yīng)力重新分布，即巷道圍巖內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中。當(dāng)巷道圍巖應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度，這時(shí)巖體物性狀態(tài)不變，圍巖仍處于彈性狀態(tài)。如果圍巖局部區(qū)域的應(yīng)力超過(guò)巖體強(qiáng)度，則巖體物性狀態(tài)發(fā)生變化，巷道周邊圍巖產(chǎn)生塑性變形，并從周邊向巖體深處擴(kuò)展到某一范圍，在巷道圍巖內(nèi)出現(xiàn)塑性變形區(qū)，同時(shí)引起應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移。巷道塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布如圖１所示。在塑性區(qū)內(nèi)圈（A），圍巖強(qiáng)度明顯削弱，能夠承擔(dān)的壓力顯著降低，且低于原始應(yīng)力γH，圍巖發(fā)生破裂和位移，稱破裂區(qū)，為卸載和應(yīng)力降低區(qū)。塑性區(qū)外圈（B）的應(yīng)力高于原始應(yīng)力，它與彈性區(qū)內(nèi)增高部分增高部分均為承載區(qū)，也稱應(yīng)力增高區(qū)。1

1圖１圓形巷道圍巖的彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布p—原始應(yīng)力；σt—切向應(yīng)力；σr—徑向應(yīng)力；pi—支護(hù)阻力；α—巷道半徑；Ｒ—塑性區(qū)半徑；A—破裂區(qū)；Ｂ—塑性區(qū)；Ｃ—彈性區(qū)；Ｄ—原始應(yīng)力區(qū)2圖１圓形巷道圍巖的彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布2（二）支承壓力及其形成準(zhǔn)備巷道的礦壓顯現(xiàn)比不受開(kāi)采影響的單一巷道要復(fù)雜得多，它的維護(hù)狀態(tài)除取決于影響單一巷道維護(hù)的諸因素外，主要取決于采動(dòng)影響，即煤層開(kāi)采過(guò)程中采場(chǎng)周圍的巖層運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力重新分布，對(duì)準(zhǔn)備巷道的變形、破壞和維護(hù)的影響。3（二）支承壓力及其形成3

采用長(zhǎng)壁工作面采煤時(shí)，沿回采工作面推進(jìn)方向，不規(guī)則垮落帶處于松散狀況，上覆巖層大部分呈懸空狀態(tài)（圖2和圖3），懸空巖層的重量要轉(zhuǎn)移到工作面前方和采空區(qū)兩側(cè)的煤體的煤柱上。此時(shí)在采空區(qū)為低于原巖應(yīng)力γH的應(yīng)力降低區(qū)，在工作面前方

和煤柱上，出現(xiàn)比原巖應(yīng)力大的增高應(yīng)力（KγH），稱支承壓力，K為應(yīng)力集中系數(shù)?；夭梢鸬闹С袎毫?，不僅對(duì)本煤層的巷道布置危害很大，而且也嚴(yán)重影響布置在回采空間周圍的底板巖巷和鄰近煤層巷道。因此，減輕或避免支承壓力的危害和影響以改善巷道維護(hù)狀態(tài)，是選擇巷道布置方式和護(hù)巷煤柱寬度的重要原則。支承壓力是礦山壓力的重要組成部分，研究支承壓力控制問(wèn)題有著極其重要意義。

圖2回采工作面前后方的應(yīng)力分布Ⅰ—工作面前方應(yīng)力變化區(qū)；Ⅱ—工作面控頂區(qū)；Ⅲ—垮落巖石松散區(qū)；Ⅳ—垮落巖石逐漸壓縮區(qū)；Ⅴ—垮落巖石壓實(shí)區(qū)；A—原巖應(yīng)力區(qū)；

Ｂ—應(yīng)力增高區(qū)；

Ｃ—應(yīng)力降低區(qū)；Ｄ—應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)；

圖3已采區(qū)及其兩側(cè)煤柱的應(yīng)力分布Ⅰ—垮落帶；Ⅱ—裂隙帶；Ⅲ—彎曲下沉帶；A—原巖應(yīng)力區(qū)；B1、B2—應(yīng)力增高區(qū)；C—應(yīng)力降低區(qū)；D—應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)4采用長(zhǎng)壁工作面采煤時(shí)，沿回采工作面推進(jìn)方向，不規(guī)

回采工作面后方，隨著采空區(qū)上覆巖層沉降，垮落巖石逐漸被壓縮和壓實(shí)，垮落帶和底板巖層的壓力恢復(fù)到接近原巖應(yīng)力γH，采空區(qū)兩側(cè)煤柱的應(yīng)力隨之逐漸降低并趨向穩(wěn)定，為應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。所以，煤柱上的支承壓力，應(yīng)力增高系數(shù)K，是隨巷道某地段離正在推進(jìn)的回采工作面的距離及采動(dòng)影響時(shí)間的延續(xù)而變化的。5回采工作面后方，隨著采空區(qū)上覆巖層沉降，垮(三)移動(dòng)支承壓力與固定支承壓力

煤層開(kāi)采后，已采空地區(qū)上方巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支承點(diǎn)轉(zhuǎn)移，從而在采空區(qū)四周形成支承壓力帶（圖4）。工作面前方形成的超前支承壓力，由于它隨工作面推進(jìn)而不斷向前轉(zhuǎn)移，故又稱移動(dòng)支承壓力或臨時(shí)支承壓力。工作面沿傾斜和仰斜方向上下兩側(cè)及開(kāi)切眼一側(cè)煤體上形成的支承壓力，在工作面采過(guò)經(jīng)一段時(shí)間后不再發(fā)生明顯變化，故稱為固定支承壓力或殘余支承壓力。圖4采空區(qū)周圍應(yīng)力重新分布的概貌１—工作面前方支承壓力；２、３、４—沿傾斜、仰斜及工作面后方殘余支承壓力6(三)移動(dòng)支承壓力與固定支承壓力圖4采空區(qū)周圍應(yīng)力重新

支承壓力的顯現(xiàn)特征通常以其分布范圍、分布形式和峰值大小來(lái)表示,所謂峰值是指支承壓力顯現(xiàn)區(qū)內(nèi)集中應(yīng)力的最大值。對(duì)于移動(dòng)支承壓力，應(yīng)力集中系數(shù)K＝2～4，對(duì)于固定支承壓力一般K＝2～3。回采工作面推過(guò)一定距離之后，采空區(qū)上方巖層運(yùn)動(dòng)將逐漸穩(wěn)定，采空區(qū)內(nèi)的某些地點(diǎn)的冒落矸石也會(huì)逐漸受到壓實(shí)，使上部未冒落巖層在不同程度上重新得到支承。因此，在離工作面一定距離的后方采空區(qū)內(nèi)，也可能出現(xiàn)峰值較?。↘＝1～1.3）的支承壓力，稱為采空區(qū)支承壓力，但采空區(qū)內(nèi)大部分地點(diǎn)并不出現(xiàn)這種支承壓力，即通常K＜1。7支承壓力的顯現(xiàn)特征通常以其分布范圍、分布形式

除此之外，相鄰的兩個(gè)采空區(qū)所形成的支承壓力會(huì)在某些地點(diǎn)發(fā)生互相疊加，通常稱為疊加支承壓力。疊合支承壓力的峰值可能比原巖應(yīng)力增高4～6倍（即K＝5～7），有時(shí)甚至更高。

綜上所述可知，由于煤層開(kāi)采使采空區(qū)周圍產(chǎn)生的各種支承壓力的顯現(xiàn)程度、峰值位置和分布范圍是不同的。為了減輕或避免支承壓力對(duì)巷道的危害和改善準(zhǔn)備巷道維護(hù)，必須掌握回采工作面周圍支承壓力的分布規(guī)律，并了解它對(duì)準(zhǔn)備巷道的影響特點(diǎn)。8除此之外，相鄰的兩個(gè)采空區(qū)所形成的支承二、準(zhǔn)備巷道支承壓力分布與礦壓顯現(xiàn)（一）水平巷道圍巖應(yīng)力與礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律掌握水平巷道圍巖應(yīng)力與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)于正確選擇巷道的支護(hù)型式，確定合理的支護(hù)參數(shù)，有效地控制巷道礦壓、改善巷道維護(hù)有重要意義。下面以區(qū)段巖石集中平巷為例介紹水平巷道圍巖應(yīng)力與礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律。區(qū)段巖石集中平巷在上部煤層回采的影響下，由于位置不同，巷道的受力狀況和圍巖變形有很大差別，按巷道與上部煤層回采空間的相對(duì)位置，將底板巖巷布置歸納為圖5的六種情況，以上六種巷道在上部煤層采動(dòng)影響期間的受力狀況歸納如表1所示。9二、準(zhǔn)備巷道支承壓力分布與礦壓顯現(xiàn)91010圖5受上部煤層采動(dòng)影響的底板或鄰近煤層巷道的布置方式11圖5受上部煤層采動(dòng)影響的底板或鄰近煤層巷道的布置方式11圖6受跨采影響的底板巖巷和鄰近煤層巷道（圖5中巷道Ⅰ）的圍巖變形Ⅰ—掘巷引起的圍巖變形區(qū)；Ⅱ—掘巷影響穩(wěn)定后的圍巖變形區(qū)；Ⅲ—工作面A跨采影響的圍巖變形區(qū)；Ⅳ—跨采影響趨向穩(wěn)定后的圍巖變形區(qū)；12圖6受跨采影響的底板巖巷和鄰近煤層巷道（圖5中巷道Ⅰ）的圖7底板巖巷和鄰近煤層巷道的圍巖變形Ⅰ—掘巷引起的圍巖變形區(qū)；Ⅱ—掘巷影響穩(wěn)定后的圍巖變形區(qū)；Ⅲ—工作面A回采影響的圍巖變形區(qū)；Ⅳ—回采影響趨向穩(wěn)定后的圍巖變形區(qū)；

Ⅴ—工作面B回采影響的圍巖區(qū)；Ⅵ—回采影響再次穩(wěn)定后的圍巖變形區(qū)；13圖7底板巖巷和鄰近煤層巷道的圍巖變形13

巷道從開(kāi)掘到報(bào)廢期間的圍巖變形量。將Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ三個(gè)采動(dòng)影響時(shí)期的圍巖變形量劃分為由采動(dòng)引起的附加變形量（圖6、7）和采動(dòng)影響穩(wěn)定期間的變形量?jī)刹糠?4巷道從開(kāi)掘到報(bào)廢期間的圍巖變形量。將Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ三（三）傾斜巷道圍巖應(yīng)力與礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律下面以上（下）山為例介紹傾斜巷道圍巖應(yīng)力與礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律。位于底板或鄰近煤層內(nèi)的上（下）山，在上部煤層采動(dòng)影響下由于巷道布置方式和回采順序不同，上（下）山的受力狀況和圍巖變形量有很大差別，按巷道與煤層回采空間的相對(duì)位置可將上（下）山的布置方式歸納成圖8所列舉的類型，位于煤層內(nèi)用煤柱維護(hù)的上（下）山（圖8a）及位于底板巖層或下部鄰近煤層上方保留煤柱的上（下）山（圖8b），通常將經(jīng)受一側(cè)采動(dòng)影響、兩側(cè)采動(dòng)影響以及長(zhǎng)期處于兩側(cè)引起的疊加支承壓力影響。圖8受采動(dòng)影響的煤層或底板巖石上（下）山的布置方式１—

