千米深井巷道圍巖控制技術(shù).ppt

千米深井巷道圍巖控制技術(shù)研究 河北金牛能源股份有限公司 1 煤礦巷道支護(hù)理論與技術(shù)現(xiàn)狀 我國(guó)煤礦巷道布置的發(fā)展趨勢(shì)巷道支護(hù)技術(shù)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀巷道支護(hù)存在問(wèn)題邢東礦開拓巷道支護(hù)存在問(wèn)題 我國(guó)煤礦巷道布置的發(fā)展趨勢(shì) 巖巷向煤巷發(fā)展巖石頂板煤巷向煤層頂板巷道和全煤巷道發(fā)展巷道拱形斷面向矩形斷面發(fā)展巷道從小斷面向大斷面發(fā)展單巷布置向多巷發(fā)展巷道埋深從淺部向深部發(fā)展簡(jiǎn)單地質(zhì)條件巷道向復(fù)雜地質(zhì)條件發(fā)展 巷道支護(hù)技術(shù)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 木支護(hù) 砌碹支護(hù) 型鋼支護(hù) 錨桿支護(hù) 必不可少的技術(shù) 巖巷 大斷面巷道 煤頂和全煤巷道 沿空掘巷 破碎圍巖巷道 成功應(yīng)用 深部高應(yīng)力巷道支護(hù) 錨桿 錨索支護(hù)為主的錨噴 錨網(wǎng)噴 錨噴網(wǎng)架 鋼筋混凝土 料石碹 預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù) 近年來(lái)錨桿支護(hù)技術(shù)取得的成果 多種錨桿支護(hù)理論高強(qiáng)度錨桿與錨索支護(hù)技術(shù)的認(rèn)可與應(yīng)用巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)快速原位測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性 系統(tǒng)性 信息性的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法的普遍認(rèn)可與應(yīng)用高強(qiáng)度 高剛度樹脂錨桿支護(hù)系統(tǒng)性能優(yōu)良的單體風(fēng)動(dòng)和液壓錨桿鉆機(jī) 手持式錨桿鉆機(jī)綜掘機(jī)配單體錨桿鉆機(jī)的煤巷快速施工工藝錨桿支護(hù)施工質(zhì)量檢測(cè)和礦壓監(jiān)測(cè)成套儀器 錨注技術(shù) 巷道支護(hù)存在問(wèn)題 深部常規(guī)錨桿支護(hù)遇到巨大的困難錨桿支護(hù)理論不全面 二次支護(hù)理論受到巨大挑戰(zhàn)深部普通高強(qiáng)錨桿 錨索支護(hù)效果差對(duì)錨桿支護(hù)系統(tǒng)剛度的重要性認(rèn)識(shí)不足深部與復(fù)雜困難巷道 錨桿材質(zhì)和結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步改進(jìn)不能實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固 嚴(yán)重影響支護(hù)效果對(duì)組合構(gòu)件的認(rèn)識(shí)不足小孔徑錨索不能適用深部巷道支護(hù)支護(hù)密度大 掘進(jìn)速度低 邢東礦開拓巷道支護(hù)存在問(wèn)題 礦井采深大 大于1000m 地質(zhì)條件復(fù)雜 斷層構(gòu)造帶多 圍巖壓力大 給巷道的支護(hù) 維護(hù)造成很大困難已掘的主副暗斜井 采用高強(qiáng)度錨桿 22mm 2 4m 20MnSi 小孔徑錨索 15 24mm 5 0m 但部分地段仍難以維護(hù)兩次返修 影響生產(chǎn) 支護(hù)成本高 2 980m水平開拓巷道圍巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析 地質(zhì)構(gòu)造 