張農(nóng)-煤礦巷道支護的幾個技術(shù)問題2

1、2022-2-61煤炭資源與安全開采國家重點實驗室中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程學(xué)院張農(nóng) 副院長/博士/博導(dǎo) 2007年11月2022-2-622022-2-631212(3)綜放面典型柱狀圖 層厚泥巖細沙巖砂質(zhì)泥巖13-1煤，上下夾矸為碳質(zhì)頁巖砂質(zhì)泥巖細沙巖泥巖細沙巖砂質(zhì)泥巖細沙巖砂質(zhì)泥巖細沙巖巖性柱狀2022-2-64錨帶網(wǎng)、錨索和預(yù)拉力桁架錨帶網(wǎng)、錨索和預(yù)拉力桁架“三位一體三位一體”支護支護2022-2-652022-2-662022-2-67頂板預(yù)拉力錨梁網(wǎng)索組合支護 2022-2-68頂板 預(yù)拉力錨帶網(wǎng)索組合支護 淮北袁莊煤礦大傾角復(fù)合頂板支護技術(shù)淮北袁莊煤礦大傾角復(fù)合頂板支護技術(shù) 2022-

2、2-6102022-2-6112022-2-6122022-2-613深部高應(yīng)力巷道是個相對性概念，傳統(tǒng)的架棚支護、錨桿支護方式不能滿足支護要求的一類巷道，常常在掘進時就需要多次臥底、返修。2022-2-614l 應(yīng)力場的調(diào)整 1)區(qū)域應(yīng)力場的調(diào)整 2)微觀應(yīng)力場的改善l支護手段的創(chuàng)新 1)支護強度的進一步提高 2)加固范圍的進一步加大 3)支護結(jié)構(gòu)的進一步創(chuàng)新l圍巖條件的改善 注漿、錨固l綜合治理技術(shù) 噴錨注動態(tài)分步加固技術(shù)2022-2-615區(qū)域應(yīng)力場的調(diào)整深部巷道布置、開采部署和最終形成的開采邊界條件對巷道穩(wěn)定性影響很大，由此產(chǎn)生的巷道變形差異很大。n上行開采大范圍轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力的思路n深

3、部大范圍地下采礦活動也使得水平應(yīng)力的傳遞變得不再連續(xù)。掌握大范圍開采過程中應(yīng)力場的變化規(guī)律，特別是有效阻斷水平應(yīng)力的應(yīng)力調(diào)整規(guī)律，可以大大改善巷道的維護狀況。2022-2-61680 m4 m200 m2.3 m張裂區(qū)水平應(yīng)力張裂區(qū)水平應(yīng)力2022-2-6173345 m200 m23 m2022-2-6182.0 m3.0 m0.7 m302022-2-619卸壓技術(shù)是將巷道上方及周圍巖體的高應(yīng)力區(qū)及高應(yīng)力值降低，并將其高應(yīng)力區(qū)及高應(yīng)力值向煤體深部轉(zhuǎn)移，使巷道上方及周圍巖體的應(yīng)力增高區(qū)變?yōu)閼?yīng)力降低區(qū)的一種高新技術(shù)。 卸壓技術(shù)的設(shè)計思想是：通過鉆孔等方法在巷道圍巖深部形成一個弱化區(qū)和弱化帶，為

4、圍巖在應(yīng)力釋放過程中產(chǎn)生的膨脹變形提供一個補償空間。 2022-2-620錨桿承載能力的強化巷道圍巖強度的強化關(guān)鍵承載部位的強化 支護效能進一步提高 加固范圍進一步加大 支護結(jié)構(gòu)進一步創(chuàng)新德國： “大斷面預(yù)留斷面-可縮性（封閉型）支架-壁后充填”支護我國：“個性化” 支護 “應(yīng)力場測定圍巖狀態(tài)量化描述數(shù)值計算(物理模擬)支護設(shè)計(包括錨索的作用)現(xiàn)場檢測修改設(shè)計”2022-2-621錨固技術(shù)取得突破錨固技術(shù)取得突破錨桿支護材料強度迅速提高錨桿支護材料強度迅速提高錨桿載荷實測曲線錨桿的精細化加工錨桿的精細化加工增大托盤增大托盤提高預(yù)緊力矩提高預(yù)緊力矩增加錨固長度增加錨固長度2022-2-622巷

5、道開挖支護加固三向應(yīng)力狀態(tài)穩(wěn)定圍巖恢復(fù)三向應(yīng)力狀態(tài)改善圍巖完整性二向應(yīng)力狀態(tài) 提高圍巖強度只有錨桿支護能同時實現(xiàn)以上三種功能只有錨桿支護能同時實現(xiàn)以上三種功能2022-2-623巷道開挖支護加固三向應(yīng)力狀態(tài)穩(wěn)定圍巖恢復(fù)三向應(yīng)力狀態(tài)改善圍巖完整性二向應(yīng)力狀態(tài) 提高圍巖強度只有錨桿支護能同時實現(xiàn)以上三種功能只有錨桿支護能同時實現(xiàn)以上三種功能2022-2-624錨固體的力學(xué)性能改善注漿加固體的力學(xué)性能改善侯朝炯教授提出圍巖強度強化理論2022-2-6252.破裂巖石的注漿固結(jié)性能研究破裂巖石的注漿固結(jié)性能研究 第一組：破裂試塊壓注漿固結(jié)實驗：表 2.2 完整試塊和注漿固結(jié)體普通試驗機單軸加載實驗結(jié)果

