煤矿顶板支护新技术

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1、汇报人：朱永建 教授/ 博导 微信号：zyj58290968,2020年07月,煤矿顶板支护新技术,湖南科技大学,二,金属支架支护原理与技术,一,三,锚杆（索）支护理论与技术,四,工程应用及展望,煤矿顶板支护基本情况,（一）煤矿顶板灾害形势严峻,一、煤矿顶板支护基本情况,巷道是井工煤矿开采的必要通道，巷道围岩的稳定与否直接影响着煤矿的安全高效生产； 我国煤矿新掘巷道长度约12000公里/年，其中90%以上为采动巷道，规模巨大，居世界第一位。,井工煤矿开采示意图,顶板事故占煤矿事故总数的56% 顶板事故造成的死亡人数占38% 在顶板事故中局部失稳灾害占81%,（一）煤矿顶板灾害形势严峻,近10年

2、煤矿各类事故起数占比,三类顶板事故死亡人数比例,近10年煤矿各类事故死亡人数占比,一、煤矿顶板支护基本情况,（二）煤矿顶板事故类型顶板岩体局部破碎失稳灾害,顶板岩体局部失稳灾害占顶板事故总数的81%,顶板事故 类型1,一、煤矿顶板支护基本情况,顶板大岩块局部滑落,掘进头局部冒顶,支架顶梁局部漏顶,巷道顶板局部冒落（最多）,(二)顶板事故类型顶板岩体局部破碎失稳灾害,一、煤矿顶板支护基本情况,（二）煤矿顶板事故类型坚硬顶板大面积破断失稳灾害,事故2 陕西榆林后柳塔煤矿井下大面积采空区煤柱失稳，并发生顶板大面积破断冒顶，致4人死亡、5人受伤。,事故1 同煤集团安平煤业公司采空区强制放顶，引起采空区

3、大面积悬顶突然垮落，造成20名矿工遇难。,坚硬顶板破断失稳灾害事故占事故总数的13%。,一、煤矿顶板支护基本情况,（二）煤矿顶板事故类型坚硬顶板大面积破断失稳冲击灾害,事故2 2017年辽宁沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿发生冲击地压事故，造成10人死亡，6人被困。,事故1 2012年同煤忻州窑矿坚硬顶板条件下冲击地压(震级3.2级)，冲击长度60余米。冲出煤量达500余吨，巷道底臌达1.2m，两座风桥损坏，巷内的木排柱被冲飞和折断。,坚硬顶板大面积破断失稳冲击灾害占事故总数的6%。,一、煤矿顶板支护基本情况,煤系地层结构复杂 岩体在自然状态下经历了漫长的地质作用过程，其中存在着各种地质构造和弱面

4、，如不整合、褶皱、断层、节理、裂隙等。 岩石遇水膨胀，强度劣化 巷道围岩物理化学性质对围岩变形破坏具有显著的影响。例如：含有膨胀性矿物围岩，遇水膨胀，围岩强度大打折扣。 采动应力叠加 回采巷道靠近扰动源，采动影响明显，围岩大变形比重高。,锚索破断,（1）煤矿巷道及其围岩条件的复杂性,（三）煤矿顶板支护存在的问题,一、煤矿顶板支护基本情况,巷道围岩变形严重,几种典型困难条件巷道： 高应力巷道、软岩巷道、受多次采动巷道及小煤柱回采巷道及沿空留巷巷道。,（2）巷道破坏机理不清楚，冒顶控制缺乏理论指导,自然冒落拱形破坏,不规则块体破坏,现有理论认为，围岩塑性区主要是圆形、椭圆形、自然冒落拱形等对称形态

