煤矿巷道支护理论与技术及应用.ppt

“实用矿山压力理论与实践”学术研讨会,煤矿巷道支护理论与技术,康红普 煤炭科学研究总院开采设计研究分院,汇 报 提 纲,一、前言,我国煤矿90%是井工开采,井工开采示意图,每年新掘巷道总长度1万余公里,年新掘巷道长度相当于地球直径,规模巨大，世界第一,一、前言,大 巷,井底车场,矿井生产、安全通道,承担行人、通风、运输任务,巷道不畅通，井下开采工作都无法进行,一、前言,堵塞“血管” 发生事故 造成生产瘫痪,剧烈底臌,冲击地压,顶板垮落,一、前言,3.1 煤矿沉积岩层地质特点,顶板岩石钻孔观测图,结构面发育，破碎,强度低(煤5-20MPa，岩石10-60MPa),开采深度大(最大1500m)，地应力高，构造应力复杂,地质构造复杂,淮南煤田地质构造分布图,一、前言,回采工作面周围应力分布,矩形巷道围岩受力状况,矩形巷道断面 回采巷道服务时间短,采动影响强烈（2-5倍原岩应力），范围大 煤柱宽度小甚至无煤柱,3.2 生产特点,一、前言,高地应力巷道变形严重,回采巷道受力与变形状态,支护速度与成本要求苛刻,巷道支护状态特殊：服务时间短，允许有一定变形，但必须稳定；采后能及时垮落,松软、破碎、高应力等复杂困难巷道比重大(60%),一、前言,木支护,砌碹支护,型钢支护,锚杆支护,一、前言,锚杆支护,一、前言,低强度锚杆,高强度锚杆,高预应力强力锚杆,汇 报 提 纲,二、煤矿巷道支护理论的发展,锚杆支护作用的认识过程,悬吊作用（只考虑拉伸作用） 锚固区内形成结构(梁、层、拱、壳) 改善锚固围岩力学性能与应力状态,锚固前后应力应变曲线,二、煤矿巷道支护理论的发展,一次支护(简单条件),巷道二次支护后变形破坏图,二次支护(复杂困难条件)：两次支护，先柔后刚，先让后抗,深部高应力、强烈动压影响、松软破碎围岩巷道，二次支护后仍出现变形破坏，需三次、四次支护甚至多次支护,二次支护图,锚杆支护过程的认识,二、煤矿巷道支护理论的发展,不连续、不协调变形,连续变形,锚杆支护的本质作用与关键参数,锚杆预应力及扩散起关键作用：大幅提高预应力，并实现有效扩散，可抑制围岩不连续、不协调变形,围岩变形形式：不连续、不协调变形；连续、整体变形。锚杆主要对前者起作用,二、煤矿巷道支护理论的发展,U型钢金属支架应力场,掘进工作面锚杆支护应力场,单体支柱应力场,巷道锚杆支护应力场,支护应力场概念：支护在围岩及本身内部产生的应力场,二、煤矿巷道支护理论的发展,主动支护系数：,有效压应力区,预应力扩散系数：,临界支护刚度,支护应力场示意图,提出描述支护应力场的指标,二、煤矿巷道支护理论的发展,结构面分布及力学参数,注浆的重要作用,无结构面,结构面宽度5mm,结构面对群锚的影响,支护应力场的主要影响因素,二、煤矿巷道支护理论的发展,原岩、采动及支护应力场构成煤矿井下综合应力场,原岩+采动+支护=综合应力场,支护应力场,采煤工作面周围应力分布,原岩应力场,以应力场为主线，将原岩体、采动体及支护体有机结合在一体。巷道支护、岩层控制归结为“三场”相互作用,综合应力场概念,二、煤矿巷道支护理论的发展,设置在开挖表面的巷道支护围岩响应曲线,二、煤矿巷道支护理论的发展,锚杆包括插入煤岩体内部分(杆体、锚固剂)，表面构件（托板、钢带及网）。,锚杆支护原理与支架有本质区别，不能再用支架的围岩响应曲线。