复杂条件下巷道主动控制支护技术PPT课件

复杂地质条件下巷道围岩主动控制技术 1 复杂地质条件下巷道围岩变形与控制 是目前深井建设中遇到的普遍难题 针对复杂施工地质条件 探究经济合理的巷道支护技术 对矿井的安全高效生产具有重要的现实意义和工程应用价值 我国煤矿开采深度以8 12m 年的速度增加 东部矿井10 25m 年 1980年平均开采深度288m 1995年428 83m 2000年以后超过了500m 国有重点煤矿 开采深度达1000m深矿井有数十处 最大采深超过1300m 主要分布在新汶 淄博 开滦 北票 沈阳 徐州 淮南 徐州等矿区 到2009年底 新矿集团5个矿采深超过1000m 开滦 徐州 淮南等矿区平均采深大于800m 预计在未来20年我国很多煤矿将进入到1000 1500m的开采深度 一 支护研究背景 一 支护研究背景 2 高地应力 垂直应力明显增大 水平应力甚至超过静水压力 构造应力场复杂 高地温 地温梯度30 50 C km 热应力问题明显 0 4 0 5MPa 1 C高岩溶水压 高裂隙水压使岩石更易破坏且矿井突水严重 开采扰动 在高地应力下 叠加采动影响 巷道硐室破坏更加严重 岩体弱化 不同围压下岩石具有不同的特性 在高围压下脆性岩石转化为塑性 流变特性 高应力作用下 岩石具有较强的时间效应 呈现明显的流变或蠕变 扩容特性 在大偏应力下岩石内部节理 裂隙 裂纹张开 出现扩容膨胀 垮落冒顶增加 围岩应力高于围岩强度 围岩易失稳性 支护难度大 冲击地压 煤岩体应力加大 冲击地压发生的频率 强度和规模增加 矿压显现强烈 巷道变形量明显增大 采面矿压显现强烈 深井开采矿压特点 一 支护研究背景 3 巷道围岩变形的时间效应 围岩变形量大 有明显的时间性 初期来压快 变形显著 不采取有效支护措施 极易发生冒顶 片帮 即使围岩变形稳定后 围岩还以长期处于流变状态 巷道围岩变形的空间效应 巷道来压方向多表现为四周来压 不仅顶板 两帮发生显著变形和破坏 底板也出现强烈变形和破坏 如不对底板采取有效控制措施 则强烈底臌会加剧两帮和顶板的变形和破坏 巷道围岩变形的易受扰动性 围岩变形对应力的变化非常敏感 受震动 邻近巷道掘进或回采工作面采动影响后 围岩变形和破坏均有明显增加 围岩的稳定性与巷道断面形状 施工工艺等因素都有关系 巷道围岩变形的冲击性 在有冲击倾向的巷道中 围岩变形有时并不是连续的 逐渐变化的 而是突然剧烈增加 导致断面迅速缩小 具有强烈的冲击性 深井巷道变形特点 一 支护研究背景 4 锚杆锚喷支护 锚杆锚喷支护性能优越 比较适合深部巷道支护 但必须选择合理的支护形式与参数 才能取得较好效果 U型钢可缩性支架 U型钢具有较好的断面形状和几何参数 型钢搭接后易于收缩 支架设计合理 使用正确 能获得较好的力学性能 支架结构分不封闭和封闭 但U型钢支架毕竟是一种被动支护形式 而且支护费用高 施工比较困难 注浆加固 注浆将破碎岩体固结 改善围岩结构 提高围岩强度 增加自身承载能力 水泥 水玻璃 高分子材料 注浆加固适于破碎围岩 且与其它支护方法联合使用 联合支护 两种或两种以上支护方式联合支护 如能充分发挥每种支护方式性能 优势互补 有更好支护效果和更广的适用范围 锚喷 注浆 锚喷 U型钢支架 U型钢支架 注浆 锚喷 注浆 U型钢支架 适用范围广 但费用高 支护形式选择不匹配时 往往造成各个击破 卸压技术 将巷道布置在应力降低区 或采取人工卸压措施 使巷道周边的高应力向深部转移 是深部巷道围岩变形控制的另一个途径 在应力降低区布置巷道是首选方法 人工卸压法 切缝 钻孔 爆破 掘卸压巷等 由于种种原因 目前还没有推广 仅作为一种辅助方法局部采用 高强预应力锚杆 预应力锚索 让压锚杆 让压锚索支护已得到大面积应用 成为我国煤矿巷道首选的 主要的支护方式 深部巷道支护技术 一 支护研究背景 5 压缩拱 承载拱 理论 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 只要锚杆间距足够小 