煤礦巷道支護(hù)理論與技術(shù)及應(yīng)用.ppt

“實(shí)用礦山壓力理論與實(shí)踐”學(xué)術(shù)研討會(huì),煤礦巷道支護(hù)理論與技術(shù),康紅普 煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,匯 報(bào) 提 綱,一、前言,我國(guó)煤礦90%是井工開采,井工開采示意圖,每年新掘巷道總長(zhǎng)度1萬(wàn)余公里,年新掘巷道長(zhǎng)度相當(dāng)于地球直徑,規(guī)模巨大，世界第一,一、前言,大 巷,井底車場(chǎng),礦井生產(chǎn)、安全通道,承擔(dān)行人、通風(fēng)、運(yùn)輸任務(wù),巷道不暢通，井下開采工作都無(wú)法進(jìn)行,一、前言,堵塞“血管” 發(fā)生事故 造成生產(chǎn)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(zhì)特點(diǎn),頂板巖石鉆孔觀測(cè)圖,結(jié)構(gòu)面發(fā)育，破碎,強(qiáng)度低(煤5-20MPa，巖石10-60MPa),開采深度大(最大1500m)，地應(yīng)力高，構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,淮南煤田地質(zhì)構(gòu)造分布圖,一、前言,回采工作面周圍應(yīng)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(wù)時(shí)間短,采動(dòng)影響強(qiáng)烈（2-5倍原巖應(yīng)力），范圍大 煤柱寬度小甚至無(wú)煤柱,3.2 生產(chǎn)特點(diǎn),一、前言,高地應(yīng)力巷道變形嚴(yán)重,回采巷道受力與變形狀態(tài),支護(hù)速度與成本要求苛刻,巷道支護(hù)狀態(tài)特殊：服務(wù)時(shí)間短，允許有一定變形，但必須穩(wěn)定；采后能及時(shí)垮落,松軟、破碎、高應(yīng)力等復(fù)雜困難巷道比重大(60%),一、前言,木支護(hù),砌碹支護(hù),型鋼支護(hù),錨桿支護(hù),一、前言,錨桿支護(hù),一、前言,低強(qiáng)度錨桿,高強(qiáng)度錨桿,高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿,匯 報(bào) 提 綱,二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展,錨桿支護(hù)作用的認(rèn)識(shí)過(guò)程,懸吊作用（只考慮拉伸作用） 錨固區(qū)內(nèi)形成結(jié)構(gòu)(梁、層、拱、殼) 改善錨固圍巖力學(xué)性能與應(yīng)力狀態(tài),錨固前后應(yīng)力應(yīng)變曲線,二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展,一次支護(hù)(簡(jiǎn)單條件),巷道二次支護(hù)后變形破壞圖,二次支護(hù)(復(fù)雜困難條件)：兩次支護(hù)，先柔后剛，先讓后抗,深部高應(yīng)力、強(qiáng)烈動(dòng)壓影響、松軟破碎圍巖巷道，二次支護(hù)后仍出現(xiàn)變形破壞，需三次、四次支護(hù)甚至多次支護(hù),二次支護(hù)圖,錨桿支護(hù)過(guò)程的認(rèn)識(shí),二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展,不連續(xù)、不協(xié)調(diào)變形,連續(xù)變形,錨桿支護(hù)的本質(zhì)作用與關(guān)鍵參數(shù),錨桿預(yù)應(yīng)力及擴(kuò)散起關(guān)鍵作用：大幅提高預(yù)應(yīng)力，并實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散，可抑制圍巖不連續(xù)、不協(xié)調(diào)變形,圍巖變形形式：不連續(xù)、不協(xié)調(diào)變形；連續(xù)、整體變形。錨桿主要對(duì)前者起作用,二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展,U型鋼金屬支架應(yīng)力場(chǎng),掘進(jìn)工作面錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng),單體支柱應(yīng)力場(chǎng),巷道錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng),支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)概念：支護(hù)在圍巖及本身內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng),二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展,主動(dòng)支護(hù)系數(shù)：,有效壓應(yīng)力區(qū),預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散系數(shù)：,臨界支護(hù)剛度,支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)示意圖,提出描述支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的指標(biāo),二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展,結(jié)構(gòu)面分布及力學(xué)參數(shù),注漿的重要作用,無(wú)結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面寬度5mm,結(jié)構(gòu)面對(duì)群錨的影響,支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的主要影響因素,二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展,原巖、采動(dòng)及支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)成煤礦井下綜合應(yīng)力場(chǎng),原巖+采動(dòng)+支護(hù)=綜合應(yīng)力場(chǎng),支護(hù)應(yīng)力場(chǎng),采煤工作面周圍應(yīng)力分布,原巖應(yīng)力場(chǎng),以應(yīng)力場(chǎng)為主線，將原巖體、采動(dòng)體及支護(hù)體有機(jī)結(jié)合在一體。巷道支護(hù)、巖層控制歸結(jié)為“三場(chǎng)”相互作用,綜合應(yīng)力場(chǎng)概念,二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展,設(shè)置在開挖表面的巷道支護(hù)圍巖響應(yīng)曲線,二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展,錨桿包括插入煤巖體內(nèi)部分(桿體、錨固劑)，表面構(gòu)件（托板、鋼帶及網(wǎng)）。,錨桿支護(hù)原理與支架有本質(zhì)區(qū)別，不能再用支架的圍巖響應(yīng)曲線。