恒阻大變形錨索支護(hù)技術(shù)(何滿潮、單仁亮)

1、煤礦大變形錨桿（索）支護(hù)技術(shù)匯報(bào)人：何滿潮 單仁亮 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室匯 報(bào) 提 綱一、煤礦大變形災(zāi)害的嚴(yán)重性二、恒阻大變形錨桿(索)定型研發(fā)三、恒阻大變形錨桿(索)力學(xué)特性及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)四、恒阻大變形錨桿(索)與圍巖相互作用原理五、主要結(jié)論一、煤礦大變形災(zāi)害的嚴(yán)重性煤炭占我國(guó)一次性能源的70%以上，居主導(dǎo)地位淺部煤炭資源越來越少，千米以下深部煤炭資源將是我國(guó)未來的主體能源0.51.0資源量，萬億t已采資源量未采資源量1.341.371.461.401.5深度，m-600-1000-1500-2000地表數(shù)據(jù)源自第三次全國(guó)煤炭資源預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)工

2、程巖體大變形災(zāi)害的嚴(yán)重性發(fā)生次數(shù)最多的為頂板大變形塌方事故，占43.3%煤-瓦斯突出是有氣體參與的大變形塌方，占23.5%露采滑坡是露天礦的大變形塌方事故，日趨嚴(yán)重頂板18.6%煤與瓦斯突出46.4%水災(zāi)15.5%2005.12009.6煤礦各類事故死亡人數(shù)所占比例運(yùn)輸3.7%其它10.7%頂板43.3%煤與瓦斯突出 23.5%水災(zāi)7.9%火災(zāi)2.5%運(yùn)輸11%其它11.8%2005.12009.6煤礦各類事故次數(shù)所占比例火災(zāi)5.1%多發(fā)生在 工作面順槽 工程巖體大變形災(zāi)害的主要原因深采復(fù)雜的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境“三高一擾動(dòng)”“三高”高地應(yīng)力自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力高地溫千米礦井巖層溫度35C45C高壓滲透

3、液體壓力、氣體壓力（瓦斯等）“一擾動(dòng)”強(qiáng)烈開采擾動(dòng)深部巖體力學(xué)特性發(fā)生轉(zhuǎn)變硬巖軟化大變形深井開采頂板塌方冒頂、煤-瓦斯突出、深部露采滑坡災(zāi)害均與大變形破壞相關(guān)深部巖體大變形破壞模式緩慢大變形破壞模式膨脹大變形高溫高濕軟化大變形瞬間大變形破壞模式?jīng)_擊大變形突出大變形結(jié)構(gòu)大變形膨脹大變形膨脹大變形底臌（龍口柳海礦）頂板膨脹大變形下沉（龍口柳海礦）緩慢大變形結(jié)構(gòu)大變形非對(duì)稱底臌大變形（鶴壁五礦）冒頂范圍150m 大面積嚴(yán)重冒頂（鶴崗興安礦）兩幫不均勻、非對(duì)稱變形兩幫非對(duì)稱大變形(徐州旗山礦)緩慢大變形高溫高濕軟化大變形圍巖結(jié)構(gòu)惡化（徐州夾河礦）工作環(huán)境惡劣（徐州夾河礦）瞬時(shí)大變形沖擊大變形沖擊地壓發(fā)

4、生前（撫順老虎臺(tái)礦）沖擊地壓發(fā)生后（撫順老虎臺(tái)礦）加拿大某地下巷道（P. Kaiser，2000）瞬時(shí)大變形巖爆大變形瞬時(shí)大變形突出大變形鄭州大平礦煤與瓦斯突出過程鄭州嵩楓礦巖巷底板瓦斯逸出傳統(tǒng)錨桿（索）存在的問題現(xiàn)行支護(hù)技術(shù)無法適應(yīng)大變形破壞錨桿端部斷裂桿體中部斷裂錨桿支護(hù)多次返修鋼架扭曲破壞失效澆注混凝土開裂錨桿支護(hù)巖爆破壞 針對(duì)傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨桿（索）存在的問題及其引發(fā)工程災(zāi)害的嚴(yán)重性，亟待研究一種新型恒阻大變形錨桿（索），通過結(jié)構(gòu)大變形和材料大變形來抵抗巷道圍巖大變形破壞。由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）深部國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室何滿潮教授牽頭的教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行了多年的系統(tǒng)的研究，取得了突破性進(jìn)展。工程

