1、煤矿巷道支护理论与技术煤矿巷道支护理论与技术 康红普康红普煤炭科学研究总院开采设计研究分院煤炭科学研究总院开采设计研究分院n 我国煤矿我国煤矿90%90%是井工开采是井工开采 井工开采示意图井工开采示意图n 每年新掘巷道总长度每年新掘巷道总长度1 1万余公里万余公里年新掘巷道长度相当年新掘巷道长度相当于地球直径于地球直径大大 巷巷井底车场井底车场n 矿井生产、安矿井生产、安全通道全通道n 承担行人、通承担行人、通风、运输任务风、运输任务n 巷道不畅通，井下开采巷道不畅通，井下开采工作都无法进行工作都无法进行剧烈底臌剧烈底臌冲击地压冲击地压顶板垮落顶板垮落巷道大变形巷道大变形3.1 3.1 煤矿
2、沉积岩层地质特点煤矿沉积岩层地质特点 顶板岩石钻孔观测图顶板岩石钻孔观测图n 结构面发育，结构面发育，破碎破碎n 强度低强度低(煤煤5-20MPa5-20MPa，岩，岩石石10-60MPa)10-60MPa)n 开采深度大开采深度大(最大最大1500m1500m)，地应力，地应力高，构造应力复杂高，构造应力复杂n 地质构造复杂地质构造复杂淮南煤田地质构造分布图淮南煤田地质构造分布图回采工作面周围应力分布回采工作面周围应力分布矩形巷道围岩受力状况矩形巷道围岩受力状况n 矩形巷道断面矩形巷道断面n 回采巷道服务时间短回采巷道服务时间短n 采动影响强烈（采动影响强烈（2-52-5倍原岩应倍原岩应力）
3、，范围大力），范围大n 煤柱宽度小甚至无煤柱煤柱宽度小甚至无煤柱3.2 3.2 生产特点生产特点 高地应力巷道变形严重高地应力巷道变形严重回采巷道受力与变形状态回采巷道受力与变形状态n 支护速度与成本要求苛刻支护速度与成本要求苛刻n 巷道支护状态特殊：服务时间巷道支护状态特殊：服务时间短，允许有一定变形，但必须短，允许有一定变形，但必须稳定；采后能及时垮落稳定；采后能及时垮落n 松软、破碎、高应力等复杂困松软、破碎、高应力等复杂困难巷道比重大难巷道比重大(60%)(60%)木支护木支护砌碹支护砌碹支护型钢支护型钢支护锚杆支护锚杆支护锚杆支护锚杆支护锚杆类型锚杆类型直径直径/mm/mm拉断载荷拉
4、断载荷/kNkN预应力预应力/kNkN锚固方式锚固方式低强度低强度14-2014-2050-12050-1200-100-10端部锚固端部锚固高强度高强度18-2218-22120-200120-20010-2010-20端锚、加长锚固端锚、加长锚固高预应力高预应力高强度高强度20-2520-25200-400200-40060-12060-120加长、全长预应力锚固加长、全长预应力锚固早期适用于简早期适用于简单条件单条件(5%)(5%)不能满足困难不能满足困难巷道支护巷道支护解决复杂巷道支解决复杂巷道支护难题护难题低强度锚杆低强度锚杆高强度锚杆高强度锚杆高预应力强力锚杆高预应力强力锚杆锚杆支
5、护作用的认识过程锚杆支护作用的认识过程n 悬吊作用（只考虑拉伸作用）悬吊作用（只考虑拉伸作用）n 锚固区内形成结构锚固区内形成结构(梁、层、拱、壳梁、层、拱、壳)n 改善锚固围岩力学性能与应力状态改善锚固围岩力学性能与应力状态悬吊悬吊组合梁组合梁加固拱加固拱锚固前后应力应变曲线锚固前后应力应变曲线n 一次支护一次支护(简简单条件单条件)巷道二次支护后变形破坏图巷道二次支护后变形破坏图n 二次支护二次支护(复杂困难条复杂困难条件件)：两次支护，先柔：两次支护，先柔后刚，先让后抗后刚，先让后抗n 深部高应力、强烈动压影深部高应力、强烈动压影响、松软破碎围岩巷道，响、松软破碎围岩巷道，二次支护后仍出
6、现变形破二次支护后仍出现变形破坏，需三次、四次支护甚坏，需三次、四次支护甚至多次支护至多次支护二次支护图二次支护图锚杆支护过程的认识锚杆支护过程的认识不连续、不协调变形不连续、不协调变形连续变形连续变形锚杆支护的本质作用与关键参数锚杆支护的本质作用与关键参数n 锚杆锚杆预应力及扩散预应力及扩散起关键作用：起关键作用：大幅提高预应力，并实现有效大幅提高预应力，并实现有效扩散，可抑制围岩不连续、不扩散，可抑制围岩不连续、不协调变形协调变形n 围岩变形形式：围岩变形形式：不连续、不连续、不协调变形；连续、整不协调变形；连续、整体变形体变形。锚杆主要对前。锚杆主要对前者起作用者起作用 U U型钢金属支
