矿压控制及冲击地压防治(2013年丰建荣).ppt

矿压控制及冲击地压防治 丰建荣博原理工大学矿业工程学院 2019 12 20 太原理工大学 2 一巷道围岩压力的概念二巷道支护及其材料三锚杆支护技术 2019 12 20 太原理工大学 3 一巷道围岩压力的概念 一 巷道围岩压力地下岩体在开挖以前 由于自重和构造所引起的应力是处于平衡状态 当开掘巷道或进行回采工作时 破坏了原来的应力平衡状态 就会引起岩体内部应力的重新分布 表现为巷硐周围煤 岩体产生移动 变形甚至破坏 直到煤 岩体内部形成一个新的应力平衡状态为止 在此过程中 巷道本身或安设在其中的支护物会受到各种力的作用 这种由于在地下煤岩中进行采掘活动而在井巷 硐室及回采工作面周围煤 岩体中和其中的支护物上所引起的力 就叫做 矿山压力 2019 12 20 太原理工大学 4 一巷道围岩压力的概念 在矿山压力的作用下 会引起各种力学现象 如顶板下沉 底板臌起 巷道变形后断面缩小 岩体破坏散离甚至大面积冒落 煤被压松产生片邦或突然抛出 支架严重变形或损坏 充填物被压缩 以及大量岩层移动地表塌陷等等 这些由于矿山压力作用 使围岩 煤体和各种人工支护物产生的种种力学现象 统称为 矿山压力显现 围岩膨胀 崩解体积增大而施加于支护上的压力 称为膨胀压力 膨胀压力与变形压力的基本区别在于它是由吸水膨胀而引起的 从现象上看 属于变形压力范畴 但两者的变形机制截然不同 前者是指与水发生物理化学反应 后者主要是围岩应力与结构效应 2019 12 20 太原理工大学 5 2019 12 20 太原理工大学 6 2019 12 20 太原理工大学 7 2019 12 20 太原理工大学 8 一巷道围岩压力的概念 二 影响巷道围岩压力的地质因素影响围岩压力的因素很多 通常可分为地质 开采和支护等类 影响围岩压力的地质因素有 原岩应力状态 围岩力学性质及岩体结构等 1 原岩应力状态原岩应力是引起围岩变形 破坏的基本作用力 原岩应力随开采深度的增加而增长 所以 随采深的增加 巷道围岩压力会明显增长 原岩体中主应力的大小和方向不同 对巷道的影响作用不同 也直接影响到围岩压力 2 围岩力学性质围岩力学性质是指它的强度 包括抗压 抗拉 抗剪等各种强度和粘聚力c 内摩擦角 等值 和变形性质及其它力学属性 不言而喻 强度小的岩体 围岩压力必然大 反之亦然 c 值大的岩体 其围岩压力小 反之亦然 其中 的影响要较c大 岩体的变形性质是指它的弹性 塑性和粘性 岩体的塑性变形和粘性流动是影响围岩压力大小的重要因素 许多围岩压力较大的巷道 常常是由它引起的 2019 12 20 太原理工大学 9 一巷道围岩压力的概念 3 岩体结构当结构面强度远小于结构体强度时 结构对围岩压力的影响极大 通常岩体破坏首先从弱面开始 这是围岩压力在节理和层理等弱面发育区 破坏带 断层和褶皱区显现强烈的重要原因 由于层状岩体具有定向弱面 所以层状岩体的走向和倾角也与围岩压力密切相关 如果岩层走向与巷道轴向平行或夹角很小 则岩体结构容易与巷道轴线形成不稳定的松动体 因而围岩压力大 水平岩层沿巷道侧帮的稳定性较好 因而帮压较小 而顶压较大 4 膨胀压力的影响因素影响膨胀压力的因素主要有岩石的组成与胶结状态 物理化学性质 围岩中水分的补给状况 水与岩石的接触条件 支护和充填层的可塑性等 2019 12 20 太原理工大学 10 冲击地压的分析与预防技术 冲击地压是井巷或工作面周围的煤岩体由于变形能的释放而产生的一种以突然 急剧 猛烈的破坏为特征的动力现象 冲击地压的特点 1一般没有明显的预兆 难于事先确定发生的时间 地点和冲击强度 2发生过程短暂 伴随巨大声响和强烈震动 3破坏性很大 有时出现人员伤亡 2019 12 20 太原理工大学 11 冲击地压的分析与预防技术 产生的条件1 近代构造活动山体内地应力较高 岩体内储存着很大的应变能 当该部分能量超过了硬岩石自身的强度时 2 围岩坚硬新鲜完整 裂隙极少或仅有隐裂隙 且具有较高的脆性和弹性 能够储存能量 而其变形特性属于脆性破坏类型 当应力解除后 回弹变形很小 3 埋深较大 一般埋藏深度多大于200m 且远离沟谷切割的卸荷裂隙带 4 地下水较少 岩体干燥 5 开挖断面形状不规则 大型洞室群岔洞较多的地下工程 或断面变化造成局部应力集中的地带 2019 12 20 太原理工大学 12 冲击地压的分析与预防技术 