上山；Ｂ—上（下）山煤柱寬度15（三）傾斜巷道圍巖應(yīng)力與礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律圖8受采動(dòng)影響的

上（下）山位于底板巖層或下部鄰近煤層上部工作面跨越上（下）山回采（不留煤柱），跨越方式如圖8c所示，左翼工作面先回采到上山附近處停采，此時(shí)上山受一側(cè)采動(dòng)引起的支承壓力影響，右翼工作面跨越上山前靠近上山時(shí)，上山兩受到兩側(cè)采動(dòng)引起的支承壓力的疊加影響，上部煤層跨越上山后，上山便處于采空區(qū)下，若上山上方留設(shè)區(qū)段煤柱，則部分上山將長(zhǎng)期處于兩側(cè)采空引起的支承壓力重疊區(qū)下。上（下）山位于底板巖層或下部鄰近煤層上部工作面跨越上（下）山回采（不留煤柱），跨越方式如圖8d所示，右翼工作面在左翼工作面還遠(yuǎn)離上山時(shí)就跨越上山，這種布置方式，上山只受到右翼工作面跨采時(shí)引起的前支承壓力影響，跨采后巷道便處于采空區(qū)下方應(yīng)力降低區(qū)。圖8受采動(dòng)影響的煤層或底板巖石上（下）山的布置方式１—

上山；Ｂ—上（下）山煤柱寬度16上（下）山位于底板巖層或下部鄰近煤層上部工作面跨

采區(qū)上（下）山從開(kāi)掘到報(bào)廢，由于采動(dòng)影響，圍巖應(yīng)力重新分布，巷道圍巖變形會(huì)持續(xù)變形和增加。按照?qǐng)D8a、b、c的上(下)山布置方式，上(下)山的圍巖變形將經(jīng)過(guò)掘巷期間明顯變形，然后趨向穩(wěn)定，一翼采動(dòng)影響期間顯著變形，然后又趨向穩(wěn)定，以及另一翼再次采動(dòng)影響期間強(qiáng)烈變形，再次趨向穩(wěn)定六個(gè)時(shí)期。

圖8受采動(dòng)影響的煤層或底板巖石上（下）山的布置方式１—

上山；Ｂ—上（下）山煤柱寬度17采區(qū)上（下）山從開(kāi)掘到報(bào)廢，由于采圖9上（下）山上方保留煤柱布置方式的圍巖變形18圖9上（下）山上方保留煤柱布置方式的圍巖變形18圖

10上（下）山上方跨采（后到的工作面跨采）布置方式的圍巖變形

19圖10上（下）山上方跨采（后到的工作面跨采）19

圖8d的巷道布置方式，上（下）山的圍巖變形只經(jīng)過(guò)掘巷期間的明顯變形，然后趨向穩(wěn)定，跨采引起圍巖顯著變形，以及跨采之后圍巖變形趨向穩(wěn)定四個(gè)時(shí)期。

20圖8d的巷道布置方式，上（下）山的圍三、影響準(zhǔn)備巷道礦壓顯現(xiàn)的因素影響準(zhǔn)備巷道礦壓顯現(xiàn)的因素可分為兩大類，即自然條件和開(kāi)采方法。（一）自然條件1．煤巖性質(zhì)煤巖性質(zhì)對(duì)巷道變形與破壞有決定性影響。例如，存在軟弱巖石或膨脹性巖石，對(duì)巷道變形和破壞的性質(zhì)和其劇烈程度有重要影響。巷道變形與破壞并非單純?nèi)Q于煤巖性質(zhì)，與煤巖構(gòu)造特征和巖體本身破壞狀態(tài)有密切關(guān)系，其中影響最大和最普遍的是層理與節(jié)理。此外，頂板巖層的分層厚度、頂板中是否存在軟弱巖層、以及軟弱巖層賦存的位置和厚度，也對(duì)掘巷后的頂板動(dòng)態(tài)和巷道變形破壞有重要影響。一般，巷道變形隨煤巖強(qiáng)度增加而減少。21三、影響準(zhǔn)備巷道礦壓顯現(xiàn)的因素212．地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造影響主要是指斷層、褶曲等影響。斷層兩側(cè)通常存在大量斷層泥和斷層礫石等未經(jīng)膠結(jié)成巖石的松散集合體，因此斷層破碎帶內(nèi)物質(zhì)之間的粘結(jié)力、摩擦力很小，自承能力差，一旦懸露很容易冒落，巷道處于這種地質(zhì)構(gòu)造破壞帶，經(jīng)常會(huì)發(fā)生不同程度的冒頂事故。3．采深

開(kāi)采深度直接影響巷道圍巖中原始應(yīng)力的大小。巷道頂?shù)装逡平客ǔｋS采深加大而增加。其次，深部巷道容易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，這對(duì)底板軟弱的巷道尤為嚴(yán)重，所以底鼓問(wèn)題成為深礦井巷道維護(hù)的難題之一?？傊?，隨著采深加大巷道變形增加其維護(hù)更為困難。222．地質(zhì)構(gòu)造224.傾角由于圍巖來(lái)壓方向通常垂直于頂?shù)装澹拭簩觾A角不同時(shí)，巷道主要受壓方向不同，往往改變巷道變形破壞形式和使支架受載不均衡。如近水平煤層中的巷道，頂板多出現(xiàn)對(duì)稱形彎曲下沉；而傾斜或急傾斜煤層中的巷道則常出現(xiàn)非對(duì)稱形變形和破壞，而且當(dāng)頂板中存在大傾角的密集光滑節(jié)理時(shí)，可能出現(xiàn)抽條式的局部冒頂。通常，位于大傾角煤層中的巷道頂部壓力較小，而側(cè)向壓力尤其是頂幫一側(cè)壓力較大，常導(dǎo)致巷道鼓幫和棚腿產(chǎn)生嚴(yán)重變形。5．煤厚眾所周知，煤厚越大，采出的空間越大，必然導(dǎo)致采場(chǎng)上覆巖層破壞越嚴(yán)重，使受回采影響的準(zhǔn)備巷道礦壓顯現(xiàn)越劇烈。234.傾角236．水巖石受水后普遍有軟化現(xiàn)象，使其強(qiáng)度降低。對(duì)于泥巖類軟巖，遇水后會(huì)出現(xiàn)泥化、崩解、膨脹、碎裂等現(xiàn)象，從而可造成圍巖產(chǎn)生很大的塑性變形。對(duì)于節(jié)理發(fā)育的堅(jiān)硬巖層，水使受節(jié)理剪切的破碎巖塊之間的摩擦系數(shù)減小，容易造成個(gè)別巖塊滑動(dòng)和冒落。同時(shí)水的存在又是巷道底臌的常見(jiàn)原因之一。7．溫度溫度升高會(huì)促使巖石從脆性向塑性轉(zhuǎn)化，也容易使巷道圍巖產(chǎn)生塑性變形，降低圍巖承載能力。另一方面，因溫度升高為降溫需增加風(fēng)量，進(jìn)而要增加巷道斷面，巷道圍巖變形量與其斷面尺寸成正比關(guān)系。246．水24（二）開(kāi)采方法

1、巷道布置圍巖性質(zhì)和其構(gòu)造特征是影響巷道穩(wěn)定性的最重要因素。在條件允許時(shí)，宜盡量將巷道布置在堅(jiān)硬而穩(wěn)定的巖層中。這種情況下，巷道往往可以使用較長(zhǎng)時(shí)間而無(wú)需翻修。井下巷道中常見(jiàn)到由于軟弱夾層強(qiáng)烈變形造成局部集中載荷而導(dǎo)致支架變形和損壞的現(xiàn)象。故布置巷道時(shí)應(yīng)盡量避免巷道位于非均質(zhì)的煤和巖體中。地質(zhì)破壞區(qū)屬于巖性不良的地區(qū)，這些地區(qū)可能存在殘余的構(gòu)造應(yīng)力，或者該處的巖體完整性已遭破壞，甚至已散離為大小不等的松散巖塊。在這些地帶開(kāi)掘巷道不僅巷道變形量大，而且很容易出現(xiàn)局部冒頂?shù)仁鹿?。故?yīng)避免在地質(zhì)破壞區(qū)布置巷道。另外，應(yīng)將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)

25（二）開(kāi)采方法252、開(kāi)采順序

工作面回采順序主要有：后退式、前進(jìn)式兩種，當(dāng)采用走向長(zhǎng)壁、區(qū)段內(nèi)后退式開(kāi)采時(shí)，上山將受到超前支承壓力的影響，不利于上山的維護(hù)；當(dāng)采用走向長(zhǎng)壁、區(qū)段內(nèi)前進(jìn)開(kāi)采時(shí)，上山將不受到超前支承壓力的影響，利于上山的維護(hù)。區(qū)段間接替順序有兩種方式：區(qū)段跳采接替及區(qū)段依次接替，當(dāng)采用跳采方式時(shí)，相鄰區(qū)段采空后回采中間區(qū)段時(shí)，出現(xiàn)“孤島”煤柱，煤柱下方底板巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈。262、開(kāi)采順序263、時(shí)間效應(yīng)由于許多巖石具有流變性，所以即使巷道處于不變的靜載荷作用下，隨時(shí)間增長(zhǎng)變形也會(huì)緩慢地增加。時(shí)間因素不僅對(duì)軟弱巖石影響很大，而且對(duì)某些堅(jiān)硬巖石有時(shí)也可能產(chǎn)生明顯影響。故應(yīng)加快工作面推進(jìn)速度，減少巷道維護(hù)時(shí)間。4、巷道維護(hù)方法

巷道維護(hù)是指對(duì)已進(jìn)行過(guò)支護(hù)的巷道，為改善已惡化的維護(hù)狀況和恢復(fù)其穩(wěn)定性所采取的一些措施，正確的維護(hù)方法有利于減少巷道變形，延長(zhǎng)巷道服務(wù)年限，不當(dāng)?shù)木S護(hù)會(huì)惡化巷道狀況，影響礦井正常生產(chǎn)。273、時(shí)間效應(yīng)27第二節(jié)支承壓力在煤層底板中的傳播一、支承壓力在煤層底板中的傳播方式研究支承壓力在煤層底板中的傳播方式對(duì)了解受上部煤層采動(dòng)影響的底板巖層鄰近煤層巷道受力狀況和礦壓顯現(xiàn)，合理布置巷道和選擇有關(guān)參數(shù)有指導(dǎo)意義。（一）支承壓力在煤體下方的傳播從士力學(xué)中知道，集中力P作用在半無(wú)限體的平面上，對(duì)平面下方任一點(diǎn)M將發(fā)生影響，如圖11所示。假設(shè)作用力P在M點(diǎn)造成的位移與距離半徑R反比，與坐標(biāo)角β的余弦成正比，則M點(diǎn)沿R方向的變形uR為28第二節(jié)支承壓力在煤層底板中的傳播282929

