第一節

準備巷道圍巖應力分布與礦壓顯現

一、巷道圍巖的應力分布狀態（一）圍巖應力分布與應力集中概念經采動的巖體，在巷道開掘以前，通常處于彈性變形狀態，巖體的原始垂直應力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）。在巖體內開掘巷道后，巖體內部會發生應力重新分布，即巷道圍巖內出現應力集中。當巷道圍巖應力小于巖體強度，這時巖體物性狀態不變，圍巖仍處于彈性狀態。如果圍巖局部區域的應力超過巖體強度，則巖體物性狀態發生變化，巷道周邊圍巖產生塑性變形，并從周邊向巖體深處擴展到某一范圍，在巷道圍巖內出現塑性變形區，同時引起應力向圍巖深部轉移。巷道塑性變形區和彈性變形區內的應力分布如圖１所示。在塑性區內圈（A），圍巖強度明顯削弱，能夠承擔的壓力顯著降低，且低于原始應力γH，圍巖發生破裂和位移，稱破裂區，為卸載和應力降低區。塑性區外圈（B）的應力高于原始應力，它與彈性區內增高部分增高部分均為承載區，也稱應力增高區。1

1圖１圓形巷道圍巖的彈塑性變形區及應力分布p—原始應力；σt—切向應力；σr—徑向應力；pi—支護阻力；α—巷道半徑；Ｒ—塑性區半徑；A—破裂區；Ｂ—塑性區；Ｃ—彈性區；Ｄ—原始應力區2圖１圓形巷道圍巖的彈塑性變形區及應力分布2（二）支承壓力及其形成準備巷道的礦壓顯現比不受開采影響的單一巷道要復雜得多，它的維護狀態除取決于影響單一巷道維護的諸因素外，主要取決于采動影響，即煤層開采過程中采場周圍的巖層運動和應力重新分布，對準備巷道的變形、破壞和維護的影響。3（二）支承壓力及其形成3

采用長壁工作面采煤時，沿回采工作面推進方向，不規則垮落帶處于松散狀況，上覆巖層大部分呈懸空狀態（圖2和圖3），懸空巖層的重量要轉移到工作面前方和采空區兩側的煤體的煤柱上。此時在采空區為低于原巖應力γH的應力降低區，在工作面前方

和煤柱上，出現比原巖應力大的增高應力（KγH），稱支承壓力，K為應力集中系數。回采引起的支承壓力，不僅對本煤層的巷道布置危害很大，而且也嚴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狀態，是選擇巷道布置方式和護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題有著極其重要意義。

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

Ｂ—應力增高區；

Ｃ—應力降低區；Ｄ—應力穩定區；

圖3已采區及其兩側煤柱的應力分布Ⅰ—垮落帶；Ⅱ—裂隙帶；Ⅲ—彎曲下沉帶；A—原巖應力區；B1、B2—應力增高區；C—應力降低區；D—應力穩定區4采用長壁工作面采煤時，沿回采工作面推進方向，不規

回采工作面后方，隨著采空區上覆巖層沉降，垮落巖石逐漸被壓縮和壓實，垮落帶和底板巖層的壓力恢復到接近原巖應力γH，采空區兩側煤柱的應力隨之逐漸降低并趨向穩定，為應力穩定區。所以，煤柱上的支承壓力，應力增高系數K，是隨巷道某地段離正在推進的回采工作面的距離及采動影響時間的延續而變化的。5回采工作面后方，隨著采空區上覆巖層沉降，垮(三)移動支承壓力與固定支承壓力

煤層開采后，已采空地區上方巖層重量將向采空區周圍新的支承點轉移，從而在采空區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而不斷向前轉移，故又稱移動支承壓力或臨時支承壓力。工作面沿傾斜和仰斜方向上下兩側及開切眼一側煤體上形成的支承壓力，在工作面采過經一段時間后不再發生明顯變化，故稱為固定支承壓力或殘余支承壓力。圖4采空區周圍應力重新分布的概貌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)移動支承壓力與固定支承壓力圖4采空區周圍應力重新

支承壓力的顯現特征通常以其分布范圍、分布形式和峰值大小來表示,所謂峰值是指支承壓力顯現區內集中應力的最大值。對于移動支承壓力，應力集中系數K＝2～4，對于固定支承壓力一般K＝2～3。回采工作面推過一定距離之后，采空區上方巖層運動將逐漸穩定，采空區內的某些地點的冒落矸石也會逐漸受到壓實，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內，也可能出現峰值較小（K＝1～1.3）的支承壓力，稱為采空區支承壓力，但采空區內大部分地點并不出現這種支承壓力，即通常K＜1。7支承壓力的顯現特征通常以其分布范圍、分布形式

除此之外，相鄰的兩個采空區所形成的支承壓力會在某些地點發生互相疊加，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力增高4～6倍（即K＝5～7），有時甚至更高。

綜上所述可知，由于煤層開采使采空區周圍產生的各種支承壓力的顯現程度、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巷道的危害和改善準備巷道維護，必須掌握回采工作面周圍支承壓力的分布規律，并了解它對準備巷道的影響特點。8除此之外，相鄰的兩個采空區所形成的支承二、準備巷道支承壓力分布與礦壓顯現（一）水平巷道圍巖應力與礦壓顯現的規律掌握水平巷道圍巖應力與礦壓顯現規律，對于正確選擇巷道的支護型式，確定合理的支護參數，有效地控制巷道礦壓、改善巷道維護有重要意義。下面以區段巖石集中平巷為例介紹水平巷道圍巖應力與礦壓顯現的規律。區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影響期間的受力狀況歸納如表1所示。9二、準備巷道支承壓力分布與礦壓顯現91010圖5受上部煤層采動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；Ⅱ—掘巷影響穩定后的圍巖變形區；Ⅲ—工作面A跨采影響的圍巖變形區；Ⅳ—跨采影響趨向穩定后的圍巖變形區；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；Ⅱ—掘巷影響穩定后的圍巖變形區；Ⅲ—工作面A回采影響的圍巖變形區；Ⅳ—回采影響趨向穩定后的圍巖變形區；