各个锚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 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 对扰动围岩进行强度再强化 控制松动圈的扩展 适用条件 拱形巷道 6 1945 1950 机械式锚杆的研究与应用1950 1960 广泛采用机械式锚杆 开始对锚杆进行系统研究1960 1970 发明了树脂药卷 引发锚杆技术的一次革命1970 1980 发明管缝式 水力涨管式锚杆 研究新的锚杆设计方法 长锚索产生1980 1990 混合锚头锚杆 组合锚杆 桁架锚杆 各种特种锚杆得到应用 树脂锚固材料得到改进 美国作为世界上第二采煤大国 锚杆支护技术是最先进的 美国锚杆支护技术至今已有一百多年的发展历史 但锚杆支护技术的广泛应用 仅是近五 六十年的时间 现在美国矿井的锚杆支护率为100 美国每年锚杆使用量在8000万套以上 每年有2 5万km的煤巷使用锚杆支护 锚杆支护技术发展 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 7 美国在复杂的地质条件下成功使用锚杆的经验是采用高预应力 高强度锚杆 对巷道顶板采取积极主动的支护 极大地提高了巷道围岩的自承载能力和巷道的稳定性 减少了锚杆数量 提高了巷道掘进速度 降低了巷道的支护成本 美国巷道支护理念 锚杆 锚索是支护结构的主体 为了充分实现锚杆主动支护的效果 通过提高锚杆预应力去主动加固受掘进破岩影响的松动围岩 以提高围岩的自身承载能力 控制松动圈的扩展 现矿井喷射的混凝土 由于受巷道初始成型的影响 混凝土喷层厚度很不均匀 现混凝土喷层主要作用是封闭围岩 防止围岩风化 保证围岩的长期强度 另外 澳大利亚作为第三大采煤国 也几乎全部采用锚网支护 国外发达国家锚网支护的特点 1 单体锚杆强度大 2 锚杆安装应力大 3 间排距大 4 锚网支护效率高 支护效果良好 锚杆支护技术发展 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 8 自50年代以来 锚杆支护技术在我国得到了逐步应用 特别是进入90年代 许多矿井改变传统的棚式和砌体支护的理念 开始试用推广锚网支护 大量的实践验证了锚网支护安全 高效 经济的优势 同时 在矿井软岩 动压巷道及煤巷中采用锚杆支护也获得了良好的效果 原煤炭工业部1995年提出 煤巷锚杆支护是我国煤矿继综合机械化采煤之后的第二次支护技术革命 并将 煤矿锚杆支护技术 列为煤炭工业 九五 重点科技攻关项目的五个项目之一 在攻关研究的基础上 在煤矿中大力推广煤巷锚杆支护技术 但是煤矿锚网支护作为一种主动支护方式 要达到理想的支护效果 在技术细节上尚未完全解决 如锚杆组件 锚杆结构 锚杆施工安装机具和锚杆与其它支护结构的耦合问题等 锚杆支护技术发展 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 9 锚杆支护设计主要依靠现场经验 设计理论依据有待完善和补充 各类巷道锚杆千篇一律 很多设计单位只是笼统选择了锚杆直径和长度 但是不同的锚杆结构和施工工艺会很大的效果差别 没有考虑地应力大小 方向 比值的影响 没有进行地质力学分析和巷道压力显现与锚杆支护参数的匹配关系分析与选择 所以提出的支护方案很难适应地质条件的变化 不能实现量体裁衣 对症下药 单根锚杆强度低 预紧力低 可靠性低 间排距小 单体锚杆钻机推力小 小于0 5t 扭距小 小于160Nm 锚杆基本上没有预应力 锚杆消耗量大 施工速度慢 工效低 费用高 安全性较低 锚杆支护技术发展 我国现有锚杆支护存在的不足 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 10 国内外锚杆支护技术对比 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 11 