煤矿巷道围岩支护理论及技术研究进展杨圣奇教授

杨圣奇教授/博导中国矿业大学四月十二日深部岩土力学与地下工程国家重点实验室StateKeyLaboratoryforGeomechanics&DeepUndergroundEngineering煤矿巷道围岩支护理论及技术研究进展杨圣奇，1978年12月出生。起止年月学习工作单位任职2019.9~2000.6河南理工大学(矿井建设专业)本科2000.9~2019.6河南理工大学(工程力学专业)硕士2019.3~2019.4河海大学(岩土工程专业)博士2019.4~2019.10河海大学博士后2019.9~2019.9法国巴黎综合理工大学(EcolePolytechniquedeParis)访问学者2019.12~2019.12中国矿业大学岩土工程学科副教授2019.1~至今中国矿业大学岩土工程学科教授(破格)2019.9~至今中国矿业大学岩土工程学科博导汇报提纲一、深部开采研究现状二、巷道围岩变形破坏原因分析三、巷道围岩支护理论与技术进展四、典型工程实例国家能源结构至2020年仍以煤炭为主68%55%国家煤炭缺口2020年：13亿吨9.913.919.320.820251629051015202530123456200020192019201920192020年现有与在建矿供应能力未来国家煤炭需求亿吨两种必然选择既有矿山延深新的矿山建设一种必然结果开发深部一、深部开采研究现状一、深部开采研究现状国外：前苏联：600m原西德：800～1200m英国与波兰：750m日本：600m国内：(无明确标准)浅矿井中深矿井深矿井特深矿井采深400m400-800m800-1200m1200m深部开采的划分标准一、深部开采研究现状目前国有重点煤矿中采深大于800m的矿井有多处，以每年25m的速度递增。国内：沈阳采屯矿1197m；浙江长广集团1000m；新汶孙村矿1055m；北票冠山矿1059m；徐州张小楼矿1100m；开滦赵各庄矿1159m；北京门头沟1008m。德国2019年平均采深1300m，最大采深1500m；超过1000m的国家：俄罗斯英国波兰日本比利时等。国外：一、深部开采研究现状深部开采的工程特点：地应力高(自重应力约20MPa)－－强度增加，脆延性转化特征温度高(矿山一般30-400C,个别达520C,最高达700C)渗透压(约7MPa)强动压较强的时间效应(强流变)一、深部开采研究现状煤矿地下工程所面临的地质环境趋于复杂化，高应力、高瓦斯等引起的工程灾害和事故愈来愈多，如矿井冲击地压、巷道围岩大变形流变、地温升高、瓦斯爆炸等，对深部煤炭资源安全高效开采提出了严峻的挑战。巷道围岩变形量增大采场矿压显现剧烈巷道中岩爆、冲击地压瓦斯涌出量增大地温升高、作业环境恶化突水事故趋于严重井筒破裂加剧煤自燃发火、矿井火灾加剧汇报提纲一、深部开采研究现状二、巷道围岩变形破坏原因分析三、巷道围岩支护理论与技术进展四、典型工程实例二、巷道围岩变形破坏原因分析煤矿巷道每年掘进10000km，深巷占30%资料统计：随着埋深增加，支护压力增大到0.8~2.0MPa，尽管支护强度增1倍，费用增加1.4倍以上二、巷道围岩变形破坏原因分析（1）钢架支护钢架支护大变形底臌（龙口柳海）锚网支护全断面大变形（甘肃新安）二、巷道围岩变形破坏原因分析钢架支护围岩大变形流变二、巷道围岩变形破坏原因分析锚网支护岩爆破坏(南非某矿)钢架支护岩爆破坏岩爆过程（秘鲁，据Hudson）钢架支护岩爆破坏二、巷道围岩变形破坏原因分析料石碹支护顶板塌方（2）料石碹支护二、巷道围岩变形破坏原因分析料石碹支护严重底臌二、巷道围岩变形破坏原因分析锚网支护，大变形尖顶(焦作)顶板下沉两帮内挤底臌（3）锚网支护二、巷道围岩变形破坏原因分析单一锚网支护，底不处理，不重视水(甘肃华亭煤矿)二、巷道围岩变形破坏原因分析顶板下沉，冒顶；两帮收敛位移，片帮；底臌。