冲击地压巷道锚杆支护技术

冲击地压巷道锚杆支护技术鞠文君天地科技股份有限公司开采设计事业部煤炭科学研究总院开采设计研究分院天地科技开采设计事业部发展历程1999现在1957煤炭科学研究总院天地科技股份有限公司开采设计事业部煤炭科学研究总院北京开采所中国煤炭科工集团（煤炭科学研究总院）天地科技股份有限公司开采设计事业部（煤炭科学研究总院开采设计分院）天地科技开采设计事业部组织机构天地科技股份有限公司开采设计事业部Textinhere中国煤炭学会岩石力学与支护专业委员会学术委员会中国煤炭学会煤矿开采损害技术鉴定委员会煤炭工业开采信息中心站煤炭工业矿山压力信息中心站综采矿压分站煤炭工业矿山压力信息中心站冲击矿压分站天地科技股份有限公司设计研究院开采装备技术研究所特殊采煤与矿区环境治理研究所巷道矿压与支护技术研究所安全生产部综合办公室采矿技术研究所示范工程部经营部后勤部文印中心《煤矿开采》杂志编辑部4汇报提纲1、煤巷锚杆支护技术的发展2、锚杆支护对冲击地压的适应性3、4、“抗冲击锚杆支护系统”的概念5、冲击地压巷道支护能量校合设计法冲击地压巷道锚杆支护作用原理1、煤巷锚杆支护技术的发展•1.1、煤巷支护技术的特点及发展历程•1.2、煤矿巷道支护理论发展•1.3、锚杆支护技术的发展61.1、煤巷支护技术的特点及发展历程我国煤矿85%是井工开采井工开采示意图每年新掘巷道总长度1.万公里年新掘巷道长度相当于地球直径规模巨大，世界第一煤矿巷道工程的规模171.1、煤巷支护技术的特点及发展历程2.1煤矿沉积岩层地质特点顶板岩石钻孔观测图结构面发育，破碎强度低(煤5-20MPa，岩石10-60MPa)开采深度大(最大1500m)，地应力高，构造应力复杂地质构造复杂淮南煤田地质构造分布图煤矿巷道工程的特点281.1、煤巷支护技术的特点及发展历程回采工作面周围应力分布矩形巷道围岩受力状况支承压力矩形巷道断面回采巷道服务时间短采动影响强烈（2-5倍原岩应力），范围大煤柱宽度小甚至无煤柱2.2生产特点1.1、煤巷支护技术的特点及发展历程高地应力巷道变形严重回采巷道受力与变形状态支护速度与成本要求苛刻巷道支护状态特殊：服务时间短，允许有一定变形，但必须稳定；采后能及时垮落松软、破碎、高应力等复杂困难巷道比重大(60%)煤矿巷道支护的难度31.1、煤巷支护技术的特点及发展历程木支护砌碹支护型钢支护锚杆支护煤矿巷道支护技术的发展过程41.1、煤巷支护技术的特点及发展历程锚杆类型直径/mm拉断载荷/kN预应力/kN锚固方式低强度14-2050-1200-10端部锚固高强度18-22120-20010-20端锚、加长锚固高预应力高强度20-25200-40060-120加长、全长预应力锚固早期适用于简单条件(5%)不能满足困难巷道支护解决复杂巷道支护难题煤矿巷道锚杆支护发展过程5低强度锚杆高强度锚杆高预应力强力锚杆理论：深化了对锚杆支护作用机理的认识，特别是锚杆预应力及其扩散的重要作用。技术：形成了以地质力学测试、以高强度锚杆与锚索为核心的成套支护技术。应用：得到大面积推广应用，一些矿区达到90%，甚至100%，很多矿区达到70%。实现安全、高效生产必不可少的关键技术。1.1、煤巷支护技术的特点及发展历程煤矿锚杆支护取得的成果6131.2、煤矿巷道支护理论发展传统锚杆支护理论锚杆支护理论概论1悬吊作用（只考虑拉伸作用）锚固区内形成结构(梁、层、拱、壳)改善锚固围岩力学性能与应力状态悬吊组合梁加固拱锚固前后应力应变曲线1.2、锚杆支护理论的发展我国提出的锚杆支护理论1、新奥法的引进与改进2、围岩松动圈支护理论3、联合支护理论4、围岩强度强化理论5、软岩工程力学理论6、预应力支护理论1.2、锚杆支护理论的发展不连续、不协调变形连续变形锚杆支护的本质作用与关键参数对锚杆支护作用的认识2锚杆预应力及扩散起关键作用：大幅提高预应力，并实现有效扩散，可抑制围岩变形，减小围岩强度损失。围岩变形形式：不连续、不协调变形；连续、整体变形。