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 1 19结构锚索及断面 1 19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