锚杆和锚固区域围岩体形成统一的承载结构锚杆支护可以提高锚固体的力学性质提高残余强度值改变围岩的受力状态 提高承载能力减少破碎区 松动区范围控制松动圈扩展预应力锚杆 锚索支护是主动强化破碎围岩的主要方法 后注浆锚杆 锚索是被动强化围岩的一种方法 2 主动控制锚杆支护系统 扰动围岩再强化支护理念 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 12 高地应力 软弱破碎围岩巷道平衡支护问题 位移平衡支护法 新型预应力让压锚杆1 巷道开挖后地应力释放的不可抗拒性2 对地应力释放实施有控制让压应力平衡支护法 通过变换支护参数平衡巷道不同位置的地应力1 受构造应力或采动应力的影响 巷道周边应力分布不均一 所以不能用均一的支护参数去支护巷道围岩 2 巷道围岩强度的不均一性 应根据围岩的强度设计支护参数 龙固煤矿在建设期间的硐室和主要大断面巷道均采用了高强让压锚杆 取得了较好的效果 让压锚杆在新矿集团 枣矿集团 兖矿集团和潞安集团的动压高地应力巷道支护中被广泛应用 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 13 位移平衡支护法 新型的预应力让压锚杆 单起动防冲让压锚杆 双起动点防冲让压锚杆 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 14 预应力让压锚杆工作特性曲线 高强高预应力让压锚杆 让压前 无让压管和有让压管工作特性曲线 高强高预应力让压锚杆 让压后 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 15 应力平衡支护法 通过变换支护参数平衡巷道不同位置的地应力 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 16 预应力锚杆与围岩主动控制支护效果 计算机模拟 2 0T安装载荷时的应力分布和变形图 2 0T安装载荷时放大后的顶板离层 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 17 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 预应力锚杆与围岩主动控制支护效果 计算机模拟 18 新矿集团集团1200m采深巷道支护效果对比 高强预应力锚杆支护 全螺纹锚杆等强锚杆支护 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 19 关于预应力让压锚杆 锚 应用的体会第一时间主动控制 复杂围岩条件下 锚网索支护成功的关键是围岩早期控制和主动控制 锚杆锚索第一时间产生预应力是非常重要的 锚杆 锚索协同支护 提高锚杆锚索预应力后 锚杆锚索的增阻速度会明显加快 锚杆 锚索的受力匹配和变形匹配是保障支护系统协同完成支护任务的关键 通常锚杆的预应力宜在3 5t左右 锚索的预应力应以施打锚索时刻的锚杆受力大小来确定 让压量和让压吨位匹配 让压锚杆 让压锚索的使用是有条件的 宜在围岩能量有积蓄倾向 动压 围岩变形速度 地应力释放快的条件下使用 让压量和让压吨位的匹配是让压支护成功的关键 支护一体 在锚网索支护体系中 锚杆 锚索是 支 的作用 钢带 钢筋梯和网子及喷射混凝土是 护 作用 良好的支护系统应该以 支 为主 以 护 为辅 支护一体 综合控制 对复杂条件下的围岩控制 通常是综合控制 锚注只能适用于巷道的二次维修 是松动圈大量扩展后使用的一种支护方法 成功的锚网支护是松动圈得到了有效控制 此时围岩无需锚注加固 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 20 锚杆分类材质 木质锚杆 塑料或是玻璃钢锚杆 金属锚杆锚固 机械锚固 粘结锚固锚固长度 局部锚固 全长锚固目前90 以上的锚固为金属杆体 树脂局部锚固锚杆 金属锚杆左旋细丝锚杆 Q335 Q500 右旋全螺纹钢锚杆 Q335 圆钢麻花锚杆 