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

巷道從開掘到報廢期間的圍巖變形量。將Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ三個采動影響時期的圍巖變形量劃分為由采動引起的附加變形量（圖6、7）和采動影響穩定期間的變形量兩部分14巷道從開掘到報廢期間的圍巖變形量。將Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ三（三）傾斜巷道圍巖應力與礦壓顯現的規律下面以上（下）山為例介紹傾斜巷道圍巖應力與礦壓顯現的規律。位于底板或鄰近煤層內的上（下）山，在上部煤層采動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，位于煤層內用煤柱維護的上（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），通常將經受一側采動影響、兩側采動影響以及長期處于兩側引起的疊加支承壓力影響。圖8受采動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）傾斜巷道圍巖應力與礦壓顯現的規律圖8受采動影響的

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，此時上山受一側采動引起的支承壓力影響，右翼工作面跨越上山前靠近上山時，上山兩受到兩側采動引起的支承壓力的疊加影響，上部煤層跨越上山后，上山便處于采空區下，若上山上方留設區段煤柱，則部分上山將長期處于兩側采空引起的支承壓力重疊區下。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離上山時就跨越上山，這種布置方式，上山只受到右翼工作面跨采時引起的前支承壓力影響，跨采后巷道便處于采空區下方應力降低區。圖8受采動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

采區上（下）山從開掘到報廢，由于采動影響，圍巖應力重新分布，巷道圍巖變形會持續變形和增加。按照圖8a、b、c的上(下)山布置方式，上(下)山的圍巖變形將經過掘巷期間明顯變形，然后趨向穩定，一翼采動影響期間顯著變形，然后又趨向穩定，以及另一翼再次采動影響期間強烈變形，再次趨向穩定六個時期。

圖8受采動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采區上（下）山從開掘到報廢，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）山的圍巖變形只經過掘巷期間的明顯變形，然后趨向穩定，跨采引起圍巖顯著變形，以及跨采之后圍巖變形趨向穩定四個時期。

20圖8d的巷道布置方式，上（下）山的圍三、影響準備巷道礦壓顯現的因素影響準備巷道礦壓顯現的因素可分為兩大類，即自然條件和開采方法。（一）自然條件1．煤巖性質煤巖性質對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，對巷道變形和破壞的性質和其劇烈程度有重要影響。巷道變形與破壞并非單純取決于煤巖性質，與煤巖構造特征和巖體本身破壞狀態有密切關系，其中影響最大和最普遍的是層理與節理。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，也對掘巷后的頂板動態和巷道變形破壞有重要影響。一般，巷道變形隨煤巖強度增加而減少。21三、影響準備巷道礦壓顯現的因素212．地質構造

地質構造影響主要是指斷層、褶曲等影響。斷層兩側通常存在大量斷層泥和斷層礫石等未經膠結成巖石的松散集合體，因此斷層破碎帶內物質之間的粘結力、摩擦力很小，自承能力差，一旦懸露很容易冒落，巷道處于這種地質構造破壞帶，經常會發生不同程度的冒頂事故。3．采深

開采深度直接影響巷道圍巖中原始應力的大小。巷道頂底板移近量通常隨采深加大而增加。其次，深部巷道容易出現底鼓現象，這對底板軟弱的巷道尤為嚴重，所以底鼓問題成為深礦井巷道維護的難題之一。總之，隨著采深加大巷道變形增加其維護更為困難。222．地質構造224.傾角由于圍巖來壓方向通常垂直于頂底板，故煤層傾角不同時，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，頂板多出現對稱形彎曲下沉；而傾斜或急傾斜煤層中的巷道則常出現非對稱形變形和破壞，而且當頂板中存在大傾角的密集光滑節理時，可能出現抽條式的局部冒頂。通常，位于大傾角煤層中的巷道頂部壓力較小，而側向壓力尤其是頂幫一側壓力較大，常導致巷道鼓幫和棚腿產生嚴重變形。5．煤厚眾所周知，煤厚越大，采出的空間越大，必然導致采場上覆巖層破壞越嚴重，使受回采影響的準備巷道礦壓顯現越劇烈。234.傾角236．水巖石受水后普遍有軟化現象，使其強度降低。對于泥巖類軟巖，遇水后會出現泥化、崩解、膨脹、碎裂等現象，從而可造成圍巖產生很大的塑性變形。對于節理發育的堅硬巖層，水使受節理剪切的破碎巖塊之間的摩擦系數減小，容易造成個別巖塊滑動和冒落。同時水的存在又是巷道底臌的常見原因之一。7．溫度溫度升高會促使巖石從脆性向塑性轉化，也容易使巷道圍巖產生塑性變形，降低圍巖承載能力。另一方面，因溫度升高為降溫需增加風量，進而要增加巷道斷面，巷道圍巖變形量與其斷面尺寸成正比關系。246．水24（二）開采方法

1、巷道布置圍巖性質和其構造特征是影響巷道穩定性的最重要因素。在條件允許時，宜盡量將巷道布置在堅硬而穩定的巖層中。這種情況下，巷道往往可以使用較長時間而無需翻修。井下巷道中常見到由于軟弱夾層強烈變形造成局部集中載荷而導致支架變形和損壞的現象。故布置巷道時應盡量避免巷道位于非均質的煤和巖體中。地質破壞區屬于巖性不良的地區，這些地區可能存在殘余的構造應力，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。在這些地帶開掘巷道不僅巷道變形量大，而且很容易出現局部冒頂等事故。故應避免在地質破壞區布置巷道。另外，應將巷道布置在應力降低區

25（二）開采方法252、開采順序

工作面回采順序主要有：后退式、前進式兩種，當采用走向長壁、區段內后退式開采時，上山將受到超前支承壓力的影響，不利于上山的維護；當采用走向長壁、區段內前進開采時，上山將不受到超前支承壓力的影響，利于上山的維護。區段間接替順序有兩種方式：區段跳采接替及區段依次接替，當采用跳采方式時，相鄰區段采空后回采中間區段時，出現“孤島”煤柱，煤柱下方底板巷道礦壓顯現劇烈。262、開采順序263、時間效應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，隨時間增長變形也會緩慢地增加。時間因素不僅對軟弱巖石影響很大，而且對某些堅硬巖石有時也可能產生明顯影響。故應加快工作面推進速度，減少巷道維護時間。4、巷道維護方法

