煤矿巷道锚杆支护成套技术及应用

煤矿巷道锚杆支护成套技术及应用朱永辉、申中云生产基建部7.10提纲一、前言二、锚杆支护理论的发展三、锚杆支护成套技术四、应用实例分析五、存在的问题六、展望一、前言掘进与回采是煤矿开采的两个关键环节。安全、有效、快速巷道支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件。我国国有大中型煤矿年新掘进巷道总长度10000余km，80%煤巷。如此巨大规模的地下工程在其他行业是不多见的。巷道支护成本、速度、可靠性直接影响煤炭企业的经济效益与安全生产。一、前言掘进为采煤服务，巷道掘进与支护技术必须满足高产高效回采工作面的要求。我国以综采放顶煤、一次采全高为代表的采煤技术得到迅速发展，不断刷新高产高效的全国记录。如此高的工作面产量与推进速度对巷道掘进与支护提出前所未有的严格要求。成巷速度必须大幅度提高，满足工作面快速推进。回采巷道确保正常使用，在工作面推进过程中基本不需要维修，支护效果满足运输、通风要求。巷道是矿井的生命线，犹如人体的血管，承担行人、通风、运输等任务，巷道不通，则采煤无法进行。但是随着我国煤炭需求量增大，开采深度不断增加，高强度开采、深部开采、多工作面采动影响等因素导致巷道支护越来越困难，冒顶垮落时有发生，严重影响煤矿安全一、前言一、前言一、前言巷道支护状况锚杆支护技术得到普遍认可；高强度锚杆支护技术得到推广应用；小孔径锚索支护加固技术大面积应用；破碎煤岩体注浆加固；一些矿区达到90%，很多矿区达到60%；实现高产高效必不可少的关键技术。锚杆支护理论的发展过程传统的被动支护（悬吊）到主动支护只重视强度发展到既重视强度又重视刚度复杂困难巷道二次支护、联合支护理论（只提高支护刚度难以有效控制围岩变形，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护）发展到强力一次支护。二、锚杆支护理论的发展1、锚杆支护理论锚杆支护理论的类型被动地悬吊破坏或潜在破坏范围的煤岩体；在锚固区内形成某种结构(梁、层、拱、壳等)；改善锚固区围岩力学性能与应力状态，控制围岩变形与破坏。锚杆支护本质作用以第3种模式为主。巷道开挖后立即支护，并施加足够高的安装力，即锚杆、锚索预应力，提高锚固体的刚度非常重要。二、锚杆支护理论的发展提高支护刚度途径三方面：一及时支护；二锚杆施加高预应力，并实现有效扩散；三加长或全长锚固，使杆体对围岩离层、错动敏感。锚杆预应力及其扩散起关键性作用。大幅提高支护刚度与强度，特别是预应力，可有效抑制围岩结构面离层和弯曲变形，实现一次支护。二、锚杆支护理论的发展三、采动应力场分布特征二、锚杆支护理论的发展2、支护应力场与综合应力场支护应力场：支护在围岩中产生的应力场与在支护体内部产生的应力场。综合应力场：原岩应力场、采动应力场及支护应力场原岩应力场：在漫长地质历史时期中逐渐形成，在未经人为扰动的天然状态下，地壳岩体中具有的内应力。采动应力场：井下开挖巷道、硐室及开采煤层等采掘活动引起的煤岩体中应力重新分布，出现的次生应力场。采动应力场在空间上分布有一定的范围，而且随着采矿活动的进行与时间的推移不断变化。三、采动应力场分布特征二、锚杆支护理论的发展支护应力场：出现在与支护体接触的围岩周围，及支护体内部。空间上分布范围较小，而且随着采掘活动的进行与时间的推移发生变化。三种应力场构成煤矿井下综合应力场。从时间上，先有原岩应力场，然后才有采动应力场与支护应力场，而且是随时间变化的；从空间上，原岩应力场普遍存在于地壳中，采动应力场分布在采掘活动影响的一定范围内，而支护应力场则分布在更小的范围。三、采动应力场分布特征0°30°60°90°采动应力场-巷道围岩应力分布不同夹角围岩最大主应力（两帮水平切面）垂直应力水平应力二、锚杆支护理论的发展0°30°60°90°掘进工作面最大主应力分布二、锚杆支护理论的发展采动应力场-巷道围岩应力分布工作面位置工作面后1m工作面后4m工作面前1m距掘进工作面不同位置应力分布垂直应力水平应力二、锚杆支护理论的发展采动应力场-巷道围岩应力分布垂直应力水平应力垂直应力在工作面前方先出现应力降低区，后出现升高区，集中应力3.5倍；在左前方煤柱出现较高集中应力；后方左侧煤柱，上工作面回采，应力叠加，5.1倍。水平应力布趋势与垂直应力类似。二、锚杆支护理论的发展采动应力场-采场围岩应力分布各种支护均可在围岩中引起应力场。锚杆、支架、喷层、砌碹，液压支架、单体支柱等支护，都可产生各自特点的支护应力场。支护应力场分主动与被动支护应力场。锚杆锚索预应力产生的应力场，液压支架与单体支柱初撑力产生的应力场属主动支护应力场；支架、砌碹及无预应力锚杆等支护形式是被动支护应力场。