康红普煤矿巷道现代化支护技术文档较大下载不了请联系QQ712112758

煤矿巷道现代化支护技术康红普（院士）中国煤炭科工集团有限公司（煤炭科学研究总院）201X.8.4一、前言二、巷道围岩地质力学测试技术三、锚杆支护成套技术四、破碎煤岩体注浆加固技术五、坚硬顶板水力压裂技术六、展望提纲巷道支护是保障井工煤矿安全、高效生产的关键技术一、前言巷道井工煤矿开采示意图巷道是井工煤矿开采的必要通道。煤矿安全、高效生产取决于巷道畅通与稳定；煤矿新掘巷道长度，规模巨大，世界第一。一、前言最大埋深：；煤层强度：岩石的；受采动应力影响,原岩应力;巷道变形地质条件复杂、煤层松软、埋深大、采动影响强烈山东新汶深部巷道大变形状况-金属支架一、前言巷道开挖形成4种效应：巷道围岩产生位移与破坏；无支护开挖边界为主应力面，对原岩应力场扰动；开挖边界围岩水压、气压降低为大气压；开挖边界围岩温度、湿度变化及风化作用，围岩力学性质变化。非连续面岩块滑出完整岩石位移σn=0最小主应力巷道水流巷道开挖引起的物理力学效应一、前言巷道支护目的控制围岩变形，保证断面满足要求；保持围岩稳定，避免垮落，保证安全。巷道支护原理开挖边界施加约束力，控制围岩变形；改善围岩力学性能，发挥自承能力；降低或转移围岩应力。σ1σ1σ2σ2E，C，μ，ϕ1P巷道支护原理示意图型钢支架支护法支护力作用在巷道围岩表面的方法煤矿巷道围岩控制技术一、前言加固法深入围岩内部保持围岩自承能力的方法应力控制法减小或转移巷道周围高应力的方法联合法两种或多种巷道围岩控制方法联合使用喷射混凝土砌碹锚杆锚索注浆开采方法巷道布置人工卸压锚喷与注浆锚杆与支架…提出多种巷道围岩控制技术一、前言木支护砌碹支护型钢支护锚杆支护煤矿巷道支护发展历程一、前言目前煤矿巷道围岩控制主要形式锚杆、锚索、锚喷支护。大面积推广应用，总体70%，有些矿区90-100%。潞安常村矿煤层上山锚杆支护新汶协庄矿顺槽锚杆支护一、前言金属支架：工字钢、U型钢支架，钢管混凝土支架等。金属支架类型(a)梯形(b)拱形(c)马蹄形(d)环形新汶华丰矿大巷金属支架支护一、前言注浆加固：水泥─水玻璃；高分子材料，复合注浆材料。锚杆与注浆加固示意图浆液锚杆封孔器出浆口破碎岩体一、前言复合支护：锚喷+注浆，锚喷+型钢支架，锚喷+混凝土砌碹，锚杆+注浆+型钢支架。义马耿村矿金属支架与锚杆联合支护一、前言卸压技术：高应力、冲击地压巷道，钻孔、切缝、爆破等。巷道人工卸压法类型了解原岩体特性井下煤岩体地质力学参数测试与评估；了解采动体特性巷道围岩变形、破坏特征与规律；采动体支护体关系巷道支护与围岩相互作用关系，支护理论；围岩控制方法参数提出合理的围岩控制方法与参数；井下应用信息反馈井下施工，矿压监测，信息反馈与评价。一、前言二、巷道围岩地质力学测试技术煤层结构(大同塔山)地质力学测试的重要性煤岩体地质力学参数：应力（原岩应力与采动应力），煤岩体强度，结构。地质力学参数是巷道布置与支护设计的必要基础。随着开采深度增加，井下地质环境发生显著变化，地质力学测试越显重要。二、巷道围岩地质力学测试技术提出单孔、多参数、耦合地质力学原位快速测试方法二、巷道围岩地质力学测试技术开发出配套测试仪器-地应力测量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水压致裂法；煤矿井下SYY-56型小孔径水压致裂地应力测量装置。小孔径水压致裂地应力测量原理小孔径水压致裂地应力测量装置二、巷道围岩地质力学测试技术开发出配套测试仪器-煤岩体强度测试手动泵压力表压力－位移同步采集仪探针位移计升降器安装杆岩层探头探针钻孔触探法；WQCZ-56型小孔径煤岩体强度测定装置。煤岩体强度测定装置煤岩体强度测定原理二、巷道围岩地质力学测试技术钻孔孔壁观察法；KDBC-56型数字全景钻孔窥视仪，实现结构参数定量测量。