1、煤矿巷道现代化支护技术 康红普中国煤炭科工集团有限公司（煤炭科学研究总院）2020.8.4一、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、前言主井副井工作面巷道主井副井工作面井工煤矿开采示意图n 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；n 煤矿新掘巷道长度，规模巨大，世界第一。一、前言n 最大埋深： ；n 煤层强度： 岩石的；采动应力影响, 原岩应力;n 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
2、一、前言巷道开挖形成4种效应：n 巷道围岩产生位移与破坏；n 无支护开挖边界为主应力面，对原岩应力场扰动；n 开挖边界围岩水压、气压降低为大气压；n 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。巷道开挖引起的物理力学效应一、前言巷道支护目的n 控制围岩变形，保证断面满足要求；n 保持围岩稳定，避免垮落，保证安全。巷道支护原理n 开挖边界施加约束力，控制围岩变形；n 改善围岩力学性能，发挥自承能力；n 降低或转移围岩应力。1122 E，C，? 1P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
3、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n 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n 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n 注浆加固：水泥水玻璃；高分子材料，复合注浆材料。锚杆
4、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n 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n 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n 煤岩体地质力学参数：应力
5、（原岩应力与采动应力），煤岩体强度，结构。n 地质力学参数是巷道布置与支护设计的必要基础。n 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n 水压致裂法；n 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n 钻孔触探法；n 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
6、测试技术n 钻孔孔壁观察法；n KDBC-56型数字全景钻孔窥视仪，实现结构参数定量测量。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n 采用该测试技术，完成36个矿区测试。n 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n 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
7、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n 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n 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
8、埋深H侧压系数Hh vvh250-600m1.0-2.0vHh600m0.5-1.5n 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n 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n 矿井开拓部署与巷道布置；n 巷道支护设计；n 采煤方
9、法与采掘机械选择；n 采场岩层控制；n 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0306090二、巷道围岩地质力学测试技术n 巷道轴线与最大水平主应力平行，有利于顶底板稳定；n 巷道轴线与最大水平主应力垂直，顶底板稳定性最差；n 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n 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。n 有夹角应力分布扭转，不对称。到一定角度，应力扭转又减小。n 90时应力又出现对称分布，集中程度高。 0306090二、巷道围岩地质力学测试技术地应力场与巷道布置n 东区南
