煤矿巷道支护理论与技术及应用康红普院士

煤矿巷道支护理论与技术康红普煤炭科学研究总院开采设计研究分院我国煤矿90%是井工开采井工开采示意图每年新掘巷道总长度1万余公里年新掘巷道长度相当于地球直径大巷井底车场矿井生产、安全通道承担行人、通风、运输任务巷道不畅通，井下开采工作都无法进行剧烈底臌冲击地压顶板垮落巷道大变形3.1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3.2生产特点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%)木支护砌碹支护型钢支护锚杆支护锚杆支护锚杆类型直径/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低强度锚杆高强度锚杆高预应力强力锚杆锚杆支护作用的认识过程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一次支护(简单条件)巷道二次支护后变形破坏图二次支护(复杂困难条件)：两次支护，先柔后刚，先让后抗深部高应力、强烈动压影响、松软破碎围岩巷道，二次支护后仍出现变形破坏，需三次、四次支护甚至多次支护二次支护图锚杆支护过程的认识不连续、不协调变形连续变形锚杆支护的本质作用与关键参数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，可抑制围岩不连续、不协调变形围岩变形形式：不连续、不协调变形；连续、整体变形。锚杆主要对前者起作用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主动支护系数：0ask预应力长度系数：llpkl有效压应力区预应力扩散系数：ddlkl临界支护刚度支护应力场示意图提出描述支护应力场的指标结构面分布及力学参数注浆的重要作用无结构面结构面宽度5mm结构面对群锚的影响支护应力场的主要影响因素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=综合应力场支护应力场采煤工作面周围应力分布原岩应力场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”相互作用综合应力场概念连续岩体非连续岩体设置在开挖表面的巷道支护围岩响应曲线金属支架支护P0锚杆包括插入煤岩体内部分(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，不能再用支架的围岩响应曲线。锚杆支护围岩响应曲线锚杆支护围岩受力图PP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对应高预应力，锚固区位移差小，受力变化不大曲线2、3、4，虽然施加一定预应力，但都小于临界值，不能有效控制围岩早期的离层曲线1支护作用不明显，与无支护相差不大曲线5，高预应力强力支护有效控制围岩位移曲线3锚杆破断前围岩位移较小，破断后围岩位移急剧增大锚杆支护围岩响应曲线12453曲线2围岩较大位移后能趋于稳定曲线4围岩较大位移，不能稳定锚杆支护响应曲线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123456锚杆控制锚固区不连续、不协调变形，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困难巷道采用高预应力、强力锚杆支护，实现一次支护有效控制围岩变形，尽量避免二次支护基于地质力学测试、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123456提出单孔、多参数、耦合地质力学原位快速测试方法单孔完成地应力、强度与结构及相互耦合关系测试开发出配套测试仪器(2项发明专利)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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地质力学测点分布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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/m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锚杆支护材料与构件的组成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锚杆支护构件锚杆杆体及附件锚固剂护表构件(钢带、金属网)锚索复杂困难巷道对支护材料的要求井下锚杆支护构件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经济性强力锚杆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/JB500B600B70018-2550060070067078085018-2560-160树脂药卷树脂锚固剂固化剂树脂胶泥固化快，及时施加预应力固化时间可调高粘结力、高变性模量0LL1LB0A-A放大1dBA0LABhtLW型钢带钢带W型钢带M型钢带钢梁强力锚索（发明专利）1×19结构锚索及断面公称直径/mm拉断载荷/kN伸长率()/%18408720510722607728.690071×19结构，断面更加合理拉断载荷显著提高，最大900kN延伸率提高1倍系列化学注浆材料实验室试块井下加固块体钻孔观测的加固效果聚氨酯加固与堵水材料聚氨酯—水玻璃复合材料脲醛树脂加固材料不饱和聚酯加固材料配套注浆工艺为满足高预应力锚杆施工要求，开发了系列预应力设备大扭矩预紧扳手风动扳手：265-880Nm液压扳手：340-1600Nm扭矩倍增器与单体锚杆钻机配套扭矩放大倍数6倍，最大扭矩800N.m为克服大扭矩下锚杆扭转屈服、损伤，发明了相关设备预应力锚杆抗扭转增矩扳手(发明专利)预应力锚杆液压张拉器(发明专利)设计出消除锚杆扭转应力的扳手结构解决锚杆扭转屈服、高预应力施加难题类似张拉锚索张拉锚杆获得稳定预紧力，150kN锚杆安装只受拉，受力状态最好锚杆抗扭转增矩扳手结构岩层W钢带锚杆托板螺母球垫减摩垫巷道支护实施于井下后，必须进行矿压监测，评价支护效果，修改设计，确保安全矿压监测内容支护体应力围岩位移采动应力表面位移顶板离层深部位移锚杆受力锚索受力煤柱应力支承压力综合矿压监测系统研究成果已推广应用于全国各大煤矿区解决了5类复杂困难巷道支护难题1000mσvσvσHσH深部高地应力巷道沿空巷道极软岩巷道破碎围岩巷道强烈动压影响巷道应用实例1新汶超千米深井巷道巷道埋深最大水平主应力1150m34.6MPa应用实例2淮南深井软岩沿空留巷巷道埋深煤层强度700m12MPa顶板37MPa应用实例3平庄极软岩巷道煤层强度9MPa顶板抗压强度5-15MPa应用实例4潞安强烈动压影响巷道与邻近采煤工作面对掘，掘进、二次动压影响为煤矿提供了首选的、安全高效的巷道支护技术，显著提升了围岩控制理论与技术水平煤矿巷道锚杆支护率1990年15%，2013年75%，有些矿区90-100%为煤矿高效、安全生产，煤炭产量大幅提高提供了有力保障进一步加强井下巷道地质力学环境测试与分析进一步研究井下应力场分布规律，地质力学参数间的关系；原岩、采动与支护应力场的关系更深入研究困难巷道变形、破坏机理及支护理论极软岩、极破碎围岩、强烈底鼓、极深、冲击地压巷道等支护问题还没有解决…，需继续不断的研究与试验谢谢！