巷道維護是指對已進行過支護的巷道，為改善已惡化的維護狀況和恢復其穩定性所采取的一些措施，正確的維護方法有利于減少巷道變形，延長巷道服務年限，不當的維護會惡化巷道狀況，影響礦井正常生產。273、時間效應27第二節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了解受上部煤層采動影響的底板巖層鄰近煤層巷道受力狀況和礦壓顯現，合理布置巷道和選擇有關參數有指導意義。（一）支承壓力在煤體下方的傳播從士力學中知道，集中力P作用在半無限體的平面上，對平面下方任一點M將發生影響，如圖11所示。假設作用力P在M點造成的位移與距離半徑R反比，與坐標角β的余弦成正比，則M點沿R方向的變形uR為28第二節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力分布情況。事實上，這種解只是具有理論上的意義。在實際工程中很少遇到集中載荷作用的情況，但是通過這個解，可以知道應力在巖體內的傳遞規則。并且可以用積分的方法，解決其它形式載荷條件下的應力分布問題。不過，由于圍巖內支承壓力分布的復雜性，它在巖體內的傳播也只能借助于有限元及光彈等方法來求解。西德學者雅可比將煤層開采條件理想化，即將巖體視為均質的彈性體，對煤體下方底板巖層中的應力分布進行了模擬計算，得到了應力線的分布圖，如圖12所示。其假設的條件是：采深為800m，上覆巖層容重為25KN/m。圖中的單位是10Mpa，因此圖中的等應力線2即相當于原巖應力。顯然，在應力傳播的范圍內，可以取2線為邊界，在煤體下方的一側為增壓區，而在采空區下方一側為減壓區。30上述是在集中力P作用下形成的空間應力分布

根據理論計算式，可以繪出在集中力P作用下巖體內的垂直應力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根據理論計算式，可以繪出在集中力P作用下（二）應力傳播角

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

從減輕巷道受壓的觀點看，顯然不應將底板巖巷布置在A區，但也不宜布置在離采空區很近的B區，因為該處的底板巖層常常會朝采空區方向產生移動和鼓起。從減小掘進量，便于生產聯絡和利于維護等觀點看，也不宜將巖巷布置在D區。根據目前的經驗，一般是將底板巖巷布置在C區，而且它離煤層底板和煤體邊界面都應有合適的距離。36從減輕巷道受壓的觀點看，顯然不應將底板巖巷布置37373838

(二)底板巖性的影響

1.底板巖性對巷道穩定性影響與z值關系圍巖性質對底板巖巷的z～u關系影響很大。下面在上部采動狀況等一定條件下，討論圍巖性質對u－z的影響。圖16列舉的所有巷道，在上部煤層跨采過程中，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不同，而引起巷道圍巖變化量的變化。由圖16可見：39(二)底板巖性的影響3940402.圍巖性質對巷道變形量u的影響，遠比巷道與上部煤層之間的垂距z的影響要大。在圍巖性質一定的條件下，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，首先應選擇在圍巖比較穩定的層位內。即使這個層位與上部煤層的垂距偏小，它對巷道維護的影響也不會太大。反之，若巖巷位于圍巖松軟的層位內，既使與上部煤層的垂距甚大，上部煤層采動對巷道維護也會產生嚴重影響。412.圍巖性質對巷道變形量u的影響，遠比巷道與上部煤層之間的垂第三節準備巷道維護一、準備巷道礦壓控制的基本途徑準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，是為了使圍巖應力與巖體強度保持較適應的關系，以便預防巷道失穩或有效地減輕礦壓危害而采取的各種技術措施。第二類：巷道支護，一般指借助安設各種礦山支架去預防巷道圍巖產生過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，是指對已進行過支護的巷道，為了改善惡化的維護狀況和恢復其穩定性所采取的一些措施，如巷道補棚、補柱、擴幫、起底甚至重新支護。分析目前所采用的各種礦壓控制措施，從其對付礦壓的原理來看主要有這些措施：抗、避、移、卸。即抵抗礦山壓力、避開高應力區、移走高壓、釋放高壓。42第三節準備巷道維護42（一）抵抗礦山壓力巷道中的礦壓是客觀的自然現象，在采掘過程中企圖完全消除這種現象是不可能的，因此必須對巷道采取一定的支護形式，對礦山壓力實行“抵抗”。抵抗礦山壓力主要是提高支架的支撐能力或支護密度，用加強支護的手段去抑制或減少圍巖移動，增強巷道抗變形能力以對付礦壓的作用。常采用的方法有：①增大型鋼重量或對其進行熱處理，提高支架的承載能力；②增加支護密度；③充填支架背后空間；④采用注漿加固技術；⑤采用二次支護或聯合支護方式。傳統的巷道礦壓控制方法中多以“抗壓”為主，即對礦山壓力實行“硬”抗，當礦山壓力顯現劇烈時，采用強行措施來取得對巷道的維護。這種方法巷道布置地點及掘巷時間可不受限制，但其不僅使巷道支護工作耗費大量的人力物力，支護勞動強度大，并使開采費用大幅度提高，而且常不能取得滿意的效果。43（一）抵抗礦山壓力43（二）避開高應力區避開高應力區就是將巷道布置在應力經重新分布后巖體已處于卸載狀態的天然低應力區，從時間上或空間上躲開高應力的作用。其具體措施：（1）在煤體邊緣或煤體下方的低壓區內布置巷道；（2）錯過高壓作用的時間，等壓力充分穩定后再掘巷。這種方法可在不同程度上減輕巷道受壓，有利于支護工作，但有時要多開一些輔助巷道，或要求延遲掘進時間，不利于采掘接替。44（二）避開高應力區44（三）移走高壓移走高壓主要是通過人為方法使巷道受到松動，形成卸載槽孔或其它形式的卸載空間，迫使載荷轉移到離巷道較遠的地點，達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及掘進時間不受限制，但要增加與采用卸壓措施有關的額外費用。45（三）移走高壓45（四）釋放高壓