煤矿巷道变形破坏现象：二、巷道围岩变形破坏原因分析岩性差：煤层、泥岩（强度低、易破碎、残余强度低）地应力大：埋深大、褶曲构造、采动影响（集中系数达2.5以上）支护强度低、刚度小支护结构不合理煤矿巷道变形破坏原因：二、巷道围岩变形破坏原因分析（1）岩石强度（煤、砂质泥岩、泥化）不少围岩天然抗压强度小于10MPa泥岩在水作用下几乎没有强度（2）结构面强度弱面，层理、节理面强度，受地质构造作用影响因素：施工因素，爆破影响；水；节理面粗造度；块体大小等1、岩性差二、巷道围岩变形破坏原因分析泥岩顶板塑性流动泥岩底板严重底鼓严重变形煤巷水的影响二、巷道围岩变形破坏原因分析Step60-20.98σcσcStep63-4Step64-310.92σc0.62σcStep60-2Step61-11Step64-31Step66-35Step66-35围岩强度衰减二、巷道围岩变形破坏原因分析（1）埋深大（千米深井逐年增加）（2）构造应力（断层多）（3）采动应力（普遍存在）2、地应力高、应力复杂二、巷道围岩变形破坏原因分析其中1000m以下的煤炭储量2.95万亿吨，约占总储量的53%储量亿t02000400060008000100001200014000600m1000-1500m德国鲁尔矿区在1100m下开采，巷道宽6m，煤层厚1.9m。底板在24小时内臌起0.8m，煤层移出0.5m。甘肃平凉（850~900m），几乎没有1米好巷道。二、巷道围岩变形破坏原因分析采动前巷道情况采动后巷道情况二、巷道围岩变形破坏原因分析•支护强度、刚度-支护形式滞后性、不密贴及支护阻力小，不可能改变围岩破坏状态。•足够的支护强度和刚度才可以使松动圈内岩石相互啮合，并呆在原位不垮落，以免其垮落而导致松动圈的再次扩大，巷道围岩失稳破坏。3、支护强度低、刚度小二、巷道围岩变形破坏原因分析支架扭曲变形支护强度普遍低于0.25MPa锚杆失效锚杆、索强度低巷道自稳时间短支护整体性差支护整体性差锚索失效动压影响二、巷道围岩变形破坏原因分析4、支护结构不合理松动圈范围增大，碎胀变形力大，单一支护形式无法满足稳定要求中浅部巷道深部巷道深部分区破裂汇报提纲一、深部开采研究现状二、巷道围岩变形破坏原因分析三、巷道围岩支护理论与技术进展四、典型工程实例三、巷道围岩支护理论与技术进展支护作用：阻止围岩变形，维护围岩稳定支护技术：锚(杆、索)、喷射砼、网(强力金属网)、带(W型钢带)、工字钢、U型钢拱形支架、网壳、格栅、注浆、料石、混凝土碹等三、巷道围岩支护理论与技术进展支护外部支护内承支护刚性柔性外部支护：在围岩外部依靠支护结构的承载能力来承受围岩压力。如围岩开挖时运用的钢拱(刚性)或混凝土衬砌(柔性)。围岩仅是形成支护结构上荷载的来源。内承支护：是通过锚杆(索)、注浆等措施加固围岩，特点：充分发挥和增强围岩的自承能力，以支护结构和围岩共同形成的支护结构体系使围岩处于稳定状态。围岩既是荷载也是支护结构体系的组成部分三、巷道围岩支护理论与技术进展锚杆支护技术具有用料节省、巷道断面利用率高、支护及时、劳动强度小、经济效益高以及对巷道围岩变形的适应性好等诸多优点，是巷道支护的一次重大革命，因而在煤矿开采支护中得到了普遍应用，并成为煤矿实现安全、高效生产必不可少的关键技术之一。三、巷道围岩支护理论与技术进展澳大利亚、美国等国：煤层地质条件比较简单，埋藏浅，护巷煤柱宽度大，而且大力推广应用锚杆支护，他们的锚杆支护技术比较先进，锚杆支护所占比重几乎达到100%。欧洲一些主要产煤国家：过去一直主要采用金属支架支护巷道，但随着巷道支护难度加大和支护成本增高，将巷道支护方式转向了锚杆支护，积极开展了锚杆支护技术的研究、试验和推广应用。德国：U型钢支护最早，技术成熟、先进，使用量大，在永久巷道与回采巷道中大多采用U型钢可缩性支架，但从上世纪80年代以来，随着开采深度和开采强度的增加，重型采掘设备的采用，要求巷道断面越来越大，导致巷道围岩变形加剧，支护困难，为了解决巷道支护难题，不得不增加型钢重量、减小支护棚距，致使巷道支护费用增高，而且带来施工、运输等一系列问题。三、巷道围岩支护理论与技术进展锚杆支护理论一直是煤矿开采与安全领域中重要的研究课题，得到了广泛的研究。