5、，实际上，绝大多数采动巷道围岩破坏和冒顶形态是不规则的、非对称的，现有理论难以解释这些现象。 Syd S. Peng 院士 No accepted roof bolting theories and design methods after more than 4 decades of application（the 34th ICGCM (China)）. 缪协兴教授 目前，尚无科学意义上的煤矿巷道支护设计方法和技术，因而现在没有科学意义上的“锚杆支护理论” （the 34th ICGCM (China),一、煤矿顶板支护基本情况,局部支护强度不足,高密度锚杆支护,锚杆支护设计固化、参数过于

6、保守 同一煤层锚杆支护参数基本相同，且60%以上区域支护密度过大，支护材料浪费。,局部区域锚杆支护强度不足 由于顶板结构变化，存在0.05%左右的区域锚杆支护强度不足。因此，经常出现巷道局部冒顶事故，说明巷道关键部位设计支护强度不足。,（3）煤矿顶板支护设计存在问题,一、煤矿顶板支护基本情况,（4）“冒顶判别准则尚未建立，冒顶隐患难以定位,无法及时发现断层破碎带、围岩劣化区等重大隐患区域，使巷道冒顶具有隐蔽性、偶然性和突发性，造成无法预知冒顶的时间、地点和范围，带来了巨大的精神压力和心理恐惧，不得不采用过度支护来预防冒顶事故，造成大量支护浪费。,巷道顶板潜藏有冒顶隐患区域,围岩劣化区,掘进方向

7、,锚杆锚索,断层破碎带,重大隐患区,重大隐患区,巷道轴向,一、煤矿顶板支护基本情况,（5）现有支护结构难以满足复杂困难条件下巷道顶板支护,普通锚杆长度、强度不足，无法有效控制围岩变形； 常规锚索延伸率小，无法与围岩协同变形； 支架为被动支护，存在强度或可缩性能缺陷，或无法耦合； 喷、注不能从根本上控制冒顶；,锚索破断导致冒顶,现场锚索破断,现场锚索失效,一、煤矿顶板支护基本情况,（6）其他问题,施工管理不严，施工质量差 施工管理不到位，支护设计与现场施工差距大，锚杆安装后没有进行有效的锚固质量检测； 现场围岩变形监测不到位，信息反馈不及时 原岩应力场、采动应力场与支护应力场测试与分析不足，导致

8、“三场”分布特征及相互作用关系不清楚，无法准确评估围岩稳定性；,一是造成大部分巷道支护过剩，支护浪费巨大。 二是巷道冒顶高风险区域支护不足，冒顶事故频发。,由于存在上述原因，导致目前煤矿顶板支护存在如下突出矛盾：,高密度帮锚杆支护失效,一、煤矿顶板支护基本情况,一,煤矿顶板支护基本情况,二,三,锚杆（索）支护理论及技术,四,工程应用及展望,金属支架支护原理与技术,我国煤矿巷道支护先后经历了最初的木棚架支护、工字钢棚架支护、U型钢可缩性支架支护。发展至今，以锚杆/锚索支护为主导，其他支护为辅的支护方式。,煤矿顶板支护方式发展历程,木棚架支护,U型钢可缩性支架,工字钢棚架支护,锚杆锚索支护,二、金

9、属支架支护原理与技术,金属支架,巷道金属支架,直腿拱形棚架,曲腿拱形棚架,梯形棚架,棚腿弯曲,棚腿折损,二、金属支架支护原理与技术,20世纪70、80年代，金属支架发展迅速并成为国内外煤矿巷道支护的主要形式，由刚开始的刚性金属支架向可缩性金属支架发展，进入21世纪后虽然大多数矿井采用锚杆支护，但对于部分条件不适宜锚杆支护的矿井，仍需要采用金属支架或其他支护构件与其联合支护方式。,1 巷道金属支架工作特性,一.巷道支架支护原理,二.巷道金属支架类型,三.金属支架的拉杆和背板,巷道金属支架,2“支架-围岩”相互作用状态,3“支架-围岩”相互作用原理,4.“支架-围岩”相互作用原理的应用,二、金属支