當礦山壓力較大時，采用適當的支護措施和保護支架本身不受嚴重損壞的前提下，容忍圍巖產生一定的變形，以釋放部分能量（也稱應力釋放）。其具體措施為：（1）采用有一定工作阻力的可縮支架；（2）為巷道受壓收縮預留備用斷面；（3）容忍巷道底臌然后進行機械化臥底；這種方法可在一定程度上利用圍巖自承力，減輕支架受載，應用得當可實現無維修護巷，對生產極有利，但是這種方法會增加支架結構的復雜性或多支出掘進和臥底費用。46（四）釋放高壓46二、發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構有著根本性的區別，支架受載的大小不僅取決于本身的力學性質（承載能力與剛性等），而且與其支護對象－圍巖本身的性質和承載能力有著密切的關系。因此應把“支架－圍巖”看成一個彼此密切有關的力學相互作用系統。47二、發揮支架與與圍巖共同承載作用47

從廣義的角度來說，支架會在一定程度受到離它較遠的被采動巖體的影響，但通常所說的“支架－圍巖”系統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，具體來說就是指“直接頂－支架－直接底板”系統。在這個系統中，支架與圍巖相互作用的狀況受到直接頂、底板巖性、支架本身的力學性質，支架安設時間、安設的質量等許多因素的影響。此外隨著時間的不同，如在掘進初期、受采動影響期間以及影響穩定以后，支架與圍巖相互作用的狀況也是不同的。在研究巷道控制問題時，必須把“支架－圍巖”看作是一個相互作用和共同承載的力學體系，如果從這個觀點出發來正確調整和處理“支架－圍巖”的受力關系，就有可能在安全和經濟的條件下達到保證巷道穩定性的目的。48從廣義的角度來說，支架會在一定程度受到離它較遠的（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件。例如，開掘在堅硬巖層中的巷道常常不用人工支護就可以長期保持其穩定性，在一部分礦井遇到的所謂“巖石橋”現象也是巖層能承擔上覆巖重的例子。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“結構”，即處于暫時平衡狀態，它也能在一定程度上起到承擔上覆巖層重量的作用。因此，合理的“支架－圍巖”關系中，應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擔，這樣才能取得更好的經濟效果。但是，利用圍巖的承載能力也不是無限制的，它必須在保證安全的前提下尋求這種合理的“支架－圍巖”相互作用關系。實際生產中，當圍巖自身承載能力小，通常利用人工方法增加圍巖強度來提高圍巖承載能力。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

為了更簡單地說明“支架－圍巖”相互作用的合理關系，在巷道周圍出現塑性松動圈的情況下，為了使松動圈內巖石保持塑性應力，就需要在巷道周邊上對圍巖施加一定的支護反力，而且圍巖穩定時所形成的塑性圈半徑R愈大，所需提供的支護反力可愈小。由于塑性圈半徑R的大小也表現為巷道周邊徑向位移U的函數，即P＝f(U)。此關系式說明圍巖達到穩定時周邊的徑向位移U愈大，所需要的支護反力P可愈小，反之，如果U愈小，P值愈大，可用圖18的曲線圖來表示：它也可以稱為圍巖的位移特性曲線。現在來分析以下幾種情況。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生微量位移，則勢必要求開巷后立即安設完全剛性支架。由于位移量很小，這時支架在曲線1的A點工作，故支架承受的載荷最大（Pmax），顯然這種工作方式是不經濟的，因而也是不合理的。51(1)如果只允許巷道圍巖產生微量位移，則勢必要求開巷(2)如果開巷后未及時支護，或安設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下使移動量發展到最大，這時支架在曲線1的B點上工作，故支架承受的載荷可以很小（Pmin）。從理論上說，這是經濟的工作方式。在工程實踐中，當U值大至一定值后，曲線1不會按芬納公式計算出來的關系繼續降低下來，而是可能向上增長，如圖18曲線CD段所示。顯然這種工作狀態是不安全的，因而也是不能采用的。

52(2)如果開巷后未及時支護，或安設的是緩增阻型的可(3)在多數支架具有一定可縮量和有限承載力的結構，而且開巷以后經過某一段時間才安設，因此實踐中總是不得不允許圍巖產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段內工作。從安全和經濟統一的觀點看，總是希望在保證安全的前年前提下獲得最好的經濟效果，同時，為了保證有一定的安全儲備，也不宜使支架在圍巖即將散離和破壞極限狀態（圖中的C點）工作，因此合理的“支架－圍巖”作用關系取支架特性曲線1的交點保持在離C點不遠的左側，如圖中的E點。這時支架受載雖然稍大于C點，但能獲得經濟又安全的效果，因而也是支架與圍巖作用和共同承載的最佳工作點。53(3)在多數支架具有一定可縮量和有限承載力的結構，而三巷道維護措施巷道圍巖破壞范圍是巷道圍巖穩定性、變形量大小和支護難易程度的決定因素。雖然巷道圍巖的破裂狀態不能改變，但包括支護在內的一切礦壓控制措施，控制圍巖破裂的發展、減少圍巖破裂范圍是可能的。對巷道維護、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，這些技術措施歸根結底是通過降低應力和保證巷道圍巖有較高的強度或是提高巖體強度，從而達到減少巷道圍巖破裂范圍、提高巷道穩定性的目的。保護巷道的技術措施很多，例如，巷道二次支護、將巷道布置在低應力區、選擇巖性良好的層位布置巷道、采用卸壓措施等等。54三巷道維護措施54（一）巷道二次支護所謂二次支護就是開巷后，分先后二次對巷道進行支護。一次支護的目的是及時封閉和隔離圍巖，以防止巷道周邊懸露面上個別危石掉落，同時對圍巖初期移動給以一定限制，因此一次支護應在開巷后及時和盡早進行。但是一次支護并不能使“支架－圍巖”系統達到力學平衡，因此，一次支護后圍巖必然產生一定的變形，以便繼續釋放部分能量，以后等圍巖變形和能量釋放到一定的程度后進行二次支護。二次支護的目的在于促使圍巖進一步趨于平衡，以保證巷道使用期間的穩定性和確保工作安全。所以二次支護應在初次支護未失效，圍巖尚未達到極限允許位移量和圍巖移動速度已較小的合適時間進行。這個時間一般根據巷道位移現場監測得到的資料來確定。以往二次支護工藝多用于基本巷道，尤其是圍巖膨脹變形嚴重的軟巖巷道。但近年來在受采動影響的順槽中分多次進行安設的所謂分段接力聯合支護，實質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55（二）將巷道布置在低壓區