161.2、锚杆支护理论的发展U型钢金属支架应力场掘进工作面锚杆支护应力场单体支柱应力场巷道锚杆支护应力场支护应力场概念：支护在围岩及本身内部产生的应力场1.2、锚杆支护理论的发展原岩、采动及支护应力场构成煤矿井下综合应力场原岩+采动+支护=综合应力场-500010000-10000-200000-280000-70000-120000-60000-40000-1200000-10000-80000-40000-80000-120000-80000-60000-60000-70000-40000-60000-60000-40000-60000-80000-80000-80000-20000-20000-40000-70000-60000-70000-60000-60000-10000-20000-40000-40000-20000-20000-20000-1000000-100005000-50000-50005000-500010000-5000-5000-5000-50000500050000-5000-50005000000000YXZFrame00128Nov2006FLAC3DtoTecplot10支护应力场采煤工作面周围应力分布原岩应力场σHσHσvσv以应力场为主线，将原岩体、采动体及支护体有机结合在一体。巷道支护、岩层控制归结为“三场”相互作用与协调综合应力场概念1.2、锚杆支护理论的发展不垂直，不是理想的拉伸受拉、弯、扭、剪切22233432768ttiPMMddd杆体受力极不均匀，大部分锚杆在屈服状态下工作高强度，高延伸，高冲击韧性井下锚杆受力状态21.2、锚杆支护理论的发展123456锚杆控制锚固区围岩变形，保持围岩完整，减小强度降低锚杆预应力及其有效扩散起决定性作用原岩、采动与支护应力场“三场”相互作用与协调锚杆支护系统具有足够延伸率和冲击韧性，一方面使围岩连续变形释放，另一方面避免局部破坏围岩破碎，不利于预应力扩散时应注浆复杂困难巷道采用高预应力、高强度锚杆支护预应力支护理论5201.3、锚杆支护技术的发展基于地质力学测试、以锚固与注浆加固为核心的煤矿巷道支护成套技术。高预力强力锚杆支护系列材料与构件高预应力施工机具与工巷道围岩地质力学测试方法与仪器基于地质力学测试的动态信息设计法高预应力强力锚杆支护系列材料与构件破碎煤岩体系列注浆材料高预应力施工机具与工艺巷道矿压与安全监测仪器12345621提出地质力学原位测试方法，开发出配套测试仪器岩层封隔器传感器流量计油泵储能器-1手动泵采集仪储能器-2升降器注水管手动泵压力表压力－位移同步采集仪探针位移计升降器安装杆岩层探头探针SYY-56型小孔径水压致裂地应力测量装置，实现了井下地应力快速测量WQCZ-56型小孔径煤岩体强度测定装置，解决了破碎煤岩体强度测量难题1.3、锚杆支护技术的发展巷道围岩地质力学测试方法与仪器1KDBC-56型数字全景钻孔窥视仪，解决了结构参数定量测量难题主机滑轮安装杆信号转换器光电编码器升降器摄像头岩层数字全景钻孔窥视仪钻孔结构观测图片1.3、锚杆支护技术的发展得出煤矿井下地应力分布规律地应力与埋深的关系侧压比与埋深的关系主应力随深度增加而增大，但存在明显离散主应力受地质构造、煤岩体强度与刚度等因素影响明显1.3、锚杆支护技术的发展估算地应力的公式平均水平应力与垂直应力比值随埋深变化k-平均水平主应力与垂直主应力比值H-埋藏深度，m105.90.644kH1.3、锚杆支护技术的发展得出煤岩体强度分布规律顶板抗压强度分布-宁煤煤层抗压强度分布-淮南钻孔深度/m煤层抗压强度/MPa0510152002468煤泥岩细砂岩102030405010.09.08.07.06.05.04.03.02.01.00单轴抗压强度/MPa钻孔深度/m1.3、锚杆支护技术的发展巷道支护设计过程—动态信息设计确定合理的初始支护设计信息反馈与修正设计巷道围岩地质力学评估