10、架支护原理与技术,因此，把“支架-围岩”看作是一个相互作用和共同承载的力学体系，正确处理“支架-围岩”关系是金属支架支护的理论基础。,1 巷道金属支架工作特性,工作特征：巷道金属支架受载大小不仅取决于支架的力学特性（承载能力、刚度和结构特征），而且与其支护对象围岩的力学性质和结构有密切关系，也就是“支架-围岩”相互作用关系。,(一) 巷道金属支架支护原理,二、金属支架支护原理与技术,2“支架-围岩”相互作用的基本状态,（2）当巷道顶板岩石与上覆岩层没有离层或脱落时，支架的受载和压缩变形将取决于上覆岩层的运动状态，这种情况下仅依靠支架本身有限的支撑力无法阻止上覆岩层的运动，只有当上覆岩层下沉过程

11、中受采空区已冒落矸石或充填物阻挡时，支架的收缩变形才能停止，这时支架处于给定变形状态。,（1）当巷道顶板岩石与上覆岩层离层或脱落时，支架处于给定载荷状态。,a-给定载荷状态 b-给定变形状态,“支架-围岩”相互作用力学模型,(一) 巷道支架支护原理,二、金属支架支护原理与技术,3 “支架-围岩”相互作用原理,支架与围岩的相互作用关系,弹塑性阶段,松动破裂阶段,(一) 巷道支架支护原理,二、金属支架支护原理与技术,1.在支架-围岩系统中，支架对于围岩内部应力平衡体系的作用极其微小，同时，从总的规律上看，巷道上覆岩体的重量由支架承担的部分仅占1%-2%，其余绝大部分载荷是由巷道围岩自身承担。,2.

12、支架有限的支撑力对于抑制直接顶板离层，控制围岩塑性区的再发展和围岩的持续变形，维持围岩稳定是必不可少的。,3.合适的巷道支架系统必须具有适当的强度和一定的可缩性，而合理的“支架-围岩”相互作用关系是充分利用围岩天然的自承力和承载力。,4“支架-围岩”相互作用原理的应用,采用具有一定初始工作阻力的金属支架，不仅可增加围岩围压，提高围岩强度，在减轻支架自身承受载荷的同时，又能提高围岩自身的承载能力，发挥主动支护的作用。,金属可缩性支架不仅对围岩的变形产生一定的阻力，本身还具有可缩性，能避免支架严重变形和损坏。支架在允许围岩有限变形继续释放能量的同时，仍具有足够的工作阻力，既能适应围岩的变形，又能控

13、制围岩的变形，充分发挥其支护效果。,巷道开挖后，由于围岩变形量较大且持续时间较长，需进行一次支护，一次支护期间允许围岩产生一定的变形，在围岩变形和能量释放到一定程度后，进行支架二次支护。,3.强调主动支护,1. 实行二次支护,2.采用柔性支护,(一) 巷道支架支护原理,二、金属支架支护原理与技术,金属支架类型,一.巷道支架支护原理,二.巷道金属支架类型,三.金属支架的拉杆和背板,巷道金属支架,U型可缩性支架,矿用工字钢支架,二、金属支架支护原理与技术,主要性能：抗拉、抗压、抗剪和韧性,矿用金属支架性能,主要几何参数：抗弯截面模量，两个方向抗弯截面模量Wx、Wy尽可能接近,合理几何形状的要求：搭

14、接处接触面积大、受力状况良好、平稳滑移,矿用工字钢,矿用U型钢,矿用工字钢特点：高宽比减小，腹板加厚，翼缘厚且斜度大,我国主要的U型刚型号：U18、U25、U29、U36,(二) 巷道金属支架类型,二、金属支架支护原理与技术,更多采用U型钢可缩性支架支护,U型刚可缩性支架的连接件,（1）螺栓连接件,（2）楔式连接件,上限位块,下限位块,上限位连接件,中间连接件,下限位连接件,通过楔子或具有斜面的构件挤压型钢提供锁紧力,(二) 巷道金属支架类型,二、金属支架支护原理与技术,拱形可缩性金属支架基本结构类型,三节式,四节式,五节式,曲腿式,非对称式,封闭式,1. U型刚拱形可缩性支架,(二) 巷道金