10、部与西部，西区南部近东西向，顺槽沿东西向布置。n 东区东北部，主应力与南北向呈小角度，顺槽沿南北向布置。n 西区北部，与南北夹角40-65，可据其它选顺槽方向。赵赵庄庄矿矿赵赵庄庄矿矿扩扩区区长长平平矿矿长长平平矿矿扩扩区区成成庄庄矿矿寺寺河河矿矿（西西区区）寺寺河河矿矿（东东区区）王王坡坡矿矿古古书书院院矿矿凤凤凰凰山矿矿王王台台铺铺矿矿寺寺河河二二号号井井南南阳阳矿矿竹竹林林山山矿矿二、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n 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；n 基于地
11、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、
12、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1 12 23 34 45 56 6三、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 (2diePbCParrrrffGPPufei)(21)1 ()(1re巷道围岩破碎
13、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。支护刚度与时间对支护效果的影响 n 悬吊作用（只考虑拉伸作用）n 锚固区内形成结构(梁、层、拱、壳)n 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n 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）。n 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n 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
14、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）n 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n 位移变化 超前工作面6m明显增加，过
15、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2.5 m出现剪切破坏，工作面位置3 m，工作面后1m为4 m，后方10 m稳定。 拉破坏区随工作面距离不同变化。前方0.5 m出现拉破坏，工作面位置1.5 m，后1m为2 m，后方5 m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n 破坏区发展n 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
16、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对应高预应力，锚固区位移差小，受力变化不大曲线2、3、4，施加一定预应力，但小于临界值，不能有效控制围岩早期离层n 锚杆支护围岩与支护特性曲线三、锚杆支护成套技术-支护理论 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n 锚杆支护围岩与支护特性曲线
17、 曲线2围岩较大位移后能趋于稳定 曲线4围岩较大位移，不能稳定无支护零强度线弹性支护压力边界位移12453锚杆支护响应曲线三、锚杆支护成套技术-支护理论 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，发挥围岩自承能力； 锚杆预应力及其有效扩散起决定性作用； 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，不利于锚杆预应力、工作阻力扩散时应注浆； 复杂困难巷道采用高预应力、高强度锚杆支护，实现一次支护； 锚杆不能有效控制围岩整体变形，进行金属支架等联合支护。n 高预应力一次支护原理三、锚杆支护成套技术-支护理论锚杆支护应力场 n
18、支护应力场：锚杆支护在围岩中产生的应力场单根锚杆支护应力场分布（实验室）0.660.590.530.460.390.330.260.190.130.06-0.01三、锚杆支护成套技术-支护理论原岩、采动与支护应力场“三场”相互作用n 提出描述锚杆支护应力场的定量参数锚杆支护应力场分布图 主动支护系数：0ask 预应力长度系数： 有效压应力区：ld 预应力扩散系数：ddlkl 临界支护刚度llkpl三、锚杆支护成套技术-支护理论 回采工作面周围采动应力影响范围、方向与大小; 采动应力场分布特征：垂直应力原岩应力；部分区域水平应力释放。采煤工作面与巷道周围采动应力实测结果-山东兖州 采动影响范围1
19、00m采煤工作面与巷道周围采动应力场分布 三、锚杆支护成套技术-支护理论n 采动应力场n 综合应力场：原岩应力场、采动应力场及支护应力场构成煤矿井下综合应力场。“三场”相互作用三、锚杆支护成套技术-支护理论n 以应力场为主线，将原岩体、采动体及支护体有机结合于一体。采动巷道围岩控制归结为“三场”相互作用与协调。三、锚杆支护成套技术-支护理论n 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三、锚杆支护成套技术-支护设计n 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
