煤礦巷道支護理論與技術及應用.ppt

“實用礦山壓力理論與實踐”學術研討會,煤礦巷道支護理論與技術,康紅普 煤炭科學研究總院開采設計研究分院,匯 報 提 綱,一、前言,我國煤礦90%是井工開采,井工開采示意圖,每年新掘巷道總長度1萬余公里,年新掘巷道長度相當于地球直徑,規(guī)模巨大，世界第一,一、前言,大 巷,井底車場,礦井生產、安全通道,承擔行人、通風、運輸任務,巷道不暢通，井下開采工作都無法進行,一、前言,堵塞“血管” 發(fā)生事故 造成生產癱瘓,劇烈底臌,沖擊地壓,頂板垮落,一、前言,3.1 煤礦沉積巖層地質特點,頂板巖石鉆孔觀測圖,結構面發(fā)育，破碎,強度低(煤5-20MPa，巖石10-60MPa),開采深度大(最大1500m)，地應力高，構造應力復雜,地質構造復雜,淮南煤田地質構造分布圖,一、前言,回采工作面周圍應力分布,矩形巷道圍巖受力狀況,矩形巷道斷面 回采巷道服務時間短,采動影響強烈（2-5倍原巖應力），范圍大 煤柱寬度小甚至無煤柱,3.2 生產特點,一、前言,高地應力巷道變形嚴重,回采巷道受力與變形狀態(tài),支護速度與成本要求苛刻,巷道支護狀態(tài)特殊：服務時間短，允許有一定變形，但必須穩(wěn)定；采后能及時垮落,松軟、破碎、高應力等復雜困難巷道比重大(60%),一、前言,木支護,砌碹支護,型鋼支護,錨桿支護,一、前言,錨桿支護,一、前言,低強度錨桿,高強度錨桿,高預應力強力錨桿,匯 報 提 綱,二、煤礦巷道支護理論的發(fā)展,錨桿支護作用的認識過程,懸吊作用（只考慮拉伸作用） 錨固區(qū)內形成結構(梁、層、拱、殼) 改善錨固圍巖力學性能與應力狀態(tài),錨固前后應力應變曲線,二、煤礦巷道支護理論的發(fā)展,一次支護(簡單條件),巷道二次支護后變形破壞圖,二次支護(復雜困難條件)：兩次支護，先柔后剛，先讓后抗,深部高應力、強烈動壓影響、松軟破碎圍巖巷道，二次支護后仍出現(xiàn)變形破壞，需三次、四次支護甚至多次支護,二次支護圖,錨桿支護過程的認識,二、煤礦巷道支護理論的發(fā)展,不連續(xù)、不協(xié)調變形,連續(xù)變形,錨桿支護的本質作用與關鍵參數(shù),錨桿預應力及擴散起關鍵作用：大幅提高預應力，并實現(xiàn)有效擴散，可抑制圍巖不連續(xù)、不協(xié)調變形,圍巖變形形式：不連續(xù)、不協(xié)調變形；連續(xù)、整體變形。錨桿主要對前者起作用,二、煤礦巷道支護理論的發(fā)展,U型鋼金屬支架應力場,掘進工作面錨桿支護應力場,單體支柱應力場,巷道錨桿支護應力場,支護應力場概念：支護在圍巖及本身內部產生的應力場,二、煤礦巷道支護理論的發(fā)展,主動支護系數(shù)：,有效壓應力區(qū),預應力擴散系數(shù)：,臨界支護剛度,支護應力場示意圖,提出描述支護應力場的指標,二、煤礦巷道支護理論的發(fā)展,結構面分布及力學參數(shù),注漿的重要作用,無結構面,結構面寬度5mm,結構面對群錨的影響,支護應力場的主要影響因素,二、煤礦巷道支護理論的發(fā)展,原巖、采動及支護應力場構成煤礦井下綜合應力場,原巖+采動+支護=綜合應力場,支護應力場,采煤工作面周圍應力分布,原巖應力場,以應力場為主線，將原巖體、采動體及支護體有機結合在一體。巷道支護、巖層控制歸結為“三場”相互作用,綜合應力場概念,二、煤礦巷道支護理論的發(fā)展,設置在開挖表面的巷道支護圍巖響應曲線,二、煤礦巷道支護理論的發(fā)展,錨桿包括插入煤巖體內部分(桿體、錨固劑)，表面構件（托板、鋼帶及網）。,錨桿支護原理與支架有本質區(qū)別，不能再用支架的圍巖響應曲線。