15、属支架类型,二、金属支架支护原理与技术,特点及适用条件：具有良好的受力状况，承载力相对较大，适应巷道围岩体的较大变形，应用最为广泛。,梯形棚架优缺点 优点：加工方便，无需挑顶；对顶板的适应性好，有利于保护顶板的完整性；由于几架通过腿部和顶部拉杆连接，稳定性好，承载力较大；缺点：由于可缩性小，不适应变形量较大的巷道。,2. U型刚梯形可缩性支架,(二) 巷道金属支架类型,强化梯形棚架设计,二、金属支架支护原理与技术,3. U型刚封闭形可缩性支架,马蹄形,圆形,长环形,方环形,适用范围：围岩松软、底鼓严重、两帮移近量大的三软煤层或深部软岩巷道等困难条件下支护，可使用U型钢封闭形可缩性支架支护。,(

16、二) 巷道金属支架类型,二、金属支架支护原理与技术,（1） 拉杆: 单个支架之间用拉杆使支架沿巷道轴向相互联成一体，可以防止支架歪斜、扭转，增加支架的纵向约束提高支架的稳定性和承载能力。常用的拉杆有圆钢拉杆、扁钢拉杆、角钢拉杆、可调节拉杆等。,（2） 背板: 背板属于架间防护材料，其作用是传递巷道围岩载荷，防止架间离散岩块冒落，使支架受力均匀、从而具备较高的承载能力。背板的种类按力学性质可分为刚性、弹性、柔性三种。,(三) 金属支架的拉杆和背板,二、金属支架支护原理与技术,各种金属支架架型的力学特性和适用条件,一,煤矿顶板支护基本情况,三,二,金属支架支护原理与技术,四,工程应用及展望,锚杆（

17、索）支护理论及技术,三、锚杆（索）支护理论与技术,悬吊理论,组合梁理论,组合拱理论,最大水平应力理论,松动圈理论,围岩强度强化理论,传统锚杆（索）支护理论,(一) 锚杆（索）支护理论,三、锚杆（索）支护理论与技术, 悬吊理论 锚杆支护的作用是将顶板下部不稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层上。 是最早的锚杆支护理论，具有直观、易懂及使用方便等特点。这种支护理论应用最广泛的理论。 在顶板上部有稳定岩层，将破坏区载荷悬吊于稳定岩层(图a)； 在比较软弱的围岩中，巷道开掘后应力重新分布，出现松动破碎区，在其上部形成自然平衡拱，将松动破碎区载荷悬吊于巷道冒落拱上 (图b)。,图b,图a,组合梁理论 锚杆作用

18、实质在于锚杆将邻近顶板的若干岩层锚固成一个较厚的组合岩梁，这种组合梁在上覆岩层载荷作用下，最大弯曲应变和应力大大减小，挠度也显著减小。 增大岩层各分层间的摩擦力； 阻止层间相互错动，使全部锚固层共同变形。,无锚杆支护,有锚杆支护,三、锚杆（索）支护理论与技术,“纳鞋底”,组合拱理论 将锚杆沿巷道周边按照一定的间排距布置，每根锚杆形成的锥形压缩区彼此连接，在围岩中形成一个均匀的连续挤压加固拱，加固拱能够承受压力，阻止围岩松动和变形。 在松散体安装锚杆，能够形成以锚头和紧固端为顶点的锥形压缩区，压缩区内松散体由于受挤压而保持稳定； 间排距足够小，锥形压缩体重叠连接。,锚杆组合拱原理,三、锚杆（索）

