恒阻大变形锚索支护技术(何满潮、单仁亮)

煤矿大变形锚锚杆（索）支支护技术汇报人：何满满潮单单仁亮中国矿业大学学(北京)力学与建筑工工程学院深部岩土力学学与地下工程程国家重点实实验室汇报提提纲一、煤矿大变变形灾害的严严重性二、恒阻大变变形锚杆(索)定型研发三、恒阻大变变形锚杆(索)力学特性及实实验系统四、恒阻大变变形锚杆(索)与围岩相互作作用原理五、主要结论论一、煤矿大变变形灾害的严严重性煤炭占我国一一次性能源的的70%以上，居主导导地位浅部煤炭资源源越来越少，，千米以下深深部煤炭资源源将是我国未未来的主体能能源0.51.0资源量，万亿亿t已采资源量未采资源量1.341.371.461.401.5深度，m-600-1000-1500-2000地表★数据源自第三三次全国煤炭炭资源预测和和评价工程岩体大变变形灾害的严严重性发生次数最多多的为顶板大变形塌方事故，占43.3%煤-瓦斯突出是有气体参与与的大变形塌方，占23.5%露采滑坡是露天矿的大变形塌方事故，日趋严严重顶板18.6%煤与瓦斯突出出46.4%水灾15.5%2005.1~2009.6煤矿各类事故故死亡人数所占占比例运输3.7%其它10.7%顶板43.3%煤与瓦斯突出出23.5%水灾7.9%火灾2.5%运输11%其它11.8%2005.1~2009.6煤矿各类事故故次数所占比例例火灾5.1%多发生在工工作面顺槽槽工程岩体大变变形灾害的主主要原因深采复杂的地地质力学环境境——“三高一扰动””“三高”高地应力——自重应力、构构造应力高地温——千米矿井岩层层温度35C~45C高压渗透——液体压力、气气体压力（瓦瓦斯等）“一扰动”——强烈开采扰动动深部岩体力学学特性发生转转变——硬岩软化大变形深井开采顶板板塌方冒顶、、煤-瓦斯突出、深深部露采滑坡坡灾害均与大变形破坏相关深部岩体大变变形破坏模式式缓慢大变形破破坏模式膨胀大变形高温高湿软化化大变形瞬间大变形破破坏模式冲击大变形突出大变形结构大变形膨胀大变形膨胀大变形底底臌（龙口柳柳海矿）顶板膨胀大变变形下沉（龙龙口柳海矿））缓慢大变形——结构大变形非对称底臌大大变形（鹤壁壁五矿）冒顶范围150m大面积严重冒冒顶（鹤岗兴兴安矿）两帮不均匀、、非对称变形形两帮非对称大变形(徐州旗山矿)缓慢大变形——高温高湿软化化大变形围岩结构恶化化（徐州夹河河矿）工作环境恶劣劣（徐州夹河河矿）瞬时大变形——冲击大变形冲击地压发生生前（抚顺老虎虎台矿）冲击地压发生生后（抚顺老虎台台矿）加拿大某地下下巷道（P.Kaiser，2000）瞬时大变形——岩爆大变形瞬时大变形——突出大变形郑州大平矿煤煤与瓦斯突出出过程郑州嵩枫矿岩岩巷底板瓦斯斯逸出传统统锚锚杆杆（（索索））存存在在的的问问题题———现行行支支护护技技术术无无法法适适应应大大变变形形破破坏坏锚杆杆端端部部断断裂裂杆体体中中部部断断裂裂锚杆杆支支护护多多次次返返修修钢架架扭扭曲曲破破坏坏失失效效浇注注混混凝凝土土开开裂裂锚杆杆支支护护岩岩爆爆破破坏坏针对对传传统统预预应应力力锚锚杆杆（（索索））存存在在的的问问题题及及其其引引发发工工程程灾灾害害的的严严重重性性，，亟亟待待研研究究一一种种新型型恒恒阻阻大大变变形形锚锚杆杆（（索索）），通通过过结构构大大变变形形和材料料大大变变形形来抵抵抗抗巷巷道道围围岩岩大大变变形形破破坏坏。。