,錨桿支護圍巖響應曲線,二、煤礦巷道支護理論的發(fā)展,井下錨桿受力實測曲線5種類型,3,1,5,2,4,曲線1對應預應力低，被動支護，受力小，支護不明顯,曲線5對應高預應力，錨固區(qū)位移差小，受力變化不大,曲線2、3、4，雖然施加一定預應力，但都小于臨界值，不能有效控制圍巖早期的離層,二、煤礦巷道支護理論的發(fā)展,曲線1支護作用不明顯，與無支護相差不大,曲線5，高預應力強力支護有效控制圍巖位移,曲線3錨桿破斷前圍巖位移較小，破斷后圍巖位移急劇增大,錨桿支護圍巖響應曲線,1,2,4,5,3,曲線2圍巖較大位移后能趨于 穩(wěn)定,曲線4圍巖較大位移，不能穩(wěn)定,錨桿支護響應曲線,二、煤礦巷道支護理論的發(fā)展,不垂直，不是理想的拉伸,受拉、彎、扭、剪切,桿體受力極不均勻，大部分錨桿在屈服狀態(tài)下工作,高強度，高延伸，高沖擊韌性,二、煤礦巷道支護理論的發(fā)展,錨桿控制錨固區(qū)不連續(xù)、不協(xié)調變形，保持圍巖完整，減小強度降低,錨桿預應力及其有效擴散起決定性作用,原巖、采動與支護應力場“三場”相互作用與協(xié)調,錨桿支護系統(tǒng)具有足夠延伸率和沖擊韌性，一方面使圍巖連續(xù)變形釋放，另一方面避免局部破壞,圍巖破碎，不利于預應力擴散時應注漿,困難巷道采用高預應力、強力錨桿支護，實現(xiàn)一次支護有效控制圍巖變形，盡量避免二次支護,匯 報 提 綱,三、煤礦巷道支護成套技術,基于地質力學測試、以錨固與注漿加固為核心的煤礦巷道支護成套技術。,高預力強力錨桿支護系列材料與構件,高預應力施工機具與工,三、煤礦巷道支護成套技術,提出單孔、多參數(shù)、耦合地質力學原位快速測試方法,單孔完成地應力、強度與結構及相互耦合關系測試,三、煤礦巷道支護成套技術,開發(fā)出配套測試儀器(2項發(fā)明專利),三、煤礦巷道支護成套技術,KDBC-56型數(shù)字全景鉆孔窺視儀，解決了結構參數(shù)定量測量難題,鉆孔結構觀測圖片,三、煤礦巷道支護成套技術,地質力學測點分布,三、煤礦巷道支護成套技術,得出煤礦井下地應力分布規(guī)律,地應力與埋深的關系,側壓比與埋深的關系,主應力隨深度增加而增大，但存在明顯離散 主應力受地質構造、煤巖體強度與剛度等因素影響明顯,三、煤礦巷道支護成套技術,估算地應力的公式,平均水平應力與垂直應力比值隨埋深變化,k-平均水平主應力與垂直主應力比值 H-埋藏深度，m,三、煤礦巷道支護成套技術,得出煤巖體強度分布規(guī)律,頂板抗壓強度分布-寧煤,煤層抗壓強度分布-淮南,三、煤礦巷道支護成套技術,巷道支護設計過程動態(tài)信息設計,確定合理的 初始支護設計,信息反饋 與修正設計,巷道圍巖 地質力學評估,建立數(shù)值模型，多支護方案比較,井下監(jiān)測 與數(shù)據(jù)分析,三、煤礦巷道支護成套技術,巷道支護初始設計,三、煤礦巷道支護成套技術,錨桿支護材料與構件的組成,錨桿支護構件,錨桿桿體及附件,錨固劑,護表構件(鋼帶、金屬網),錨索,三、煤礦巷道支護成套技術,復雜困難巷道對支護材料的要求,三、煤礦巷道支護成套技術,強力錨桿,強力錨桿桿體,超高強度、高延伸率、高沖擊韌性錨桿，解決了錨桿破斷難題。,三、煤礦巷道支護成套技術,三、煤礦巷道支護成套技術,強力錨索（發(fā)明專利）,119結構錨索及斷面,119結構，斷面更加合理 拉斷載荷顯著提高，最大900kN 延伸率提高1倍,三、煤礦巷道支護成套技術,系列化學注漿材料,三、煤礦巷道支護成套技術,為滿足高預應力錨桿施工要求，開發(fā)了系列預應力設備,三、煤礦巷道支護成套技術,為克服大扭矩下錨桿扭轉屈服、損傷，發(fā)明了相關設備,三、煤礦巷道支護成套技術,巷道支護實施于井下后，必須進行礦壓監(jiān)測，評價支護效果，修改設計，確保安全,礦壓監(jiān)測內容,支護體應力,圍巖位移,采動應力,表面位移,頂板離層,深部位移,錨桿受力,錨索受力,煤柱應力,支承壓力,三、煤礦巷道支護成套技術,綜合礦壓監(jiān)測系統(tǒng),匯 報 提 綱,四、應用實例與效果,研究成果已推廣應用于全國各大煤礦區(qū),解決了5類復雜困難巷道支護難題,四、應用實例與效果,應用實例1,新汶超千米深井巷道,四、應用實例與效果,應用實例2,淮南深井軟巖沿空留巷,四、應用實例與效果,應用實例3,平莊極軟巖巷道,四、應用實例與效果,應用實例4,潞安強烈動壓影響巷道,與鄰近采煤工作面對掘，掘進、二次動壓影響,四、應用實例與效果,匯 報