19、支护理论与技术,最大水平应力理论 由澳大利压学者盖尔（W.J.Gale）提出：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的1.5-2.5倍。巷道顶底的稳定性主要受水平应力的影响。 适用于巷道布置方向的选择、不能应用于锚杆支护参数的定量设计。,三、锚杆（索）支护理论与技术,围岩松动圈支护理论 巷道开挖后，当围岩应力超过围岩强度时将在围岩中产生新的裂纹，其分布区域类似圆形或椭圆形，称之为围岩松动圈。围岩一旦产生松动圈，围岩的最大变形载荷是松动圈产生过程中的碎胀变形，围岩破裂过程中的岩石碎胀变形是支护的对象。 小松动圈(厚度小于400mm)，锚杆支护

20、作用不明显，只需进行喷射混凝土支护。 中松动圈(厚度在4001 500mm之间)，支护比较容易，采用悬吊理论设计锚杆参数，悬吊点在松动圈之外。 大松动圈(厚度大于1 500mm)，锚杆的作用是给松动圈内破裂围岩提供约束力，使其恢复到接近原岩的强度，阻止松动圈范围进一步扩大，一般采用加固拱理论设计锚杆支护参数。,三、锚杆（索）支护理论与技术,围岩强度强化理论 理论要点： 锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承载结构； 锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，（包括锚固体破坏前和破坏后，）改善被锚固岩体的力学性能； 锚杆支护可改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承

21、载能力、改善巷道的支护状况。 评价 该理论揭示了锚杆的加固作用原理，但不能用于锚杆支护参数的确定。,围岩强度强化均势,锚杆布置在破碎围岩中,三、锚杆（索）支护理论与技术,在巷道的弱粘结顶板中，通过锚杆的黏结和串紧，改变了顶板岩体的应力状态，提高了岩体的抗切向挤压强度，锚杆的约束作用还可以阻止岩块的转动和岩层间的离层，同时通过锚杆的抗剪作用阻止岩块间的错动。综合起来就是阻止顶板岩体的进一步松散，保持锚固串群体内部及锚固串群体之间岩块的整体性、提高顶板岩层的自身稳定能力。,三、锚杆（索）支护理论与技术,锚固串群体形成的形梁实拱结构示意图,新的锚杆（索）支护理论高强锚固串群体理论,1-锚固串群体边界

22、 2-岩块铰接点 3-锚杆 4-未被锚固的松散岩块区,工程类比法,直接类比法,计算机数值模拟法,利用有限元法、有限差分法、边界元法和离散元法等工程数值方法，处理锚固体的复杂力学特征。,理论计算法,根据锚杆支护理论，可以定量的计算出锚杆长度、间排距、杆体直径等支护参数。,将支护经验系统化、定量化，将不同工程实践抽象为地质力学模型，在围岩稳定性分类的基础上进行支护设计。,在已有工程设计的基础上，根据类似条件的已有经验，进行待建工程支护参数设计。,间接类比法,(二) 锚杆支护设计方法,三、锚杆（索）支护理论与技术,动态信息设计法,现场调查与地质力学评估、初始设计、井下监测、信息反馈、修正设计5个步骤

23、,煤矿巷道围岩条件在时空上一般有较大的差异，但支护设计时往往不考虑这一实际，采用“一刀切”的办法，一条巷道、一个采区、乃至整个矿井巷道都采用相同的支护参数。,煤矿巷道顶板条件经常发生变化,极不稳定地段发生冒顶事故,一是造成大部分巷道支护过剩，支护浪费巨大。 二是巷道冒顶高风险区域支护不足，冒顶事故频发。,将巷道顶板按照冒顶隐患程度划分为不同的级别是解决该问题的有效手段！,三、锚杆（索）支护理论与技术,锚杆（索）支护设计理念上的误区,1.建立了岩石性质与钻机信号特征的理论模型 根据钻机推力、钻速、转速等钻进信号,利用神经网络模糊评判，可以获得岩石性质及厚度。,钻机,钻进过程,钻进信息,岩性及厚度

