1、2022-12-151淮南矿业（集团）有限责任公司淮南矿业（集团）有限责任公司2003年年8月月 30日日2022-12-152淮南矿业（集团）有限责任公司淮南矿业（集团）有限责任公司中国矿业大学中国矿业大学合肥煤炭研究所合肥煤炭研究所沈阳煤炭科学研究所沈阳煤炭科学研究所2002年年10月月2022-12-153l立项背景立项背景l主要技术成果主要技术成果l工业性试验和推广应用情况工业性试验和推广应用情况l对矿区发展的推动作用对矿区发展的推动作用2022-12-154落后的煤巷支护状况落后的煤巷支护状况|淮南矿区储量十分丰富，淮南矿区储量十分丰富，-1000m-1000m水平以上已查明储量水平
2、以上已查明储量153.25153.25亿吨；主采煤层赋存稳定，适宜综采综放机械化开采；亿吨；主采煤层赋存稳定，适宜综采综放机械化开采；以瓦斯综合治理成套技术为中心的安全保障技术和以机械化以瓦斯综合治理成套技术为中心的安全保障技术和以机械化采煤为中心的主导技术取得重大突破，采煤工作面已具备年采煤为中心的主导技术取得重大突破，采煤工作面已具备年产产200200万吨以上的综合生产能力，新井发展迅速。万吨以上的综合生产能力，新井发展迅速。|煤巷支护问题突显，成为实现矿井综合生产能力的瓶颈，煤巷支护问题突显，成为实现矿井综合生产能力的瓶颈，很多工作面产量主要受制于两巷维护。很多工作面产量主要受制于两巷维
3、护。1.立立项项背背景景 2022-12-155表表1.1 淮南矿区锚杆支护进尺统计淮南矿区锚杆支护进尺统计(2000年前年前)序号序号锚杆总进锚杆总进尺尺/m煤巷锚杆总煤巷锚杆总进尺进尺/m锚杆支护锚杆支护率率/%煤巷锚杆支煤巷锚杆支护率护率/%199319 117300710.91.82199430 142588716.42.04199537 993957421.14.06199645 64416 00726.612.02199742 49318 50026.214.51199835 69813 90027.514.81199942 65815 20026.514.712022-12-15
4、6l1980年以前，煤巷半煤岩巷尝试金属锚杆年以前，煤巷半煤岩巷尝试金属锚杆支护；支护；l19811992年，在年，在、类顶板顺槽中试验类顶板顺槽中试验和推广普通锚网支护；和推广普通锚网支护；l19932000年，跟踪全国煤巷螺纹钢树脂锚年，跟踪全国煤巷螺纹钢树脂锚杆成套支护技术进展，并在杆成套支护技术进展，并在、类巷道类巷道中攻关，但支护效果差，安全可靠性没有中攻关，但支护效果差，安全可靠性没有保障。保障。1996年在潘一矿年在潘一矿1672(3)综采工作面上风巷进行综采工作面上风巷进行螺纹钢高强树脂锚杆支护试验；螺纹钢高强树脂锚杆支护试验；1997年在潘三年在潘三1531(3)下顺槽进一步
5、开展螺纹钢下顺槽进一步开展螺纹钢高强树脂锚杆支护试验；高强树脂锚杆支护试验；2022-12-157l煤巷支护的基础条件恶劣煤巷支护的基础条件恶劣 1)岩性差，胶结程度低，强度小；岩性差，胶结程度低，强度小；2)煤层顶板结构极其复杂，层理发育；煤层顶板结构极其复杂，层理发育；3)煤体松软，结构复杂；煤体松软，结构复杂；4)区域构造应力强烈；区域构造应力强烈；5)采深大。采深大。l顶板离层倾向显著，围岩稳定性差顶板离层倾向显著，围岩稳定性差l安全可靠性要求更高安全可靠性要求更高 因此，必须围绕极易离层破碎型煤巷因此，必须围绕极易离层破碎型煤巷的稳定性控制技术开展研究，创新支的稳定性控制技术开展研究
6、，创新支护技术护技术2022-12-1582.主主要要技技术术成成果果 基本支护条件和围岩分类研究基本支护条件和围岩分类研究针对顶板离层破坏的预应力控制理论针对顶板离层破坏的预应力控制理论厚层复合顶板留小煤柱沿空掘巷的结厚层复合顶板留小煤柱沿空掘巷的结构稳定性分析构稳定性分析有效控制顶板离层的预拉力支护体系有效控制顶板离层的预拉力支护体系典型条件的工业性试验及推广应用典型条件的工业性试验及推广应用2022-12-159l通过围岩物理力学性能和地应力测试进一步量化煤巷条件l选取敏感指标开展分类，能够直观体现顶板的稳定性程度2022-12-15101）物理力学性质测试测试点：谢桥矿、潘三矿试样数：