7、架应力场型钢金属支架应力场掘进工作面锚杆支护应力场掘进工作面锚杆支护应力场 单体支柱应力场单体支柱应力场巷道锚杆支护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支护应力场概念：支护在围岩及本身内部产生的应力场n 主动支护系数：主动支护系数：0askn 预应力长度系数：预应力长度系数：llpkln 有效压应力区有效压应力区n 预应力扩散系数：预应力扩散系数：ddlkln 临界支护刚度临界支护刚度支护应力场示意图支护应力场示意图提出描述支护应力场的指标提出描述支护应力场的指标n 结构面分布及力学参数结构面分布及力学参数n 注浆的重要作用注浆的重要作用无结构面无结构面结
8、构面宽度结构面宽度5mm5mm结构面对群锚的影响结构面对群锚的影响 支护应力场的主要影响因素支护应力场的主要影响因素n 原岩、采动及支护应力场构成煤矿井下综合应力场原岩、采动及支护应力场构成煤矿井下综合应力场原岩原岩+采动采动+支护支护=综合应力场综合应力场支护应力场支护应力场采煤工作面周围应力分布采煤工作面周围应力分布原岩应力场原岩应力场n 以应力场为主线，将原岩体、采动体及支护体有机结合在一以应力场为主线，将原岩体、采动体及支护体有机结合在一体。巷道支护、岩层控制归结为体。巷道支护、岩层控制归结为“三场三场”相互作用相互作用综合应力场概念综合应力场概念连续岩体连续岩体非连续岩体非连续岩体
9、设置在开挖表面的巷道支护围岩响应曲线设置在开挖表面的巷道支护围岩响应曲线金属支架支护金属支架支护P0n 锚杆包括插入煤岩体内部分锚杆包括插入煤岩体内部分(杆体、锚固剂杆体、锚固剂)，表面构件，表面构件（托板、钢带及网）。（托板、钢带及网）。n 锚杆支护原理与支架有本质锚杆支护原理与支架有本质区别，不能再用支架的围岩区别，不能再用支架的围岩响应曲线。响应曲线。锚杆支护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锚杆支护围岩受力图PP锚杆受力实测曲线锚杆受力实测曲线井下锚杆受力实测曲线井下锚杆受力实测曲线55种类型种类型3 31 15 52 24 4曲线曲线1 1对应预应力低，被动支护，对应
10、预应力低，被动支护，受力小，支护不明显受力小，支护不明显曲线曲线5 5对应高预应力，锚固区位移对应高预应力，锚固区位移差小，受力变化不大差小，受力变化不大曲线曲线2 2、3 3、4 4，虽然施加一定预应，虽然施加一定预应力，但都小于临界值，不能有效控力，但都小于临界值，不能有效控制围岩早期的离层制围岩早期的离层线线弹弹性性n 曲线曲线1 1支护作用不明显，与无支支护作用不明显，与无支护相差不大护相差不大n 曲线曲线5 5，高预应力强力支护有效，高预应力强力支护有效控制围岩位移控制围岩位移n 曲线曲线3 3锚杆破断前围岩位移较小，锚杆破断前围岩位移较小，破断后围岩位移急剧增大破断后围岩位移急剧增
11、大锚杆支护围岩响应曲线锚杆支护围岩响应曲线1 12 24 45 53 3n 曲线曲线2 2围岩较大位移后能趋于围岩较大位移后能趋于稳定稳定n 曲线曲线4 4围岩较大位移，不能稳定围岩较大位移，不能稳定锚杆支护响应曲线锚杆支护响应曲线n 不垂直，不是理想的拉伸不垂直，不是理想的拉伸n 受拉、弯、扭、剪切受拉、弯、扭、剪切22233432768ttiPMMdddn 杆体受力极不均匀杆体受力极不均匀，大部分锚，大部分锚杆杆在屈服状态下工作在屈服状态下工作n 高强度，高延伸，高冲击韧性高强度，高延伸，高冲击韧性1 12 23 34 45 56 6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
12、降低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、采动与支护应力场原岩、采动与支护应力场“三场三场”相互作用与协调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，尽量避免二次支护变形，