二、锚杆支护理论的发展支护应力场-50002000-50000-50000-50000-20000-30000-10000-5000-10000-5000-10000-100000-5000-5000-5000-500002000200002000200000000000YXZFrame00128Nov2006FLAC3DtoTecplot10XYZSZZ(Pa)500020000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000Frame00128Nov2006FLAC3DtoTecplot10预紧力20kN-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FLAC3DtoTecplot10XYZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-40000-45000-50000-70000-80000-200000Frame00128Nov2006FLAC3DtoTecplot10预紧力100kN二、锚杆支护理论的发展锚杆支护应力场不同锚杆间距的应力分布二、锚杆支护理论的发展无钢带有钢带YXZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-90000-100000-120000-140000-160000-180000-200000-220000-240000-260000-280000Frame00116Dec2006FLAC3DtoTecplot10XYZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-90000-100000-120000-140000-160000-180000-200000Frame00116Dec2006FLAC3DtoTecplot10YXZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-90000-100000-120000-140000-160000-180000-200000-220000-240000-260000-280000Frame00116Dec2006FLAC3DtoTecplot10XYZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-90000-100000-120000-140000-160000-180000-200000Frame00116Dec2006FLAC3DtoTecplot10二、锚杆支护理论的发展锚索周围应力分布000000500001000020000-5000-5000-500010000500000100002000020000100002000010000-10000-1000020000-30000-40000-40000-20000-30000-40000-40000-40000-20000-30000-5000-30000-5000-5000-5000-5000-5000-5000-5000-5000-40000-40000-50000-10000-30000-2000000-50000-30000-5000-200000-2000000-20000-100000-200000-100000-20000-2000000YXZFrame00128Nov2006FLAC3DtoTecplot10XYZSZZ(Pa)50000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-80000-100000-200000-300000-400000-500000Frame00128Nov2006FLAC3DtoTecplot10二、锚杆支护理论的发展-5000-5000-20000-5000-5000-40000-3000010000-50000-100005000-50005000-30000-60000-20000-25000-80000-80000-50000-60000-25000-100000-80000-50000-1000000-60000-10000-80000-2000-40000-50000-40000-100000-40000-10000-50000-80000-50000-40000-30000-5000-60000-60000-60000-25000-50000-5000-10000-25000-20000-5000-30000-30000-10000-25000-25000-25000-10000-25000-30000-25000-10000-5000-10000-25000-30000-25000-10000-20000-10000-10000-5000-2000-5000-5000-5000-2000-2000050000-5000-20005000100005000100005000-200050000000YXZFrame00128Nov2006FLAC3DtoTecplot10XYZSZZ(Pa)0-2000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-80000-100000-200000-300000-400000-500000-600000-700000-800000Frame00128Nov2006FLAC3DtoTecplot10锚杆与锚索周围应力分布二、锚杆支护理论的发展单体支柱应力场分布(初撑力150kN)二、锚杆支护理论的发展支柱与支架应力场U型钢金属支架应力场分布二、锚杆支护理论的发展支柱与支架应力场各种支护形式对围岩产生支护作用的同时，在支护体内部会产生应力场。不同支护形式应力场分布各有特点。锚杆支护构件在各自内部产生应力场。锚杆杆体在巷道围岩中受拉、弯、剪与扭曲等作用。对于拉伸，BHRB500高强度锚杆杆体，弹性范围可产生高达500MPa的拉应力。二、锚杆支护理论的发展支护体内应力场锚杆预紧力100kN，100×100mm平托板压应力分布。托板中心压力最大（