7、15块测试单位：中国矿业大学岩层控制中心实验室承担1)岩性很差，煤系地层为第四系深厚冲积层覆盖，成岩较晚，煤系地层上覆岩体胶结压密不好，矿物成分X衍射定量分析测试结果表明，新区典型泥岩皆为粉砂质高岭石泥岩，抗拉强度仅有1.573.2MPa，易风化，遇水泥化并具有一定的膨胀性，膨胀率在5%左右，膨胀力达到0.380.51MPa；2)顶板结构复杂，赋含煤线、软弱夹层，取芯困难，岩石质量指标指数RQD仅为2530%；3)煤层结构复杂，层理紊乱，硬度0.730.82，并含有多层硬度小于0.5的软弱薄层，严重制约了煤层的稳定性，顶煤自稳时间很短。2022-12-1511l测量原理：空心包体类三维应力测量
8、原理和钻孔应力解除技术l 测量点：潘三矿650水平东翼1542(3)工作面运输巷与切眼交叉处 潘三矿650水平西翼1452(3)工作面运输巷 谢桥矿-650水平1151(3)运输巷代表了由强到弱的3个典型应力区域地应力测试结论地应力测试结论l1)采深大，自重应力强烈；采深大，自重应力强烈；l2)构造应力分布不均衡，构造应力分布不均衡，l3)围岩应力方向与大地坐标系及巷道方位都呈空间分围岩应力方向与大地坐标系及巷道方位都呈空间分布。布。2)地应力测量2022-12-15121452(3)测点地应力解除过程实测曲线 1452(3)运顺测点岩芯|实测所得最大主应力1 1为18.75MPa，与铅垂方向
9、成54夹角，和东西向夹38.41角，南北向夹角78.167。|从实测看该处应力水平较高，水平面上的最大应力maxmax与1452(3)运输顺槽斜交，对巷道形成水平剪力，且maxmax和minmin相差较大。2022-12-1513图2.71542(3)运输巷测点岩芯 图2.8 地应力解除过程实测曲线|最大主应力最大主应力1 1与铅垂方向成与铅垂方向成4646夹角，东西向夹夹角，东西向夹6565角，南北向夹角，南北向夹126126角。其值为角。其值为16.41MPa16.41MPa，2 2和和3 3相相差较大，剪应力比较突出。差较大，剪应力比较突出。|v v的估算值为的估算值为17MPa17MP
10、a左右，而计算所得的垂直方向的左右，而计算所得的垂直方向的应力分量为应力分量为11.89MPa11.89MPa，二者相差较大，说明该区域内，二者相差较大，说明该区域内存在构造应力。存在构造应力。2022-12-1514地应力解除过程实测曲线 1151(3)运顺测点岩芯实物 最大主应力最大主应力1 1 12.07MPa12.07MPa，与铅垂方向成，与铅垂方向成3636夹角，夹角，2 2和和3 3相差不大。采区地质构造简单，地应力以相差不大。采区地质构造简单，地应力以自重应力为主，剪应力较小。水平面上的最大主应自重应力为主，剪应力较小。水平面上的最大主应力与运输顺槽接近平行，有利于巷道围岩支护。
11、力与运输顺槽接近平行，有利于巷道围岩支护。2022-12-1515表2.11 主应力大小与方向测点编号测点位置距地表深度(m)主应力大小(MPa)主应力方向夹角度()P1/P2/P3V(垂直)W(东西)N(南北)1潘三1542(3)运输巷680.02916.40946.896 65.006126.54 9.486131.80 88.394 138.160.195107.34 25.052 72.497 2潘三1452(3)运输巷704.87618.7554.094 38.409 78.167 7.403113.99 59.754 139.660.733134.47 68.675 52.1253
12、谢桥1151(3)运输巷665.86812.07474.065 36.0358.654 10.60984.516 58.978 148.395.99216.90106.47 93.6822022-12-1516表表1.3巷道顶板稳定性类别的基本划分巷道顶板稳定性类别的基本划分类别类别特征描述特征描述参考型指标参考型指标完整型完整型岩层完整岩层完整层理不发育层理不发育层厚一般超过层厚一般超过1.0 m；无煤线赋存；无煤线赋存；完整的砂岩、砂质页岩或砂质泥岩；空顶完整的砂岩、砂质页岩或砂质泥岩；空顶自稳时间自稳时间2小时以上，循环进尺一般允许小时以上，循环进尺一般允许2.0m左右左右较完整型较完整