1．在煤體下方低壓區布置巷道在煤體與采空區交界處的下方底板巖石中存在一個應力降低區，將巷道布置在該區域內可以達到減輕巷道受壓和改善巷道維護的目的。在其它條件相同時，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。一般規律是巷道在采空區方向深入采空區下方距煤體邊緣越遠，所受支承壓力的影響越小。56（二）將巷道布置在低壓區562．在采空區內形成巷道

采空區是已經卸壓或是逐漸向原始應力逐漸過渡的地區，除少數地點可能出現應力集中系數很小的支承壓力外，大部分地區并不出現支承壓力，因此在采空區內形成巷道也可達到減輕巷道受壓的目的。在采空區內形成巷道的方法有多種，比較常見的是靠煤體邊緣在采空區內掘進巷道以及直接在回采工作面后方采空區內形成巷道。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烈下沉影響，因而巷道內變形大為減少。從巷道免壓的觀點，對今后的深部開采來說，它可能成為一種有發展前途的護巷方法。572．在采空區內形成巷道57（三）選擇巖性良好的層位布置巷道

1．巷道布置在堅硬而穩定的巖層中圍巖性質是影響巷道穩定性的最重要的因素。根據我國實測資料，開掘在不同圍巖中的巷道，在受到煤層采動影響時，圍巖變形可相差達一、二十倍之多。因此，在堅硬而穩定的巖層中在布置巷道，是巷道保護重要的措施。圍巖性質對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．將巷道布置在均質的煤或巖體中

布置巷道時除了考慮巖石強度外，還應考慮其結構的非均質性。否則由于巷道周圍介質強度不同，導致支架受力不均，往往會使支架的某些構件首先產生變形和破壞，從而不能充分利用支架的整體強度。井下巷道中常見到軟弱夾層強烈變形造成局部集中載荷而導致支架變形和損壞的現象，故布置巷道時盡量避免巷道位于非均質的煤和巖體中。602．將巷道布置在均質的煤或巖體中603、巷道布置避開地質破壞區地質破壞區屬于巖性不良的地區，這些地區可能存在較大的構造應力，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。在這些地帶開掘巷道不僅巷道變形量大，而且很容易出現局部冒頂等事故。故應避免在地質破壞區布置巷道。613、巷道布置避開地質破壞區61

(四）用卸壓措施由于條件限制，無法將巷道布置在低應力區內時，必要時可采用人為卸壓，以減免掘巷和回采引起應力集中，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在被保護的巷道內鉆孔，使掘進引起的支承壓力峰值向圍巖深部轉移，從而使巷道處于應力降低區。同時，鉆孔還為巷道圍巖變形提供了一定補償空間，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底板中鉆鑿，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，兩幫相對移近量減少，而頂底板相對移近量增大；相反，在頂底板中卸壓鉆孔時，頂底板相對移近量減小，兩幫相對移近量增大。因此，若要減小兩幫變形量，可在巷道兩幫鉆孔卸壓；若要減少頂底板相對移近量，應在頂底板中鉆卸壓孔；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備，因而目前應用較少，遠不如鉆孔松動爆破卸壓法用得多。65研究表明，在巷道圍巖中鉆卸壓鉆孔后，沿卸壓孔方向（2.鉆孔松動爆破卸壓(1)鉆孔松動爆破卸壓這種方法多數是在巷道底板或兩幫鉆深度較小的炮孔，在孔底進行限制性爆破，在煤（巖）體中形成一個連續的松散、破碎帶，將掘巷產生的支承壓力峰值轉移到巷道圍巖深部，從而達到卸壓的目的。同時，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，當它完全被壓實后才作用于巷道周邊的圍巖和支架，巷道才開始變形。可見，鉆孔松動爆破卸壓可以延遲和減少巷道變形。試驗表明，應用此法控制巷道底臌，可使底臌延遲3-10個月產生，底臌量減少60%-75%。在巷道底板松動爆破卸壓，可以有效地防治巷道底臌。如圖21。662.鉆孔松動爆破卸壓666767

鉆孔松動爆破卸壓的主要技術參數有炮孔長度L、間距b、傾角α和與巷道軸線的夾角β（見圖22），此外還有裝藥量Q.鉆孔松動爆破卸壓己在國外煤礦進行了大量實踐，特別是在治理巷道底臌方面取得了良好的效果。我國的蘆嶺礦，朱仙莊、三臺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鉆孔松動爆破卸壓的主要技術參數有炮孔長度L、間距b6969（2）卸壓與注漿加固結合

實踐表明，鉆孔松動爆破卸壓法在圍巖條件較好時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，卸壓作用也隨之消失。當巷道圍巖本身松軟破碎時，松動爆破相當于擴大了巷道圍巖的破裂范圍，結果整個破裂范圍內的圍巖一起變形，向巷道空間擠出，不僅不能減小巷道變形量，相反還會增大巷道變形。70（2）卸壓與注漿加固結合707171

卸壓工作盡可能與巷道掘進同時進行，滯后進行時距掘進工作面的距離不應超過10m，加固工作可在距掘進工作面10m或更遠的地方進行。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漿液。這種方法將卸壓與圍巖加固結合起來，先通過鉆孔松動爆破卸壓，然后對已經起到了卸壓作用的松散破碎圍巖進行注漿加固，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雜，故在此基礎上又發展了一種爆破加固法。72卸壓工作盡可能與巷道掘進同時進行，滯后進行時距掘進