,錨桿支護(hù)圍巖響應(yīng)曲線,二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展,井下錨桿受力實(shí)測(cè)曲線5種類型,3,1,5,2,4,曲線1對(duì)應(yīng)預(yù)應(yīng)力低，被動(dòng)支護(hù)，受力小，支護(hù)不明顯,曲線5對(duì)應(yīng)高預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(hù)理論的發(fā)展,曲線1支護(hù)作用不明顯，與無(wú)支護(hù)相差不大,曲線5，高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)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(hù)圍巖響應(yīng)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(hù)響應(yīng)曲線,二、煤礦巷道支護(hù)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(qiáng)度，高延伸，高沖擊韌性,二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展,錨桿控制錨固區(qū)不連續(xù)、不協(xié)調(diào)變形，保持圍巖完整，減小強(qiáng)度降低,錨桿預(yù)應(yīng)力及其有效擴(kuò)散起決定性作用,原巖、采動(dòng)與支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)“三場(chǎng)”相互作用與協(xié)調(diào),錨桿支護(hù)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(yù)應(yīng)力擴(kuò)散時(shí)應(yīng)注漿,困難巷道采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)，實(shí)現(xiàn)一次支護(hù)有效控制圍巖變形，盡量避免二次支護(hù),匯 報(bào) 提 綱,三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),基于地質(zhì)力學(xué)測(cè)試、以錨固與注漿加固為核心的煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)。,高預(yù)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系列材料與構(gòu)件,高預(yù)應(yīng)力施工機(jī)具與工,三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),提出單孔、多參數(shù)、耦合地質(zhì)力學(xué)原位快速測(cè)試方法,單孔完成地應(yīng)力、強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)及相互耦合關(guān)系測(cè)試,三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),開發(fā)出配套測(cè)試儀器(2項(xiàng)發(fā)明專利),三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),KDBC-56型數(shù)字全景鉆孔窺視儀，解決了結(jié)構(gòu)參數(shù)定量測(cè)量難題,鉆孔結(jié)構(gòu)觀測(cè)圖片,三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),地質(zhì)力學(xué)測(cè)點(diǎn)分布,三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),得出煤礦井下地應(yīng)力分布規(guī)律,地應(yīng)力與埋深的關(guān)系,側(cè)壓比與埋深的關(guān)系,主應(yīng)力隨深度增加而增大，但存在明顯離散 主應(yīng)力受地質(zhì)構(gòu)造、煤巖體強(qiáng)度與剛度等因素影響明顯,三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),估算地應(yīng)力的公式,平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值隨埋深變化,k-平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力比值 H-埋藏深度，m,三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),得出煤巖體強(qiáng)度分布規(guī)律,頂板抗壓強(qiáng)度分布-寧煤,煤層抗壓強(qiáng)度分布-淮南,三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),巷道支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì),確定合理的 初始支護(hù)設(shè)計(jì),信息反饋 與修正設(shè)計(jì),巷道圍巖 地質(zhì)力學(xué)評(píng)估,建立數(shù)值模型，多支護(hù)方案比較,井下監(jiān)測(cè) 與數(shù)據(jù)分析,三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),巷道支護(hù)初始設(shè)計(jì),三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),錨桿支護(hù)材料與構(gòu)件的組成,錨桿支護(hù)構(gòu)件,錨桿桿體及附件,錨固劑,護(hù)表構(gòu)件(鋼帶、金屬網(wǎng)),錨索,三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),復(fù)雜困難巷道對(duì)支護(hù)材料的要求,三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),強(qiáng)力錨桿,強(qiáng)力錨桿桿體,超高強(qiáng)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(hù)成套技術(shù),三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),強(qiáng)力錨索（發(fā)明專利）,119結(jié)構(gòu)錨索及斷面,119結(jié)構(gòu)，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(hù)成套技術(shù),系列化學(xué)注漿材料,三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),為滿足高預(yù)應(yīng)力錨桿施工要求，開發(fā)了系列預(yù)應(yīng)力設(shè)備,三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),為克服大扭矩下錨桿扭轉(zhuǎn)屈服、損傷，發(fā)明了相關(guān)設(shè)備,三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),巷道支護(hù)實(shí)施于井下后，必須進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)支護(hù)效果，修改設(shè)計(jì)，確保安全,礦壓監(jiān)測(cè)內(nèi)容,支護(hù)體應(yīng)力,圍巖位移,采動(dòng)應(yīng)力,表面位移,頂板離層,深部位移,錨桿受力,錨索受力,煤柱應(yīng)力,支承壓力,三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù),綜合礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng),匯 報(bào) 提 綱,四、應(yīng)用實(shí)例與效果,研究成果已推廣應(yīng)用于全國(guó)各大煤礦區(qū),解決了5類復(fù)雜困難巷道支護(hù)難題,四、應(yīng)用實(shí)例與效果,應(yīng)用實(shí)例1,新汶超千米深井巷道,四、應(yīng)用實(shí)例與效果,應(yīng)用實(shí)例2,淮南深井軟巖沿空留巷,四、應(yīng)用實(shí)例與效果,應(yīng)用實(shí)例3,平莊極軟巖巷道,四、應(yīng)用實(shí)例與效果,應(yīng)用實(shí)例4,潞安強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷道,與鄰近采煤工作面對(duì)掘，掘進(jìn)、二次動(dòng)壓影響,四、應(yīng)用實(shí)例與效果,匯 報(bào)