13、型层理不太发层理不太发育，但有诱育，但有诱发帽顶的裂发帽顶的裂隙，隙，一般没有煤线；裂隙较发育的砂岩或较完一般没有煤线；裂隙较发育的砂岩或较完整的砂质页岩或砂质泥岩；空顶自稳时间整的砂质页岩或砂质泥岩；空顶自稳时间1小时左右，循环进尺一般要求小时左右，循环进尺一般要求1.0m左右左右较破碎型较破碎型层理发育，层理发育，有煤线赋存，有煤线赋存，自稳时间短自稳时间短最大完整层厚一般不超过最大完整层厚一般不超过0.7m，裂隙较发，裂隙较发育的砂质页岩或砂质泥岩；空顶自稳时间育的砂质页岩或砂质泥岩；空顶自稳时间0.5小时左右，循环进尺一般要求小时左右，循环进尺一般要求1.0m以内以内破碎型破碎型松散破
14、碎，松散破碎，裂隙非常发裂隙非常发育，或煤层育，或煤层顶板顶板裂隙非常发育的砂质页岩或砂质泥岩，或裂隙非常发育的砂质页岩或砂质泥岩，或厚层煤体；伪顶厚，空顶自稳时间很短，厚层煤体；伪顶厚，空顶自稳时间很短，随掘随冒随掘随冒注：顶板特征描述主要针对45m范围内岩层。2022-12-1517表表1.5 巷道围岩构造应力强弱的划分巷道围岩构造应力强弱的划分类别类别参考指标参考指标a强构造应力区强构造应力区k5b弱构造应力区弱构造应力区2k5c非构造应力区非构造应力区k2K：实测水平应力与自重计算水平应力之比：实测水平应力与自重计算水平应力之比2022-12-1518表表1.6 淮南矿区煤巷围岩分类淮
15、南矿区煤巷围岩分类类别类别参考指标参考指标第一类第一类稳定型稳定型、类顶板，类顶板，b类或类或c类应力区类应力区第二类第二类破碎型破碎型、类顶板，类顶板，b类或类或c类应力区类应力区第三类第三类离层型离层型、类顶板，类顶板，a类应力区类应力区第四类第四类离层破碎型离层破碎型、类顶板，类顶板，a类应力区类应力区2022-12-1519l分析高强锚杆支护的技术问题l提出锚杆支护技术的方向l考虑水平应力和预拉力两因素提出层状顶板预应力结构理论2022-12-1520l安全问题：如何控制锚固区内外的离层l经济问题：如何发挥高强支护体系的效能l高强锚杆支护体系：两高两低 高强度、高粘结力、低初锚力（工作
16、阻力）、低可靠性l预拉力支护体系：四高一大 高强度、高粘结力、高预拉力（工作阻力）、高可靠性、大间排距2022-12-1521巷道掘进方向巷道掘进方向最最大大水水平平应应力力应力集中区应力集中区充分重视水平应力对巷道稳定性的影响2022-12-1522水平应力水平应力垂直应力水平应力水平应力垂直应力预拉力支护和高强锚杆支护的比较2022-12-1523l水平应力是造成顶板弱面剪切破坏进而发生离层的主要原因；当水平应力超过顶板岩石弱面强度时，将不可避免地破坏顶板（剪切破坏和拉破坏），诱导层状顶板离层。l预拉力是能否有效加固顶板弱面，进而控制离层的关键因素；当顶板支护预拉力达到一定水平时，可以消除
17、顶板中部产生的拉应力区，促使顶板形成压力自撑结构，即产生预应力结构效应。当顶板整体性好时，形成预应力板，可以采用大间排距支护；当顶板破碎时，形成预应力梁，应采用小间排距支护；2022-12-15242022-12-1525l在技术源头上为彻底解决顶板的垮冒提供可能性和方向l为离层型、离层破碎型顶板稳定性控制提供理论指导l重视以实现高预拉力为目的的支护结构研究l为施工安装机械设备的开发提出方向l支护设计和监测应以预拉力和顶板离层为中心开展。2022-12-1526l高性能（预拉力）锚杆支护l钢绞线预拉力桁架支护lM型钢带 和小孔径预拉力短锚索一起构成了预拉力支护体系2022-12-1527l杆体
18、性能优良l整体强度和几何尺寸匹配l钻机连续一体化安装l直观显现施工安装质量l易于实现预拉力2022-12-15282022-12-15292022-12-15302022-12-1531对比项目 普通锚杆 预拉力等强锚杆锚杆破断力 100 120锚杆可延伸量 10mm 大于200mm材料成本 100 83锚杆井下断裂 有 很少国际相关技术 有 无机械安装性能 无 有 安全标志 无 有 顶板受压区顶板受压区顶板受压区顶板受压区2022-12-15332022-12-15342022-12-15352022-12-1536沿空掘巷的大小结构稳定分析煤柱的稳定及变形控制技术2022-12-1537留