巷道位置地應(yīng)力巷道圍巖條件及巷道穩(wěn)定性指數(shù)圍巖控制特點(diǎn) 斷層 巷道 F22H 0 45m SF17H 0 12m Fx 9H 4 Fx 11H 2 地應(yīng)力 2 煤及頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù) 巷道穩(wěn)定性 圍巖控制特點(diǎn) 服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)20年以上水平應(yīng)力大 巷道頂?shù)装遄冃螄?yán)重地應(yīng)力大 圍巖變形嚴(yán)重主暗斜井掘進(jìn)方向與最大主應(yīng)力方向不一致 3深井錨桿錨索強(qiáng)力支護(hù)原理分析 邢東礦圍巖變形特征分析深井錨桿錨索強(qiáng)力支護(hù)原理高預(yù)應(yīng)力作用下巖體的響應(yīng)規(guī)律錨桿支護(hù)強(qiáng)度對(duì)圍巖強(qiáng)度的強(qiáng)化分析 邢東礦圍巖變形特征分析 巷道圍巖塑性區(qū)隨巷道埋深的變化規(guī)律 錨桿錨索支護(hù)效果 2121工作面順槽 平均埋深1000m 頂錨桿 20MnSi高強(qiáng)錨桿 頂板采用 22L2400 全長(zhǎng)錨固 間排距700 900 頂錨索 17 8L6500 間排距 運(yùn)輸巷2 1 8m 運(yùn)料巷1 75 2 7m 幫錨桿 20L2100全長(zhǎng)錨固 750 900 幫錨索 15 24L4500 間排距 運(yùn)輸巷2 1 8m 運(yùn)料巷1 75 2 7m 頂板下沉較大 達(dá)到210 變形量較大 穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng) 巷道總體支護(hù)效果較好 主副暗斜井 810 1150m 頂錨桿 20MnSi全螺紋錨桿 22L2400 間排距700 600 幫錨桿 20MnSi全螺紋錨桿 18L2100 間排距650 600 頂錨索 15 24L5000 間排距2 1 8m 幫錨索 15 24L6500 間排距 1 2 2 3m 支護(hù)效果 兩幫變形量較大 達(dá)到350 頂板下沉較小 但底臌嚴(yán)重 經(jīng)過(guò)3次清底后巷道基本能夠滿足使用要求 存在問(wèn)題 錨桿強(qiáng)度低 預(yù)應(yīng)力低 支護(hù)系統(tǒng)剛度低 深井錨桿錨索強(qiáng)力支護(hù)原理 錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度與預(yù)應(yīng)力的重要性錨桿支護(hù)強(qiáng)度的重要性巷道掘進(jìn)速度對(duì)強(qiáng)力支護(hù)的制約強(qiáng)度低下密度大 掘進(jìn)速度上不去 對(duì)深井巷道來(lái)說(shuō) 強(qiáng)力支護(hù)的概念就是在現(xiàn)有的條件下 保持合理的錨桿支護(hù)間排距的條件下 盡可能的采用高預(yù)應(yīng)力 高強(qiáng)錨桿 并采用合理的護(hù)表結(jié)構(gòu) 充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用 高預(yù)應(yīng)力作用下巖體的響應(yīng)規(guī)律 計(jì)算結(jié)果 單根錨桿 單根錨索 錨桿 錨索協(xié)調(diào)支護(hù) 不同支護(hù)方式的比較 錨桿支護(hù)強(qiáng)度對(duì)圍巖強(qiáng)度的強(qiáng)化分析 錨固體力學(xué)特性改善情況 錨固體強(qiáng)化理論是強(qiáng)力支護(hù)的理論基礎(chǔ) 1 錨桿支護(hù)通過(guò)軸向或橫向約束來(lái)改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài) 2 錨桿支護(hù)提高巖體的力學(xué)參數(shù) 3 