20、锚杆巷道围岩应力变形分析 确定支护方案三、锚杆支护成套技术-支护设计n 锚杆支护形式与参数确定原则 一次支护原则； 高预应力与预应力扩散原则； “三高一低”原则(高强度、高刚度、高安全度，低密度) 临界支护刚度原则； 相互匹配原则； 可操作性原则； 经济合理原则。三、锚杆支护成套技术-支护设计n 预应力预应力设计原则：控制围岩不出现明显离层与拉应力区。杆体屈服载荷30-60%（50-100kN，300-600N.m）锚杆直径、长度越大，强度越高，要求预应力越高。三、锚杆支护成套技术-支护设计牌号屈服强度/MPa预应力值/kN16mm18mm20mm22mm25mmQ235HRB335HRB40
21、0HRB500HRB60023533540050060024.133.740.250.360.330.542.650.963.676.337.752.662.878.594.245.663.776.095.0114.058.982.298.2122.7147.3 锚杆长度增加，有效压应力区范围扩大。 锚杆中上部压应力减小，两锚杆间中部围岩压应力减小。锚杆越长，预应力作用越不明显。 锚杆越长，预应力应越大。提高预应力，可减小锚杆长度。 长度1.8m长度2.4m三、锚杆支护成套技术-支护设计n 锚杆长度 单根锚杆形成锥形压力区，尾部大，锚固起始次之，中部小； 间距过大，锚杆压应力区独立，不能形成整
22、体支护结构； 间距缩小，锚杆锥形压应力区叠加，连成一体，整体支护结构； 提高预应力，可降低支护密度。三、锚杆支护成套技术-支护设计单根锚杆锚杆群n 锚杆密度n 锚杆角度 锚杆角度增加，角锚杆与中部锚杆有效压应力区分离，叠加区变小。15明显分离，独立支护单元。 近水平煤层，角锚杆最好垂直布置，最大不超过10。 01030三、锚杆支护成套技术-支护设计n 锚固方式 端锚有效压应力区大；加长锚固次之；全锚最小。 提高加长锚、全锚锚杆预应力扩散有效途径，先施加预应力，锚固剂后固化，实现全长预应力锚固。 端锚加长锚全锚三、锚杆支护成套技术-支护设计锚杆支护材料与构件n 锚杆杆体及附件n 锚固剂n 护表构
23、件(钢带、金属网)n 锚索顶板树脂锚固剂杆体金属网托板螺母减摩垫圈球形垫圈钢带三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件n 对锚杆支护材料与构件的要求 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 经济性高强度锚杆结构托板杆体螺母球形垫圈减摩垫圈三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件n 高强度锚杆高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆。 牌号直径/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%冲击吸收功/JB500B600B70020-2222-2522-2550060070067078085025221850-8040-5050-120 高
24、强度锚杆杆体高强度锚杆力学性能指标三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件n 树脂药卷树脂锚固剂 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n 钢带 W型钢带 M型钢带 钢梁三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件n 锚杆支护构件力学性能试验-杆体拉伸 锚杆拉伸载荷-位移曲线锚杆拉伸应力-应变曲线三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件锚杆拉断断面形态起裂与扩展区终断区初始裂纹及扩展区最终破裂区n锚杆支护构件力学性能试验-杆体拉伸 三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件锚杆螺纹拉伸试验 单屈服点，高屈服强度，高增加速度； 拉断载荷是杆体的
25、90%以上； 延伸率为杆体的70-90%。 n 锚杆支护构件力学性能试验-螺纹拉伸 三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件锚杆杆体弯曲试验n 锚杆支护构件力学性能试验-杆体弯曲 三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件锚杆螺纹弯曲试验螺纹齿间裂纹（a）30螺纹齿间裂纹（b）60螺纹齿间裂纹（c）90（d）135螺纹断裂n 锚杆支护构件力学性能试验-螺纹弯曲 三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件n 锚杆螺纹加工缺陷 锚杆螺纹加工粗糙，存在很多缺陷。牙底裂纹与腐蚀螺纹段外观 齿牙表面剥离三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件3点支撑托板变形与破坏形态 测力托板 托板剖面应变与载荷的关系 托板拱部应变与载荷