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

鉆孔松勸爆破卸壓對卸壓帶以內的巷道周邊圍巖的穩定性有一定影響，特別是圍巖條件較差時。這一方面是由于爆破使得圍巖中的應力重新分布，另一方面爆破產生的沖擊波作用于巷道周邊圍巖，同時巖體的破裂膨脹也對這部分圍巖產生擠壓。為了既起到卸壓的效果，又能改善、提高巷道周邊圍巖的穩定性，前蘇聯在鉆孔松動爆破卸壓的基礎上提出了另一種爆破卸壓與加固相結合的方法-----支架加固法。75鉆孔松勸爆破卸壓對卸壓帶以內的巷道周邊圍巖的穩定（3）爆破卸壓與支架加固相結合如圖25所示，這種方法的實質是：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，同時錨桿開裂加固卸壓帶以內的巷道周邊圍巖。采用支架加固法時，巷道支護可以是（拱型）金屬可縮支架或錨噴支護。此法只適用于保護巷道頂板和兩幫，不用于底板。76（3）爆破卸壓與支架加固相結合7677773．開槽（縫）卸壓這種方法實際上相當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，它是通過在被保護巷道兩幫或（和）頂底板中開卸壓槽（縫），使支承壓力峰值向巷道圍巖深部轉移，使巷道處于應力降低區，從而達以卸壓的目的，如圖26所示，同鉆孔卸壓法開的卸壓鉆孔一樣，卸壓槽（縫）還為巷道圍巖變形提供了補償的空間，從而使巷道變形量減小。783．開槽（縫）卸壓78

數值計算和相似材料模擬試驗表明，在巷道圍巖中開卸壓槽后，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，我們可以根據巷道的變形特點即變形是大小和方向確定卸壓槽（縫）的位置和方向。開槽(縫)卸壓相當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有合適的開槽機具，并且要在巷道的不同部位開槽也有較大困難，故在實踐中多用孔代替槽（縫）。79數值計算和相似材料模擬試驗表明，在巷道圍巖中開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采薄煤層采用的傳統掘巷方法之一。最初應用是為了將掘進所得的矸石留在巷旁，避免將矸石運到地面，從而可減少大量矸石運輸量。還可以減輕地面環境污染。但是由于巷道一側（有時可能是兩側）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移壓力和保護巷道的作用（圖27）。824．巷旁形成卸壓空間82

寬面掘進時，由于巷道掘進速度慢，搗運矸石的勞動量大而繁重，故這種方法的應用受到一定限制。但最近幾年國外發展了同時運出巷旁煤炭的矸石充填機，使巷旁作業實現了機械化，在不降低掘進速度的條件下仍可實現掘進矸石不出井，從而為這種掘巷方法開辟了新的應用前景。83寬面掘進時，由于巷道掘進速度慢，搗運矸石的勞動量（2）在巷旁留專門的卸壓空間

巷旁卸壓空間實質上起了一種隔離高壓的作用，使高壓離巷道較遠，同時在高壓作用區的近旁建立一個容許頂底板自由變形的專門卸壓空間，任其能量充分釋放而導致應力降低。形成卸壓空間的方式，可以利用專門的巷旁充填材料保護巷道，再在巷旁充填和煤體之間留出專門的卸載空間（圖28），使嚴重底臌現象轉移到卸壓小巷內，從而獲得了良好的巷道卸壓效果。

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

目前這種方法已在我國許多煤礦中獲得廣泛應用，并取得良好的效果。常用的跨采護巷方法有以下兩種。865．大面積區域卸載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，被跨采平巷相應于跨采面前方約30～40m的地段受壓增大，但跨采面通過之后，平巷就可以長期處于采空區的低壓區。被跨采平巷的圍巖移動量及其維護狀況與巷道圍巖性質及巷道與煤層之間的距離有關，當巖性不堅硬及間距不大時，在跨采過程中應對平巷受到跨采影響的地方提前進行加強支護，此外，應正確安排跨采順序，避免被跨采的平巷因同時受到上下兩個區段的采動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上山上方連續采過去，不留保護上山煤柱，使采后上山處于采空區下方的低壓區（圖30）。需要指出，跨上山時上山也會受到采動的影響，上山巷道受跨采影響與平巷不同之點是，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影響，則相當于工作面全長或稍大的一段上山將同時受到強烈采動影響，但其影響時間較短，大約相當于回采工作面推過支承壓力影響區所需要的時間。

88（2）跨上山回采88

為了盡量減少跨采時上山所受到的采動影響，應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下方而得到卸壓，而且跨采時上山也受一側采動影響，因此從減輕上山受壓的觀點看，這種跨上山回采方案是最合理的。89為了盡量減少跨采時上山所受到的采動影響，應使先采放映結束！無悔無愧于昨天，豐碩殷實的今天，充滿希望的明天。90放映結束！無悔無愧于昨天，豐碩殷實的今天，充滿希望的明天。9

第一節

準備巷道圍巖應力分布與礦壓顯現

一、巷道圍巖的應力分布狀態（一）圍巖應力分布與應力集中概念經采動的巖體，在巷道開掘以前，通常處于彈性變形狀態，巖體的原始垂直應力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）。在巖體內開掘巷道后，巖體內部會發生應力重新分布，即巷道圍巖內出現應力集中。當巷道圍巖應力小于巖體強度，這時巖體物性狀態不變，圍巖仍處于彈性狀態。如果圍巖局部區域的應力超過巖體強度，則巖體物性狀態發生變化，巷道周邊圍巖產生塑性變形，并從周邊向巖體深處擴展到某一范圍，在巷道圍巖內出現塑性變形區，同時引起應力向圍巖深部轉移。巷道塑性變形區和彈性變形區內的應力分布如圖１所示。在塑性區內圈（A），圍巖強度明顯削弱，能夠承擔的壓力顯著降低，且低于原始應力γH，圍巖發生破裂和位移，稱破裂區，為卸載和應力降低區。塑性區外圈（B）的應力高于原始應力，它與彈性區內增高部分增高部分均為承載區，也稱應力增高區。91

1圖１圓形巷道圍巖的彈塑性變形區及應力分布p—原始應力；σt—切向應力；σr—徑向應力；pi—支護阻力；α—巷道半徑；Ｒ—塑性區半徑；A—破裂區；Ｂ—塑性區；Ｃ—彈性區；Ｄ—原始應力區92圖１圓形巷道圍巖的彈塑性變形區及應力分布2（二）支承壓力及其形成準備巷道的礦壓顯現比不受開采影響的單一巷道要復雜得多，它的維護狀態除取決于影響單一巷道維護的諸因素外，主要取決于采動影響，即煤層開采過程中采場周圍的巖層運動和應力重新分布，對準備巷道的變形、破壞和維護的影響。93（二）支承壓力及其形成3