普通錨桿支護(hù)難以保證 類巷道圍巖的穩(wěn)定 3 經(jīng)過(guò)處理的高強(qiáng) 超高強(qiáng)錨桿能夠滿足使用要求 4基于強(qiáng)力支護(hù)的深井錨桿 錨索 圍巖協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù)研究 錨桿錨索支護(hù)的協(xié)調(diào)分析深井煤巷錨桿 錨索協(xié)調(diào)作用原理分析錨桿錨索協(xié)調(diào)支護(hù)方法 錨桿錨索支護(hù)的協(xié)調(diào)分析 錨桿 錨索之間的協(xié)調(diào)分析錨桿錨索共同加固圍巖條件較差時(shí) 支護(hù)失敗錨桿 錨索協(xié)調(diào)支護(hù)在巷道開挖支護(hù)初期 以錨桿的柔性支護(hù)為主 后期以錨索的懸吊作用為主 兩者不是同時(shí)聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù) 而是相互協(xié)調(diào) 相互取長(zhǎng)補(bǔ)短 從而大大改善了錨固支護(hù)的整體支護(hù)性能 達(dá)到控制圍巖大變形的目的 錨桿 圍巖之間的協(xié)調(diào)分析及時(shí)支護(hù)軸力 延伸量全長(zhǎng)錨固增加抵抗圍巖變形的能力護(hù)表構(gòu)件增加預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散 錨索和圍巖之間的協(xié)調(diào)分析滯后安裝 合理的安裝時(shí)間將巷道表面松動(dòng)破壞巖體懸吊在深部穩(wěn)定的巖體之下 充分調(diào)動(dòng)圍巖的自承載能力 提高頂板的殘余強(qiáng)度 合理的錨固長(zhǎng)度2m錨索為 18 9mm 鉆孔 29 藥卷Z2360 護(hù)表構(gòu)件與圍巖變形的協(xié)調(diào)分析維護(hù)組合拱的存在 防止巖塊的冒落而失效實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力支護(hù)的必要設(shè)施 錨桿托盤 金屬網(wǎng) 鋼帶梁 梯子梁 將錨桿之間非錨固巖層載荷傳給錨桿能減少錨桿的間排距 提高巷道的掘進(jìn)速度編織帶能夠減緩圍巖表面的風(fēng)化 與其它護(hù)表構(gòu)件一起 延長(zhǎng)淺表圍巖的穩(wěn)定時(shí)間 深井煤巷錨桿 錨索協(xié)調(diào)作用原理分析 煤巷錨桿 錨索協(xié)調(diào)作用原理研究 錨桿 錨索聯(lián)合加固原理 軟弱圍巖聯(lián)合加固 軟弱圍巖互補(bǔ)原理 錨桿錨索協(xié)調(diào)支護(hù)方法 防止錨索在圍巖變形過(guò)程中破斷 使其適應(yīng)圍巖大變形的技術(shù)途徑有 改變錨索的力學(xué)特性 提高鋼絞線屈服后的延伸率 從而增大錨索破壞前的總伸長(zhǎng)量 不屬于本課題研究范圍 改變支護(hù)工藝 支護(hù)結(jié)構(gòu)和利用錨桿支護(hù)巷道的圍巖變形破壞特點(diǎn) 提高錨索的適應(yīng)性 改善錨索支護(hù)性能的方法 木墊板滯后掘進(jìn)迎頭安裝錨索合理安排錨索的位置錨桿錨索有關(guān)構(gòu)件的和諧性鋼帶 金屬網(wǎng)的作用 增加錨索延伸量30 50 頂板比較穩(wěn)定 在錨桿支護(hù)作用下 距掘進(jìn)迎頭10m范圍內(nèi)的頂板下沉量較小 這一情況允許頂板錨索滯后掘進(jìn)迎頭安裝 從而避免因同時(shí)安裝錨桿和錨索影響巷道的掘進(jìn)速度 降低施工效率 當(dāng)掘進(jìn)迎頭頂板較破碎 自穩(wěn)性差 為了防止錨桿支護(hù)后出現(xiàn)冒頂 要求錨索緊跟掘進(jìn)迎頭安裝 如果滯后安裝錨索時(shí) 可能引起鉆孔成形不好而難以安裝錨索 要求在掘進(jìn)迎頭安裝錨索 錨帶網(wǎng)當(dāng)頂板下沉80 120 時(shí)安裝錨索 兩根錨索應(yīng)位于巷道寬段的1 