6、完整試塊注漿固結(jié)體注漿參數(shù)巖性直徑mm高度mm破 壞載 荷kN抗壓強度MPa直徑mm高度mm破 壞載 荷kN抗壓強度MPa漿液配比注漿壓力MPa強度恢復(fù)系數(shù)k（%）砂巖4942115 8167 7870052 21100 114 7068922510792砂巖4948116 6204 5106451 37100 313 126332008595砂巖497287 86190 0979052 0687 2211 2452822508539砂巖496492 16190 0982050 8892 3042 9121111810215砂巖497089 54193 5998051 5087 4474535

7、822508359砂巖490670 64 173 0 9160 51 33 7110 16888111812885泥巖491479 12 93 20 4920 49 80 7932 181291522508186泥巖4958100 2 8604454 50 46 9886 12906681810150泥巖495490 00 9504924 4993 9006 272814392012292泥巖4958978 89 204562 51 04 9612 11936641810134煤495499 92 21 10 1090 50 70 1003 8404141808380煤493868 26 37

8、 32 1950 50 96 6854 2390 11721810601煤491072 56 850450 50 26 7324185093 225122072022-2-626表 2.3 完整試塊的伺服機加載實驗結(jié)果 序號 巖性 直徑 mm 高度mm 破懷 載荷 kN 抗壓強度 MPa 殘余強度 MPa 漿液配比 注漿壓力 MPa 1 泥巖 49.56 79.68 141.79 73.5 42 1.8:1 1.0 2 泥巖 49.28 88.74 243.43 127.7 374 2.0:1 1.2 3 煤 49.00 94.78 104.21 55.22 213 2.0:1 1.2 4 煤

9、 49.10 83.4 27.22 14.39 293 2.0:1 1.0 5 粉砂巖 49.4 97.48 106.55 55.61 59 1.8:1 1.0 6 粉砂巖 49.8 95.00 123.69 63.53 62 1.8:1 1.0 注：1,4,5,6 號試塊為單軸加載;2,3 號為三軸加載；試塊加載破裂后,在固結(jié)系統(tǒng)上完成注漿。 表 2.4 注漿固結(jié)體的加載實驗結(jié)果 序號 巖性 直 徑mm 高 度mm 破懷載荷 kN 抗壓強度 MPa 殘 余 強度 MPa 強 度 恢 復(fù)系數(shù) k（%） 固結(jié)系數(shù) K 1 泥巖 51.04 96.12 1193 664 61 9 1.47 2 泥

10、巖 49.96 87.28 1.74 0.89 / 07 / 3 煤 49.67 94.94 0.5 0.26 / 05 / 4 煤 50.36 82.08 10.44 48 44 334 1.50 5 粉砂巖 51.64 97.10 20.39 9.74 94 175 1.59 6 粉砂巖 51.76 94.66 856 42.4 32 667 5.16 注： 1，4，5 號為伺服機單軸加載；2，3 號為普通試驗機單軸加載；6 號為伺服機三軸加載。 2022-2-627 表 2.7 煤的粘結(jié)實驗結(jié)果 骨料 序號 強度(MPa) 平均強度（MPa) 強度恢復(fù)系數(shù) k(%) 1 2.82 粒徑

11、58mm 孔隙率 50.37% 2 2.79 2.81 27.5 1 2.55 2 2.56 粒徑 35mm 孔隙率 47.6% 3 2.33 2.48 24.3 1 2.18 2 2.47 粒徑 23mm 孔隙率 44.5% 3 2.51 2.39 23.4 1 2.18 2 2.04 粒徑 12mm 孔隙率 35% 3 2.02 2.08 20.4 1 1.92 2 1.85 粒徑 12mm 孔隙率 28.5% 3 1.88 1.88 18.4 注:強度值為單軸抗壓強度，煤塊的單軸抗壓強度為 10.2MPa。 表 2.8 頁巖粘結(jié)實驗結(jié)果 骨料 序號 強度(MPa) 平均強度（MPa) 強

12、度恢復(fù)系數(shù) k(%) 1 2.71 2 2.78 粒徑 58mm 孔隙率 42.7% 3 2.62 2.70 28 1 2.44 2 2.36 粒徑 35mm 孔隙率 40.4% 3 2.57 2.46 25.5 1 1.71 粒徑 23mm 孔隙率 35% 2 1.78 1.75 18.2 1 1.91 粒徑 12mm 孔隙率 28.0% 2 1.83 1.87 19.4 2022-2-628錨固體力學(xué)性能錨固體力學(xué)性能錨桿密度/根(400cm2)-1彈性模量E/MPa軟化模量M/MPa錨固體破壞前錨固體破壞后C/MPa/()C*/MPa/0280.832.00.3531.50.01731.