建立数值模型，多支护方案比较井下监测与数据分析基于地质力学测试的巷道支护设计21.3、锚杆支护技术的发展27巷道支护初始设计,,,,,,HvhctEc地质力学参数建立数值模型采动应力场计算锚索锚杆锚杆巷道围岩应力变形分析确定支护方案1.3、煤矿巷道支护技术的发展复杂困难巷道对支护材料的要求井下锚杆支护构件钢带螺母金属网托板杆体球形垫圈杆体不仅强度高，且延伸率大、冲击韧性高有利于锚杆预应力与工作阻力扩散的护表构件各构件力学性能匹配可操作性经济性1.3、锚杆支护技术的发展锚杆支护材料与构件的组成锚杆杆体及附件锚固剂护表构件(钢带、金属网)锚索高强度锚杆支护系列材料与构件31.3、锚杆支护技术的发展金属网钢带托板减摩垫片扭矩螺母螺纹钢锚杆树脂锚固剂高强度锚杆及附件强力锚杆杆体超高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆，解决了锚杆破断难题。牌号直径/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%冲击吸收功/JB500B600B70018-2550060070067078085018-2560-1601.3、锚杆支护技术的发展配套高强度托板、螺母，钢带等护表构件。锚杆杆体力学性能锚杆受拉剪扭弯共同作用；越靠近固定端，杆体等效应力值越大，易发生塑性变形；锚杆横肋上应力较小。杆尾螺纹扭曲变形拉弯剪扭组合作用等效应力1.3、锚杆支护技术的发展对锚杆进行了蠕变试验，锚杆发生蠕变通常在屈服点附近，表明预紧力的施加最大可以接近锚杆屈服强度；为保证不发生锚杆蠕变，并提高支护效果，确定锚杆预应力可达到锚杆屈服强度的70～90%。SMG600型锚杆蠕变曲线锚杆伸长率随轴向拉应力的变化1.3、锚杆支护技术的发展杆体形状与尺寸优化MPa700622544467389311233156780优化优化原始参数优化最优参数锚杆杆体形状与尺寸1.3、锚杆支护技术的发展锚杆杆尾螺纹几何参数与力学性能牙型加载等效应力(MPa)矩形梯形锯齿形三角形单独扭转(160N.m)191.8214.54298.4227.1单独拉伸(80kN)239.5272.9350.7306.7单独弯曲(10°)642.7714.0942.9771.1复合应力896.3990.51294.91061.6矩形牙型等效应力梯形牙型等效应力锯齿型牙型等效应力三角形牙型等效应力1.3、锚杆支护技术的发展锚杆杆尾螺纹几何参数与力学性能050100150200250300350M24×3M24×2.5M24×2螺纹类型螺纹牙底应力/MPa80kN160N·m公称直径越大，螺距对杆尾螺纹段影响越弱；减小螺纹螺距，能够有效的降低螺纹牙底最大应力值的范围；齿高的减小，可降低螺纹牙底最大应力的范围，降低螺纹牙底应力集中系数，提高螺纹强度。050100150200250M27×3M27×2.5M27×2螺纹类型螺纹牙底应力/MPa80kN160N·m不同螺距下螺纹牙底应力变化1.3、锚杆支护技术的发展托板几何形状与力学性能开发出测力托板；托板在面接触状态下受力效果最好，四点支撑状态次之，三点支撑状态下受力效果最差；拱部是托板的主要承载区；三点支撑时，两个对称支撑点处受力最大，其次是托板拱部。托板受力特征试验1.3、锚杆支护技术的发展钢带几何形状与受力特征开发出测力钢带；研究了钢带在受拉、弯、剪作用下应力分布、变形及破坏特征。钢带受拉钢带受弯钢带受剪1.3、锚杆支护技术的发展金属网力学性能开发出金属网试验台；金属网破坏特征：金属网兜状变形;联网绑丝断裂导致;支护构件剪切导致金属网破坏；钢筋网、菱形网、经纬网的极限承载力分别为77、19.2、16.2kN；钢筋网连接处护表力远低于钢筋网极限承载力。金属网受力实验室试验联网绑丝断裂导致的金属网失效1.3、锚杆支护技术的发展提高主动支护系数2倍。降低构件破坏率90%。大幅提高支护系