4和3 4處 該處的頂板下沉量一般為中部頂板下沉量的1 2 1 3 5工程設(shè)計(jì) 980m大斷面泵房 980m水平巖石聯(lián)絡(luò)巷二水平主副暗斜井 980m大斷面泵房 方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)數(shù)值模擬現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè) 方案設(shè)計(jì)要點(diǎn) 高強(qiáng)錨桿強(qiáng)力支護(hù) 強(qiáng)力錨索加固 錨桿錨索協(xié)調(diào)作用圍巖注漿 固結(jié)強(qiáng)化圍巖刷大斷面 治理底板澆筑混凝土 形成永久支護(hù) 錨桿 錨索 噴射混凝土 止?jié){塞 底板注漿 底拱 澆筑混凝土 數(shù)值模擬 數(shù)值模型 硐室頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì) 支護(hù)方案 普通錨噴支護(hù) 幫底注漿錨桿 錨索 底板反拱 噴射混凝土支護(hù) 監(jiān)測(cè)線 模擬結(jié)果 塑性區(qū) 軸力圖 數(shù)值模擬結(jié)論 普通錨桿支護(hù)不能有效的控制硐室圍巖的位移和塑性區(qū)的范圍 尤其沒(méi)有對(duì)底板采取任何處理措施 造成硐室嚴(yán)重破壞 影響設(shè)備的正常運(yùn)行 而錨注 錨 索 桿 反拱支護(hù)采用全長(zhǎng)樹脂錨固方式 錨索補(bǔ)強(qiáng)方式對(duì)頂幫圍巖進(jìn)行有效的控制 同時(shí)對(duì)底板采用錨注加固加混凝土反拱的方式 減輕了硐室的底臌 數(shù)值模擬的初步結(jié)果表明 泵房支護(hù)的初步設(shè)計(jì)是合理的 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 部分監(jiān)測(cè)成果 工業(yè)試驗(yàn)效果 錨注 底拱支護(hù)有效地控制了圍巖的變形 觀測(cè)期內(nèi) 各測(cè)點(diǎn)到圍巖穩(wěn)定 兩幫最大移近量為127mm 最小為117mm 變形穩(wěn)定以后 兩幫的最大移近速率為0 2 天 已經(jīng)基本穩(wěn)定 觀測(cè)期內(nèi)最大底臌量為130mm 最小為115mm 巷道底臌速率沉速率為0 1 天 已經(jīng)穩(wěn)定 硐室支護(hù)完畢后的30天左右變形劇烈 45天之后 變形速率降低到1 天以下 頂板離層觀測(cè)表明 測(cè)得頂板錨固區(qū)內(nèi)外得離層值之和最大為5mm 說(shuō)明錨桿支護(hù)有效地抑制了頂板的下沉 頂板錨桿參數(shù)的設(shè)計(jì)是合理的 錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)顯示 錨桿受力在硐室掘后30m范圍內(nèi)增加最快 然后增加趨緩 最大13t 錨索最大27t 隨著時(shí)間的延長(zhǎng) 錨桿錨索受力總體趨勢(shì)逐漸增加 980m水平巖石聯(lián)絡(luò)巷 方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)數(shù)值模擬現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè) 方案設(shè)計(jì)要點(diǎn) 預(yù)留斷面高強(qiáng)的錨噴網(wǎng)支護(hù)體系 高強(qiáng)錨桿錨索協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù)二次支護(hù) 注漿加固 固結(jié)強(qiáng)化圍巖 加固幫角控制底臌適時(shí)U型鋼全斷面加固 錨桿 錨索 噴射混凝土 部分監(jiān)測(cè)成果 工業(yè)試驗(yàn)效果 