26、的关系 n 锚杆支护构件力学性能试验-托板压缩三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件锚杆托板压缩载荷-位移曲线 锚杆托板压缩过程n 锚杆支护构件力学性能试验-托板压缩三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件W钢带拉伸试验W235/300/3.0钢带试件载荷位移曲线n 锚杆支护构件力学性能试验-钢带拉伸三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件钢筋托梁横筋与纵筋接口处拉伸后变形状况16mm钢筋托梁载荷位移曲线n 锚杆支护构件力学性能试验-钢筋托梁拉伸三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件金属网试验装置钢筋网破坏状况菱形网破坏状况n 锚杆支护构件力学性能试验-金属网试验三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件 由于
27、巷道表面凹凸不平，施工原因，井下锚杆与巷道表面不垂直，锚杆不是处于理想的拉伸状态，而是处于受拉、弯、扭、剪切的复合应力状态。施加预应力前施加预应力后n 锚杆支护构件力学性能试验-复合应力试验三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件 锚杆试件，一端为螺纹，另一端焊接短螺纹钢。 加工倾角5、10、15、30的斜面铁块。 锚杆受力采用测力计，扭矩采用指针式扭矩扳手。 施加100-1000 N.m扭矩，测量锚杆受力。AAA-A123456781-test bed 2-bolt 3-plate 4-washer 5-iron block6-dynamometer7-sleeve8-torque spanne
28、r锚杆不同安装角度受力试验台n 锚杆支护构件力学性能试验-复合应力试验三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件5101530 角度小，锚杆与球形垫圈配合好，侧向力小，杆体弯曲不明显。 角度大，锚杆一侧被卡住，侧向力与弯矩大，锚杆弯曲、破断。 球垫内侧卡住螺纹是螺纹段受很大侧向力与断裂的主要原因。锚杆不同安装角度变形状况三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件 扭矩至700 N.m杆体屈服。继续增加扭矩，不但预应力增加幅度明显减小，且导致杆体径缩与过大的扭曲变形。 安装角度大于15，杆体最大拉应力达屈服点后，长期受载会造成螺纹弯曲并出现裂缝，根本达不到拉断载荷就破断。 锚杆螺纹颈缩与扭转扭转颈缩三、锚杆
29、支护成套技术-支护材料与构件扭矩600N.m，复合应力554.9MPa, 拉应力345.9MPa, 增加60%。锚杆拉弯扭受力状态下复合应力 扭矩/N.m预紧力 /kN拉应力/MPa弯矩/N.m弯曲应力/MPa扭矩/N.m剪应力/MPa10020030040050060070037.565.894.6121.4149.1164.7169.478.8138.2198.7255.0313.2345.9355.830.3112.873.822.8138.6265.2225.019.673.147.814.889.8171.8145.8/111175249300356432 /36.056.780.7
30、97.2115.3140.0三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件锚杆受拉伸、弯曲、扭转引起的复合应力。树脂锚固锚杆力学模型三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件l 复合应力：复合应力显著高于拉伸应力；锚杆尾端仅弯曲2就可导致屈服强度500MPa的高强度锚杆屈服。32217684)(32dMdTllPtiEdllllP42112)32(16l 尾部转角：三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件n 锚杆构件受力状态的数值模拟锚杆杆体应力分布-拉伸截面 A-A三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件n 锚杆构件受力状态的数值模拟锚杆杆体应力分布-弯曲截面 A-A三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件n 锚杆构件
