煤礦巷道支護理論與技術(shù)及應(yīng)用.ppt

“實用礦山壓力理論與實踐”學(xué)術(shù)研討會,煤礦巷道支護理論與技術(shù),康紅普 煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)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(dāng)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(chǎn)、安全通道,承擔(dān)行人、通風(fēng)、運輸任務(wù),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(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,頂板巖石鉆孔觀測圖,結(jié)構(gòu)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(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)時間短,采動影響強烈（2-5倍原巖應(yīng)力），范圍大 煤柱寬度小甚至無煤柱,3.2 生產(chǎn)特點,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),支護速度與成本要求苛刻,巷道支護狀態(tài)特殊：服務(wù)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(yīng)力等復(fù)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(yù)應(yīng)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(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(fù)雜困難條件)：兩次支護，先柔后剛，先讓后抗,深部高應(yīng)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(diào)變形,連續(xù)變形,錨桿支護的本質(zhì)作用與關(guān)鍵參數(shù),錨桿預(yù)應(yīng)力及擴散起關(guān)鍵作用：大幅提高預(yù)應(yīng)力，并實現(xiàn)有效擴散，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(yīng)力場,掘進工作面錨桿支護應(yīng)力場,單體支柱應(yīng)力場,巷道錨桿支護應(yīng)力場,支護應(yīng)力場概念：支護在圍巖及本身內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)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(yīng)力區(qū),預(yù)應(yīng)力擴散系數(shù)：,臨界支護剛度,支護應(yīng)力場示意圖,提出描述支護應(yīng)力場的指標(biāo),二、煤礦巷道支護理論的發(fā)展,結(jié)構(gòu)面分布及力學(xué)參數(shù),注漿的重要作用,無結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面寬度5mm,結(jié)構(gòu)面對群錨的影響,支護應(yīng)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(yīng)力場構(gòu)成煤礦井下綜合應(yīng)力場,原巖+采動+支護=綜合應(yīng)力場,支護應(yīng)力場,采煤工作面周圍應(yīng)力分布,原巖應(yīng)力場,以應(yīng)力場為主線，將原巖體、采動體及支護體有機結(jié)合在一體。巷道支護、巖層控制歸結(jié)為“三場”相互作用,綜合應(yīng)力場概念,二、煤礦巷道支護理論的發(fā)展,設(shè)置在開挖表面的巷道支護圍巖響應(yīng)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(nèi)部分(桿體、錨固劑)，表面構(gòu)件（托板、鋼帶及網(wǎng)）。,錨桿支護原理與支架有本質(zhì)區(qū)別，不能再用支架的圍巖響應(yīng)曲線。,錨桿支護圍巖響應(yīng)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(yīng)預(yù)應(yīng)力低，被動支護，受力小，支護不明顯,曲線5對應(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(yù)應(yīng)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(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,錨桿支護響應(yīng)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(diào)變形，保持圍巖完整，減小強度降低,錨桿預(yù)應(yīng)力及其有效擴散起決定性作用,原巖、采動與支護應(yīng)力場“三場”相互作用與協(xié)調(diào),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(yù)應(yīng)力擴散時應(yīng)注漿,困難巷道采用高預(yù)應(yīng)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(shù),基于地質(zhì)力學(xué)測試、以錨固與注漿加固為核心的煤礦巷道支護成套技術(shù)。,高預(yù)力強力錨桿支護系列材料與構(gòu)件,高預(yù)應(yīng)力施工機具與工,三、煤礦巷道支護成套技術(shù),提出單孔、多參數(shù)、耦合地質(zhì)力學(xué)原位快速測試方法,單孔完成地應(yīng)力、強度與結(jié)構(gòu)及相互耦合關(guān)系測試,三、煤礦巷道支護成套技術(shù),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(shù),KDBC-56型數(shù)字全景鉆孔窺視儀，解決了結(jié)構(gòu)參數(shù)定量測量難題,鉆孔結(jié)構(gòu)觀測圖片,三、煤礦巷道支護成套技術(shù),地質(zhì)力學(xué)測點分布,三、煤礦巷道支護成套技術(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、煤巖體強度與剛度等因素影響明顯,三、煤礦巷道支護成套技術(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、煤礦巷道支護成套技術(shù),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(shù),巷道支護設(shè)計過程動態(tài)信息設(shè)計,確定合理的 初始支護設(shè)計,信息反饋 與修正設(shè)計,巷道圍巖 地質(zhì)力學(xué)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(shù),巷道支護初始設(shè)計,三、煤礦巷道支護成套技術(shù),錨桿支護材料與構(gòu)件的組成,錨桿支護構(gòu)件,錨桿桿體及附件,錨固劑,護表構(gòu)件(鋼帶、金屬網(wǎng)),錨索,三、煤礦巷道支護成套技術(shù),復(fù)雜困難巷道對支護材料的要求,三、煤礦巷道支護成套技術(shù),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(shù),三、煤礦巷道支護成套技術(shù),強力錨索（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、煤礦巷道支護成套技術(shù),系列化學(xué)注漿材料,三、煤礦巷道支護成套技術(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、煤礦巷道支護成套技術(shù),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(shè)計，確保安全,礦壓監(jiān)測內(nèi)容,支護體應(yīng)力,圍巖位移,采動應(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、煤礦巷道支護成套技術(shù),綜合礦壓監(jiān)測系統(tǒng),匯 報 提 綱,四、應(yīng)用實例與效果,研究成果已推廣應(yīng)用于全國各大煤礦區(qū),解決了5類復(fù)雜困難巷道支護難題,四、應(yīng)用實例與效果,應(yīng)用實例1,新汶超千米深井巷道,四、應(yīng)用實例與效果,應(yīng)用實例2,淮南深井軟巖沿空留巷,四、應(yīng)用實例與效果,應(yīng)用實例3,平莊極軟巖巷道,四、應(yīng)用實例與效果,應(yīng)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(yīng)用實例與效果,匯 報