5、巖體大變形破壞機(jī)理黏土礦物成分引起的膨脹性大變形破壞機(jī)理二、恒阻大變形錨桿（索）定型研發(fā)軟巖水理作用測(cè)試系統(tǒng)深部軟巖氣態(tài)水吸附 智能測(cè)試系統(tǒng)膨脹大變形底臌(龍口柳海)粘土礦物成分吸水軟化吸水量隨時(shí)間變化lnQ-t曲線 軟巖強(qiáng)度隨時(shí)間衰減的函數(shù)規(guī)律(ZL200610113006.5)原因直接吸水測(cè)試裝備測(cè)試裝備環(huán)境吸水測(cè)試曲線獲得規(guī)律結(jié)構(gòu)面引起的非對(duì)稱軟巖大變形破壞機(jī)理非對(duì)稱大變形結(jié)構(gòu)面巖體結(jié)構(gòu)非對(duì)稱原因（ZL200710119124. 1）關(guān)鍵部位實(shí)驗(yàn)裝備軟巖巷道破壞結(jié)構(gòu)效應(yīng)物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)水平巖層8傾斜巖層30傾斜巖層45傾斜巖層實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定關(guān)鍵部位深部高應(yīng)力引起的巖體劇烈大變形(軟巖巖爆)

6、機(jī)理主機(jī) 液壓控制系統(tǒng) 加載系統(tǒng) 一向突然卸載 煤系地層巖爆巖爆前支護(hù)狀態(tài)巖爆后支護(hù)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)裝備加拿大Creighton礦花崗巖巖爆實(shí)驗(yàn)(2500m)星村煤礦垂直層理泥質(zhì)砂巖(1113m)實(shí)驗(yàn)結(jié)果深井高溫高濕圍巖軟化大變形機(jī)理溫度壓力耦合軟巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主機(jī)系統(tǒng)控制系統(tǒng)主機(jī)系統(tǒng)高溫五聯(lián)三軸軟巖流變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圍巖結(jié)構(gòu)惡化高溫高濕惡劣環(huán)境(巖層溫度40C，空氣濕度95%)實(shí)驗(yàn)裝備實(shí)驗(yàn)裝備實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同溫度條件下的巖體強(qiáng)度和變形特性不同溫度條件下的巖體強(qiáng)度和彈模(ZL200910088810.6)(ZL200610113003.1)恒阻大變形錨桿（索）研發(fā)理念 以柔克剛、剛?cè)嵯酀?jì)國(guó)外大量使用的大變形錨桿

7、加拿大MCB33型Conebolt錨桿(非恒阻，最大變形量120mm)澳大利亞Roofex錨桿(恒阻80kN，最大變形量300mm) 理想彈塑性材料研制恒阻大變形錨桿 - 技術(shù)特性 # 恒阻參數(shù) 150300 kN # 大變形參數(shù) 0.30.6m # 可回收- 適用范圍 軟巖大變形、巖爆大變形、 沖擊大變形、瓦斯突出大變形恒阻大變形裝置錨桿桿體錨桿托盤恒阻大變形支護(hù)性能國(guó)內(nèi)外對(duì)比0204060801201401600255075100125150175200225250275300325350375400425位移(mm)拉力(kN)450475500普通錨桿加拿大MCB33型Conebolt