至今为止，已提出很多种锚杆支护理论，如悬吊理论、组固拱理论、组合梁理论等。三、巷道围岩支护理论与技术进展1、悬吊理论机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在稳定岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。缺点：没有考虑围岩自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开。适用条件：锚杆可以锚固到顶板坚硬稳定岩层三、巷道围岩支护理论与技术进展机理：将锚固范围内的岩层挤紧，增加岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其自撑能力。将几层薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。在上覆岩层载荷的作用下，这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。缺点：将锚杆作用与围岩的自稳作用分开；在顶板较破碎、连续性受到破坏时，难以形成组合梁。适用条件：•层状地层•顶板在相当距离内不存在稳定岩层，悬吊作用处于次要地位。2、组合梁理论三、巷道围岩支护理论与技术进展机理：在破碎区安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要铺杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。3、组合拱理论缺点：一般不能作为准确的定量设计。适用条件：顶板无稳定岩层三、巷道围岩支护理论与技术进展机理：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性。在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动。4、最大水平应力理论三、巷道围岩支护理论与技术进展前面这些支护理论在煤矿生产实践中起到了积极作用，但是这些理论都有其适用条件，都存在着一定局限性：大部分基于当时的理论水平，采用古典结构力学的方法，虽然具有针对性强的特点，然而揭示锚杆的支护实质内容不够。三、巷道围岩支护理论与技术进展5、松动圈支护理论开巷后变化：（1）巷道周边应力集中；（2）强度降低（围岩应力超过强度则岩石破坏，等于为极限平衡，小于则稳定）；结果：出现围岩松动圈。煤矿巷道普遍存在松动圈！松动圈越大支护越难！三、巷道围岩支护理论与技术进展工程类比法理论计算法信息反馈法松动圈支护设计法巷道围岩支护设计方法：三、巷道围岩支护理论与技术进展•1)直接类比法一般以巷道围岩强度、围岩完整性、巷道埋深、断面尺寸等因素与已建工程类比，由此确定支护类型和参数；•2)间接类比法•依据技术规范，按巷道围岩分类及其它有关参数确定。它是目前常用的方法。1、工程类比法：围岩分类岩层描述巷道开掘后围岩的稳定状态(3～5m跨度)岩种举例类别名称Ⅰ稳定岩层1.完整坚硬岩层，Rb60MPa，不易风化2.层状岩层层间胶结好，无软弱夹层围岩稳定，长期不支护无碎块掉落现象完整的玄武岩、石英质砂岩、奥陶纪灰岩、茅口灰岩、大冶厚层灰岩Ⅱ稳定性较好岩层1.完整，比较坚硬岩层，Rb=40～60MPa2.层状岩层，胶结较好3.坚硬块状岩层，裂隙面闭合，无泥质充填物，Rb60MPa围岩基本稳定，较长时间不支护会出现小块掉落胶结好的砂岩、砾岩、大冶薄层灰岩Ⅲ中等稳定岩层1.完整的中硬岩层，Rb=20～60MPa2.层状岩层，以坚硬层为主，夹有少数软岩层3.比较坚硬的块状岩层，Rb=40～60MPa围岩能维持一个月以上稳定，有时产生局部岩块掉落页岩、砂质页岩；粉砂岩，石灰岩；硬质凝灰岩Ⅳ稳定性较差岩层1.较软的完整岩层，Rb20MPa2.中硬的层状岩层3.中硬的块状岩层，Rb=20～60MPa围岩的稳