Q215 Q335 3 锚杆形式与锚杆结构 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 21 左旋预应力阻尼锚杆是一种预应力锚杆 阻尼有树脂或塑料阻尼 销式阻尼 金属盖片式阻尼三种 锚固力靠树脂粘结力实现 阻尼打开实现树脂的充分搅拌 等待40 60s后 施加锚杆的预应力操作 4 新型锚杆形式与锚杆结构 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 22 左旋细丝预应力锚杆 该锚杆的缺点 加工过程多了压圆 滚丝两个工艺 该锚杆的优点 锚杆预应力大 由于该锚杆螺纹是国标螺纹 螺纹螺距2 5mm 螺纹自锁效果好 通过特制的阻尼螺母 锚固树脂搅拌充分 锚固力大 120型气动锚索钻机即可实现4吨的预紧力 锚杆锚固力高 因该锚杆杆体设计的螺纹方向为左旋方向和锚杆的搅拌树脂方向 右旋 相反 在搅拌树脂的过程中会对树脂产生一个轴向挤压力 大量测试表明 同样杆体直径和同样树脂的情况下 左旋细丝预应力锚杆的锚固力比右旋等强全螺纹钢锚杆锚杆 锚固力可提高20 以上 杆体的有效断面大 锚杆强度高 大量试验表明 同直径同材质的左旋细丝预应力锚杆的破断力比右旋等强全螺纹钢锚杆的破断力高出20 以上 左旋细丝预应力锚杆因采用了合理的阻尼螺母 螺母材质为球墨铸铁 球墨铸铁和锚杆杆体的摩擦力是最小的 另外采用了减阻特制塑料垫圈 使锚杆的扭矩应力比大大提高 左旋预应力阻尼锚杆 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 23 左旋细丝预应力锚杆 A六方螺母预应力锚杆 B四方螺母预应力锚杆 图2左旋细丝预应力锚杆组装示意图 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 24 右旋无阻尼等强螺纹钢锚杆 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 25 该类锚杆的优点 加工制造简单 该类锚杆的缺点 杆体螺距大 通常在10 12mm左右 大螺距螺母与杆体咬合力低 摩擦力大 时常出现退丝现象 而且锚杆安装应力低 很难达到2吨以上的预紧力 锚杆锚固力低 因该锚杆杆体设计的螺纹方向 右旋 和锚杆的搅拌树脂方向 右旋搅拌 旋向相同 在搅拌树脂的过程中会对树脂产生一个向外的输送力 大量测试表明 同样杆体直径和同样树脂的情况下 右旋全螺纹等强锚杆的锚固力比左旋细丝预应力锚杆 锚固力降低20 杆体的强度低 大量试验表明 同直径同材质的右旋等强锚杆的破断力比左旋细丝预应力锚杆低20 以上 所以右旋全螺纹钢等强锚杆已经不能满足深部锚网支护的要求 现在深部支护中很少选用 右旋无阻尼等强螺纹钢锚杆 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 26 左旋与右旋螺纹钢锚杆强度对比 左旋滚丝螺纹钢锚杆杆体强度 右旋等强螺纹钢锚杆杆体强度 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 27 鸟巢锚索 目前国内所使用的光面锚索 如上图 都是简单的一条钢绞线 其缺点有 锚索直径主要为15 24mm和17 8mm两种规格 而钻孔直径是28mm 锚索树脂和孔壁之间很难达到理想的配合 影响锚索的锚固力 锚索表面光滑 影响锚固力 相同锚固长度的情况下 光面锚索的锚固力小于螺纹钢的锚固力 锚索长度大 安装时很可能靠到孔壁一侧 造成锚索一侧有树脂 另一侧无树脂的现象 这会大大影响锚索的抗拉拔力 传统的锚索是钢绞线 锚索托盘 锚具组成 因钢绞线为高碳钢材料 表明光滑 且钢绞线缠绕角度很小 造成钢绞线的锚固力小 为增加锚固力 需增加锚固剂使用量 但是锚固剂使用量增加会带来锚索安装困难 有时候会出现大尾巴现象 鉴于此 需开发新型锚索 5 锚索形式与结构 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 