采用長壁工作面采煤時，沿回采工作面推進方向，不規則垮落帶處于松散狀況，上覆巖層大部分呈懸空狀態（圖2和圖3），懸空巖層的重量要轉移到工作面前方和采空區兩側的煤體的煤柱上。此時在采空區為低于原巖應力γH的應力降低區，在工作面前方

和煤柱上，出現比原巖應力大的增高應力（KγH），稱支承壓力，K為應力集中系數。回采引起的支承壓力，不僅對本煤層的巷道布置危害很大，而且也嚴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狀態，是選擇巷道布置方式和護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題有著極其重要意義。

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

Ｂ—應力增高區；

Ｃ—應力降低區；Ｄ—應力穩定區；

圖3已采區及其兩側煤柱的應力分布Ⅰ—垮落帶；Ⅱ—裂隙帶；Ⅲ—彎曲下沉帶；A—原巖應力區；B1、B2—應力增高區；C—應力降低區；D—應力穩定區94采用長壁工作面采煤時，沿回采工作面推進方向，不規

回采工作面后方，隨著采空區上覆巖層沉降，垮落巖石逐漸被壓縮和壓實，垮落帶和底板巖層的壓力恢復到接近原巖應力γH，采空區兩側煤柱的應力隨之逐漸降低并趨向穩定，為應力穩定區。所以，煤柱上的支承壓力，應力增高系數K，是隨巷道某地段離正在推進的回采工作面的距離及采動影響時間的延續而變化的。95回采工作面后方，隨著采空區上覆巖層沉降，垮(三)移動支承壓力與固定支承壓力

煤層開采后，已采空地區上方巖層重量將向采空區周圍新的支承點轉移，從而在采空區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而不斷向前轉移，故又稱移動支承壓力或臨時支承壓力。工作面沿傾斜和仰斜方向上下兩側及開切眼一側煤體上形成的支承壓力，在工作面采過經一段時間后不再發生明顯變化，故稱為固定支承壓力或殘余支承壓力。圖4采空區周圍應力重新分布的概貌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)移動支承壓力與固定支承壓力圖4采空區周圍應力重新

支承壓力的顯現特征通常以其分布范圍、分布形式和峰值大小來表示,所謂峰值是指支承壓力顯現區內集中應力的最大值。對于移動支承壓力，應力集中系數K＝2～4，對于固定支承壓力一般K＝2～3。回采工作面推過一定距離之后，采空區上方巖層運動將逐漸穩定，采空區內的某些地點的冒落矸石也會逐漸受到壓實，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內，也可能出現峰值較小（K＝1～1.3）的支承壓力，稱為采空區支承壓力，但采空區內大部分地點并不出現這種支承壓力，即通常K＜1。97支承壓力的顯現特征通常以其分布范圍、分布形式

除此之外，相鄰的兩個采空區所形成的支承壓力會在某些地點發生互相疊加，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力增高4～6倍（即K＝5～7），有時甚至更高。

綜上所述可知，由于煤層開采使采空區周圍產生的各種支承壓力的顯現程度、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巷道的危害和改善準備巷道維護，必須掌握回采工作面周圍支承壓力的分布規律，并了解它對準備巷道的影響特點。98除此之外，相鄰的兩個采空區所形成的支承二、準備巷道支承壓力分布與礦壓顯現（一）水平巷道圍巖應力與礦壓顯現的規律掌握水平巷道圍巖應力與礦壓顯現規律，對于正確選擇巷道的支護型式，確定合理的支護參數，有效地控制巷道礦壓、改善巷道維護有重要意義。下面以區段巖石集中平巷為例介紹水平巷道圍巖應力與礦壓顯現的規律。區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影響期間的受力狀況歸納如表1所示。99二、準備巷道支承壓力分布與礦壓顯現910010圖5受上部煤層采動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；Ⅱ—掘巷影響穩定后的圍巖變形區；Ⅲ—工作面A跨采影響的圍巖變形區；Ⅳ—跨采影響趨向穩定后的圍巖變形區；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；Ⅱ—掘巷影響穩定后的圍巖變形區；Ⅲ—工作面A回采影響的圍巖變形區；Ⅳ—回采影響趨向穩定后的圍巖變形區；

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

巷道從開掘到報廢期間的圍巖變形量。將Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ三個采動影響時期的圍巖變形量劃分為由采動引起的附加變形量（圖6、7）和采動影響穩定期間的變形量兩部分104巷道從開掘到報廢期間的圍巖變形量。將Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ三（三）傾斜巷道圍巖應力與礦壓顯現的規律下面以上（下）山為例介紹傾斜巷道圍巖應力與礦壓顯現的規律。位于底板或鄰近煤層內的上（下）山，在上部煤層采動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，位于煤層內用煤柱維護的上（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），通常將經受一側采動影響、兩側采動影響以及長期處于兩側引起的疊加支承壓力影響。圖8受采動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）傾斜巷道圍巖應力與礦壓顯現的規律圖8受采動影響的

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，此時上山受一側采動引起的支承壓力影響，右翼工作面跨越上山前靠近上山時，上山兩受到兩側采動引起的支承壓力的疊加影響，上部煤層跨越上山后，上山便處于采空區下，若上山上方留設區段煤柱，則部分上山將長期處于兩側采空引起的支承壓力重疊區下。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離上山時就跨越上山，這種布置方式，上山只受到右翼工作面跨采時引起的前支承壓力影響，跨采后巷道便處于采空區下方應力降低區。圖8受采動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

采區上（下）山從開掘到報廢，由于采動影響，圍巖應力重新分布，巷道圍巖變形會持續變形和增加。按照圖8a、b、c的上(下)山布置方式，上(下)山的圍巖變形將經過掘巷期間明顯變形，然后趨向穩定，一翼采動影響期間顯著變形，然后又趨向穩定，以及另一翼再次采動影響期間強烈變形，再次趨向穩定六個時期。

圖8受采動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采區上（下）山從開掘到報廢，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）山的圍巖變形只經過掘巷期間的明顯變形，然后趨向穩定，跨采引起圍巖顯著變形，以及跨采之后圍巖變形趨向穩定四個時期。