上述是在集中力P作用下形成的空間應(yīng)力分布情況。事實(shí)上，這種解只是具有理論上的意義。在實(shí)際工程中很少遇到集中載荷作用的情況，但是通過(guò)這個(gè)解，可以知道應(yīng)力在巖體內(nèi)的傳遞規(guī)則。并且可以用積分的方法，解決其它形式載荷條件下的應(yīng)力分布問(wèn)題。不過(guò)，由于圍巖內(nèi)支承壓力分布的復(fù)雜性，它在巖體內(nèi)的傳播也只能借助于有限元及光彈等方法來(lái)求解。西德學(xué)者雅可比將煤層開(kāi)采條件理想化，即將巖體視為均質(zhì)的彈性體，對(duì)煤體下方底板巖層中的應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到了應(yīng)力線的分布圖，如圖12所示。其假設(shè)的條件是：采深為800m，上覆巖層容重為25KN/m。圖中的單位是10Mpa，因此圖中的等應(yīng)力線2即相當(dāng)于原巖應(yīng)力。顯然，在應(yīng)力傳播的范圍內(nèi)，可以取2線為邊界，在煤體下方的一側(cè)為增壓區(qū)，而在采空區(qū)下方一側(cè)為減壓區(qū)。30上述是在集中力P作用下形成的空間應(yīng)力分布

根據(jù)理論計(jì)算式，可以繪出在集中力P作用下巖體內(nèi)的垂直應(yīng)力σz在水平方向及深度上的分布，如圖13,由圖可以看出，在水平方向上，隨著與集中力P之間距離增加σz逐減小。31根據(jù)理論計(jì)算式，可以繪出在集中力P作用下（二）應(yīng)力傳播角

若將圖11巖體內(nèi)σz相等的線連結(jié)起來(lái)，則形成類似卵形的壓力泡，如圖14所示。與集中力P作用點(diǎn)相連同壓力泡等值線相切的直線和垂直面夾角稱為應(yīng)力傳播角，通常支承壓力越大和煤柱尺寸越小，應(yīng)力傳播角越大，應(yīng)力傳播角一般變化在250～550之間，我國(guó)部分地區(qū)應(yīng)力傳播角如表2所示。一般煤體下方的巷道均應(yīng)布置在應(yīng)力傳播角以外。即卸壓帶的邊界線與煤壁垂直線的夾角，大于β角為低壓區(qū)，小于β角和煤壁下方為支承壓力的高壓區(qū)。底板愈硬，β角愈大，應(yīng)力集中程度愈低。一般來(lái)說(shuō)，底板為煤層時(shí)，β角僅150左右；而底板為巖層時(shí)，β角達(dá)250以上。32（二）應(yīng)力傳播角3233333434⒈應(yīng)力增高區(qū)這是開(kāi)采工作引起的支承壓力經(jīng)煤層傳遞到底板巖層，在靠近采空區(qū)的煤體下方形成的大于原始應(yīng)力的增壓區(qū)，且愈靠近煤層，該集中應(yīng)力值愈大（圖15中A區(qū)）；⒉應(yīng)力降低區(qū)由于開(kāi)采后頂板巖石離層、冒落，在鄰近煤體的采空區(qū)下方底板巖層中形成應(yīng)力明顯低于原始應(yīng)力的卸壓區(qū)，且隨遠(yuǎn)離煤層其卸壓程度逐漸減小。（圖15中B區(qū)）⒊影響輕微區(qū)位于煤體邊界處的采空區(qū)下方，介于應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)之間受采動(dòng)影響輕微的地區(qū)（圖15中C區(qū)）；⒋未受影響區(qū)在煤層底板中，離煤體上支承壓力強(qiáng)作用區(qū)距離較遠(yuǎn)或深度較大，因而未受支承壓力影響的地區(qū)（圖15中D區(qū)）35⒈應(yīng)力增高區(qū)35

從減輕巷道受壓的觀點(diǎn)看，顯然不應(yīng)將底板巖巷布置在A區(qū)，但也不宜布置在離采空區(qū)很近的B區(qū)，因?yàn)樵撎幍牡装鍘r層常常會(huì)朝采空區(qū)方向產(chǎn)生移動(dòng)和鼓起。從減小掘進(jìn)量，便于生產(chǎn)聯(lián)絡(luò)和利于維護(hù)等觀點(diǎn)看，也不宜將巖巷布置在D區(qū)。根據(jù)目前的經(jīng)驗(yàn)，一般是將底板巖巷布置在C區(qū)，而且它離煤層底板和煤體邊界面都應(yīng)有合適的距離。36從減輕巷道受壓的觀點(diǎn)看，顯然不應(yīng)將底板巖巷布置37373838

(二)底板巖性的影響

1.底板巖性對(duì)巷道穩(wěn)定性影響與z值關(guān)系圍巖性質(zhì)對(duì)底板巖巷的z～u關(guān)系影響很大。下面在上部采動(dòng)狀況等一定條件下，討論圍巖性質(zhì)對(duì)u－z的影響。圖16列舉的所有巷道，在上部煤層跨采過(guò)程中，都只受上部工作面回采引起的前支承壓力作用，即荷載P基本相同。只是巷道與上部煤層之間的垂距和圍巖性質(zhì)不同，而引起巷道圍巖變化量的變化。由圖16可見(jiàn)：39(二)底板巖性的影響3940402.圍巖性質(zhì)對(duì)巷道變形量u的影響，遠(yuǎn)比巷道與上部煤層之間的垂距z的影響要大。在圍巖性質(zhì)一定的條件下，z值從５～1０m，u值降低一半左右。在同一垂距下，由于巷道圍巖性質(zhì)不同，u值相差很大，圖16中的四種巷道u的比值為１：3.6：11：30。因此，確定底板巖巷位置時(shí)，首先應(yīng)選擇在圍巖比較穩(wěn)定的層位內(nèi)。即使這個(gè)層位與上部煤層的垂距偏小，它對(duì)巷道維護(hù)的影響也不會(huì)太大。反之，若巖巷位于圍巖松軟的層位內(nèi)，既使與上部煤層的垂距甚大，上部煤層采動(dòng)對(duì)巷道維護(hù)也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。412.圍巖性質(zhì)對(duì)巷道變形量u的影響，遠(yuǎn)比巷道與上部煤層之間的垂第三節(jié)準(zhǔn)備巷道維護(hù)一、準(zhǔn)備巷道礦壓控制的基本途徑準(zhǔn)備巷道礦壓控制主要包括以下三類方法和途徑：第一類：巷道保護(hù)，是為了使圍巖應(yīng)力與巖體強(qiáng)度保持較適應(yīng)的關(guān)系，以便預(yù)防巷道失穩(wěn)或有效地減輕礦壓危害而采取的各種技術(shù)措施。第二類：巷道支護(hù)，一般指借助安設(shè)各種礦山支架去預(yù)防巷道圍巖產(chǎn)生過(guò)度變形和防止巷道冒頂、片幫，以保證巷道正常使用。第三類：巷道維護(hù)，是指對(duì)已進(jìn)行過(guò)支護(hù)的巷道，為了改善惡化的維護(hù)狀況和恢復(fù)其穩(wěn)定性所采取的一些措施，如巷道補(bǔ)棚、補(bǔ)柱、擴(kuò)幫、起底甚至重新支護(hù)。分析目前所采用的各種礦壓控制措施，從其對(duì)付礦壓的原理來(lái)看主要有這些措施：抗、避、移、卸。即抵抗礦山壓力、避開(kāi)高應(yīng)力區(qū)、移走高壓、釋放高壓。42第三節(jié)準(zhǔn)備巷道維護(hù)42（一）抵抗礦山壓力巷道中的礦壓是客觀的自然現(xiàn)象，在采掘過(guò)程中企圖完全消除這種現(xiàn)象是不可能的，因此必須對(duì)巷道采取一定的支護(hù)形式，對(duì)礦山壓力實(shí)行“抵抗”。抵抗礦山壓力主要是提高支架的支撐能力或支護(hù)密度，用加強(qiáng)支護(hù)的手段去抑制或減少圍巖移動(dòng)，增強(qiáng)巷道抗變形能力以對(duì)付礦壓的作用。常采用的方法有：①增大型鋼重量或?qū)ζ溥M(jìn)行熱處理，提高支架的承載能力；②增加支護(hù)密度；③充填支架背后空間；④采用注漿加固技術(shù)；⑤采用二次支護(hù)或聯(lián)合支護(hù)方式。傳統(tǒng)的巷道礦壓控制方法中多以“抗壓”為主，即對(duì)礦山壓力實(shí)行“硬”抗，當(dāng)?shù)V山壓力顯現(xiàn)劇烈時(shí)，采用強(qiáng)行措施來(lái)取得對(duì)巷道的維護(hù)。這種方法巷道布置地點(diǎn)及掘巷時(shí)間可不受限制，但其不僅使巷道支護(hù)工作耗費(fèi)大量的人力物力，支護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度大，并使開(kāi)采費(fèi)用大幅度提高，而且常不能取得滿意的效果。43（一）抵抗礦山壓力43（二）避開(kāi)高應(yīng)力區(qū)避開(kāi)高應(yīng)力區(qū)就是將巷道布置在應(yīng)力經(jīng)重新分布后巖體已處于卸載狀態(tài)的天然低應(yīng)力區(qū)，從時(shí)間上或空間上躲開(kāi)高應(yīng)力的作用。其具體措施：（1）在煤體邊緣或煤體下方的低壓區(qū)內(nèi)布置巷道；（2）錯(cuò)過(guò)高壓作用的時(shí)間，等壓力充分穩(wěn)定后再掘巷。這種方法可在不同程度上減輕巷道受壓，有利于支護(hù)工作，但有時(shí)要多開(kāi)一些輔助巷道，或要求延遲掘進(jìn)時(shí)間，不利于采掘接替。44（二）避開(kāi)高應(yīng)力區(qū)44（三）移走高壓移走高壓主要是通過(guò)人為方法使巷道受到松動(dòng)，形成卸載槽孔或其它形式的卸載空間，迫使載荷轉(zhuǎn)移到離巷道較遠(yuǎn)的地點(diǎn)，達(dá)到減輕巷道受壓的目的，其具體措施為：（1）在巷幫或底板中形成御槽孔；（2）寬面掘進(jìn)或在巷旁故意留出御載空間；（3）用跨采工作面使巷道得到卸載。這種方法使巷道地點(diǎn)及掘進(jìn)時(shí)間不受限制，但要增加與采用卸壓措施有關(guān)的額外費(fèi)用。45（三）移走高壓45（四）釋放高壓

當(dāng)?shù)V山壓力較大時(shí)，采用適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施和保護(hù)支架本身不受嚴(yán)重?fù)p壞的前提下，容忍圍巖產(chǎn)生一定的變形，以釋放部分能量（也稱應(yīng)力釋放）。其具體措施為：（1）采用有一定工作阻力的可縮支架；（2）為巷道受壓收縮預(yù)留備用斷面；（3）容忍巷道底臌然后進(jìn)行機(jī)械化臥底；這種方法可在一定程度上利用圍巖自承力，減輕支架受載，應(yīng)用得當(dāng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)維修護(hù)巷，對(duì)生產(chǎn)極有利，但是這種方法會(huì)增加支架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性或多支出掘進(jìn)和臥底費(fèi)用。46（四）釋放高壓46二、發(fā)揮支架與與圍巖共同承載作用研究表明，井下支架的工作特征與一般的地面工程結(jié)構(gòu)有著根本性的區(qū)別，支架受載的大小不僅取決于本身的力學(xué)性質(zhì)（承載能力與剛性等），而且與其支護(hù)對(duì)象－圍巖本身的性質(zhì)和承載能力有著密切的關(guān)系。因此應(yīng)把“支架－圍巖”看成一個(gè)彼此密切有關(guān)的力學(xué)相互作用系統(tǒng)。47二、發(fā)揮支架與與圍巖共同承載作用47