19、留小煤柱沿空掘巷围岩大小结构的稳定性分析小煤柱沿空掘巷围岩大小结构的稳定性分析大结构稳定l上区段回采时侧向采空上覆关键层断裂成弧三角板，形成关键块体；l该结构不受巷道掘进的影响，能够自稳；l本工作面回采超前阶段承载结构不会失效，为使用锚杆类支护提供了基础。小结构稳定l围岩变形的剧烈时期为一个关键块体的长度，即基本顶岩层的周期来压步距；l取决于对两帮煤体的有效加固，特别是对其形状的有效控制。l采用新型预拉力锚带网及钢绞线预拉力桁架等组合支护手段，可以保持围岩锚固结构的整体性能；2022-12-1538l煤柱稳定性的影响因素主要考虑煤层力学参数、煤柱宽度、锚杆支护强度等。煤柱宽度对应力分布影响较大
20、。随锚杆支护强度增大，煤柱浅部应力增大，软煤煤柱浅部应力增加幅度大于中硬煤。锚杆支护强度提高对软煤煤柱表面位移控制作用显著大于对中硬煤煤柱的控制作用。l变形控制技术合理确定煤柱尺寸高预拉力支护技术控制窄煤柱浅表变形高强支护系统提高承载力预留变形量，适应大结构下沉考虑大变形过程中的锚固力衰减或失效现象，二次加强锚固窄煤柱稳定性及变形控制窄煤柱稳定性及变形控制2022-12-1539工业性试验形成工业性试验形成3 3项成熟技术项成熟技术1.谢桥矿8槽煤巷新型预拉力锚杆支护工业性试验2.谢桥矿13槽综放煤巷预拉力锚杆桁架组合支护工业性试验 3.潘三矿13槽综采煤巷组合预拉力锚索(桁)架支护工业性试验
21、 4.潘三矿1211(3)沿空掘巷组合锚杆支护工业性试验 5.潘一煤矿11槽煤层皮带机运输下山锚杆支护工业性试验 2022-12-1540工程量/m煤巷锚杆支护率/%节约成本/万元谢桥矿15152661026.56潘三矿1429873688.48张集矿585040321.64潘一矿7108451115.92合计42408573152.6表1.7 试验研究期间煤巷锚杆支护推广应用汇总表2022-12-1541经国内外文献检索，可以得出：经国内外文献检索，可以得出：l本课题提出的利用水平应力强度和顶板结构本课题提出的利用水平应力强度和顶板结构两项指标开展煤巷围岩分类在所查的相关文两项指标开展煤巷围
22、岩分类在所查的相关文献中均未见报道；献中均未见报道；l以顶板是否离层为主要标准的煤巷锚杆支护以顶板是否离层为主要标准的煤巷锚杆支护设计方法和煤巷层状顶板的预应力结构理论设计方法和煤巷层状顶板的预应力结构理论的文献报道未见报道；的文献报道未见报道；l除本课题外未见与研究报告相同技术特征的除本课题外未见与研究报告相同技术特征的高性能锚杆的报道；高性能锚杆的报道；l国内外关于桁架系统结构特征及应用方法的国内外关于桁架系统结构特征及应用方法的描述与本课题研究报告的描述区别很大；描述与本课题研究报告的描述区别很大；l国内关于国内关于M型钢带均属于中国矿业大学研制，型钢带均属于中国矿业大学研制，属于本课题
23、成果；属于本课题成果；l国内外限于离层及离层破碎型顶板煤巷的锚国内外限于离层及离层破碎型顶板煤巷的锚杆支护技术的成功应用未见报道。杆支护技术的成功应用未见报道。2022-12-1542三三主主要要技技术术成成果果1 1个分类方法：个分类方法：利用水平应力强度和顶板结构的分类方法利用水平应力强度和顶板结构的分类方法1个支护理论：个支护理论：控制层状顶板离层的预应力结构理论控制层状顶板离层的预应力结构理论通过工业性试验形成通过工业性试验形成3 3种典型条件的支护技术：种典型条件的支护技术：类巷道的预拉力锚杆支护技术、类巷道的预拉力锚杆支护技术、类巷道的预拉类巷道的预拉力桁架组合支护技术、力桁架组合支护技术、类（类（类）巷道的锚索类）巷道的锚索（桁）架支护技术（桁）架支护技术三项实用支护手段：高性能预拉力锚杆、钢三项实用支护手段：高性能预拉力锚杆、钢绞线预拉力桁架系统、绞线预拉力桁架系统、M M型钢带型钢带2022-12-1543