由由中中国国矿矿业业大大学学（（北北京京））深深部部国国家家重重点点实实验验室室何何满满潮潮教教授授牵牵头头的的教教育育部部创创新新团团队队，，进进行行了了多多年年的的系系统统的的研研究究，，取取得得了了突突破破性性进进展展。。工程程岩岩体体大大变变形形破破坏坏机机理理黏土土矿矿物物成成分分引引起起的的膨膨胀胀性性大大变变形形破破坏坏机机理理二、、恒恒阻阻大大变变形形锚锚杆杆（（索索））定定型型研研发发软岩岩水水理理作作用用测测试试系系统统深部部软软岩岩气气态态水水吸吸附附智智能能测测试试系系统统膨胀胀大大变变形形底底臌臌(龙口口柳柳海海)粘土土矿矿物物成成分分吸吸水水软软化化吸水水量量随随时时间间变变化化lnQ-t曲线线软岩岩强强度度随随时时间间衰衰减减的的函函数数规规律律(ZL200610113006.5)原因因直接接吸吸水水测试试装装备备测试试装装备备环境境吸吸水水测试试曲线线获得得规律律结构构面面引引起起的的非非对对称称软软岩岩大大变变形形破破坏坏机机理理非对对称称大大变变形形结构构面面岩体体结结构构非非对对称称原因因（ZL200710119124.1）关键键部部位位实验验装装备备软岩岩巷巷道道破破坏坏结结构构效效应应物物理理模模型型实实验验系系统统水平平岩岩层层8倾斜斜岩岩层层30倾斜斜岩层层45倾斜斜岩层层实验验结果果确定定关键键部部位位深部部高高应应力力引引起起的的岩岩体体剧剧烈烈大大变变形形(软岩岩岩岩爆爆)机理理主机机液压压控控制制系系统统加载载系系统统一向突然卸载煤系系地地层层岩岩爆爆岩爆爆前前支支护护状状态态岩爆爆后后支支护护状状态态实验验装装备备加拿拿大大Creighton矿花花岗岗岩岩岩岩爆爆实实验验(2500m)星村村煤煤矿矿垂垂直直层层理理泥泥质质砂砂岩岩(1113m)实验验结果果深井井高高温温高高湿湿围围岩岩软软化化大大变变形形机机理理温度度压压力力耦耦合合软软岩岩力力学学实实验验系系统统主机机系系统统控制制系系统统主机机系系统统高温温五五联联三三轴轴软软岩岩流流变变实实验验系系统统围岩岩结结构构恶恶化化高温温高高湿湿恶恶劣劣环环境境(岩层层温温度度>40C，空空气气湿湿度度>95%)实验验装备备实验验装装备备实验验结果果不同同温温度度条条件件下下的的岩岩体体强强度度和变变形形特特性性不同同温温度度条条件件下下的的岩体体强强度度和和弹弹模模(ZL200910088810.6)(ZL200610113003.1)恒阻阻大大变变形形锚锚杆杆（（索索））研研发发理理念念———以柔柔克克刚刚、、刚刚柔柔相相济济国外外大大量量使使用用的的大大变变形形锚锚杆杆加拿拿大大MCB33型Conebolt锚杆杆(非恒恒阻阻，，最最大大变变形形量量120mm)澳大大利利亚亚Roofex锚杆杆(恒阻阻80kN，最最大大变变形形量量300mm)理想想弹弹塑塑性性材材料料研研制制———恒阻阻大大变变形形锚锚杆杆---技术术特特性性#恒阻阻参参数数150~300kN#大变变形形参参数数0.3~0.6m#可回回收收---适用用范范围围软岩岩大大变变形形、、岩岩爆爆大大变变形形、、冲击击大大变变形形、、瓦瓦斯斯突突出出大大变变形形