工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明 盡管采用了高強(qiáng)支護(hù) 深井巷道圍巖仍有一定的變形 但由于采用了預(yù)留斷面 圍巖的變形保持在可控制的范圍內(nèi) 因此 保證了巷道變形穩(wěn)定后的斷面符合使用要求 這種設(shè)計(jì)思路是正確的 2 巖石聯(lián)絡(luò)巷采用 22L3000mm高強(qiáng)錨桿 加長(zhǎng)樹脂錨固 采用 17 8L6500mm錨索加強(qiáng)支護(hù) 二者之間協(xié)調(diào)支護(hù) 混凝土分兩次噴射 實(shí)踐證明 支護(hù)參數(shù)的選取是正確的 二水平主副暗斜井 方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)數(shù)值模擬現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè) 方案設(shè)計(jì)要點(diǎn) 高阻讓壓 強(qiáng)力支護(hù) 預(yù)留斷面 錨桿錨索協(xié)調(diào)支護(hù)關(guān)鍵技術(shù) 錨桿 錨索高預(yù)緊力 錨桿 護(hù)網(wǎng) 協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù) 預(yù)應(yīng)力協(xié)調(diào)技術(shù) 底角錨桿控制底臌技術(shù) 錨桿錨索協(xié)調(diào)支護(hù) 數(shù)值模擬 數(shù)值模型 主副暗斜井巖石力學(xué)性質(zhì) 模擬結(jié)果 監(jiān)測(cè)線 位移 監(jiān)測(cè)線 主應(yīng)力 應(yīng)力峰值距巷道從小到大 頂角 頂板 兩幫 底腳 塑性區(qū) 數(shù)值模擬結(jié)論 兩幫煤體深部變形較大 幫錨桿錨固在巖體淺部 形成淺部承載結(jié)構(gòu) 錨索錨固于巖體深部 能夠調(diào)動(dòng)深部圍巖強(qiáng)度 但只有調(diào)整兩者的安裝順序或增加錨索的延伸率 才能實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)支護(hù) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 部分監(jiān)測(cè)成果 支護(hù)參數(shù)修改 頂板和兩幫錨桿支護(hù)的長(zhǎng)度加大到3 0m 每排錨索增加到3根 觀測(cè)結(jié)果 改進(jìn)后的支護(hù)有效地控制了圍巖的變形 觀測(cè)期內(nèi) 8號(hào)測(cè)站兩幫最大移近量為89mm 9號(hào)測(cè)站為42mm 8號(hào)測(cè)站與9號(hào)測(cè)站均改變了支護(hù)形式 同比 9號(hào)測(cè)站盡管開采深度加大 但圍巖的控制效果已顯現(xiàn) 觀測(cè)期內(nèi)8號(hào)測(cè)站頂?shù)装遄畲笠平繛?5mm 最小為38mm 巷道頂?shù)滓平俾蕿? 5 d左右 巷道的穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng) 木墊板的壓縮量與錨索的延伸量相加能夠滿足頂板下沉量的需要 保證了錨索不被拉斷 實(shí)現(xiàn)了錨桿與錨索的協(xié)調(diào) 由觀測(cè)結(jié)果可以看出 加強(qiáng)支護(hù)后 頂?shù)装逡平亢蛢蓭臀灰拼蠓冉档?