6.康红普：煤矿巷道现代化支护技术.pptx

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）2016.8.4,,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,井工煤矿开采示意图,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；煤矿新掘巷道长度12000公里/年，规模巨大，世界第一。,一、前言,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,一、前言,巷道开挖形成4种效应,巷道围岩产生位移与破坏；无支护开挖边界为主应力面，对原岩应力场扰动；开挖边界围岩水压、气压降低为大气压；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,控制围岩变形，保证断面满足要求；保持围岩稳定，避免垮落，保证安全。,巷道支护原理,开挖边界施加约束力，控制围岩变形；改善围岩力学性能，发挥自承能力；降低或转移围岩应力。,,,,,,,E，C，μ，ϕ,,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,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,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,注浆加固水泥─水玻璃；高分子材料，复合注浆材料。,锚杆与注浆加固示意图,一、前言,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,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,巷道围岩控制过程,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,煤岩体地质力学参数应力（原岩应力与采动应力），煤岩体强度，结构。地质力学参数是巷道布置与支护设计的必要基础。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,水压致裂法；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,钻孔触探法；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、巷道围岩地质力学测试技术,钻孔孔壁观察法；KDBC-56型数字全景钻孔窥视仪，实现结构参数定量测量。,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,采用该测试技术，完成36个矿区测试。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,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,地应力测量,二、巷道围岩地质力学测试技术,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,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。,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,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，m,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,矿井开拓部署与巷道布置；巷道支护设计；采煤方法与采掘机械选择；采场岩层控制；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,,0,30,60,90,二、巷道围岩地质力学测试技术,巷道轴线与最大水平主应力平行，有利于顶底板稳定；巷道轴线与最大水平主应力垂直，顶底板稳定性最差；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,,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。有夹角应力分布扭转，不对称。到一定角度，应力扭转又减小。90时应力又出现对称分布，集中程度高。,0,30,60,90,二、巷道围岩地质力学测试技术,地应力场与巷道布置,东区南部与西部，西区南部近东西向，顺槽沿东西向布置。东区东北部，主应力与南北向呈小角度，顺槽沿南北向布置。西区北部，与南北夹角40-65，可据其它选顺槽方向。,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,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；基于地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。,,1980,,1970,,1959,,1950,,1900,,1872,,1990,,预应力锚杆,,管式锚杆,,树脂锚杆,,机械锚杆,,木锚杆,,金属锚杆,,高强度树脂锚固锚杆，锚索,,美国胀壳与树脂锚杆,,美国全长摩擦式锚杆,,德国卷式树脂锚固剂,,锚杆迅速发展,,美国使用锚杆,,英国采用锚杆,,澳大利亚AT锚杆锚索,煤矿巷道锚杆支护发展过程-国际,三、锚杆支护成套技术,,低强度锚杆,高强度锚杆,高预应力强力锚杆,,煤矿巷道锚杆支护发展过程-国内60年,三、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,,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,,re–巷道围岩破碎区半径；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,,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,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,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）。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。,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,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）,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,位移变化超前工作面6m明显增加，过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2.5m出现剪切破坏，工作面位置3m，工作面后1m为4m，后方10m稳定。拉破坏区随工作面距离不同变化。前方0.5m出现拉破坏，工作面位置1.5m，后1m为2m，后方5m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,破坏区发展,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,,井下锚杆受力实测曲线5种类型,,,,,3,1,5,2,4,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,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,锚杆支护围岩与支护特性曲线,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,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。