煤矿巷道支护理论与技术及应用

“实用矿山压力理论与实践”学术研讨会煤矿巷道支论与技术康红普煤炭科学研究总院开采研究分院汇报提纲一、前言我国煤矿90%是井工开采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一、前言3.1煤矿沉积岩层地质特点结构面发育，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一、前言回采工作面周围应力分布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二、煤矿巷道支护理论的发展一次支护(简单条件)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有效压应力区临界支护刚度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31524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12453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，多支护比较井下监测与数据三、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，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四、应用实例与效果汇报提纲五、展望进一步加强井下巷道地质力学环境测试与分析进一步研究井下应力场分布规律，地质力学参数间的关系；原岩、采动与支护应力场的关系更深入研究困难巷道变形、破坏机理及支护理论极软岩、极破碎围岩、强烈底鼓、极深、冲击地压巷道等支护问题还没有解决…，需继续不断的研究与试验谢谢！“实用矿山压力理论与实践”学术研讨会