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结构开发出配套测试仪器-围岩结构观测KDBC-56型数字全景钻孔窥视仪采用该测试技术，完成36个矿区测试。最浅69m，最深1342m,涵盖了我国煤矿绝大部分地质条件。二、巷道围岩地质力学测试技术完成36个矿区测试地应力方向分布-山西北部方向NE。西部大多NW。中部两个趋向：NE和NW；东部：NW。东南部：NE和NW。从北到南，最大水平主应力方向主体趋向NE。东部与西部偏向NW；东南部多变。山西省地应力分布图大同市朔州市忻州市阳泉市太原市晋中市吕梁市临汾市运城市晋城市长治市轩岗焦家寨煤矿阳泉矿区潞安矿区晋城矿区潞安整合煤矿汾西矿区华晋沙曲矿汾西离柳矿区潞宁矿区朔州矿区大同矿区地应力测量二、巷道围岩地质力学测试技术地应力方向分布-与震源机制解比较二、巷道围岩地质力学测试技术山西总体受NNE-NEE区域主压应力控制。北部、东部一致性好。西北部存在差异。中部构造应力规律性不强。东南部大多NE方向。实测与震源机制解基本趋势一致，但局部差异较大。二、巷道围岩地质力学测试技术煤矿井下地应力分布影响因素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。应力场类型埋深H侧压系数σHσhσv250m1.5-2.5σHσvσh250-600m1.0-2.0σvσHσh600m0.5-1.5井下地应力场分布规律：浅部以水平应力为主，深部垂直应力占优势，侧压系数在0.5-2.5之间。煤矿井下地应力场分布特征二、巷道围岩地质力学测试技术二、巷道围岩地质力学测试技术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，m1170.622kH二、巷道围岩地质力学测试技术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/m二、巷道围岩地质力学测试技术煤岩体结构分布特征钻孔结构观测图片矿井开拓部署与巷道布置；巷道支护设计；采煤方法与采掘机械选择；采场岩层控制；煤矿安全（与岩层运动与破坏有关的灾害：顶板垮落、冲击地压，煤与瓦斯突出）。二、巷道围岩地质力学测试技术地质力学参数的应用0°30°60°90°二、巷道围岩地质力学测试技术巷道轴线与最大水平主应力平行，有利于顶底板稳定；巷道轴线与最大水平主应力垂直，顶底板稳定性最差；呈一定夹角顶底板破坏会偏巷道一帮。地应力场与巷道布置巷道轴线平行最大水平主应力方向时，应力对称分布，集中程度小。有夹角应力分布扭转，不对称。到一定角度，应力扭转又减小。90°时应力又出现对称分布，集中程度高。0°30°60°90°二、巷道围岩地质力学测试技术地应力场与巷道布置东区南部与西部，西区南部近东西向，顺槽沿东西向布置。东区东北部，主应力与南北向呈小角度，顺槽沿南北向布置。西区北部，与南北夹角40-65°，可据其它选顺槽方向。赵庄矿赵庄矿扩区长平矿长平矿扩区成庄矿寺河矿（西区）寺河矿（东区）王坡矿古书院矿凤凰山矿王台铺矿寺河二号井南阳矿竹林山矿二、巷道围岩地质力学测试技术晋城寺河矿地应力场分布地应力场与巷道布置-晋城寺河矿初期工作面布置在东区南部，无地应力数据，顺槽沿南北向布置，与最大水平主应力近似垂直，围岩变形1-1.5m，破坏严重；基于地应力测量将顺槽改为东西向布置。巷道变形小，支护状况良好。二、巷道围岩地质力学测试技术地应力场与巷道布置-晋城寺河矿晋城寺河矿三、锚杆支护成套技术锚杆支护世界煤矿锚杆支护已有140多年的发展历史。