從廣義的角度來(lái)說(shuō)，支架會(huì)在一定程度受到離它較遠(yuǎn)的被采動(dòng)巖體的影響，但通常所說(shuō)的“支架－圍巖”系統(tǒng)主要是指支架與其直接相鄰的周圍小范圍巖體的相互作用，具體來(lái)說(shuō)就是指“直接頂－支架－直接底板”系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，支架與圍巖相互作用的狀況受到直接頂、底板巖性、支架本身的力學(xué)性質(zhì)，支架安設(shè)時(shí)間、安設(shè)的質(zhì)量等許多因素的影響。此外隨著時(shí)間的不同，如在掘進(jìn)初期、受采動(dòng)影響期間以及影響穩(wěn)定以后，支架與圍巖相互作用的狀況也是不同的。在研究巷道控制問(wèn)題時(shí)，必須把“支架－圍巖”看作是一個(gè)相互作用和共同承載的力學(xué)體系，如果從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)來(lái)正確調(diào)整和處理“支架－圍巖”的受力關(guān)系，就有可能在安全和經(jīng)濟(jì)的條件下達(dá)到保證巷道穩(wěn)定性的目的。48從廣義的角度來(lái)說(shuō)，支架會(huì)在一定程度受到離它較遠(yuǎn)的（一）圍巖自身的承載能力研究表明，圍巖不僅具有自承力，而且在一定的程度上還是一種天然承載構(gòu)件。例如，開(kāi)掘在堅(jiān)硬巖層中的巷道常常不用人工支護(hù)就可以長(zhǎng)期保持其穩(wěn)定性，在一部分礦井遇到的所謂“巖石橋”現(xiàn)象也是巖層能承擔(dān)上覆巖重的例子。即使巖層已遭到破壞或折斷，但是由于巖層之間的摩擦力或鉸鏈作用，使這些破斷巖層能形成某種“結(jié)構(gòu)”，即處于暫時(shí)平衡狀態(tài)，它也能在一定程度上起到承擔(dān)上覆巖層重量的作用。因此，合理的“支架－圍巖”關(guān)系中，應(yīng)充分利用圍巖這種天然的自承力和承載力，以盡可能減輕人工支架的負(fù)擔(dān)，這樣才能取得更好的經(jīng)濟(jì)效果。但是，利用圍巖的承載能力也不是無(wú)限制的，它必須在保證安全的前提下尋求這種合理的“支架－圍巖”相互作用關(guān)系。實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)圍巖自身承載能力小，通常利用人工方法增加圍巖強(qiáng)度來(lái)提高圍巖承載能力。49（一）圍巖自身的承載能力49（二）支架與圍巖共同承載的約束條件

為了更簡(jiǎn)單地說(shuō)明“支架－圍巖”相互作用的合理關(guān)系，在巷道周圍出現(xiàn)塑性松動(dòng)圈的情況下，為了使松動(dòng)圈內(nèi)巖石保持塑性應(yīng)力，就需要在巷道周邊上對(duì)圍巖施加一定的支護(hù)反力，而且圍巖穩(wěn)定時(shí)所形成的塑性圈半徑R愈大，所需提供的支護(hù)反力可愈小。由于塑性圈半徑R的大小也表現(xiàn)為巷道周邊徑向位移U的函數(shù)，即P＝f(U)。此關(guān)系式說(shuō)明圍巖達(dá)到穩(wěn)定時(shí)周邊的徑向位移U愈大，所需要的支護(hù)反力P可愈小，反之，如果U愈小，P值愈大，可用圖18的曲線圖來(lái)表示：它也可以稱為圍巖的位移特性曲線?，F(xiàn)在來(lái)分析以下幾種情況。50（二）支架與圍巖共同承載的約束條件50(1)如果只允許巷道圍巖產(chǎn)生微量位移，則勢(shì)必要求開(kāi)巷后立即安設(shè)完全剛性支架。由于位移量很小，這時(shí)支架在曲線1的A點(diǎn)工作，故支架承受的載荷最大（Pmax），顯然這種工作方式是不經(jīng)濟(jì)的，因而也是不合理的。51(1)如果只允許巷道圍巖產(chǎn)生微量位移，則勢(shì)必要求開(kāi)巷(2)如果開(kāi)巷后未及時(shí)支護(hù)，或安設(shè)的是緩增阻型的可縮性支架，則圍巖將基本上不受阻礙的狀態(tài)下使移動(dòng)量發(fā)展到最大，這時(shí)支架在曲線1的B點(diǎn)上工作，故支架承受的載荷可以很小（Pmin）。從理論上說(shuō)，這是經(jīng)濟(jì)的工作方式。在工程實(shí)踐中，當(dāng)U值大至一定值后，曲線1不會(huì)按芬納公式計(jì)算出來(lái)的關(guān)系繼續(xù)降低下來(lái)，而是可能向上增長(zhǎng)，如圖18曲線CD段所示。顯然這種工作狀態(tài)是不安全的，因而也是不能采用的。

52(2)如果開(kāi)巷后未及時(shí)支護(hù)，或安設(shè)的是緩增阻型的可(3)在多數(shù)支架具有一定可縮量和有限承載力的結(jié)構(gòu)，而且開(kāi)巷以后經(jīng)過(guò)某一段時(shí)間才安設(shè)，因此實(shí)踐中總是不得不允許圍巖產(chǎn)生一定程度的位移和變形，所以通常支架總是在位移曲線1的AC段內(nèi)工作。從安全和經(jīng)濟(jì)統(tǒng)一的觀點(diǎn)看，總是希望在保證安全的前年前提下獲得最好的經(jīng)濟(jì)效果，同時(shí)，為了保證有一定的安全儲(chǔ)備，也不宜使支架在圍巖即將散離和破壞極限狀態(tài)（圖中的C點(diǎn)）工作，因此合理的“支架－圍巖”作用關(guān)系取支架特性曲線1的交點(diǎn)保持在離C點(diǎn)不遠(yuǎn)的左側(cè)，如圖中的E點(diǎn)。這時(shí)支架受載雖然稍大于C點(diǎn)，但能獲得經(jīng)濟(jì)又安全的效果，因而也是支架與圍巖作用和共同承載的最佳工作點(diǎn)。53(3)在多數(shù)支架具有一定可縮量和有限承載力的結(jié)構(gòu)，而三巷道維護(hù)措施巷道圍巖破壞范圍是巷道圍巖穩(wěn)定性、變形量大小和支護(hù)難易程度的決定因素。雖然巷道圍巖的破裂狀態(tài)不能改變，但包括支護(hù)在內(nèi)的一切礦壓控制措施，控制圍巖破裂的發(fā)展、減少圍巖破裂范圍是可能的。對(duì)巷道維護(hù)、控制總的原則是：采取一切可能的辦法和措施，減少巷道圍巖的破壞范圍。減少巷道圍巖破裂范圍可以采取多種方式，這些技術(shù)措施歸根結(jié)底是通過(guò)降低應(yīng)力和保證巷道圍巖有較高的強(qiáng)度或是提高巖體強(qiáng)度，從而達(dá)到減少巷道圍巖破裂范圍、提高巷道穩(wěn)定性的目的。保護(hù)巷道的技術(shù)措施很多，例如，巷道二次支護(hù)、將巷道布置在低應(yīng)力區(qū)、選擇巖性良好的層位布置巷道、采用卸壓措施等等。54三巷道維護(hù)措施54（一）巷道二次支護(hù)所謂二次支護(hù)就是開(kāi)巷后，分先后二次對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)。一次支護(hù)的目的是及時(shí)封閉和隔離圍巖，以防止巷道周邊懸露面上個(gè)別危石掉落，同時(shí)對(duì)圍巖初期移動(dòng)給以一定限制，因此一次支護(hù)應(yīng)在開(kāi)巷后及時(shí)和盡早進(jìn)行。但是一次支護(hù)并不能使“支架－圍巖”系統(tǒng)達(dá)到力學(xué)平衡，因此，一次支護(hù)后圍巖必然產(chǎn)生一定的變形，以便繼續(xù)釋放部分能量，以后等圍巖變形和能量釋放到一定的程度后進(jìn)行二次支護(hù)。二次支護(hù)的目的在于促使圍巖進(jìn)一步趨于平衡，以保證巷道使用期間的穩(wěn)定性和確保工作安全。所以二次支護(hù)應(yīng)在初次支護(hù)未失效，圍巖尚未達(dá)到極限允許位移量和圍巖移動(dòng)速度已較小的合適時(shí)間進(jìn)行。這個(gè)時(shí)間一般根據(jù)巷道位移現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的資料來(lái)確定。以往二次支護(hù)工藝多用于基本巷道，尤其是圍巖膨脹變形嚴(yán)重的軟巖巷道。但近年來(lái)在受采動(dòng)影響的順槽中分多次進(jìn)行安設(shè)的所謂分段接力聯(lián)合支護(hù)，實(shí)質(zhì)上也是一定程度利用了“支架－圍巖”合理相互作用原理。55（一）巷道二次支護(hù)55（二）將巷道布置在低壓區(qū)

1．在煤體下方低壓區(qū)布置巷道在煤體與采空區(qū)交界處的下方底板巖石中存在一個(gè)應(yīng)力降低區(qū)，將巷道布置在該區(qū)域內(nèi)可以達(dá)到減輕巷道受壓和改善巷道維護(hù)的目的。在其它條件相同時(shí)，巷道離煤層底板的垂深愈大，巷道受煤柱上方支承壓力的影響愈小，巷道將愈加穩(wěn)定。在巷道離煤層底板垂距相同的情況下，隨著巷道與煤體邊緣水平距離不同，巷道受壓狀況也明顯不同。一般規(guī)律是巷道在采空區(qū)方向深入采空區(qū)下方距煤體邊緣越遠(yuǎn)，所受支承壓力的影響越小。56（二）將巷道布置在低壓區(qū)562．在采空區(qū)內(nèi)形成巷道

采空區(qū)是已經(jīng)卸壓或是逐漸向原始應(yīng)力逐漸過(guò)渡的地區(qū)，除少數(shù)地點(diǎn)可能出現(xiàn)應(yīng)力集中系數(shù)很小的支承壓力外，大部分地區(qū)并不出現(xiàn)支承壓力，因此在采空區(qū)內(nèi)形成巷道也可達(dá)到減輕巷道受壓的目的。在采空區(qū)內(nèi)形成巷道的方法有多種，比較常見(jiàn)的是靠煤體邊緣在采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道以及直接在回采工作面后方采空區(qū)內(nèi)形成巷道。跟隨工作面之后形成的巷道，既不受回采工作面超前支承壓力的影響，也不受工作空間附近頂板強(qiáng)烈下沉影響，因而巷道內(nèi)變形大為減少。從巷道免壓的觀點(diǎn)，對(duì)今后的深部開(kāi)采來(lái)說(shuō)，它可能成為一種有發(fā)展前途的護(hù)巷方法。572．在采空區(qū)內(nèi)形成巷道57（三）選擇巖性良好的層位布置巷道

