张农-煤矿巷道支护的几个技术问题2

1、2022-2-61煤炭资源与安全开采国家重点实验室中国矿业大学采矿工程学院张农 副院长/博士/博导 2007年11月2022-2-622022-2-631212(3)综放面典型柱状图 层厚泥岩细沙岩砂质泥岩13-1煤，上下夹矸为碳质页岩砂质泥岩细沙岩泥岩细沙岩砂质泥岩细沙岩砂质泥岩细沙岩岩性柱状2022-2-64锚带网、锚索和预拉力桁架锚带网、锚索和预拉力桁架“三位一体三位一体”支护支护2022-2-652022-2-662022-2-67顶板预拉力锚梁网索组合支护 2022-2-68顶板 预拉力锚带网索组合支护 淮北袁庄煤矿大倾角复合顶板支护技术淮北袁庄煤矿大倾角复合顶板支护技术 2022-

2、2-6102022-2-6112022-2-6122022-2-613深部高应力巷道是个相对性概念，传统的架棚支护、锚杆支护方式不能满足支护要求的一类巷道，常常在掘进时就需要多次卧底、返修。2022-2-614l 应力场的调整 1)区域应力场的调整 2)微观应力场的改善l支护手段的创新 1)支护强度的进一步提高 2)加固范围的进一步加大 3)支护结构的进一步创新l围岩条件的改善 注浆、锚固l综合治理技术 喷锚注动态分步加固技术2022-2-615区域应力场的调整深部巷道布置、开采部署和最终形成的开采边界条件对巷道稳定性影响很大，由此产生的巷道变形差异很大。n上行开采大范围转移围岩应力的思路n深

3、部大范围地下采矿活动也使得水平应力的传递变得不再连续。掌握大范围开采过程中应力场的变化规律，特别是有效阻断水平应力的应力调整规律，可以大大改善巷道的维护状况。2022-2-61680 m4 m200 m2.3 m张裂区水平应力张裂区水平应力2022-2-6173345 m200 m23 m2022-2-6182.0 m3.0 m0.7 m302022-2-619卸压技术是将巷道上方及周围岩体的高应力区及高应力值降低，并将其高应力区及高应力值向煤体深部转移，使巷道上方及周围岩体的应力增高区变为应力降低区的一种高新技术。 卸压技术的设计思想是：通过钻孔等方法在巷道围岩深部形成一个弱化区和弱化带，为

4、围岩在应力释放过程中产生的膨胀变形提供一个补偿空间。 2022-2-620锚杆承载能力的强化巷道围岩强度的强化关键承载部位的强化 支护效能进一步提高 加固范围进一步加大 支护结构进一步创新德国： “大断面预留断面-可缩性（封闭型）支架-壁后充填”支护我国：“个性化” 支护 “应力场测定围岩状态量化描述数值计算(物理模拟)支护设计(包括锚索的作用)现场检测修改设计”2022-2-621锚固技术取得突破锚固技术取得突破锚杆支护材料强度迅速提高锚杆支护材料强度迅速提高锚杆载荷实测曲线锚杆的精细化加工锚杆的精细化加工增大托盘增大托盘提高预紧力矩提高预紧力矩增加锚固长度增加锚固长度2022-2-622巷

5、道开挖支护加固三向应力状态稳定围岩恢复三向应力状态改善围岩完整性二向应力状态 提高围岩强度只有锚杆支护能同时实现以上三种功能只有锚杆支护能同时实现以上三种功能2022-2-623巷道开挖支护加固三向应力状态稳定围岩恢复三向应力状态改善围岩完整性二向应力状态 提高围岩强度只有锚杆支护能同时实现以上三种功能只有锚杆支护能同时实现以上三种功能2022-2-624锚固体的力学性能改善注浆加固体的力学性能改善侯朝炯教授提出围岩强度强化理论2022-2-6252.破裂岩石的注浆固结性能研究破裂岩石的注浆固结性能研究 第一组：破裂试块压注浆固结实验：表 2.2 完整试块和注浆固结体普通试验机单轴加载实验结果