31、受力状态的数值模拟锚杆杆体应力分布-扭转截面 A-A三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件n 锚杆构件受力状态的数值模拟锚杆杆体应力分布-拉伸、弯曲与扭转 杆体受力极不均匀，大部分锚杆在屈服状态下工作。 要求锚杆高强度，高延伸，高冲击韧性。 截面 A-A三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件n 树脂锚固剂力学性能 实验室试验指标一般中速锚固剂低粘度慢速锚固剂凝胶时间/s148226抗压强度/MPa8361锚固力/kN172146抗剪强度/MPa7.15.4弹性模量/MPa32694031树脂锚固剂物理力学性能指标三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件 温度升高或者降低都会对树脂锚杆锚固力产生影响。2
32、5时锚固力最大。随着温度升高，锚固力明显下降。 低温环境下，应适当延长锚固剂搅拌时间；高温环境下，降温措施，耐高温树脂锚固剂。n 树脂锚固剂力学性能 温度的影响树脂锚杆锚固力与模拟钻孔温度的关系 树脂锚杆拉拔试验试样-温度 三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件n 树脂锚固剂力学性能 水的影响树脂锚杆锚固力与模拟钻孔积水率的关系 树脂锚杆拉拔试验试样-水 树脂锚杆锚固力随钻孔积水率增加明显降低； 固化物呈现明显的水渍痕迹，拉拔过程中有水滴从破裂的固化物中滴出。三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件不同围岩强度锚固剂剪应力分布曲线 围岩强度对锚固剂剪应力分布及锚固性能有很大影响。 围岩强度越高，峰值
33、剪应力越高，峰值后剪应力衰减越快。 n 树脂锚固剂力学性能 围岩强度的影响三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件不同环形厚度锚固剂剪应力分布-80kN 环形厚度过小，锚固剂出现塑性滑移区。环形厚度过大，锚固剂对应力变化的敏感性逐渐下降，传力不充分。 锚固剂环形厚度34mm最优。 n 树脂锚固剂力学性能 环形厚度的影响三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件锚杆居中两侧锚固剂剪应力分布n 树脂锚固剂力学性能 居中度的影响 锚杆居中时，两侧锚固剂剪应力对称分布， 锚杆偏心导致两侧锚固剂剪应力明显不对称，一侧剪应力低于另一侧。 偏心距越大，应力差越大，围岩越易破坏，且锚杆产生附加弯矩作用，降低锚杆支护的稳
34、定性。锚杆不同偏心距左侧锚固剂剪应力分布 三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件螺纹与螺母连接件拉伸载荷位移曲线n 锚杆支护构件匹配性试验 螺纹与螺母5级强度螺母变形与破坏状况螺纹段螺母三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件不同齿高螺纹与螺母连接件拉伸载荷位移曲线 齿高0.6H易出现脱扣现象； 齿高0.875H紧密配合； 合理齿高取值为0.7H-0.8H。n 锚杆支护构件匹配性试验 螺纹与螺母三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件 将托板与球垫叠合放置于试验机进行压缩试验。 托板球窝与球垫变形对两者间转动十分重要； 球垫刚度不够，明显压痕，阻碍两者相对转动，使球垫失去调心作用； 球垫强度大于托板20
35、-30%。托板与球形垫圈变形状况托板球形垫圈n 锚杆支护构件匹配性试验 托板与球垫三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件支护构件匹配性试验台n 锚杆支护构件匹配性试验 杆体、螺母、托板及球垫三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件锚杆、托板与球垫角度与扭矩的关系（15岩面） 托板旋转角度13.9，锚杆弯曲角度8.4，球垫调心角度5.5。扭矩大于300Nm，球垫失去调心作用。 球垫可减小锚杆一定量的弯曲，但不能完全消除锚杆弯曲。n 锚杆支护构件匹配性试验 杆体、螺母、托板及球垫三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件n 锚杆支护构件形状与参数优化 杆体 托板 螺母 钢带 金属网杆体形状与尺寸优化MPa70
36、0622544467389311233156780优化优化原始参数优化最优参数三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件 提高了主动支护系数，降低了构件破坏率； 大幅提高了支护系统整体支护能力。n 提高锚杆支护构件力学性能的途径 改善锚杆杆体材质，提高钢材冲击韧性； 采用高精度螺纹加工设备与工艺，减少加工缺陷与损伤； 优化杆体、托板与球形垫圈尺寸； 改变锚杆预应力施加方法； 改善锚杆受力状况（施工，锚固方式）。n 效果三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件n 高强度锚索119结构锚索及断面公称直径/mm拉断载荷/kN伸长率/%18400720500722560728.69007 119结构，断面更加合