恒阻阻大大变变形形装装置置锚杆杆杆杆体体锚杆杆托托盘盘恒阻阻大大变变形形支支护护性性能能国国内内外外对对比比0204060801201401600255075100125150175200225250275300325350375400425位移移(mm)拉力力(kN)450475500普通通锚锚杆杆加拿拿大大MCB33型Conebolt新型型恒恒阻阻大大变变形形锚锚杆杆澳大大利利亚亚Roofex锚杆杆恒阻阻大大变变形形锚锚杆杆（（索索））静静力力学学特特性性及及实实验验系系统统主机机系系统统控制制台台恒阻阻大大变变形形锚锚杆杆静静力力实实验验系系统统实验验过过程程试验验曲曲线线三、、恒恒阻阻大大变变形形锚锚杆杆(索)力学学特特性性及及实实验验系系统统恒阻阻大大变变形形锚锚杆杆拉拉伸伸力力学学性性能能实实验验曲曲线线恒阻阻大大变变形形锚锚杆杆（（索索））动动力力学学特特性性及及实实验验系系统统恒阻阻大大变变形形锚锚杆杆动载载实实验验系系统统恒阻阻大大变变形形锚锚杆杆动载载实实验验过过程程恒阻阻锚锚杆杆50mm冲击击全全程程时时域域波波形形图图50mm冲击击时时域域波波形形图图四通通道道相相加加全全程程[1]通道道特特写写[2]通道道特特写写[3]通道道特特写写[4]通道道特特写写四通通道道相相加加特特写写恒阻阻锚锚杆杆1000mm冲击击全全程程时时域域波波形形图图1000mm冲击击时时域域波波形形图图四通通道道相相加加全全程程[1]通道道特特写写[2]通道道特特写写[3]通道道特特写写[4]通道道特特写写四通通道道相相加加特特写写单次次冲冲击击变变形形量量动载载撞撞击击实实验验结结果果累计计冲冲击击变变形形量量累计计冲冲击击变变形形量量与与冲冲击击能能量量的的关关系系恒阻锚锚杆阻阻力岩爆大大变形形控制制对策策大断面面预留量量恒阻大大变形形支护护多级级吸收收能量量多次加加压注注浆缓慢大大变形形控制制对策策大断面面预留量量恒阻大大变形形支护护释放放能量量多次加加压注注浆恒阻大大变形形支护护原理理四、恒恒阻大大变形形锚杆杆(索)与围岩岩相互互作用用原理理树脂锚锚固剂剂恒阻大大变形形装置置恒阻大大变形形范围围Max:300~1000mm锚杆（（索））恒阻锚锚杆(索)随围岩岩变形吸吸收能能量恒阻大大变形形锚杆杆（索索）能能量本本构关关系抵抗变变形能能量EI和吸收收变形形能量量EIIEB=EI+EII其中：：PU/mm0UcEIEIIP0U500PU/mm0UcEIEIIP0U500f1(U)f2(U)简化模模型简化模模型f2(U)f1(U)恒阻锚锚杆变形吸吸收能能量支护和和围岩岩相互互作用用能量量方程程组岩体锚杆(索)岩体锚杆(索)U支护力力和位位移的的解支护总总力—材料变变形量量关系系（P––U0）支护总总力-结构变变形量量关系系（△U–P）现场工工程验验证---沈阳煤煤业集集团清清水煤煤矿---淄博煤煤业集集团唐唐口煤煤矿---徐州矿矿业集集团新新安煤煤矿---国家电电网新新疆新新吉海海煤矿矿---锦平水水电站站导流流洞工工程恒阻大大变形形锚杆杆拉伸伸量监监测（沈阳阳清水水煤矿矿）锚杆编编号示示意图图

变形量量与工工作面面距离离对比比分析析两帮收收缩量量与工作作面距距离关关系曲曲线顶板下下沉量量与