28 鸟巢锚索 对中 增加锚固面积 鸟笼的大小一般比锚索钻孔小2mm 可保证锚索在孔中对中 使得树脂在锚索周围均匀分布 并增加锚固面积 从而用较少的树脂用量取得最大的抗拉拔力 更好的搅拌树脂 可起到均匀搅拌树脂作用 从而增加锚索抗拉拔力 树脂 锚索有机结合 鸟笼为中空 在树脂搅拌过程中 树脂充满鸟笼 可使树脂和锚索融为一体 从而进一步增加锚索抗拉拔力 加强管 为了安装方便 增加加强管 在锚索接触树脂后 更容易送入孔中 鸟笼具有以下作用 新型笼形锚索 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 29 鸟巢锚索 注浆鸟巢锚索 预应力鸟巢锚索 国外球形索具 国外双股组合锚索 二 锚杆支护基本理论与新型锚杆 锚索 30 科学的锚杆支护设计 不是简单地在顶板安装锚杆 而应该使每一根安装的锚杆都发挥它的最大作用 煤矿顶板是由不同层状岩体组合成的层状组合梁 为达到最佳组合梁的锚杆系统设计应满足下列条件 1 支护系统设计的基本原则 三 巷道支护系统设计方法 通过调整锚杆长度及安装应力 使锚杆支护系统应能够控制锚固范围内的顶板离层 这需要选择合理的锚杆类型 长度和安装应力 锚固系统应能够减少或消除顶板的拉应力区 锚杆应能够锚固在稳定的岩层中 锚固系统应有足够的能力来控制顶板 并且在整个需要支护期间内不失效 松动圈加固与控制 巷道开挖后必然要形成松动圈 但围岩松动圈实际上是动态的 它与施加的支护体系的强度 预应力大小 预应力施加时间及围岩结构 地压强度都有关系 施加合理的支护结构 控制围岩松动圈的发展和松动煤岩体的自身强度是巷道支护的主要目标 三 巷道支护系统设计方法 31 2 煤矿巷道支护的关键要素 合理的安装应力锚杆安装应力的作用和液压支架的初撑力的作用很相似 对于高应力软岩巷道 合适的安装应力对顶板支护效果影响很大 它是防止离层发生 增加围岩自承能力和减少围岩变形的关键因素 是巷道支护成功的关键因素之一 合理的锚杆长度锚杆长度是锚杆支护系统成功的另一关键因素 合理的锚杆长度应保证锚杆锚固在相对比较坚硬稳定的岩层中 但是 若一定范围内难找到合适的稳定岩层 应保证锚固区形成能承载一定压力 合理厚度的梁或拱 合理的锚杆强度和直径选用锚杆强度与直径应考虑合理的效费比 即在提供同等支护强度的条件下 单一支护面积内支护单元所提供的支护强度与所需费用的比值 合理的表面控制由于巷道在软岩或煤层中掘进 表面控制对于充分发挥锚杆支护系统的作用非常重要 有效的表面控制系统应保证无片帮和冒顶现象 三 巷道支护系统设计方法 32 锚杆安装与施工锚杆安装过程中要实现两个及时 及时施打锚杆 实现对围岩的尽早控制 避免松动圈的扩展 及时实现锚杆的安装应力 实现主动早期加固围岩 拟制松动圈扩展 锚杆施工安装过程中注意事项 三径匹配问题 确保一定的扭矩 尽可能选用大扭矩帮顶钻机 锚杆安装扭矩放大器 合格的锚杆安装应该满足下列标准螺母阻尼必须全部脱落 否则锚杆无法达到安装载荷 塑料垫圈必须溶化掉 锚杆外露长度不超过20 30mm 扭矩不能低于240Nm 经验值 三 巷道支护系统设计方法 33 螺纹钢杆体与球墨铸铁螺母的摩擦系数最小 可提高安装应力 摩擦系数比螺纹钢杆体 钢螺母降低50 以上 特制塑料垫圈能够使锚杆安装旋转时产生的热量熔化塑料垫圈 以降低螺母与杆体的摩擦力 杆体螺母组合摩擦系数 预应力锚杆结构与组成 杆体 托盘 阻尼螺母 承载垫圈 减阻垫圈 3 支护系统构件匹配问题 三 巷道支护系统设计方法 34 锚杆预应力控件 控制吨位3 6t 锚索预应力控件 控制吨位6 10t 锚杆预应力控件 控制吨位3 6t 锚索预应力控件 控制吨位6 10t 预应力控件 三 巷道支护系统设计方法 35 普板Q235 150 150 10火山口加球形垫圈 28 8T 普板Q235 150 150 10火山口不加球形垫圈 23 6T 锰板Q345150 150 6负差 5 5mm 19 0T以上150 150 8负差 7 5mm 23