防治措施分为两大类 一是防范措施 二是解危措施 防范措施 开采保护层 尽量少留煤柱和避免孤岛开采 巷道布置尽量将主要巷道和硐室布置在底板岩层中 回采巷道采用大断面掘进 尽可能避免巷道多处交岔 加强顶板管理 煤层预注水 降低煤体的弹性和强度 解危措施 卸载钻孔 卸载爆破 诱发爆破 煤层高压注水 2019 12 20 太原理工大学 13 冲击地压的分析与预防技术 预防及处理采取积极主动的预防措施和强有力的施工支护 确保岩爆地段的施工安全 将岩爆发生的可能性及岩爆的危害降到最低 在高应力地段施工中可采用以下技术措施 1 在施工前 针对已有勘测资料 首先进行概念模型建模及数学模型建模工作 通过三维有限元数值运算 反演分析以及对隧道不同开挖工序的模拟 初步确定施工区域地应力的数量级以及施工过程中哪些部位及里程容易出现岩爆现象 优化施工开挖和支护顺序 为施工中岩爆的防治提供初步的理论依据 2019 12 20 太原理工大学 14 冲击地压的分析与预防技术 2 在施工过程中 加强超前地质探测 预报岩爆发生的可能性及地应力的大小 采用上述超前钻探 声反射 地温探测方法 同时利用隧道内地质编录观察岩石特性 将几种方法综合运用判断可能发生岩爆高地应力的范围 3 打设超前钻孔转移隧道掌子面的高地应力或注水降低围岩表面张力超前钻孔可以利用钻探孔 在掌子面上利用地质钻机或液压钻孔台车打设超前钻孔 钻孔直径为45mm 每循环可布置4 8个孔 深度5 10m 必要时也可以打设部分径向应力释放孔 钻孔方向应垂直岩面 间距数十厘米 深度1 3m不等 必要时 若预测到的地应力较高 可在超前探孔中进行松动爆破或将完整岩体用小炮震裂 或向孔内压水 以避免应力集中现象的出现 2019 12 20 太原理工大学 15 冲击地压的分析与预防技术 4 在施工中应加强监测工作 通过对围岩和支护结构的现场观察 通过对辅助洞拱顶下沉 两维收敛以及锚杆测力计 多点位移计读数的变化 可以定量化地预测滞后发生的深部冲击型岩爆 用于指导开挖和支护的施工 以确保安全 5 在开挖过程中采用 短进尺 多循环 同时利用光面爆破技术 严格控制用药量 以尽可能减少爆破对围岩的影响并使开挖断面尽可能规则 减小局部应力集中发生的可能性 在岩爆地段的开挖进尺严格控制在2 5m以内 2019 12 20 太原理工大学 16 冲击地压的分析与预防技术 6 加强施工支护工作支护的方法是在爆破后立即向拱部及侧壁喷射钢纤维或塑料纤维混凝土 再加设锚杆及钢筋网 必要时还要架设钢拱架和打设超前锚杆进行支护 衬砌工作要紧跟开挖工序进行 以尽可能减少岩层暴露的时间 减少岩爆的发生和确保人身安全 必要时可采取跳段衬砌 同时应准备好临时钢木排架等 在听到爆裂响声后 立即进行支护 以防发生事故 7 对发生岩爆的地段 可采取在岩壁切槽的方法来释放应力 以降低岩爆的强度 8 在岩爆地段施工对人员和设备进行必要的防护 以保证施工安全 2019 12 20 太原理工大学 17 一巷道围岩压力的概念 三 巷道矿压控制原理巷道中的矿压显现是客观的自然现象 除了一些特殊情况外 在采掘过程中企图完全消除这种现象是不可能的 然而在掌握巷道矿压显现规律的基础上 以岩石力学理论为指导 有可能在不同程度上减轻矿压显现对巷道的危害 从而达到安全生产和取得较好技术经济效果的目的 这是巷道矿压控制的基本任务 2019 12 20 太原理工大学 18 一巷道围岩压力的概念 巷道矿压控制的三类方法及途径 第一类 巷道保护第二类 巷道支护第三类 巷道维护 维修 目前所采用的各种矿压控制方法 从对付矿压的原理来看包括 抗压 让压 躲压 移压 等几种 2019 12 20 太原理工大学 19 巷道矿压控制基本原理及途径 2019 12 20 太原理工大学 20 二巷道支护及其材料 传统的巷道支护有木支护 料石及混凝土砌碹 矿工钢支护 u型钢支护 目前 广泛采用的有锚杆支护以及喷射混凝土支护 一 木材支架二 料石和混凝土砌碹 料石支护的基本形状 2019 12 20 太原理工大学 21 二巷道支护及其材料 三 金属支架 承载能力大 可多次复用 储运方便 安装容易及迅速等优点 矿用工字钢刚性支架 微拱形刚性金属支架 矿用工字钢梯形可缩性支架 u型钢拱形可缩性支架 u型钢梯形可缩性支架四 锚杆支护 2019 12 20 太原理工大学 22 金属支架 2019 12 20 太原理工大学 