,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,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）,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,,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,预应力长度系数,有效压应力区ld,预应力扩散系数,临界支护刚度,三、锚杆支护成套技术-支护理论,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100m,,,,采煤工作面与巷道周围采动应力场分布,2-5倍原岩应力,,,,,三、锚杆支护成套技术-支护理论,采动应力场,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,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,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,基于地质力学测试的巷道支护设计,巷道支护初始设计,,三、锚杆支护成套技术-支护设计,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,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,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,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,锚杆密度,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。,0,10,30,三、锚杆支护成套技术-支护设计,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,锚杆杆体及附件,锚固剂,护表构件钢带、金属网,锚索,三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件,对锚杆支护材料与构件的要求,三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件,高强度锚杆,高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆。,高强度锚杆杆体,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,三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件,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,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90以上；延伸率为杆体的70-90。,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,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,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,,,,,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的关系,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,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,,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,φ16mm钢筋托梁载荷位移曲线,,,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,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,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100-1000N.m扭矩，测量锚杆受力。,锚杆不同安装角度受力试验台,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,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700N.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,三、锚杆支护成套技术-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,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。,锚杆杆体受力状态的理论分析,,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,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。,,,尾部转角,三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件,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,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,锚杆构件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,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,树脂锚固剂力学性能实验室试验,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。25℃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。,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,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，峰值剪应力越高，峰值后剪应力衰减越快。,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3～4mm最优。,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,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,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,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。,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20-30。,托板与球形垫圈变形状况,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,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。,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,,,,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。,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）。,效果,三、锚杆支护成套技术-支护材料与构件,高强度锚索,119结构锚索及断面,119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。,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,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,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。,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,,,A,A,三、锚杆支护成套技术-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。,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。