1．巷道布置在堅(jiān)硬而穩(wěn)定的巖層中圍巖性質(zhì)是影響巷道穩(wěn)定性的最重要的因素。根據(jù)我國(guó)實(shí)測(cè)資料，開(kāi)掘在不同圍巖中的巷道，在受到煤層采動(dòng)影響時(shí)，圍巖變形可相差達(dá)一、二十倍之多。因此，在堅(jiān)硬而穩(wěn)定的巖層中在布置巷道，是巷道保護(hù)重要的措施。圍巖性質(zhì)對(duì)底板巖巷變形的影響如表8所示

58（三）選擇巖性良好的層位布置巷道5859592．將巷道布置在均質(zhì)的煤或巖體中

布置巷道時(shí)除了考慮巖石強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮其結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性。否則由于巷道周圍介質(zhì)強(qiáng)度不同，導(dǎo)致支架受力不均，往往會(huì)使支架的某些構(gòu)件首先產(chǎn)生變形和破壞，從而不能充分利用支架的整體強(qiáng)度。井下巷道中常見(jiàn)到軟弱夾層強(qiáng)烈變形造成局部集中載荷而導(dǎo)致支架變形和損壞的現(xiàn)象，故布置巷道時(shí)盡量避免巷道位于非均質(zhì)的煤和巖體中。602．將巷道布置在均質(zhì)的煤或巖體中603、巷道布置避開(kāi)地質(zhì)破壞區(qū)地質(zhì)破壞區(qū)屬于巖性不良的地區(qū)，這些地區(qū)可能存在較大的構(gòu)造應(yīng)力，或者該處的巖體完整性已遭到破壞，甚至已散離為大小不等的松散巖塊。在這些地帶開(kāi)掘巷道不僅巷道變形量大，而且很容易出現(xiàn)局部冒頂?shù)仁鹿?。故?yīng)避免在地質(zhì)破壞區(qū)布置巷道。613、巷道布置避開(kāi)地質(zhì)破壞區(qū)61

(四）用卸壓措施由于條件限制，無(wú)法將巷道布置在低應(yīng)力區(qū)內(nèi)時(shí)，必要時(shí)可采用人為卸壓，以減免掘巷和回采引起應(yīng)力集中，巷道人為卸壓的主要措施如下：1、在巷道圍巖中鉆孔卸壓這種方法是通過(guò)在被保護(hù)的巷道內(nèi)鉆孔，使掘進(jìn)引起的支承壓力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移，從而使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)。同時(shí)，鉆孔還為巷道圍巖變形提供了一定補(bǔ)償空間，吸收一部分變形，從而減少巷道變形量。卸壓鉆孔可以垂直或平行于巷道軸線在巷道圍巖中鉆鑿，分別如圖19和圖20所示。垂直卸壓鉆孔可在巷道兩幫及頂?shù)装逯秀@鑿，而以在兩幫和底板中居多；平行卸壓鉆孔只在巷道兩幫鉆鑿。62(四）用卸壓措施6263636464

研究表明，在巷道圍巖中鉆卸壓鉆孔后，沿卸壓孔方向（垂直孔）或沿卸壓孔排列方向（平行孔）的巷道變形量減少，而垂直卸壓鉆孔排面方向的巷道的變形量增大。即在兩幫鉆卸壓鉆孔時(shí)，兩幫相對(duì)移近量減少，而頂?shù)装逑鄬?duì)移近量增大；相反，在頂?shù)装逯行秹恒@孔時(shí)，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量減小，兩幫相對(duì)移近量增大。因此，若要減小兩幫變形量，可在巷道兩幫鉆孔卸壓；若要減少頂?shù)装逑鄬?duì)移近量，應(yīng)在頂?shù)装逯秀@卸壓孔；若欲控制巷道底臌，只需在底板巖層中鉆卸壓鉆孔。這種卸壓方法需要鉆鑿大量質(zhì)量要求很高的（平行、間距不變）的卸壓鉆孔和高效率的鉆孔的設(shè)備，因而目前應(yīng)用較少，遠(yuǎn)不如鉆孔松動(dòng)爆破卸壓法用得多。65研究表明，在巷道圍巖中鉆卸壓鉆孔后，沿卸壓孔方向（2.鉆孔松動(dòng)爆破卸壓(1)鉆孔松動(dòng)爆破卸壓這種方法多數(shù)是在巷道底板或兩幫鉆深度較小的炮孔，在孔底進(jìn)行限制性爆破，在煤（巖）體中形成一個(gè)連續(xù)的松散、破碎帶，將掘巷產(chǎn)生的支承壓力峰值轉(zhuǎn)移到巷道圍巖深部，從而達(dá)到卸壓的目的。同時(shí)，己松散、破碎的煤（巖）體具有緩沖墊層作用，即巷道深部圍巖變形將作用于它，當(dāng)它完全被壓實(shí)后才作用于巷道周邊的圍巖和支架，巷道才開(kāi)始變形。可見(jiàn)，鉆孔松動(dòng)爆破卸壓可以延遲和減少巷道變形。試驗(yàn)表明，應(yīng)用此法控制巷道底臌，可使底臌延遲3-10個(gè)月產(chǎn)生，底臌量減少60%-75%。在巷道底板松動(dòng)爆破卸壓，可以有效地防治巷道底臌。如圖21。662.鉆孔松動(dòng)爆破卸壓666767

鉆孔松動(dòng)爆破卸壓的主要技術(shù)參數(shù)有炮孔長(zhǎng)度L、間距b、傾角α和與巷道軸線的夾角β（見(jiàn)圖22），此外還有裝藥量Q.鉆孔松動(dòng)爆破卸壓己在國(guó)外煤礦進(jìn)行了大量實(shí)踐，特別是在治理巷道底臌方面取得了良好的效果。我國(guó)的蘆嶺礦，朱仙莊、三臺(tái)子礦和趙各礦等將這種方法用于深井巷道和軟巖巷道礦壓控制，也取得了較好的效果。68鉆孔松動(dòng)爆破卸壓的主要技術(shù)參數(shù)有炮孔長(zhǎng)度L、間距b6969（2）卸壓與注漿加固結(jié)合

實(shí)踐表明，鉆孔松動(dòng)爆破卸壓法在圍巖條件較好時(shí)可以在一定程度上減少巷道變形量，延遲巷道變形，特別是在控制巷道底臌方面較為有效。然而，隨著松散破碎帶煤巖體被壓實(shí)，卸壓作用也隨之消失。當(dāng)巷道圍巖本身松軟破碎時(shí)，松動(dòng)爆破相當(dāng)于擴(kuò)大了巷道圍巖的破裂范圍，結(jié)果整個(gè)破裂范圍內(nèi)的圍巖一起變形，向巷道空間擠出，不僅不能減小巷道變形量，相反還會(huì)增大巷道變形。70（2）卸壓與注漿加固結(jié)合707171

卸壓工作盡可能與巷道掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，滯后進(jìn)行時(shí)距掘進(jìn)工作面的距離不應(yīng)超過(guò)10m，加固工作可在距掘進(jìn)工作面10m或更遠(yuǎn)的地方進(jìn)行。注漿加固一般需要另打鉆孔作為注漿孔：注漿材料可用水泥漿或其它化學(xué)漿液。這種方法將卸壓與圍巖加固結(jié)合起來(lái)，先通過(guò)鉆孔松動(dòng)爆破卸壓，然后對(duì)已經(jīng)起到了卸壓作用的松散破碎圍巖進(jìn)行注漿加固，因而可以獲得比單一（卸壓、加固）方法更好的效果。但這種先卸壓后加固的方法施工工藝復(fù)雜，故在此基礎(chǔ)上又發(fā)展了一種爆破加固法。72卸壓工作盡可能與巷道掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，滯后進(jìn)行時(shí)距掘進(jìn)

爆破加固的原理與上述先（松動(dòng)爆破）卸壓后加固的方法一樣，但這種方法的爆破卸壓與加固工作同時(shí)完成，因而大大簡(jiǎn)化了施工工藝。這種方法仍然是按卸壓的要求布置炮孔。與鉆孔松動(dòng)爆破卸壓不同的是，孔底除了裝填炸藥外，還間隔裝填粘結(jié)材料。炮孔裝填結(jié)構(gòu)如圖24所示，炸藥距孔口的距離應(yīng)大于1m。裝上炮泥后進(jìn)行爆破，便完成了卸壓和加固工作。粘結(jié)材料可用水泥、水玻璃和砂組成（或用其它化學(xué)材料），并被分隔開(kāi)，用塑料包包裝成藥卷。73爆破加固的原理與上述先（松動(dòng)爆破）卸壓后加固的方法圖24粘結(jié)材料與炸藥裝填結(jié)構(gòu)74圖24粘結(jié)材料與炸藥裝填結(jié)構(gòu)74

鉆孔松勸爆破卸壓對(duì)卸壓帶以內(nèi)的巷道周邊圍巖的穩(wěn)定性有一定影響，特別是圍巖條件較差時(shí)。這一方面是由于爆破使得圍巖中的應(yīng)力重新分布，另一方面爆破產(chǎn)生的沖擊波作用于巷道周邊圍巖，同時(shí)巖體的破裂膨脹也對(duì)這部分圍巖產(chǎn)生擠壓。為了既起到卸壓的效果，又能改善、提高巷道周邊圍巖的穩(wěn)定性，前蘇聯(lián)在鉆孔松動(dòng)爆破卸壓的基礎(chǔ)上提出了另一種爆破卸壓與加固相結(jié)合的方法-----支架加固法。75鉆孔松勸爆破卸壓對(duì)卸壓帶以內(nèi)的巷道周邊圍巖的穩(wěn)定（3）爆破卸壓與支架加固相結(jié)合如圖25所示，這種方法的實(shí)質(zhì)是：在距巷道周邊一定深度處，靠裝填在一種特制的管縫式錨桿中的炸藥爆破形成卸壓帶，同時(shí)錨桿開(kāi)裂加固卸壓帶以內(nèi)的巷道周邊圍巖。采用支架加固法時(shí)，巷道支護(hù)可以是（拱型）金屬可縮支架或錨噴支護(hù)。此法只適用于保護(hù)巷道頂板和兩幫，不用于底板。76（3）爆破卸壓與支架加固相結(jié)合7677773．開(kāi)槽（縫）卸壓這種方法實(shí)際上相當(dāng)于鉆孔卸壓方法的鉆孔中心距為鉆孔直徑的特殊情況，因此它的卸壓原理與鉆孔卸壓法相同，只是卸壓的工程不同，它是通過(guò)在被保護(hù)巷道兩幫或（和）頂?shù)装逯虚_(kāi)卸壓槽（縫），使支承壓力峰值向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，從而達(dá)以卸壓的目的，如圖26所示，同鉆孔卸壓法開(kāi)的卸壓鉆孔一樣，卸壓槽（縫）還為巷道圍巖變形提供了補(bǔ)償?shù)目臻g，從而使巷道變形量減小。783．開(kāi)槽（縫）卸壓78