且錨桿 錨索等完好率高 說(shuō)明改進(jìn)后的支護(hù)方式能夠控制圍巖的變形 支護(hù)獲得了成功 課題結(jié)論 本項(xiàng)目根據(jù)邢東礦千米深井高應(yīng)力區(qū)域開拓巷道掘進(jìn)的特點(diǎn) 針對(duì)該礦 980m水平開拓巷道及硐室支護(hù)難題 提出基于圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論的錨桿錨索強(qiáng)力支護(hù)原理 錨桿 錨索協(xié)調(diào)支護(hù)原理 主要結(jié)論如下 從圍巖條件 地質(zhì)構(gòu)造 水文地質(zhì)和地應(yīng)力幾個(gè)方面分析了邢東礦大埋深煤層開拓巷道的圍巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 圍巖屬于高應(yīng)力巖層 在高應(yīng)力的作用下 圍巖將出現(xiàn)較大范圍的松動(dòng) 特別在斷層附近 圍巖裂隙更加發(fā)育 給巷道圍巖控制帶來(lái)困難 斷層對(duì)暗斜井的掘進(jìn)支護(hù)有一定的影響 掘進(jìn)過(guò)程中斷層附近將會(huì)淋水 但水量不大 區(qū)域內(nèi)主應(yīng)力的方向與暗斜井斜交 暗斜井兩側(cè)將出現(xiàn)不對(duì)稱的變形狀況 提出了深井強(qiáng)力支護(hù)的概念 論證了預(yù)應(yīng)力對(duì)巷道圍巖強(qiáng)度的影響規(guī)律 采用數(shù)值模擬方法考察了錨桿 錨索及二者共同作用下預(yù)應(yīng)力在錨固巖體中的擴(kuò)散及衰減規(guī)律 即巖體表面預(yù)應(yīng)力的影響范圍為托盤寬度的15倍左右 劇烈影響范圍為托盤下方區(qū)域 沿錨索 桿 深度方向附加應(yīng)力和變形逐漸減小 深度大致和錨索 桿 長(zhǎng)度相當(dāng) 在錨索末端一定范圍內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力 而后隨著距離的深入拉應(yīng)力消失 呈現(xiàn)壓力狀態(tài) 在分析現(xiàn)有錨桿支護(hù)理論及技術(shù)的基礎(chǔ)上 提出了錨桿 錨索及護(hù)表構(gòu)件與圍巖的相互協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行了分析 闡述了錨桿 錨索協(xié)調(diào)支護(hù)的機(jī)理 即發(fā)揮錨桿和錨索自身的優(yōu)勢(shì) 在巷道開挖支護(hù)初期 以錨桿的柔性支護(hù)為主 后期以錨索的懸吊作用為主 兩者相互取長(zhǎng)補(bǔ)短 改善錨桿支護(hù)的整體支護(hù)性能 達(dá)到控制圍巖大變形的目的 其關(guān)鍵是應(yīng)根據(jù)巷道圍巖條件 采用合理的錨桿支護(hù)形式和參數(shù) 選擇與之相匹配的錨索支護(hù)方法 為了實(shí)現(xiàn)錨桿 錨索協(xié)調(diào)支護(hù) 提出了改善錨索加強(qiáng)支護(hù)性能的方法 加木墊板 滯后安裝 改變錨索位置 錨桿錨索有關(guān)構(gòu)件的和諧性及實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散等措施 提出了巷道圍巖控制設(shè)計(jì)的總體思路是 高阻讓壓 強(qiáng)力支護(hù) 預(yù)留斷面 據(jù)此應(yīng)用數(shù)值模擬提出了錨桿 錨索及加強(qiáng)支護(hù)的參數(shù) 給出了高應(yīng)力區(qū)域硐室 巖石聯(lián)絡(luò)巷 主暗斜井初始的支護(hù)方案 提出了高應(yīng)力區(qū)域圍巖控制的關(guān)鍵技術(shù) 即錨桿 錨索高預(yù)緊力 錨桿 錨索 圍巖 護(hù)網(wǎng)構(gòu)件協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù) 底角錨桿控制底臌技術(shù) 注漿加固技術(shù) 采用理論分析 工程類比 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)分析方法對(duì)邢東礦高應(yīng)力區(qū)域巷道進(jìn)行了支護(hù)設(shè)計(jì)和工業(yè)性試驗(yàn) 結(jié)果表明 該設(shè)計(jì)方法能夠解