23 二巷道支护及其材料 五 喷射混凝土支护喷射混凝土支护是用喷射机将混凝土混合物喷射在岩石表面上硬化而成的一种支护 先将砂 石过筛 按配合比和水泥一同送入搅拌机内搅拌 然后用矿车将拌合料运送至工作面 经上料机装入以压缩空气为动力的喷射机 在经输料管吹送到喷头处与水混合后喷射在岩面上 六 锚喷支护锚杆和喷射混凝土虽各有优点 但也都有不足之处 锚喷联合支护 恰能做到使二者取长补短 互为补充 是一种性能更好的支护形式 锚杆与其穿过的岩体形成承载加固拱 喷射混凝土的作用则在于封闭围岩 防止风化剥落 和围岩结合在一起 对锚杆间的表面岩石起支护作用 2019 12 20 太原理工大学 24 三锚杆支护技术 2019 12 20 太原理工大学 25 主要内容 0锚杆支护发展1锚杆支护理论2锚杆支护体系3设计方法4施工5监测 2 煤巷锚杆支护技术的沿革 0我国煤巷锚杆支护技术的发展过程 1 起步阶段 80年代中后期 2 攻关阶段 1991 1995年 3 引进和消化阶段 1996 1997年 4 推广和提高阶段 1998年至今 2 煤巷锚杆支护技术的沿革 起步阶段 主要进行一些基础性的研究和试验锚杆支护理论 锚杆支护材料 施工机具与岩石巷道相同没有合理的监测仪器煤巷锚杆支护的应用主要集中在少数几个矿区 如徐州 新汶 淮南 西山等 2 煤巷锚杆支护技术的沿革 攻关阶段 煤巷锚杆支护技术作为国家 八五 期间的重点项目进行攻关 取得了一大批科研成果 出现了中性点等新理论锚杆型式多样化液压和电动钻机相继研究成功锚杆支护应用范围明显扩大 大断面开切眼向围岩稳定性差的回采巷道发展 2 煤巷锚杆支护技术的沿革 引进和消化阶段 引进国外技术 推动我国煤巷锚杆支护技术的发展和提高在引进 吸收和消化的基础上 结合我国具体情况 集中现场 科研院所及大专院校等多方面的优势 经过两年大规模研究和试验 初步形成了适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护成套技术 2 煤巷锚杆支护技术的沿革 推广和提高阶段 国内各大矿区广泛推广应用 取得了显著的技术经济效益煤巷锚杆支护的比例已达到30 以上 少数矿区已超过80 2019 12 20 太原理工大学 31 1锚杆支护理论 1 悬吊理论 2019 12 20 太原理工大学 32 机理 将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上 以避免较软弱岩层的破坏 失稳和塌落 锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量 缺点 没有考虑围岩的自承能力 而且将被锚固体与原岩体分开 适用条件 锚杆可以锚固到顶板坚硬稳定岩层 1 悬吊理论 2019 12 20 太原理工大学 33 1 悬吊理论 2019 12 20 太原理工大学 34 2 组合梁理论 2019 12 20 太原理工大学 35 机理 将锚固范围内的岩层挤紧 增加各岩层间的摩擦力 防止岩石沿层面滑动 避免各岩层出现离层现象 提高其自撑能力 将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层 组合梁 在上覆岩层载荷的作用下 这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小 组合梁的挠度亦减小 缺点 将锚杆作用与围岩的自稳作用分开 随着围岩条件的变化 在顶板较破碎 连续性受到破坏时 组合梁也就不存在了 适用条件 层状地层顶板在相当距离内不存在稳定岩层 悬吊作用处于次要地位 2 组合梁理论 2019 12 20 太原理工大学 36 3 组合拱理论 2019 12 20 太原理工大学 37 机理 在破裂区中安装预应力锚杆时 在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力 如果沿巷道周边布置锚杆群 只要铺杆间距足够小 各个错杆形成的压应力圆锥体将相互交错 就能在岩体中形成一个均匀的压缩带 即承压拱 这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载 在承压拱内的岩石径向及切向均受压 处于三向应力状态 其围岩强度得到提高 支撑能力也相应加大 缺点 