8、新型恒阻 大變形錨桿澳大利亞Roofex錨桿恒阻大變形錨桿（索）靜力學(xué)特性及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主機(jī)系統(tǒng)控制臺(tái)恒阻大變形錨桿靜力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程試驗(yàn)曲線三、恒阻大變形錨桿(索)力學(xué)特性及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)恒阻大變形錨桿 拉伸力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)曲線恒阻大變形錨桿（索）動(dòng)力學(xué)特性及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)恒阻大變形錨桿動(dòng)載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)恒阻大變形錨桿動(dòng)載實(shí)驗(yàn)過程恒阻錨桿50mm沖擊全程時(shí)域波形圖 50mm沖擊時(shí)域波形圖四通道相加全程1通道特寫2通道特寫3通道特寫4通道特寫四通道相加特寫恒阻錨桿1000mm沖擊全程時(shí)域波形圖 1000mm沖擊時(shí)域波形圖四通道相加全程1通道特寫2通道特寫3通道特寫4通道特寫四通道相加特寫單次沖擊變形量動(dòng)載撞擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

9、累計(jì)沖擊變形量累計(jì)沖擊變形量與沖擊能量的關(guān)系恒阻錨桿阻力巖爆大變形控制對(duì)策大斷面預(yù)留量恒阻大變形支護(hù)多級(jí)吸收能量多次加壓注漿緩慢大變形控制對(duì)策大斷面預(yù)留量恒阻大變形支護(hù)釋放能量多次加壓注漿 恒阻大變形支護(hù)原理 四、恒阻大變形錨桿(索)與圍巖相互作用原理樹脂錨固劑恒阻大變形裝置恒阻大變形范圍Max:3001000mm錨桿（索）恒阻錨桿(索)隨圍巖變形吸收能量恒阻大變形錨桿（索）能量本構(gòu)關(guān)系抵抗變形能量EI和吸收變形能量EII EB= EI + EII 其中： PU/mm0UcEIEIIP0U500PU/mm0UcEIEIIP0U500f1(U)f2(U)簡(jiǎn)化模型簡(jiǎn)化模型f2(U)f1(U)恒阻錨

10、桿變形吸收能量支護(hù)和圍巖相互作用能量方程組巖體錨桿(索)巖體錨桿(索)U支護(hù)力和位移的解支護(hù)總力材料變形量關(guān)系（P U0）支護(hù)總力- 結(jié)構(gòu)變形量關(guān)系（U P ）現(xiàn)場(chǎng)工程驗(yàn)證- 沈陽煤業(yè)集團(tuán)清水煤礦- 淄博煤業(yè)集團(tuán)唐口煤礦- 徐州礦業(yè)集團(tuán)新安煤礦 - 國(guó)家電網(wǎng)新疆新吉海煤礦- 錦平水電站導(dǎo)流洞工程恒阻大變形錨桿拉伸量監(jiān)測(cè)（沈陽清水煤礦）錨桿編號(hào)示意圖 變形量與工作面距離對(duì)比分析兩幫收縮量與工作面距離關(guān)系曲線頂板下沉量與工作面距離關(guān)系曲線底臌量與工作面距離關(guān)系曲線工作幫非工作幫支護(hù)表觀效果對(duì)比1.距工作面煤壁22m處恒阻錨桿支護(hù)效果 1232.距工作面煤壁30m處恒阻錨桿支護(hù)效果 3.距工作面煤壁37m處普通錨噴支護(hù)效果 1、自主研發(fā)了具有特殊結(jié)構(gòu)的恒阻大變形錨桿（索），能夠適應(yīng)工程圍巖大變形災(zāi)害控制的需求。通過對(duì)恒阻大變形錨桿（索）的材料、結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化選擇和組合試驗(yàn)，確定了恒阻裝置的結(jié)構(gòu)組成、材料參數(shù)和幾何參數(shù)；2、自主研發(fā)了“恒阻大變形錨桿（索）的大變形拉伸力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”和“恒阻大變形錨桿沖擊力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”。通過實(shí)驗(yàn)，恒阻大變形錨桿的性能參數(shù)達(dá)到了恒阻120kN、變形量0.51m，高