,锚杆液压张拉设备,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,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,地应力,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、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。,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,顶板粉砂岩抗压强度20-40MPa32MPa；帮部围岩强度随深度增加呈增大趋势；围岩强度曲线波动较大；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,,方位,方位,方位,0-0.9m非常破碎；1.2-1.4,2.8-2.9,3.7-3.8,4.6,5-5.7m破碎带或结构面，强度低谷；7.2-10m中砂岩、粉砂岩互层，完整性较好；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,数值模拟,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；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”,巷道支护方案,华丰矿-1180岩石大巷支护布置,三、锚杆支护成套技术-应用实例-新汶华丰矿,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-新汶华丰矿,支护效果,,全断面支护,帮锚索取消,三、锚杆支护成套技术-应用实例-新汶华丰矿,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,冲击地压灾害严重,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30-50MPa。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,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,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,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,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,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,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，既能卸压，又不影响锚杆锚索支护效果。,,,能量/105J,三、锚杆支护成套技术-应用实例-义马常村矿,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。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。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,注浆加固材料,无机类注浆材料,粘土类,水泥类,水泥粘土类,水泥菱镁土类,水泥水玻璃类,水泥粉煤灰石灰类,,,,,,,,,不饱和聚酯类,化学注浆材料,水玻璃类,丙烯酰胺类,聚氨酯类,丙烯酸盐类,木质素类,脲醛树脂类,环氧类树脂,,,,,,,,,,,复合注浆材料,四、破碎煤岩体注浆加固技术,煤矿系列化学注浆材料,四、破碎煤岩体注浆加固技术,聚氨酯水玻璃复合材料,硅酸盐改性聚氨酯注浆材料性能指标,四、破碎煤岩体注浆加固技术,,巷道顶帮注浆加固,四、破碎煤岩体注浆加固技术,注浆参数钻孔布置参数深度、角度、直径，间排距；注浆参数压力、时间、注浆量。注浆工艺打孔、封孔、注浆注浆质量检测钻芯取样、超声波法、钻孔壁观察、地质雷达等。,加固前巷道状况（布尔台矿42103回风顺槽）,神东布尔台矿二次采动影响巷道加固,巷道底鼓,两帮鼓出,四、破碎煤岩体注浆加固技术-应用实例,加固方案-注浆,注浆孔布置,,,两帮注水泥浆，钻孔深度3m、8m；注水泥238.5t，水玻璃8t。正帮三角煤加固施工8m钻孔，注化学材料7.2t。,四、破碎煤岩体注浆加固技术-应用实例,加固方案-锚索加固,锚索支护布置,,,,顶板锚索全长锚固，注化学材料；两帮锚索全长锚固，注水泥。,四、破碎煤岩体注浆加固技术-应用实例,加固效果,加固前,,,,,,,加固前后两帮窥视图,加固后,四、破碎煤岩体注浆加固技术-应用实例,加固效果,回采期巷道表面位移,,,,,,,,回采期巷道顶板离层,四、破碎煤岩体注浆加固技术-应用实例,煤矿两大类围岩需要弱化或卸压采煤工作面坚硬、难垮顶板；高应力巷道围岩深部高地应力巷道，强烈采动影响巷道。,采煤工作面坚硬顶板,千米深井高地应力巷道,五、坚硬顶板水力压裂技术,采煤工作面坚硬、难垮顶板,我国属于坚硬难垮顶板的煤层约占三分之一；坚硬顶板极易发生冲击地压或顶板大面积垮落，给煤矿安全生产带来极大的隐患。,坚硬顶板大面积垮落,五、坚硬顶板水力压裂技术,爆破控顶,五、坚硬顶板水力压裂技术,高应力巷道围岩深部高地应力围岩，巷道变形大，冲击地压等灾害严重；高采动应力围岩（受二次、多次采动影响），巷道变形剧烈；仅采用支护加固法有时不能有效控制围岩变形与破坏；目前采用松动爆破、卸压钻孔、切缝等卸压方法。,千米深井巷道大变形-新汶,,二次采动巷道大变形潞安,五、坚硬顶板水力压裂技术,水力压裂法一种有效的坚硬顶板弱化和强烈动压巷道卸压方法，在国内外得到一定范围的推广应用。,定向水力压裂示意图,五、坚硬顶板水力压裂技术,,,常规水力压裂（无横向切槽）,常规水力压裂裂缝扩展,五、坚硬顶板水力压裂技术-机理,,,完整岩石钻孔应力分布及开裂条件、位置,,,,钻孔壁最大拉应力,开裂条件,开裂位置,钻孔坐标与主应力分布,五、坚硬顶板水力压裂技术-机理,开裂压力与地应力场类型密切相关；开裂压力与钻孔参数（方位角，倾角）密切相关。,完整岩石钻孔开裂的影响因素,不同地应力条件下起裂压力与钻孔倾角的关系,五、坚硬顶板水力压裂技术-机理,原生裂隙对压裂效果影响（数值模拟）,,,,,,,,,,完整岩体沿着最大水平主应力方向开裂；存在斜45和垂直裂隙先沿原生裂隙开裂，随着水压增大，沿着最大水平主应力方向也开裂并扩展；横向裂隙水压增大，横向裂隙变宽并扩展，水压继续增大，产生沿最大水平主应力方向的竖向裂隙。,完整岩体,斜45裂隙,横向裂隙,垂直裂隙,五、坚硬顶板水力压裂技术-机理,研究结果地应力场类型不同时，钻孔周围应力状态均不同，水压对钻孔及周围应力分布的影响范围也不同；原生裂隙对水力压裂裂缝初期扩展有明显影响，但随着水压增大，裂缝扩展方向逐步趋于最大水平主应力方向；常规水力压裂，初始裂缝大多接近于纵向裂缝，其扩展往往会导致压裂作业的失败，尤其是使用分段压裂方法时，纵向裂缝扩展越过封孔器后，使钻孔无法有效封孔。,五、坚硬顶板水力压裂技术-机理,定向水力压裂（横向切槽）,远场受三维地应力作用切槽与孔壁受水压作用,水力压裂数值模型,五、坚硬顶板水力压裂技术-机理,数值模拟结果无横向切槽孔壁最大拉应力4.8MPa；有切槽最大拉应力55MPa，是无切槽的11.5倍；横向切槽端部产生拉应力集中，钻孔在切槽尖端处优先开裂并横向扩展，有利于封孔及大范围的扩展。,五、坚硬顶板水力压裂技术-机理,,,,,直径54mm的横向切槽钻头结构；高性能、耐磨焊接结构刀片结构与材料；能在单轴抗压强度50150MPa坚硬岩石中形成横向锐槽，解决了刀片易磨损、断裂及过度切削的难题。,KZ54横向切槽钻头,刀片,坚硬顶板横向切槽钻头结构及耐磨刀片,五、坚硬顶板水力压裂技术-设备,,,,,由特制钢丝缠绕胶筒、高压树脂管、高强钢管等组成；孔径56mm，封孔压力60MPa，解决了高压封孔及单孔多次压裂难题。,高压注水泵,小孔径定向水力压裂高压跨式封孔器,高压注水设备,泵压最大62MPa；流量80L/min。,五、坚硬顶板水力压裂技术-设备,,,,,,,,岩体裂缝方向和倾角测量方法；数字式全景钻孔结构测试仪，实现全方位、立体观测成像；三维应力监测系统，可准确监测压裂前后围岩应力变化。,压裂效果检测成套仪器,五、坚硬顶板水力压裂技术-设备,,顶板条件顶板为石灰岩，厚9.3m，单轴抗压强度127MPa。,晋城王台铺煤矿坚硬顶板控制,压裂钻孔布置,五、坚硬顶板水力压裂技术-应用实例,横向切槽,切槽压裂,五、坚硬顶板水力压裂技术-应用实例,压裂曲线-压力15-40MPa,压裂前后工作面煤体应力变化监测,水力压裂可改变煤岩层的应力状态；压裂后煤岩体应力集中程度大幅降低。,主应力方向变化,主应力大小变化,五、坚硬顶板水力压裂技术-应用实例,顶板垮落情况,压裂效果,五、坚硬顶板水力压裂技术-应用实例,,,,,,潞安屯留矿二次采动影响巷道卸压,S1206工作面多巷布置。瓦排巷