,锚杆支护围岩响应曲线,二、煤矿巷道支护理论的发展,井下锚杆受力实测曲线5种类型,3,1,5,2,4,曲线1对应预应力低，被动支护，受力小，支护不明显,曲线5对应高预应力，锚固区位移差小，受力变化不大,曲线2、3、4，虽然施加一定预应力，但都小于临界值，不能有效控制围岩早期的离层,二、煤矿巷道支护理论的发展,曲线1支护作用不明显，与无支护相差不大,曲线5，高预应力强力支护有效控制围岩位移,曲线3锚杆破断前围岩位移较小，破断后围岩位移急剧增大,锚杆支护围岩响应曲线,1,2,4,5,3,曲线2围岩较大位移后能趋于 稳定,曲线4围岩较大位移，不能稳定,锚杆支护响应曲线,二、煤矿巷道支护理论的发展,不垂直，不是理想的拉伸,受拉、弯、扭、剪切,杆体受力极不均匀，大部分锚杆在屈服状态下工作,高强度，高延伸，高冲击韧性,二、煤矿巷道支护理论的发展,锚杆控制锚固区不连续、不协调变形，保持围岩完整，减小强度降低,锚杆预应力及其有效扩散起决定性作用,原岩、采动与支护应力场“三场”相互作用与协调,锚杆支护系统具有足够延伸率和冲击韧性，一方面使围岩连续变形释放，另一方面避免局部破坏,围岩破碎，不利于预应力扩散时应注浆,困难巷道采用高预应力、强力锚杆支护，实现一次支护有效控制围岩变形，尽量避免二次支护,汇 报 提 纲,三、煤矿巷道支护成套技术,基于地质力学测试、以锚固与注浆加固为核心的煤矿巷道支护成套技术。,高预力强力锚杆支护系列材料与构件,高预应力施工机具与工,三、煤矿巷道支护成套技术,提出单孔、多参数、耦合地质力学原位快速测试方法,单孔完成地应力、强度与结构及相互耦合关系测试,三、煤矿巷道支护成套技术,开发出配套测试仪器(2项发明专利),三、煤矿巷道支护成套技术,KDBC-56型数字全景钻孔窥视仪，解决了结构参数定量测量难题,钻孔结构观测图片,三、煤矿巷道支护成套技术,地质力学测点分布,三、煤矿巷道支护成套技术,得出煤矿井下地应力分布规律,地应力与埋深的关系,侧压比与埋深的关系,主应力随深度增加而增大，但存在明显离散 主应力受地质构造、煤岩体强度与刚度等因素影响明显,三、煤矿巷道支护成套技术,估算地应力的公式,平均水平应力与垂直应力比值随埋深变化,k-平均水平主应力与垂直主应力比值 H-埋藏深度，m,三、煤矿巷道支护成套技术,得出煤岩体强度分布规律,顶板抗压强度分布-宁煤,煤层抗压强度分布-淮南,三、煤矿巷道支护成套技术,巷道支护设计过程动态信息设计,确定合理的 初始支护设计,信息反馈 与修正设计,巷道围岩 地质力学评估,建立数值模型，多支护方案比较,井下监测 与数据分析,三、煤矿巷道支护成套技术,巷道支护初始设计,三、煤矿巷道支护成套技术,锚杆支护材料与构件的组成,锚杆支护构件,锚杆杆体及附件,锚固剂,护表构件(钢带、金属网),锚索,三、煤矿巷道支护成套技术,复杂困难巷道对支护材料的要求,三、煤矿巷道支护成套技术,强力锚杆,强力锚杆杆体,超高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆，解决了锚杆破断难题。,三、煤矿巷道支护成套技术,三、煤矿巷道支护成套技术,强力锚索（发明专利）,119结构锚索及断面,119结构，断面更加合理 拉断载荷显著提高，最大900kN 延伸率提高1倍,三、煤矿巷道支护成套技术,系列化学注浆材料,三、煤矿巷道支护成套技术,为满足高预应力锚杆施工要求，开发了系列预应力设备,三、煤矿巷道支护成套技术,为克服大扭矩下锚杆扭转屈服、损伤，发明了相关设备,三、煤矿巷道支护成套技术,巷道支护实施于井下后，必须进行矿压监测，评价支护效果，修改设计，确保安全,矿压监测内容,支护体应力,围岩位移,采动应力,表面位移,顶板离层,深部位移,锚杆受力,锚索受力,煤柱应力,支承压力,三、煤矿巷道支护成套技术,综合矿压监测系统,汇 报 提 纲,四、应用实例与效果,研究成果已推广应用于全国各大煤矿区,解决了5类复杂困难巷道支护难题,四、应用实例与效果,应用实例1,新汶超千米深井巷道,四、应用实例与效果,应用实例2,淮南深井软岩沿空留巷,四、应用实例与效果,应用实例3,平庄极软岩巷道,四、应用实例与效果,应用实例4,潞安强烈动压影响巷道,与邻近采煤工作面对掘，掘进、二次动压影响,四、应用实例与效果,汇 报