數(shù)值計(jì)算和相似材料模擬試驗(yàn)表明，在巷道圍巖中開(kāi)卸壓槽后，沿卸壓槽方向的巷道變形量減小，而垂直卸壓槽方向的巷道變形增大。因此，我們可以根據(jù)巷道的變形特點(diǎn)即變形是大小和方向確定卸壓槽（縫）的位置和方向。開(kāi)槽(縫)卸壓相當(dāng)于鉆孔卸壓法孔間距為零（中心距為鉆孔直徑）的特殊情形，因此，從理論上講，它可以獲得更好的卸壓效果，但這種卸壓方法由于目前還沒(méi)有合適的開(kāi)槽機(jī)具，并且要在巷道的不同部位開(kāi)槽也有較大困難，故在實(shí)踐中多用孔代替槽（縫）。79數(shù)值計(jì)算和相似材料模擬試驗(yàn)表明，在巷道圍巖中開(kāi)8080底板卸壓原理圖81底板卸壓原理圖814．巷旁形成卸壓空間（1）寬面掘巷卸壓寬面掘巷是開(kāi)采薄煤層采用的傳統(tǒng)掘巷方法之一。最初應(yīng)用是為了將掘進(jìn)所得的矸石留在巷旁，避免將矸石運(yùn)到地面，從而可減少大量矸石運(yùn)輸量。還可以減輕地面環(huán)境污染。但是由于巷道一側(cè)（有時(shí)可能是兩側(cè)）煤層被采空，而堆積在巷旁的矸石與頂板之間又常留有間隙，這就自然地在一定程度上起到了轉(zhuǎn)移壓力和保護(hù)巷道的作用（圖27）。824．巷旁形成卸壓空間82

寬面掘進(jìn)時(shí)，由于巷道掘進(jìn)速度慢，搗運(yùn)矸石的勞動(dòng)量大而繁重，故這種方法的應(yīng)用受到一定限制。但最近幾年國(guó)外發(fā)展了同時(shí)運(yùn)出巷旁煤炭的矸石充填機(jī)，使巷旁作業(yè)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，在不降低掘進(jìn)速度的條件下仍可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)矸石不出井，從而為這種掘巷方法開(kāi)辟了新的應(yīng)用前景。83寬面掘進(jìn)時(shí)，由于巷道掘進(jìn)速度慢，搗運(yùn)矸石的勞動(dòng)量（2）在巷旁留專門(mén)的卸壓空間

巷旁卸壓空間實(shí)質(zhì)上起了一種隔離高壓的作用，使高壓離巷道較遠(yuǎn)，同時(shí)在高壓作用區(qū)的近旁建立一個(gè)容許頂?shù)装遄杂勺冃蔚膶ｉT(mén)卸壓空間，任其能量充分釋放而導(dǎo)致應(yīng)力降低。形成卸壓空間的方式，可以利用專門(mén)的巷旁充填材料保護(hù)巷道，再在巷旁充填和煤體之間留出專門(mén)的卸載空間（圖28），使嚴(yán)重底臌現(xiàn)象轉(zhuǎn)移到卸壓小巷內(nèi)，從而獲得了良好的巷道卸壓效果。

84（2）在巷旁留專門(mén)的卸壓空間84（3）利用巷道頂部卸壓巷硐進(jìn)行巷道卸壓在巷道頂部布置卸壓巷硐進(jìn)行巷道卸壓，這種方法是通過(guò)在巷道上方形成卸壓空間，使巷道圍巖應(yīng)力重新分布及巷道周邊的集中應(yīng)力峰值向遠(yuǎn)離巷道的圍巖深部轉(zhuǎn)移，從而在保持巷道周邊巖體完整性的前提下使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，顯著改善巷道的受力狀況。85（3）利用巷道頂部卸壓巷硐進(jìn)行巷道卸壓855．大面積區(qū)域卸載過(guò)去，我國(guó)許多礦井曾采用在巷道上方留設(shè)護(hù)巷煤柱以保護(hù)底板巖巷的辦法，但均未獲得良好的效果。事實(shí)上，正是護(hù)巷煤柱上的支承壓力傳遞到底板巖層中，使被保護(hù)的巷道嚴(yán)重受壓或遭到破壞，導(dǎo)致大量的人力物力浪費(fèi)和煤炭資源的損失。相反地，如果使工作面從底板巖石巷道上方連續(xù)采過(guò)去，在被跨越巷道的上方不再留下保護(hù)煤柱，則跨采以后的巷道卻可以受到卸壓而長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)，這就是所謂跨采卸壓護(hù)巷方法。

目前這種方法已在我國(guó)許多煤礦中獲得廣泛應(yīng)用，并取得良好的效果。常用的跨采護(hù)巷方法有以下兩種。865．大面積區(qū)域卸載86（1）跨越平巷回采由圖29可知，由于跨采工作面超前支承壓力的影響，被跨采平巷相應(yīng)于跨采面前方約30～40m的地段受壓增大，但跨采面通過(guò)之后，平巷就可以長(zhǎng)期處于采空區(qū)的低壓區(qū)。被跨采平巷的圍巖移動(dòng)量及其維護(hù)狀況與巷道圍巖性質(zhì)及巷道與煤層之間的距離有關(guān)，當(dāng)巖性不堅(jiān)硬及間距不大時(shí)，在跨采過(guò)程中應(yīng)對(duì)平巷受到跨采影響的地方提前進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，此外，應(yīng)正確安排跨采順序，避免被跨采的平巷因同時(shí)受到上下兩個(gè)區(qū)段的采動(dòng)影響而受到疊合支承壓力的作用。87（1）跨越平巷回采87（2）跨上山回采跨上山回采的原理和跨越平巷回采相同，即回采工作面從處于底板巖石中的采區(qū)上山上方連續(xù)采過(guò)去，不留保護(hù)上山煤柱，使采后上山處于采空區(qū)下方的低壓區(qū)（圖30）。需要指出，跨上山時(shí)上山也會(huì)受到采動(dòng)的影響，上山巷道受跨采影響與平巷不同之點(diǎn)是，由于上山巷道的軸線方向與回采工作面線大致平行，故上山一旦受到上部煤層采動(dòng)影響，則相當(dāng)于工作面全長(zhǎng)或稍大的一段上山將同時(shí)受到強(qiáng)烈采動(dòng)影響，但其影響時(shí)間較短，大約相當(dāng)于回采工作面推過(guò)支承壓力影響區(qū)所需要的時(shí)間。

88（2）跨上山回采88

為了盡量減少跨采時(shí)上山所受到的采動(dòng)影響，應(yīng)使先采的工作面先跨越上山后再停采（圖31），以后再使后采工作面在上山附近停采，這樣可以使上山及早處于采空區(qū)下方而得到卸壓，而且跨采時(shí)上山也受一側(cè)采動(dòng)影響，因此從減輕上山受壓的觀點(diǎn)看，這種跨上山回采方案是最合理的。89為了盡量減少跨采時(shí)上山所受到的采動(dòng)影響，應(yīng)使先采放映結(jié)束！無(wú)悔無(wú)愧于昨天，豐碩殷實(shí)的今天，充滿希望的明天。90放映結(jié)束！無(wú)悔無(wú)愧于昨天，豐碩殷實(shí)的今天，充滿希望的明天。9

第一節(jié)

準(zhǔn)備巷道圍巖應(yīng)力分布與礦壓顯現(xiàn)

一、巷道圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)（一）圍巖應(yīng)力分布與應(yīng)力集中概念經(jīng)采動(dòng)的巖體，在巷道開(kāi)掘以前，通常處于彈性變形狀態(tài)，巖體的原始垂直應(yīng)力P為上部覆蓋巖層的重量γH（巖體的容重與埋藏深度的乘積）。在巖體內(nèi)開(kāi)掘巷道后，巖體內(nèi)部會(huì)發(fā)生應(yīng)力重新分布，即巷道圍巖內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中。當(dāng)巷道圍巖應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度，這時(shí)巖體物性狀態(tài)不變，圍巖仍處于彈性狀態(tài)。如果圍巖局部區(qū)域的應(yīng)力超過(guò)巖體強(qiáng)度，則巖體物性狀態(tài)發(fā)生變化，巷道周邊圍巖產(chǎn)生塑性變形，并從周邊向巖體深處擴(kuò)展到某一范圍，在巷道圍巖內(nèi)出現(xiàn)塑性變形區(qū)，同時(shí)引起應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移。巷道塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布如圖１所示。在塑性區(qū)內(nèi)圈（A），圍巖強(qiáng)度明顯削弱，能夠承擔(dān)的壓力顯著降低，且低于原始應(yīng)力γH，圍巖發(fā)生破裂和位移，稱破裂區(qū)，為卸載和應(yīng)力降低區(qū)。塑性區(qū)外圈（B）的應(yīng)力高于原始應(yīng)力，它與彈性區(qū)內(nèi)增高部分增高部分均為承載區(qū)，也稱應(yīng)力增高區(qū)。91

1圖１圓形巷道圍巖的彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布p—原始應(yīng)力；σt—切向應(yīng)力；σr—徑向應(yīng)力；pi—支護(hù)阻力；α—巷道半徑；Ｒ—塑性區(qū)半徑；A—破裂區(qū)；Ｂ—塑性區(qū)；Ｃ—彈性區(qū)；Ｄ—原始應(yīng)力區(qū)92圖１圓形巷道圍巖的彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布2（二）支承壓力及其形成準(zhǔn)備巷道的礦壓顯現(xiàn)比不受開(kāi)采影響的單一巷道要復(fù)雜得多，它的維護(hù)狀態(tài)除取決于影響單一巷道維護(hù)的諸因素外，主要取決于采動(dòng)影響，即煤層開(kāi)采過(guò)程中采場(chǎng)周圍的巖層運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力重新分布，對(duì)準(zhǔn)備巷道的變形、破壞和維護(hù)的影響。93（二）支承壓力及其形成3

采用長(zhǎng)壁工作面采煤時(shí)，沿回采工作面推進(jìn)方向，不規(guī)則垮落帶處于松散狀況，上覆巖層大部分呈懸空狀態(tài)（圖2和圖3），懸空巖層的重量要轉(zhuǎn)移到工作面前方和采空區(qū)兩側(cè)的煤體的煤柱上。此時(shí)在采空區(qū)為低于原巖應(yīng)力γH的應(yīng)力降低區(qū)，在工作面前方

和煤柱上，出現(xiàn)比原巖應(yīng)力大的增高應(yīng)力（KγH），稱支承壓力，K為應(yīng)力集中系數(shù)?；夭梢鸬闹С袎毫Γ粌H對(duì)本煤層的巷道布置危害很大，而且也嚴(yán)重影響布置在回采空間周圍的底板巖巷和鄰近煤層巷道。因此，減輕或避免支承壓力的危害和影響以改善巷道維護(hù)狀態(tài)，是選擇巷道布置方式和護(hù)巷煤柱寬度的重要原則。支承壓力是礦山壓力的重要組成部分，研究支承壓力控制問(wèn)題有著極其重要意義。

