康红普:煤矿巷道现代化支护技术
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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)2019.8.4,一、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
2、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,,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,
3、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
4、+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
5、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
6、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
7、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;
8、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
9、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。,1980,1970,1959,1950,1900,1
10、872,1990,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,
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、,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
17、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
18、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,
19、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-
20、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
21、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
22、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,16mm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
23、。,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
24、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
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