1980197019591950190018721990预应力锚杆管式锚杆树脂锚杆机械锚杆木锚杆金属锚杆高强度树脂锚固锚杆，锚索美国胀壳与树脂锚杆美国全长摩擦式锚杆德国卷式树脂锚固剂锚杆迅速发展美国使用锚杆英国采用锚杆澳大利亚AT锚杆锚索三、锚杆支护成套技术锚杆类型直径/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%)适用于一般条件巷道支护解决复杂巷道支护难题低强度锚杆高强度锚杆高预应力强力锚杆三、锚杆支护成套技术基于地质力学测试的煤矿巷道锚杆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锚杆支护作用原理与支护理论基于地质力学测试的动态信息设计法预应力锚杆支护系列材料与构件预应力施工机具与工艺巷道矿压与安全监测仪器123456三、锚杆支护成套技术传统的巷道支护理论三、锚杆支护成套技术-支护理论基于设置在开挖表面的巷道支护围岩响应曲线径向位移限制巷道变形所需要的压力A（Pi=σ0）BCFEDGH径向支护压力围岩与支护系统的径向支护压力-位移曲线顶板所需的支护线巷帮所需的支护线支护提供的压力底板所需的支护线开挖轮廓线巷道轮廓线径向位移支护压力Pi支护反作用力AA第一步第二步第三步第四步截面A-A围岩与支护系统的径向支护压力-位移曲线传统的巷道支护理论三、锚杆支护成套技术-支护理论)1(1])1(2[diePbCParrrrffGPPufei])(21[)1()(1re–巷道围岩破碎区半径；u–巷道周边径向位移；P–原岩应力；Pi–支护压力；a–巷道半径；G–弹性模量；C–粘聚力；b,d,f–系数。ABCDEGFO径向位移径向支护压力支护刚度与设置时间对支护效果的影响1234支护刚度与时间对支护效果的影响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三、锚杆支护成套技术-支护理论传统的锚杆支护理论锚杆包括插入围岩内的部分(杆体、锚固剂)，表面构件（托板、钢带及网）。锚杆支护原理与支架有本质区别，不能再用支架围岩响应曲线。PP锚杆支护围岩受力图三、锚杆支护成套技术-支护理论对锚杆支护作用的新认识锚杆主要起加固作用：控制围岩不连续、不协调的扩容变形，保持围岩完整性和自承能力，减小围岩强度的降低。煤岩体体积变形与应力曲线巷道变形破坏过程与形态-数值模拟三、锚杆支护成套技术-支护理论巷道开挖过程中围岩应力、变形与破坏范围变化垂直切面上水平应力分布水平切面上垂直应力分布三、锚杆支护成套技术-支护理论掘进工作面前后顶板应力变化（顶板表面以上0.3m）顶板应力变化水平应力：工作面前10m明显变化，4m最大，之后减小。工作面位置，原岩应力25%。之后变得很小。垂直应力：工作面前6m开始变化，先增加后降低。工作面位置原岩应力20%。之后1m几乎为零。三、锚杆支护成套技术-支护理论掘进工作面前后位移分布与变化位移变化超前工作面6m明显增加，过工作面曲线出现拐点，增加速度变缓。至工作面后方10m，达到稳定。掘进工作面处，顶板下沉量接近总下沉量的40%；工作面后方1m处50%。井下超前工作面的位移监测不到。三、锚杆支护成套技术-支护理论剪切破坏区随工作面距离不同变化。前方2.5m出现剪切破坏，工作面位置3m，工作面后1m为4m，后方10m稳定。拉破坏区随工作面距离不同变化。前方0.5m出现拉破坏，工作面位置1.5m，后1m为2m，后方5m后稳定。剪切屈服拉伸屈服掘进工作面前后围岩破坏区变化三、锚杆支护成套技术-支护理论破坏区发展及时支护与施加高预应力是关键。巷道开挖后立即支护，施加足够的预应力，并有效扩散到围岩，可抑制围岩扩容变形。当围岩产生一定变形后再进行锚杆支护，效果会受到明显影响。三、锚杆支护成套技术-支护理论巷道掘进工作面空间布置时间锚杆受力锚杆受力实测曲线井下锚杆受力实测曲线—5种类型31524曲线1对应预应力低，被动支护，受力小，支护不明显曲线5对应高