圖2回采工作面前后方的應(yīng)力分布Ⅰ—工作面前方應(yīng)力變化區(qū)；Ⅱ—工作面控頂區(qū)；Ⅲ—垮落巖石松散區(qū)；Ⅳ—垮落巖石逐漸壓縮區(qū)；Ⅴ—垮落巖石壓實(shí)區(qū)；A—原巖應(yīng)力區(qū)；

Ｂ—應(yīng)力增高區(qū)；

Ｃ—應(yīng)力降低區(qū)；Ｄ—應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)；

圖3已采區(qū)及其兩側(cè)煤柱的應(yīng)力分布Ⅰ—垮落帶；Ⅱ—裂隙帶；Ⅲ—彎曲下沉帶；A—原巖應(yīng)力區(qū)；B1、B2—應(yīng)力增高區(qū)；C—應(yīng)力降低區(qū)；D—應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)94采用長(zhǎng)壁工作面采煤時(shí)，沿回采工作面推進(jìn)方向，不規(guī)

回采工作面后方，隨著采空區(qū)上覆巖層沉降，垮落巖石逐漸被壓縮和壓實(shí)，垮落帶和底板巖層的壓力恢復(fù)到接近原巖應(yīng)力γH，采空區(qū)兩側(cè)煤柱的應(yīng)力隨之逐漸降低并趨向穩(wěn)定，為應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。所以，煤柱上的支承壓力，應(yīng)力增高系數(shù)K，是隨巷道某地段離正在推進(jìn)的回采工作面的距離及采動(dòng)影響時(shí)間的延續(xù)而變化的。95回采工作面后方，隨著采空區(qū)上覆巖層沉降，垮(三)移動(dòng)支承壓力與固定支承壓力

煤層開(kāi)采后，已采空地區(qū)上方巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支承點(diǎn)轉(zhuǎn)移，從而在采空區(qū)四周形成支承壓力帶（圖4）。工作面前方形成的超前支承壓力，由于它隨工作面推進(jìn)而不斷向前轉(zhuǎn)移，故又稱移動(dòng)支承壓力或臨時(shí)支承壓力。工作面沿傾斜和仰斜方向上下兩側(cè)及開(kāi)切眼一側(cè)煤體上形成的支承壓力，在工作面采過(guò)經(jīng)一段時(shí)間后不再發(fā)生明顯變化，故稱為固定支承壓力或殘余支承壓力。圖4采空區(qū)周圍應(yīng)力重新分布的概貌１—工作面前方支承壓力；２、３、４—沿傾斜、仰斜及工作面后方殘余支承壓力96(三)移動(dòng)支承壓力與固定支承壓力圖4采空區(qū)周圍應(yīng)力重新

支承壓力的顯現(xiàn)特征通常以其分布范圍、分布形式和峰值大小來(lái)表示,所謂峰值是指支承壓力顯現(xiàn)區(qū)內(nèi)集中應(yīng)力的最大值。對(duì)于移動(dòng)支承壓力，應(yīng)力集中系數(shù)K＝2～4，對(duì)于固定支承壓力一般K＝2～3?；夭晒ぷ髅嫱七^(guò)一定距離之后，采空區(qū)上方巖層運(yùn)動(dòng)將逐漸穩(wěn)定，采空區(qū)內(nèi)的某些地點(diǎn)的冒落矸石也會(huì)逐漸受到壓實(shí)，使上部未冒落巖層在不同程度上重新得到支承。因此，在離工作面一定距離的后方采空區(qū)內(nèi)，也可能出現(xiàn)峰值較小（K＝1～1.3）的支承壓力，稱為采空區(qū)支承壓力，但采空區(qū)內(nèi)大部分地點(diǎn)并不出現(xiàn)這種支承壓力，即通常K＜1。97支承壓力的顯現(xiàn)特征通常以其分布范圍、分布形式

除此之外，相鄰的兩個(gè)采空區(qū)所形成的支承壓力會(huì)在某些地點(diǎn)發(fā)生互相疊加，通常稱為疊加支承壓力。疊合支承壓力的峰值可能比原巖應(yīng)力增高4～6倍（即K＝5～7），有時(shí)甚至更高。

綜上所述可知，由于煤層開(kāi)采使采空區(qū)周圍產(chǎn)生的各種支承壓力的顯現(xiàn)程度、峰值位置和分布范圍是不同的。為了減輕或避免支承壓力對(duì)巷道的危害和改善準(zhǔn)備巷道維護(hù)，必須掌握回采工作面周圍支承壓力的分布規(guī)律，并了解它對(duì)準(zhǔn)備巷道的影響特點(diǎn)。98除此之外，相鄰的兩個(gè)采空區(qū)所形成的支承二、準(zhǔn)備巷道支承壓力分布與礦壓顯現(xiàn)（一）水平巷道圍巖應(yīng)力與礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律掌握水平巷道圍巖應(yīng)力與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)于正確選擇巷道的支護(hù)型式，確定合理的支護(hù)參數(shù)，有效地控制巷道礦壓、改善巷道維護(hù)有重要意義。下面以區(qū)段巖石集中平巷為例介紹水平巷道圍巖應(yīng)力與礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律。區(qū)段巖石集中平巷在上部煤層回采的影響下，由于位置不同，巷道的受力狀況和圍巖變形有很大差別，按巷道與上部煤層回采空間的相對(duì)位置，將底板巖巷布置歸納為圖5的六種情況，以上六種巷道在上部煤層采動(dòng)影響期間的受力狀況歸納如表1所示。99二、準(zhǔn)備巷道支承壓力分布與礦壓顯現(xiàn)910010圖5受上部煤層采動(dòng)影響的底板或鄰近煤層巷道的布置方式101圖5受上部煤層采動(dòng)影響的底板或鄰近煤層巷道的布置方式11圖6受跨采影響的底板巖巷和鄰近煤層巷道（圖5中巷道Ⅰ）的圍巖變形Ⅰ—掘巷引起的圍巖變形區(qū)；Ⅱ—掘巷影響穩(wěn)定后的圍巖變形區(qū)；Ⅲ—工作面A跨采影響的圍巖變形區(qū)；Ⅳ—跨采影響趨向穩(wěn)定后的圍巖變形區(qū)；102圖6受跨采影響的底板巖巷和鄰近煤層巷道（圖5中巷道Ⅰ）的圖7底板巖巷和鄰近煤層巷道的圍巖變形Ⅰ—掘巷引起的圍巖變形區(qū)；Ⅱ—掘巷影響穩(wěn)定后的圍巖變形區(qū)；Ⅲ—工作面A回采影響的圍巖變形區(qū)；Ⅳ—回采影響趨向穩(wěn)定后的圍巖變形區(qū)；

Ⅴ—工作面B回采影響的圍巖區(qū)；Ⅵ—回采影響再次穩(wěn)定后的圍巖變形區(qū)；103圖7底板巖巷和鄰近煤層巷道的圍巖變形13

巷道從開(kāi)掘到報(bào)廢期間的圍巖變形量。將Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ三個(gè)采動(dòng)影響時(shí)期的圍巖變形量劃分為由采動(dòng)引起的附加變形量（圖6、7）和采動(dòng)影響穩(wěn)定期間的變形量?jī)刹糠?04巷道從開(kāi)掘到報(bào)廢期間的圍巖變形量。將Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ三（三）傾斜巷道圍巖應(yīng)力與礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律下面以上（下）山為例介紹傾斜巷道圍巖應(yīng)力與礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律。位于底板或鄰近煤層內(nèi)的上（下）山，在上部煤層采動(dòng)影響下由于巷道布置方式和回采順序不同，上（下）山的受力狀況和圍巖變形量有很大差別，按巷道與煤層回采空間的相對(duì)位置可將上（下）山的布置方式歸納成圖8所列舉的類型，位于煤層內(nèi)用煤柱維護(hù)的上（下）山（圖8a）及位于底板巖層或下部鄰近煤層上方保留煤柱的上（下）山（圖8b），通常將經(jīng)受一側(cè)采動(dòng)影響、兩側(cè)采動(dòng)影響以及長(zhǎng)期處于兩側(cè)引起的疊加支承壓力影響。圖8受采動(dòng)影響的煤層或底板巖石上（下）山的布置方式１—

上山；Ｂ—上（下）山煤柱寬度105（三）傾斜巷道圍巖應(yīng)力與礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律圖8受采動(dòng)影響的

上（下）山位于底板巖層或下部鄰近煤層上部工作面跨越上（下）山回采（不留煤柱），跨越方式如圖8c所示，左翼工作面先回采到上山附近處停采，此時(shí)上山受一側(cè)采動(dòng)引起的支承壓力影響，右翼工作面跨越上山前靠近上山時(shí)，上山兩受到兩側(cè)采動(dòng)引起的支承壓力的疊加影響，上部煤層跨越上山后，上山便處于采空區(qū)下，若上山上方留設(shè)區(qū)段煤柱，則部分上山將長(zhǎng)期處于兩側(cè)采空引起的支承壓力重疊區(qū)下。上（下）山位于底板巖層或下部鄰近煤層上部工作面跨越上（下）山回采（不留煤柱），跨越方式如圖8d所示，右翼工作面在左翼工作面還遠(yuǎn)離上山時(shí)就跨越上山，這種布置方式，上山只受到右翼工作面跨采時(shí)引起的前支承壓力影響，跨采后巷道便處于采空區(qū)下方應(yīng)力降低區(qū)。圖8受采動(dòng)影響的煤層或底板巖石上（下）山的布置方式１—

上山；Ｂ—上（下）山煤柱寬度106上（下）山位于底板巖層或下部鄰近煤層上部工作面跨

采區(qū)上（下）山從開(kāi)掘到報(bào)廢，由于采動(dòng)影響，圍巖應(yīng)力重新分布，巷道圍巖變形會(huì)持續(xù)變形和增加。按照?qǐng)D8a、b、c的上(下)山布置方式，上(下)山的圍巖變形將經(jīng)過(guò)掘巷期間明顯變形，然后趨向穩(wěn)定，一翼采動(dòng)影響期間顯著變形，然后又趨向穩(wěn)定，以及另一翼再次采動(dòng)影響期間強(qiáng)烈變形，再次趨向穩(wěn)定六個(gè)時(shí)期。

圖8受采動(dòng)影響的煤層或底板巖石上（下）山的布置方式１—

上山；Ｂ—上（下）山煤柱寬度107采區(qū)上（下）山從開(kāi)掘到報(bào)廢，由于采圖9上（下）山上方保留煤柱布置方式的圍巖變形108圖9上（下）山上方保留煤柱布置方式的圍巖變形18圖

10上（下）山上方跨采（后到的工作面跨采）布置方式的圍巖變形

109圖10上（下）山上方跨采（后到的工作面跨采）19

圖8d的巷道布置方式，上（下）山的圍巖變形只經(jīng)過(guò)掘巷期間的明顯變形，然后趨向穩(wěn)定，跨采引起圍巖顯著變形，以及跨采之后圍巖變形趨向穩(wěn)定四個(gè)時(shí)期。