13、尽量避免二次支护 基于基于地质力学测试地质力学测试、以、以锚固锚固与与注浆注浆加固为核心的煤矿加固为核心的煤矿巷道支护成套技术。巷道支护成套技术。高预力强力高预力强力锚杆支护系列锚杆支护系列材料与构件材料与构件高预应力施工高预应力施工机具与工机具与工巷道围岩地质力学巷道围岩地质力学测试方法与仪器测试方法与仪器基于地质力学测试基于地质力学测试的动态信息设计法的动态信息设计法 高预应力强力锚杆高预应力强力锚杆支护系列材料与构件支护系列材料与构件破碎煤岩体破碎煤岩体系列注浆材料系列注浆材料高预应力施工高预应力施工机具与工艺机具与工艺巷道矿压与巷道矿压与安全监测仪器安全监测仪器1 12 23 34 4
14、5 56 6 提出提出单孔、多参数、耦合地质力学原位快速测试方法单孔、多参数、耦合地质力学原位快速测试方法单单孔完成地应力、强度与结构及相互耦合关系测试孔完成地应力、强度与结构及相互耦合关系测试 开发出配套测试仪器开发出配套测试仪器(2(2项发明专利项发明专利)n SYY-56SYY-56型小孔径水压致裂型小孔径水压致裂地应力测量装置，实现了地应力测量装置，实现了井下地应力快速测量井下地应力快速测量n WQCZ-56WQCZ-56型小孔径煤岩体型小孔径煤岩体强度测定装置，解决了破强度测定装置，解决了破碎煤岩体强度测量难题碎煤岩体强度测量难题n KDBC-56KDBC-56型数字全景钻孔窥型数字
15、全景钻孔窥视仪，解决了结构参数定量视仪，解决了结构参数定量测量难题测量难题数字全景钻孔窥视仪数字全景钻孔窥视仪钻孔结构观测图片钻孔结构观测图片 地质力学测点分布地质力学测点分布 得出煤矿井下地应力分布规律得出煤矿井下地应力分布规律地应力与埋深的关系地应力与埋深的关系 侧压比与埋深的关系侧压比与埋深的关系 n 主应力随深度增加而增大，但存在明显主应力随深度增加而增大，但存在明显离散离散n 主应力受地质构造、煤岩体强度与刚度等因素影响主应力受地质构造、煤岩体强度与刚度等因素影响明显明显估算地应力的公式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平均水平应力与垂直应力比值随埋深变化 k k-
16、平均水平主应力与垂直平均水平主应力与垂直主应力比值主应力比值H H-埋藏深度，埋藏深度，m m105.90.644kH 得出煤岩体强度分布规律得出煤岩体强度分布规律顶板抗压强度分布顶板抗压强度分布-宁煤宁煤煤层抗压强度分布煤层抗压强度分布-淮南淮南 巷道支护设计过程巷道支护设计过程动态信息设计动态信息设计 确定合理的确定合理的初始支护设计初始支护设计信息反馈信息反馈与修正设计与修正设计巷道围岩巷道围岩地质力学评估地质力学评估建立数值模型，建立数值模型，多支护方案比较多支护方案比较井下监测井下监测与数据分析与数据分析 巷道支护初始设计巷道支护初始设计,HvhctEc地质力学参数地质力学参数建立数
17、值模型建立数值模型采动应力场计算采动应力场计算锚索锚杆锚杆巷道围岩应力变形分析巷道围岩应力变形分析 确定支护方案确定支护方案锚杆支护材料与构件的组成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支护构件n 锚杆杆体及附件锚杆杆体及附件n 锚固剂锚固剂n 护表构件护表构件(钢带、金属网钢带、金属网)n 锚索锚索复杂困难巷道对支护材料的要求复杂困难巷道对支护材料的要求井下锚杆支护构件井下锚杆支护构件n 杆体不仅强度高，且延伸率大、冲击韧性高杆体不仅强度高，且延伸率大、冲击韧性高n 有利于锚杆预应力与工作阻力扩散的护表构件有利于锚杆预应力与工作阻力扩散的护
18、表构件n 各构件力学性能匹配各构件力学性能匹配n 可操作性可操作性n 经济性经济性强力锚杆强力锚杆强力锚杆杆体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。超高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆，解决了锚杆破断难题。牌号牌号直径直径/mm/mm屈服强度屈服强度/MPaMPa抗拉强度抗拉强度/MPaMPa伸长率伸长率/%冲击冲击吸收功吸收功/J/JB500B500B600B600B700B70018-2518-2550050060060070070067067078078085085018-2518-2560-160 60-160 树脂药卷树脂药卷树脂锚固剂树脂锚固剂n 固化快