6、完整试块注浆固结体注浆参数岩性直径mm高度mm破 坏载 荷kN抗压强度MPa直径mm高度mm破 坏载 荷kN抗压强度MPa浆液配比注浆压力MPa强度恢复系数k（%）砂岩4942115 8167 7870052 21100 114 7068922510792砂岩4948116 6204 5106451 37100 313 126332008595砂岩497287 86190 0979052 0687 2211 2452822508539砂岩496492 16190 0982050 8892 3042 9121111810215砂岩497089 54193 5998051 5087 4474535

7、822508359砂岩490670 64 173 0 9160 51 33 7110 16888111812885泥岩491479 12 93 20 4920 49 80 7932 181291522508186泥岩4958100 2 8604454 50 46 9886 12906681810150泥岩495490 00 9504924 4993 9006 272814392012292泥岩4958978 89 204562 51 04 9612 11936641810134煤495499 92 21 10 1090 50 70 1003 8404141808380煤493868 26 37

8、 32 1950 50 96 6854 2390 11721810601煤491072 56 850450 50 26 7324185093 225122072022-2-626表 2.3 完整试块的伺服机加载实验结果 序号 岩性 直径 mm 高度mm 破怀 载荷 kN 抗压强度 MPa 残余强度 MPa 浆液配比 注浆压力 MPa 1 泥岩 49.56 79.68 141.79 73.5 42 1.8:1 1.0 2 泥岩 49.28 88.74 243.43 127.7 374 2.0:1 1.2 3 煤 49.00 94.78 104.21 55.22 213 2.0:1 1.2 4 煤

9、 49.10 83.4 27.22 14.39 293 2.0:1 1.0 5 粉砂岩 49.4 97.48 106.55 55.61 59 1.8:1 1.0 6 粉砂岩 49.8 95.00 123.69 63.53 62 1.8:1 1.0 注：1,4,5,6 号试块为单轴加载;2,3 号为三轴加载；试块加载破裂后,在固结系统上完成注浆。 表 2.4 注浆固结体的加载实验结果 序号 岩性 直 径mm 高 度mm 破怀载荷 kN 抗压强度 MPa 残 余 强度 MPa 强 度 恢 复系数 k（%） 固结系数 K 1 泥岩 51.04 96.12 1193 664 61 9 1.47 2 泥

10、岩 49.96 87.28 1.74 0.89 / 07 / 3 煤 49.67 94.94 0.5 0.26 / 05 / 4 煤 50.36 82.08 10.44 48 44 334 1.50 5 粉砂岩 51.64 97.10 20.39 9.74 94 175 1.59 6 粉砂岩 51.76 94.66 856 42.4 32 667 5.16 注： 1，4，5 号为伺服机单轴加载；2，3 号为普通试验机单轴加载；6 号为伺服机三轴加载。 2022-2-627 表 2.7 煤的粘结实验结果 骨料 序号 强度(MPa) 平均强度（MPa) 强度恢复系数 k(%) 1 2.82 粒径

11、58mm 孔隙率 50.37% 2 2.79 2.81 27.5 1 2.55 2 2.56 粒径 35mm 孔隙率 47.6% 3 2.33 2.48 24.3 1 2.18 2 2.47 粒径 23mm 孔隙率 44.5% 3 2.51 2.39 23.4 1 2.18 2 2.04 粒径 12mm 孔隙率 35% 3 2.02 2.08 20.4 1 1.92 2 1.85 粒径 12mm 孔隙率 28.5% 3 1.88 1.88 18.4 注:强度值为单轴抗压强度，煤块的单轴抗压强度为 10.2MPa。 表 2.8 页岩粘结实验结果 骨料 序号 强度(MPa) 平均强度（MPa) 强

12、度恢复系数 k(%) 1 2.71 2 2.78 粒径 58mm 孔隙率 42.7% 3 2.62 2.70 28 1 2.44 2 2.36 粒径 35mm 孔隙率 40.4% 3 2.57 2.46 25.5 1 1.71 粒径 23mm 孔隙率 35% 2 1.78 1.75 18.2 1 1.91 粒径 12mm 孔隙率 28.0% 2 1.83 1.87 19.4 2022-2-628锚固体力学性能锚固体力学性能锚杆密度/根(400cm2)-1弹性模量E/MPa软化模量M/MPa锚固体破坏前锚固体破坏后C/MPa/()C*/MPa/0280.832.00.3531.50.01731.