110圖8d的巷道布置方式，上（下）山的圍三、影響準(zhǔn)備巷道礦壓顯現(xiàn)的因素影響準(zhǔn)備巷道礦壓顯現(xiàn)的因素可分為兩大類，即自然條件和開(kāi)采方法。（一）自然條件1．煤巖性質(zhì)煤巖性質(zhì)對(duì)巷道變形與破壞有決定性影響。例如，存在軟弱巖石或膨脹性巖石，對(duì)巷道變形和破壞的性質(zhì)和其劇烈程度有重要影響。巷道變形與破壞并非單純?nèi)Q于煤巖性質(zhì)，與煤巖構(gòu)造特征和巖體本身破壞狀態(tài)有密切關(guān)系，其中影響最大和最普遍的是層理與節(jié)理。此外，頂板巖層的分層厚度、頂板中是否存在軟弱巖層、以及軟弱巖層賦存的位置和厚度，也對(duì)掘巷后的頂板動(dòng)態(tài)和巷道變形破壞有重要影響。一般，巷道變形隨煤巖強(qiáng)度增加而減少。111三、影響準(zhǔn)備巷道礦壓顯現(xiàn)的因素212．地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造影響主要是指斷層、褶曲等影響。斷層兩側(cè)通常存在大量斷層泥和斷層礫石等未經(jīng)膠結(jié)成巖石的松散集合體，因此斷層破碎帶內(nèi)物質(zhì)之間的粘結(jié)力、摩擦力很小，自承能力差，一旦懸露很容易冒落，巷道處于這種地質(zhì)構(gòu)造破壞帶，經(jīng)常會(huì)發(fā)生不同程度的冒頂事故。3．采深

開(kāi)采深度直接影響巷道圍巖中原始應(yīng)力的大小。巷道頂?shù)装逡平客ǔｋS采深加大而增加。其次，深部巷道容易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，這對(duì)底板軟弱的巷道尤為嚴(yán)重，所以底鼓問(wèn)題成為深礦井巷道維護(hù)的難題之一。總之，隨著采深加大巷道變形增加其維護(hù)更為困難。1122．地質(zhì)構(gòu)造224.傾角由于圍巖來(lái)壓方向通常垂直于頂?shù)装澹拭簩觾A角不同時(shí)，巷道主要受壓方向不同，往往改變巷道變形破壞形式和使支架受載不均衡。如近水平煤層中的巷道，頂板多出現(xiàn)對(duì)稱形彎曲下沉；而傾斜或急傾斜煤層中的巷道則常出現(xiàn)非對(duì)稱形變形和破壞，而且當(dāng)頂板中存在大傾角的密集光滑節(jié)理時(shí)，可能出現(xiàn)抽條式的局部冒頂。通常，位于大傾角煤層中的巷道頂部壓力較小，而側(cè)向壓力尤其是頂幫一側(cè)壓力較大，常導(dǎo)致巷道鼓幫和棚腿產(chǎn)生嚴(yán)重變形。5．煤厚眾所周知，煤厚越大，采出的空間越大，必然導(dǎo)致采場(chǎng)上覆巖層破壞越嚴(yán)重，使受回采影響的準(zhǔn)備巷道礦壓顯現(xiàn)越劇烈。1134.傾角236．水巖石受水后普遍有軟化現(xiàn)象，使其強(qiáng)度降低。對(duì)于泥巖類軟巖，遇水后會(huì)出現(xiàn)泥化、崩解、膨脹、碎裂等現(xiàn)象，從而可造成圍巖產(chǎn)生很大的塑性變形。對(duì)于節(jié)理發(fā)育的堅(jiān)硬巖層，水使受節(jié)理剪切的破碎巖塊之間的摩擦系數(shù)減小，容易造成個(gè)別巖塊滑動(dòng)和冒落。同時(shí)水的存在又是巷道底臌的常見(jiàn)原因之一。7．溫度溫度升高會(huì)促使巖石從脆性向塑性轉(zhuǎn)化，也容易使巷道圍巖產(chǎn)生塑性變形，降低圍巖承載能力。另一方面，因溫度升高為降溫需增加風(fēng)量，進(jìn)而要增加巷道斷面，巷道圍巖變形量與其斷面尺寸成正比關(guān)系。1146．水24（二）開(kāi)采方法

1、巷道布置圍巖性質(zhì)和其構(gòu)造特征是影響巷道穩(wěn)定性的最重要因素。在條件允許時(shí)，宜盡量將巷道布置在堅(jiān)硬而穩(wěn)定的巖層中。這種情況下，巷道往往可以使用較長(zhǎng)時(shí)間而無(wú)需翻修。井下巷道中常見(jiàn)到由于軟弱夾層強(qiáng)烈變形造成局部集中載荷而導(dǎo)致支架變形和損壞的現(xiàn)象。故布置巷道時(shí)應(yīng)盡量避免巷道位于非均質(zhì)的煤和巖體中。地質(zhì)破壞區(qū)屬于巖性不良的地區(qū)，這些地區(qū)可能存在殘余的構(gòu)造應(yīng)力，或者該處的巖體完整性已遭破壞，甚至已散離為大小不等的松散巖塊。在這些地帶開(kāi)掘巷道不僅巷道變形量大，而且很容易出現(xiàn)局部冒頂?shù)仁鹿?。故?yīng)避免在地質(zhì)破壞區(qū)布置巷道。另外，應(yīng)將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)

115（二）開(kāi)采方法252、開(kāi)采順序

工作面回采順序主要有：后退式、前進(jìn)式兩種，當(dāng)采用走向長(zhǎng)壁、區(qū)段內(nèi)后退式開(kāi)采時(shí)，上山將受到超前支承壓力的影響，不利于上山的維護(hù)；當(dāng)采用走向長(zhǎng)壁、區(qū)段內(nèi)前進(jìn)開(kāi)采時(shí)，上山將不受到超前支承壓力的影響，利于上山的維護(hù)。區(qū)段間接替順序有兩種方式：區(qū)段跳采接替及區(qū)段依次接替，當(dāng)采用跳采方式時(shí)，相鄰區(qū)段采空后回采中間區(qū)段時(shí)，出現(xiàn)“孤島”煤柱，煤柱下方底板巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈。1162、開(kāi)采順序263、時(shí)間效應(yīng)由于許多巖石具有流變性，所以即使巷道處于不變的靜載荷作用下，隨時(shí)間增長(zhǎng)變形也會(huì)緩慢地增加。時(shí)間因素不僅對(duì)軟弱巖石影響很大，而且對(duì)某些堅(jiān)硬巖石有時(shí)也可能產(chǎn)生明顯影響。故應(yīng)加快工作面推進(jìn)速度，減少巷道維護(hù)時(shí)間。4、巷道維護(hù)方法

巷道維護(hù)是指對(duì)已進(jìn)行過(guò)支護(hù)的巷道，為改善已惡化的維護(hù)狀況和恢復(fù)其穩(wěn)定性所采取的一些措施，正確的維護(hù)方法有利于減少巷道變形，延長(zhǎng)巷道服務(wù)年限，不當(dāng)?shù)木S護(hù)會(huì)惡化巷道狀況，影響礦井正常生產(chǎn)。1173、時(shí)間效應(yīng)27第二節(jié)支承壓力在煤層底板中的傳播一、支承壓力在煤層底板中的傳播方式研究支承壓力在煤層底板中的傳播方式對(duì)了解受上部煤層采動(dòng)影響的底板巖層鄰近煤層巷道受力狀況和礦壓顯現(xiàn)，合理布置巷道和選擇有關(guān)參數(shù)有指導(dǎo)意義。（一）支承壓力在煤體下方的傳播從士力學(xué)中知道，集中力P作用在半無(wú)限體的平面上，對(duì)平面下方任一點(diǎn)M將發(fā)生影響，如圖11所示。假設(shè)作用力P在M點(diǎn)造成的位移與距離半徑R反比，與坐標(biāo)角β的余弦成正比，則M點(diǎn)沿R方向的變形uR為118第二節(jié)支承壓力在煤層底板中的傳播2811929

上述是在集中力P作用下形成的空間應(yīng)力分布情況。事實(shí)上，這種解只是具有理論上的意義。在實(shí)際工程中很少遇到集中載荷作用的情況，但是通過(guò)這個(gè)解，可以知道應(yīng)力在巖體內(nèi)的傳遞規(guī)則。并且可以用積分的方法，解決其它形式載荷條件下的應(yīng)力分布問(wèn)題。不過(guò)，由于圍巖內(nèi)支承壓力分布的復(fù)雜性，它在巖體內(nèi)的傳播也只能借助于有限元及光彈等方法來(lái)求解。西德學(xué)者雅可比將煤層開(kāi)采條件理想化，即將巖體視為均質(zhì)的彈性體，對(duì)煤體下方底板巖層中的應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到了應(yīng)力線的分布圖，如圖12所示。其假設(shè)的條件是：采深為800m，上覆巖層容重為25KN/m。圖中的單位是10Mpa，因此圖中的等應(yīng)力線2即相當(dāng)于原巖應(yīng)力。顯然，在應(yīng)力傳播的范圍內(nèi)，可以取2線為邊界，在煤體下方的一側(cè)為增壓區(qū)，而在采空區(qū)下方一側(cè)為減壓區(qū)。120上述是在集中力P作用下形成的空間應(yīng)力分布

根據(jù)理論計(jì)算式，可以繪出在集中力P作用下巖體內(nèi)的垂直應(yīng)力σz在水平方向及深度上的分布，如圖13,由圖可以看出，在水平方向上，隨著與集中力P之間距離增加σz逐減小。121根據(jù)理論計(jì)算式，可以繪出在集中力P作用下（二）應(yīng)力傳播角

若將圖11巖體內(nèi)σz相等的線連結(jié)起來(lái)，則形成類似卵形的壓力泡，如圖14所示。與集中力P作用點(diǎn)相連同壓力泡等值線相切的直線和垂直面夾角稱為應(yīng)力傳播角，通常支承壓力越大和煤柱尺寸越小，應(yīng)力傳播角越大，應(yīng)力傳播角一般變化在250～550之間，我國(guó)部分地區(qū)應(yīng)力傳播角如表2所示。一般煤體下方的巷道均應(yīng)布置在應(yīng)力傳播角以外。即卸壓帶的邊界線與煤壁垂直線的夾角，大于β角為低壓區(qū)，小于β角和煤壁下方為支承壓力的高壓區(qū)。底板愈硬，β角愈大，應(yīng)力集中程度愈低。一般來(lái)說(shuō)，底板為煤層時(shí)，β角僅150左右；而底板為巖層時(shí)，β角達(dá)250以上。122（二）應(yīng)力傳播角321233312434⒈應(yīng)力增高區(qū)這是開(kāi)采工作引起的支承壓力經(jīng)煤層傳遞到底板巖層，在靠近采空區(qū)的煤體下方形成的大于原始應(yīng)力的增壓區(qū)，且愈靠近煤層，該集中應(yīng)力值愈大（圖15中A區(qū)）；⒉應(yīng)力降低區(qū)由于開(kāi)采后頂板巖石離層、冒落，在鄰近煤體的采空區(qū)下方底板巖層中形成應(yīng)力明顯低于原始應(yīng)力的卸壓區(qū)，且隨遠(yuǎn)離煤層其卸