37、理； 拉断载荷显著提高，最大900kN; 延伸率提高1倍。高强度锚索力学性能指标三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件钢绞线拉伸破断形状钢绞线拉伸载荷-位移曲线n 高强度锚索 索体力学性能实验室试验三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件锚索托板压缩载荷-位移曲线锚索托板变形状况n 高强度锚索 托板力学性能实验室试验三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件 针对破碎围岩的锚注技术 钢绞线、锁具、带孔拱形托板，止浆塞等组成； 采用树脂药卷端部锚固，施加预应力； 注水泥或化学浆进行全长锚固；控制注浆参数，对破碎围岩进行注浆加固。n 注浆锚索注浆锚索结构锚具托板索体止浆塞注浆管AA剖面AA三、锚杆支护成套技术
38、-支护材料与构件为满足高预应力锚杆施工要求，开发了系列预应力设备。n 大扭矩预紧扳手 风动扳手：265-880Nm 液压扳手：340-1600Nmn 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三、锚杆支护成套技术-施工机具 开发出消除有害扭矩的锚杆预应力施加设备。n 锚杆液压张拉设备，锚杆不承受扭矩，预应力；n 锚杆抗扭转增矩扳手，消除了锚杆有害扭矩，预应力。锚杆液压张拉设备太阳轮活塞缸体扳手三、锚杆支护成套技术-施工机具锚杆抗扭转增矩扳手 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受力围岩位移采动应力表面位移顶
39、板离层深部位移锚杆受力锚索受力煤柱应力支承压力三、锚杆支护成套技术-监测仪器综合矿压监测系统三、锚杆支护成套技术-监测仪器 新汶是我国开采深度最大的矿区，平均采深超过1000m, 最深1501m。 地质构造复杂、地应力高、动力灾害频发。 巷道变形大，蠕变明显。全方位、不对称，底臌超过1m，占80%。华丰矿超千米深井巷道变形破坏状况三、锚杆支护成套技术-应用实例-新汶华丰矿n 我国煤矿采深最大矿区新汶矿区超千米深井地应力测量结果n 地应力序号煤矿测点位置H/m V/MPa H/MPa h/MPa 1华丰1100大巷122030.5042.1922.80N3.0 E21010大巷113028.25
40、33.1519.10N31.5 E31180回风大巷 127431.8529.3414.74N60.7 W4孙村1050西大巷128332.0831.9716.51N6.0 W51100轨道下山 127131.7839.1321.03N11.3 E6协庄1202东运输巷115028.7534.6017.89N12.5 E7850二采区下山 107126.7839.7720.60N39.7 E8潘西1100西大巷134233.5533.9417.49N57.3 E三、锚杆支护成套技术-应用实例-新汶华丰矿 试验点：华丰矿-1180东岩石大巷。埋深1274m； 穿过粉砂岩，直接顶中粒砂岩，层理发育
41、、破碎； 最大、最小水平主应力、垂直应力29.3MPa, 14.7MPa, 31.9MPa。 拱形断面，宽5.2m，高4.5m； 原支护巷道变形大，底鼓剧烈。n 试验点地质与生产条件华丰矿-1180岩石大巷岩层分布三、锚杆支护成套技术-应用实例-新汶华丰矿 围岩强度华丰矿-1180回风大巷围岩强度曲线l 顶板粉砂岩抗压强度20-40MPa(32MPa)；l 帮部围岩强度随深度增加呈增大趋势；l 围岩强度曲线波动较大；l 平均围岩强度与最大主应力比值为1.0，最小抗压强度比值为0.38。三、锚杆支护成套技术-应用实例-新汶华丰矿 围岩结构华丰矿-1180回风大巷顶板岩层结构NESW NNESWN
42、NESWNNESWN0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.91.92.02.12.22.32.42.52.62.72.82.93.03.13.23.33.43.53.63.73.83.83.94.04.14.24.34.44.54.64.74.84.95.05.15.25.35.45.55.65.75.75.85.96.06.16.26.36.46.56.66.76.86.97.07.17.27.37.47.57.6至钻孔口的距离/m方位方位方位方位l 0-0.9m非常破碎；1.2-1.4, 2.8-2.9, 3.
43、7-3.8, 4.6, 5-5.7 m破碎带或结构面，强度低谷；l 7.2-10m中砂岩、粉砂岩互层，完整性较好；l 钻孔窥视与围岩强度测试有良好对应性。三、锚杆支护成套技术-应用实例-新汶华丰矿n 数值模拟砂质泥岩粉砂岩中砂岩粉砂岩粉砂岩石灰岩中砂岩60 m85 m4.3 m4.3 m5.2 m5.2 m华丰矿1180回风大巷UDEC数值计算模型三、锚杆支护成套技术-应用实例-新汶华丰矿无支护U型钢支架加反底拱顶帮锚杆索喷支架反拱顶帮锚杆索顶帮锚杆索喷、底板锚索注浆 12个方案； 两个方案可有效控制巷道变形； 锚杆锚索注浆。三、锚杆支护成套技术-应用实例-新汶华丰矿 锚杆、注浆锚索联合支护；