13、52282.632.60.3631.50.01831.53284.735.20.3633.50.01833.54288.239.30.3735.60.01835.65294.041.90.3737.10.01937.16299.743.20.3838.80.01938.88310.046.30.3940.40.02140.42022-2-629锚固体强化系数锚固体强化系数锚杆密度/根*（400cm2）-1单向加载平面应变加载极限强度/MPa残余强度/MPaKjKc极限强度/MPa残余强度/MPaKjKc01.2380.0601.001.001.650.5251.001.0021.2750.06

14、51.031.081.7250.5881.041.1231.350.0681.091.131.8320.6251.111.1941.430.0721.161.191.9280.6681.171.2751.500.0751.211.252.0750.71.261.3361.5750.0811.271.352.170.751.321.4381.6750.0891.351.482.2750.821.381.562022-2-630关键破坏区域是客观存在的 由于围岩的赋存不均匀性，有软弱区域 由于围岩应力场的非对称性，有不同的破坏特征浅埋巷道治理的中心是顶板，建立了梁式、拱式等非封闭式承载结构深井高应

15、力软岩巷道是全方位大范围变形破坏，必须形成封闭式环形对称或非对称承载结构2022-2-631关键部位的强化关键部位的强化很多软岩支护失败的原因是支护的重点仍然集很多软岩支护失败的原因是支护的重点仍然集中在顶部，帮、底支护强化措施没有跟上中在顶部，帮、底支护强化措施没有跟上2022-2-632大断面预留空间（顶板安全控制）高性能强化支护分步加固过程控制协调变形 稳定结构采用新型高性能强化支护技术可以解决目前遇到的大部分问题。2022-2-633 应力场的调整 1)区域应力场的调整2)微观应力场的改善围岩条件的改善注浆、锚固综合治理技术喷锚注动态分步加固技术2022-2-634目前任何一种单一的支

16、护方式都不能满足围岩变形的要求，客观上要求通过综合治理联合支护来维持软岩稳定。支护技术已发展到必须充分利用和调动巷道围岩强度和自身承载能力的围岩控制阶段。巷道围岩与支护的相互作用是一个非线性动态响应过程不同应力路径下岩体强度特性的研究揭示出岩体的变形破坏与其内在结构和所处的应力环境密切相关，由于应力路径不同，导致的岩体变形破坏过程也不同。 开挖与支护方式、支护时机的不同组合导致的围岩变形和破坏应该是不同的。2022-2-635随巷道开挖围岩的赋存状态是动态变化的，是围岩强度不断降低的平衡过程；在这个过程中巷道围岩总能保持一定的自稳能力，但随其内部结构和外部约束的变化而消长；巷道围岩变形和破坏表

17、现为明显的阶段性特征，各阶段的力学性能和强度变化规律各不相同，动态监测巷道围岩的变形和强度弱化过程，针对性地采取加固补强措施，才可能最经济地维护软岩巷道的稳定。2022-2-636不同支护技术的组合，同一支护的不同加固时机对巷道围岩的变形和稳定有不同的影响，应当优化选择；支护选型应以充分利用和维持围岩自稳能力，强化围岩支撑结构为标准，优先选择主动加固方式的支护技术，包括混凝土喷层、锚杆支护、围岩注浆加固等技术。2022-2-637n在其它支护的基础上，单独钻孔注浆加固。n将注浆和锚杆统一起来的锚注支护技术。 通俗地说，较深部围岩适宜作锚固位置，且应按围岩稳定性的要求及时安装；浅部围岩适宜注浆加固，但应在围岩经历一定程度的变形破坏后，裂隙比较发育时实施 。2022-2-638薄壁管式锚杆和水泥浆为基础的锚注技术锚杆强度低注浆加固效果差充填注浆、灌注新型高强螺纹管式锚注一体化技术杆体强度高、锚固性能好化学注浆渗透性强裂隙加固2022-2-639高强预应力（锚杆）支护l高性能锚杆l预拉力钢绞线桁架lM型钢带滞后注浆加固技术组合支护的分步实施l软岩