19、，及时施加预应力固化快，及时施加预应力n 固化时间可调固化时间可调n 高粘结力、高变性模量高粘结力、高变性模量0LL1LB0A-A放大1dBA0LABhtLW型钢带型钢带钢带钢带n W W型钢带型钢带n M M型钢带型钢带n 钢梁钢梁强力锚索强力锚索（发明专利）（发明专利）1 11919结构锚索及断面结构锚索及断面公称直径公称直径/mm/mm拉断载荷拉断载荷/kNkN伸长率伸长率()/%)/%18184084087 720205105107 722226076077 728.628.69009007 7n 1 11919结构，断面更加合理结构，断面更加合理n 拉断载荷显著提高，最大拉断载荷显著
20、提高，最大900kN900kN n 延伸率提高延伸率提高1 1倍倍系列化学注浆材料系列化学注浆材料实验室试块实验室试块井下加固块体井下加固块体钻孔观测的加固效果钻孔观测的加固效果n 聚氨酯加固与堵水材料聚氨酯加固与堵水材料n 聚氨酯聚氨酯水玻璃复合材料水玻璃复合材料n 脲醛树脂加固材料脲醛树脂加固材料n 不饱和聚酯加固材料不饱和聚酯加固材料n 配套注浆工艺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大扭矩预紧扳手n 风动扳手：风动扳手：265-880Nm265-880Nmn 液压扳手：液压扳手：340-1600Nm3
21、40-1600Nm扭矩倍增器扭矩倍增器n 与单体锚杆钻机配套与单体锚杆钻机配套n 扭矩放大倍数扭矩放大倍数6 6倍，最大扭矩倍，最大扭矩 800 800N.mN.m为克服大扭矩下锚杆扭转屈服、损伤，发明了相关设备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预应力锚杆抗扭转增矩扳手(发明专利发明专利)预应力锚杆液压张拉器预应力锚杆液压张拉器(发明专利发明专利)n 设计出消除锚杆扭转应力的扳手结构设计出消除锚杆扭转应力的扳手结构n 解决锚杆扭转屈服、高预应力施加难题解决锚杆扭转屈服、高预应力施加难题n 类似张拉锚索张拉锚杆类似张拉锚索张拉锚杆n 获得稳定预紧力，获得稳定
22、预紧力，150kN150kNn 锚杆安装只受拉，受力状态最好锚杆安装只受拉，受力状态最好锚杆抗扭转增矩扳手结构锚杆抗扭转增矩扳手结构岩岩 层层W钢带钢带锚杆锚杆托板托板螺母螺母球垫球垫减摩垫减摩垫 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，确保安全果，修改设计，确保安全矿压监测内容矿压监测内容支护体应力支护体应力围岩位移围岩位移采动应力采动应力表面位移表面位移顶板离层顶板离层深部位移深部位移锚杆受力锚杆受力锚索受力锚索受力煤柱应力煤柱应力支承压力支承压力综合矿压监测系统综合矿压监测系统n 研究成果已推广应用于全国各大煤矿区
23、研究成果已推广应用于全国各大煤矿区n 解决了解决了5 5类复杂困难巷道支护难题类复杂困难巷道支护难题深部高地深部高地应力巷道应力巷道沿空巷道沿空巷道极软岩巷道极软岩巷道破碎围岩巷道破碎围岩巷道强烈动压强烈动压影响巷道影响巷道应用实例应用实例1新汶超千米深井巷道新汶超千米深井巷道巷道埋深巷道埋深最大水平主应力最大水平主应力1150m1150m34.6MPa 34.6MPa 应用实例应用实例2淮南深井软岩沿空留巷淮南深井软岩沿空留巷巷道埋深巷道埋深煤层强度煤层强度700m700m12MPa12MPa顶板顶板37MPa 37MPa 应用实例应用实例3平庄极软岩巷道平庄极软岩巷道煤层强度煤层强度9MP
24、a9MPa顶板抗压强度顶板抗压强度5-15MPa5-15MPa应用实例应用实例4潞安强烈动压影响巷道潞安强烈动压影响巷道与邻近采煤工作与邻近采煤工作面对掘，掘进、面对掘，掘进、二次动压影响二次动压影响 为煤矿提供了首选的、安全高为煤矿提供了首选的、安全高效的巷道支护技术，显著提升效的巷道支护技术，显著提升了围岩控制理论与技术水平了围岩控制理论与技术水平煤矿巷道锚杆支护率煤矿巷道锚杆支护率19901990年年15%15%，20132013年年75%75%，有些矿区，有些矿区90-100%90-100%为煤矿高效、安全生产，煤炭为煤矿高效、安全生产，煤炭产量大幅提高提供了有力保障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巷道等支护问题还没有解决，需继续不断的研究与试验，需继续不断的研究与试验谢谢 谢！谢！