44、 B600、22mm强力锚杆，长2.4m, 钢护板、钢筋网； 顶、帮锚索22mm、5.3m强力锚索，树脂端锚，水泥注浆； 底板全锚索，钻孔直径56mm，采用“下锚上注”n 巷道支护方案华丰矿-1180岩石大巷支护布置5501100900700300700240052004300喷层150mm40004000锚索锚杆锚索三、锚杆支护成套技术-应用实例-新汶华丰矿n 支护效果华丰矿岩石大巷位移曲线 顶底、两帮移近76mm、97mm，顶板下沉8mm，底鼓68mm； 表面位移60天后稳定； 全断面高预应力锚杆、注浆锚索有效控制了千米深井巷道围岩大变形与强烈底鼓。三、锚杆支护成套技术-应用实例-新汶华丰
45、矿n 支护效果断面支护帮锚索取消三、锚杆支护成套技术-应用实例-新汶华丰矿n 支护效果锚杆受力分布锚索受力分布 预紧力大的锚杆受力变化幅度较小，且受力稳定速度较快； 预紧力小的锚杆受力变化幅度大，受力增加的时间长。三、锚杆支护成套技术-应用实例-新汶华丰矿 义马矿区是典型的冲击地压矿区。 巷道变形大，支护构件破坏严重。 试验点：常村矿21220工作面，目前最深的工作面，采深815m。 金属支架断裂金属支架不对称大变形三、锚杆支护成套技术-应用实例-义马常村矿n 冲击地压灾害严重n 巷道地质条件 地应力：最大水平主应力25MPa, 垂直应力19MPa 围岩强度：煤层8-15MPa泥岩30-50M
46、Pa。 围岩结构：顶板5m范围比较破碎。 冲击倾向性：综合指数法评价冲击危险程度中等。常村矿巷道顶板强度曲线三、锚杆支护成套技术-应用实例-义马常村矿n 冲击能量事件的破坏作用 主采煤层上覆279m巨厚砾岩，聚集大量弹性能，易在扰动诱发下突然释放。 高地应力，受采动影响叠加形成更高应力，煤体强度低，受冲击载荷后破坏。 一个月超过105J能量事件20多起，人员弹起，巷道晃动，突然鼓包，变形急剧增大，锚杆锚索破断。围岩鼓包将锚杆埋没三、锚杆支护成套技术-应用实例-义马常村矿n 巷道支护破坏状况 三级支护：锚杆索+36U钢支架+液压抬棚或门式支架。 巷道仍变形强烈。两帮移近3m，底鼓1.5m，顶板下
47、沉1m。金属支架变形、断裂；锚杆锚索破断。 高应力, 频繁冲击能量事件，围岩性质差和支护不合理。门式支架与O型棚液压抬棚与36U型棚三、锚杆支护成套技术-应用实例-义马常村矿n 冲击地压巷道支护形式选择的原则 锚杆锚索支护优先原则; 及时、主动支护原则； 全断面支护原则； 锚-支相结合原则； 支-卸相结合原则； 相互匹配原则。高强度锚杆锚索与金属支架联合支护三、锚杆支护成套技术-应用实例-义马常村矿n 冲击地压巷道锚杆支护形式与参数设计 全长预应力锚固、高强度、高伸长率、高冲击韧性锚杆与锚索联合支护。 高预应力锚杆。预应力应达到杆体屈服力的30-50%； 全长预应力锚固； 预应力有效扩散的护表
48、构件； 高预应力短锚索。预应力索体屈服力50%，长度4-6m。 加强两帮与底板支护。三、锚杆支护成套技术-应用实例-义马常村矿n 冲击地压巷道支护方案 底宽6.9m，高4.25m； 锚杆直径22mm, 2.4m拉断载荷300kN，间排距0.9m; 锚索直径22mm，4-6m, 预应力260kN； 36U型支架，间距1.2m液压抬棚； 两帮钻孔和底板爆破。常村矿21220下巷支护布置三、锚杆支护成套技术-应用实例-义马常村矿n 冲击地压巷道支护效果 顶板最大下沉110mm，两帮最大移近550mm，最大底臌700mm。底臌量大，持续时间长； 巷道变形得到有效控制。单次最高能量事件不高于107J，未
49、出现突然坠包或鼓包及锚杆锚索破断。常村矿21220下巷支护状况常村矿21220下巷位移曲线三、锚杆支护成套技术-应用实例-义马常村矿顶锚杆受力变化曲线帮锚杆受力变化曲线 冲击地压巷道锚杆受力明显不同于其它巷道。锚杆受力呈锯齿状波动，波动幅度、频次与锚杆预应力及所处位置密切相关。 预应力小、两帮锚杆受冲击能量事件影响强，受力波动大，频次高；高预应力顶板锚杆受力波动小。三、锚杆支护成套技术-应用实例-义马常村矿顶锚索受力变化曲线帮锚索受力变化曲线 顶、帮锚索受力变化有明显差别。顶锚索受力波动幅度小； 帮锚索受力呈台阶状，变化幅度大且呈逐渐下降趋势，锚索失效(受卸压孔影响)。 合理布置卸压孔位置，既
50、能卸压，又不影响锚杆锚索支护效果。能量能量/10/105 5J J三、锚杆支护成套技术-应用实例-义马常村矿n 对于破碎围岩巷道，锚杆与锚索等支护方式无法有效解决巷道支护问题。注浆加固是有效途径。n 我国注浆技术的发展：上世纪50年代初步掌握注浆技术；60年代开始研究并应用化学注浆技术；70年代发展了帷幕灌浆法；21世纪初到现在为止，煤炭行业已大范围应用化学注浆加固破碎煤岩体。n 注浆作用：封堵围岩裂隙，隔绝空气，防止围岩风化；充填压密裂隙；提高结构面强度与刚度；提高破碎煤岩体锚杆锚固力与可靠性。四、破碎煤岩体注浆加固技术n 注浆加固材料 无机类注浆材料 粘土类 水泥类 水泥粘土类 水泥菱镁土