13、52282.632.60.3631.50.01831.53284.735.20.3633.50.01833.54288.239.30.3735.60.01835.65294.041.90.3737.10.01937.16299.743.20.3838.80.01938.88310.046.30.3940.40.02140.42022-2-629錨固體強化系數(shù)錨固體強化系數(shù)錨桿密度/根*（400cm2）-1單向加載平面應(yīng)變加載極限強度/MPa殘余強度/MPaKjKc極限強度/MPa殘余強度/MPaKjKc01.2380.0601.001.001.650.5251.001.0021.2750.06

14、51.031.081.7250.5881.041.1231.350.0681.091.131.8320.6251.111.1941.430.0721.161.191.9280.6681.171.2751.500.0751.211.252.0750.71.261.3361.5750.0811.271.352.170.751.321.4381.6750.0891.351.482.2750.821.381.562022-2-630關(guān)鍵破壞區(qū)域是客觀存在的 由于圍巖的賦存不均勻性，有軟弱區(qū)域 由于圍巖應(yīng)力場的非對稱性，有不同的破壞特征淺埋巷道治理的中心是頂板，建立了梁式、拱式等非封閉式承載結(jié)構(gòu)深井高應(yīng)

15、力軟巖巷道是全方位大范圍變形破壞，必須形成封閉式環(huán)形對稱或非對稱承載結(jié)構(gòu)2022-2-631關(guān)鍵部位的強化關(guān)鍵部位的強化很多軟巖支護失敗的原因是支護的重點仍然集很多軟巖支護失敗的原因是支護的重點仍然集中在頂部，幫、底支護強化措施沒有跟上中在頂部，幫、底支護強化措施沒有跟上2022-2-632大斷面預(yù)留空間（頂板安全控制）高性能強化支護分步加固過程控制協(xié)調(diào)變形 穩(wěn)定結(jié)構(gòu)采用新型高性能強化支護技術(shù)可以解決目前遇到的大部分問題。2022-2-633 應(yīng)力場的調(diào)整 1)區(qū)域應(yīng)力場的調(diào)整2)微觀應(yīng)力場的改善圍巖條件的改善注漿、錨固綜合治理技術(shù)噴錨注動態(tài)分步加固技術(shù)2022-2-634目前任何一種單一的支

16、護方式都不能滿足圍巖變形的要求，客觀上要求通過綜合治理聯(lián)合支護來維持軟巖穩(wěn)定。支護技術(shù)已發(fā)展到必須充分利用和調(diào)動巷道圍巖強度和自身承載能力的圍巖控制階段。巷道圍巖與支護的相互作用是一個非線性動態(tài)響應(yīng)過程不同應(yīng)力路徑下巖體強度特性的研究揭示出巖體的變形破壞與其內(nèi)在結(jié)構(gòu)和所處的應(yīng)力環(huán)境密切相關(guān)，由于應(yīng)力路徑不同，導(dǎo)致的巖體變形破壞過程也不同。 開挖與支護方式、支護時機的不同組合導(dǎo)致的圍巖變形和破壞應(yīng)該是不同的。2022-2-635隨巷道開挖圍巖的賦存狀態(tài)是動態(tài)變化的，是圍巖強度不斷降低的平衡過程；在這個過程中巷道圍巖總能保持一定的自穩(wěn)能力，但隨其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部約束的變化而消長；巷道圍巖變形和破壞表

17、現(xiàn)為明顯的階段性特征，各階段的力學(xué)性能和強度變化規(guī)律各不相同，動態(tài)監(jiān)測巷道圍巖的變形和強度弱化過程，針對性地采取加固補強措施，才可能最經(jīng)濟地維護軟巖巷道的穩(wěn)定。2022-2-636不同支護技術(shù)的組合，同一支護的不同加固時機對巷道圍巖的變形和穩(wěn)定有不同的影響，應(yīng)當優(yōu)化選擇；支護選型應(yīng)以充分利用和維持圍巖自穩(wěn)能力，強化圍巖支撐結(jié)構(gòu)為標準，優(yōu)先選擇主動加固方式的支護技術(shù)，包括混凝土噴層、錨桿支護、圍巖注漿加固等技術(shù)。2022-2-637n在其它支護的基礎(chǔ)上，單獨鉆孔注漿加固。n將注漿和錨桿統(tǒng)一起來的錨注支護技術(shù)。 通俗地說，較深部圍巖適宜作錨固位置，且應(yīng)按圍巖穩(wěn)定性的要求及時安裝；淺部圍巖適宜注漿加固，但應(yīng)在圍巖經(jīng)歷一定程度的變形破壞后，裂隙比較發(fā)育時實施 。2022-2-638薄壁管式錨桿和水泥漿為基礎(chǔ)的錨注技術(shù)錨桿強度低注漿加固效果差充填注漿、灌注新型高強螺紋管式錨注一體化技術(shù)桿體強度高、錨固性能好化學(xué)注漿滲透性強裂隙加固2022-2-639高強預(yù)應(yīng)力（錨桿）支護l高性能錨桿l預(yù)拉力鋼絞線桁架lM型鋼帶滯后注漿加固技術(shù)組合支護的分步實施l軟巖