一般不能作为准确的定量设计 适用条件 顶板无稳定岩层 3 组合拱理论 2019 12 20 太原理工大学 38 4 最大水平应力理论 2019 12 20 太原理工大学 39 机理 矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力 水平应力具有明显的方向性 在最大水平应力作用下 顶底板岩层易于发生剪切破坏 出现错动与松动而膨胀造成围岩变形 锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动 缺点 直观性较差 4 最大水平应力理论 2019 12 20 太原理工大学 40 围岩与支护强度的关系 随支护强度增加 围岩的极限强度和残余强度提高 围岩残余强度提高到一定程度就能保持巷道稳定 5 锚杆支护围岩强度强化理论 2019 12 20 太原理工大学 41 1 锚杆高强度 大直径 破断载荷一般在200 300kn以上 近年研究破断载荷400kn以上的锚杆 延伸率均大于15 锚杆直径20 22mm稳定性较高 维护要求低 服务时间短的巷道可以采用q235圆钢制造 2锚杆支护体系 2019 12 20 太原理工大学 42 采用左旋 无纵筋高强度螺纹钢锚杆 等强 锚杆尾部螺纹部分采用墩粗或热处理 滚丝 锚杆成套 杆体 托盘 钢板轧制 厚度根据矿压确定 球形垫圈 铸钢 减摩垫圈 1个聚氨酯 1个铝合金 螺母 高强度 快速安装螺帽 2019 12 20 太原理工大学 43 2 锚固剂及锚固方式锚固剂 树脂药卷 一般采用凝结速度为超快与中速的树脂药卷配合 使用药卷长度一般350 600mm 2019 12 20 太原理工大学 44 全长锚固 锚杆中部受力最大 增阻速度快 具有较大的抗剪切能力 增加岩层间的法向力 阻止层间错动 防止离层 在锚固范围内锚杆伸长1mm 可产生10 20kn的锚固力 支护刚度大 端头锚固 类 全长或加长锚固 类 锚固方式 加长锚固全长锚固端锚 2019 12 20 太原理工大学 45 3 三径匹配钻孔直径比锚杆直径大6 10mm钻孔直径比树脂药卷大6mm左右一般钻孔直径29mm 锚杆直径20 22mm 树脂药卷直径23mm 锚固力与钻孔直径 锚杆直径的关系 2019 12 20 太原理工大学 46 4 网及钢带网 采用金属网 塑料网 严禁将最前排锚杆螺帽松开或等待后压网 钢带 钢筋梯子梁 m型钢带 w型钢带等 要求钢筋梯子梁采用高强度焊条焊接 防止开焊 钢带的厚度或钢筋直径根据矿压确定 2019 12 20 太原理工大学 47 5 施工机具顶板钻机 风动锚杆钻机 液压钻机 凿岩机两帮钻机 强力煤电钻 帮锚杆钻机 当f 8 优先选用锚杆机 当f 8时 宜选用凿岩机 锚杆安装 应采用锚杆机 严禁采用凿岩机 2019 12 20 太原理工大学 48 钻头 合金钢钻头 金刚石钻头 在f 6时 使用两种钻头钻速基本一致 而普通型钻头消耗费用低 因此应优先选用普通型钻头 在6 f 8时 使用金刚石钻头的钻速提高4倍以上 而且费用接近 因此应优先选用金刚石钻头 2019 12 20 太原理工大学 49 钻杆 b19 b22六方中空合金钢钻杆安装器 快速安装器 销钉式安装器 快速安装螺母 2019 12 20 太原理工大学 50 6 小孔径预应力锚索加强支护是一种主动加强支护以锚杆支护为主 以锚索为辅树脂锚固端加粗 钻孔与锚索直径不匹配锚固在稳定煤岩层中均可以高应力巷道可以采用直径18mm的锚索 2019 12 20 太原理工大学 51 7 桁架支护 桁架改变顶板的应力状态 拉应力将减小 甚至出现压应力 预紧力增加裂隙体间的摩擦作用 提高顶板稳定性 提高顶板两肩窝的抗剪切能力 防止剪切冒落 2019 12 20 太原理工大学 52 3锚杆支护设计方法 可归纳为三大类 分别是工程类比法 理论计算法 以计算机数值模拟为基础的动态系统设计方法 2019 12 20 太原理工大学 53 1 工程类比法是一种实用的方法 在我国锚杆支护设计中占主导地位 在已有的大量 成功实践的基础上 根据巷道的生产地质条件确定支护参数 主要有以回采巷道围岩稳定性分类为基础的工程类比法 巷道围岩松动圈分类为基础的工程类比法 以回采巷道围岩稳定性分类为基础的工程类比法 2019 12 20 太原理工大学 54 2019 12 20 太原理工大学 55 2019 12 2