110圖8d的巷道布置方式，上（下）山的圍三、影響準備巷道礦壓顯現的因素影響準備巷道礦壓顯現的因素可分為兩大類，即自然條件和開采方法。（一）自然條件1．煤巖性質煤巖性質對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，對巷道變形和破壞的性質和其劇烈程度有重要影響。巷道變形與破壞并非單純取決于煤巖性質，與煤巖構造特征和巖體本身破壞狀態有密切關系，其中影響最大和最普遍的是層理與節理。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，也對掘巷后的頂板動態和巷道變形破壞有重要影響。一般，巷道變形隨煤巖強度增加而減少。111三、影響準備巷道礦壓顯現的因素212．地質構造

地質構造影響主要是指斷層、褶曲等影響。斷層兩側通常存在大量斷層泥和斷層礫石等未經膠結成巖石的松散集合體，因此斷層破碎帶內物質之間的粘結力、摩擦力很小，自承能力差，一旦懸露很容易冒落，巷道處于這種地質構造破壞帶，經常會發生不同程度的冒頂事故。3．采深

開采深度直接影響巷道圍巖中原始應力的大小。巷道頂底板移近量通常隨采深加大而增加。其次，深部巷道容易出現底鼓現象，這對底板軟弱的巷道尤為嚴重，所以底鼓問題成為深礦井巷道維護的難題之一。總之，隨著采深加大巷道變形增加其維護更為困難。1122．地質構造224.傾角由于圍巖來壓方向通常垂直于頂底板，故煤層傾角不同時，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，頂板多出現對稱形彎曲下沉；而傾斜或急傾斜煤層中的巷道則常出現非對稱形變形和破壞，而且當頂板中存在大傾角的密集光滑節理時，可能出現抽條式的局部冒頂。通常，位于大傾角煤層中的巷道頂部壓力較小，而側向壓力尤其是頂幫一側壓力較大，常導致巷道鼓幫和棚腿產生嚴重變形。5．煤厚眾所周知，煤厚越大，采出的空間越大，必然導致采場上覆巖層破壞越嚴重，使受回采影響的準備巷道礦壓顯現越劇烈。1134.傾角236．水巖石受水后普遍有軟化現象，使其強度降低。對于泥巖類軟巖，遇水后會出現泥化、崩解、膨脹、碎裂等現象，從而可造成圍巖產生很大的塑性變形。對于節理發育的堅硬巖層，水使受節理剪切的破碎巖塊之間的摩擦系數減小，容易造成個別巖塊滑動和冒落。同時水的存在又是巷道底臌的常見原因之一。7．溫度溫度升高會促使巖石從脆性向塑性轉化，也容易使巷道圍巖產生塑性變形，降低圍巖承載能力。另一方面，因溫度升高為降溫需增加風量，進而要增加巷道斷面，巷道圍巖變形量與其斷面尺寸成正比關系。1146．水24（二）開采方法

1、巷道布置圍巖性質和其構造特征是影響巷道穩定性的最重要因素。在條件允許時，宜盡量將巷道布置在堅硬而穩定的巖層中。這種情況下，巷道往往可以使用較長時間而無需翻修。井下巷道中常見到由于軟弱夾層強烈變形造成局部集中載荷而導致支架變形和損壞的現象。故布置巷道時應盡量避免巷道位于非均質的煤和巖體中。地質破壞區屬于巖性不良的地區，這些地區可能存在殘余的構造應力，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。在這些地帶開掘巷道不僅巷道變形量大，而且很容易出現局部冒頂等事故。故應避免在地質破壞區布置巷道。另外，應將巷道布置在應力降低區

115（二）開采方法252、開采順序

工作面回采順序主要有：后退式、前進式兩種，當采用走向長壁、區段內后退式開采時，上山將受到超前支承壓力的影響，不利于上山的維護；當采用走向長壁、區段內前進開采時，上山將不受到超前支承壓力的影響，利于上山的維護。區段間接替順序有兩種方式：區段跳采接替及區段依次接替，當采用跳采方式時，相鄰區段采空后回采中間區段時，出現“孤島”煤柱，煤柱下方底板巷道礦壓顯現劇烈。1162、開采順序263、時間效應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，隨時間增長變形也會緩慢地增加。時間因素不僅對軟弱巖石影響很大，而且對某些堅硬巖石有時也可能產生明顯影響。故應加快工作面推進速度，減少巷道維護時間。4、巷道維護方法

巷道維護是指對已進行過支護的巷道，為改善已惡化的維護狀況和恢復其穩定性所采取的一些措施，正確的維護方法有利于減少巷道變形，延長巷道服務年限，不當的維護會惡化巷道狀況，影響礦井正常生產。1173、時間效應27第二節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了解受上部煤層采動影響的底板巖層鄰近煤層巷道受力狀況和礦壓顯現，合理布置巷道和選擇有關參數有指導意義。（一）支承壓力在煤體下方的傳播從士力學中知道，集中力P作用在半無限體的平面上，對平面下方任一點M將發生影響，如圖11所示。假設作用力P在M點造成的位移與距離半徑R反比，與坐標角β的余弦成正比，則M點沿R方向的變形uR為118第二節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力分布情況。事實上，這種解只是具有理論上的意義。在實際工程中很少遇到集中載荷作用的情況，但是通過這個解，可以知道應力在巖體內的傳遞規則。并且可以用積分的方法，解決其它形式載荷條件下的應力分布問題。不過，由于圍巖內支承壓力分布的復雜性，它在巖體內的傳播也只能借助于有限元及光彈等方法來求解。西德學者雅可比將煤層開采條件理想化，即將巖體視為均質的彈性體，對煤體下方底板巖層中的應力分布進行了模擬計算，得到了應力線的分布圖，如圖12所示。其假設的條件是：采深為800m，上覆巖層容重為25KN/m。圖中的單位是10Mpa，因此圖中的等應力線2即相當于原巖應力。顯然，在應力傳播的范圍內，可以取2線為邊界，在煤體下方的一側為增壓區，而在采空區下方一側為減壓區。120上述是在集中力P作用下形成的空間應力分布

根據理論計算式，可以繪出在集中力P作用下巖體內的垂直應力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根據理論計算式，可以繪出在集中力P作用下（二）應力傳播角

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