24、,顶板条件未知,(三) 煤层巷道冒顶隐患探测方法与技术,三、锚杆（索）支护理论与技术,(三) 煤层巷道冒顶隐患探测方法与技术,2.试验获得不同硬度的煤样、粉砂岩、细砂岩、泥岩等钻进信号特征 钻机推力与钻进速度、转速的关系,粉砂岩,细砂岩,泥岩,地面钻进试验台,煤,三、锚杆（索）支护理论与技术,(三) 煤层巷道冒顶隐患探测方法与技术,3.研发了巷道冒顶隐患探测仪 由主机、位移压传感器、转速传感器、推力传感器等组成； 直接安装在钻机与钻杆之间，边掘进巷道边探测顶板岩性，步步排查冒顶隐患区，及时调整顶板支护设计； 现场应用取得了良好效果,冒顶隐患探测仪,井下隐患探测作业,井下隐患探测结果,设备专利证

25、书,三、锚杆（索）支护理论与技术,(四) 巷道冒顶隐患分级指标体系和分级方法,H2,1.建立了冒顶隐患判别准则，提出了多参量评价指标体系 主要指标：地应力、探明的顶板岩层厚度及力学性能、巷道断面跨度、煤柱尺寸、采动影响等，并加入了淋水、断层等因素。,蝶叶破裂型顶板,稳定岩层,H1,复合型顶板,三、锚杆（索）支护理论与技术,将巷道冒顶隐患分级分为级,将巷道顶板分为四级，其中级、级、级顶板的最大冒顶高度分别为1.5m、3.5m、5.5m，级顶板最大冒顶高度不确定，冒顶隐患级别最高。,(四) 巷道冒顶隐患分级指标体系和分级方法,三、锚杆（索）支护理论与技术,对具有不同冒顶隐患分级的巷道采用支护对策,

26、级、级顶板冒顶隐患较小，宜优化常规锚杆索支护参数控制冒顶，可大幅度降低支护费用，提高掘进速度。 级、级顶板冒顶隐患高，传统控制方法留有冒顶隐患，采用适合围岩变形的联合支护技术控制冒顶，消除冒顶隐患，保障顶板安全。,冒顶隐患分级区划图,(四) 巷道冒顶隐患分级指标体系和分级方法,三、锚杆（索）支护理论与技术,巷道顶板锚杆（索）支护参数,巷道跨度为5m时锚杆支护参数（无锚索支护）,(四) 巷道冒顶隐患分级指标体系和分级方法,三、锚杆（索）支护理论与技术,(四) 巷道冒顶隐患分级指标体系和分级方法,2.对全国34个矿山煤层进行了巷道冒顶隐患分级 低风险区域常规支护，防止过度支护，降低支护成本 高风险

27、区域重点支护，控制冒顶隐患,冒顶高风险区域,三、锚杆（索）支护理论与技术,(四) 巷道冒顶隐患分级指标体系和分级方法,3.形成了以隐患分级为基础的煤层巷道冒顶控制方法 进行巷道支护标准化设计 实现了差异化支护设计，可以减少浪费，杜绝冒顶事故 制定了神东矿区、赵固矿区、李家壕煤矿等32个以煤层为单位的巷道锚杆（索）支护技术标准,以隐患分级为基础进行巷道支护标准设计,三、锚杆（索）支护理论与技术,（1）对接长锚杆（ZL201020574640.0） 技术关键是连接部位结构 接头处采用鐓粗工艺，并使用内螺纹连接 采用高强连接螺栓 长度大，能替代普通锚索有效抑制塑性区的恶性扩展,(五) 新型支护材料的

28、研发,三、锚杆（索）支护理论与技术,(五) 新型支护材料的研发,（2）弹簧锚索（201410076035.3） 索体、高阻弹性装置、托盘、锚具构成，延伸量高达50%； 实验室拉伸试验 弹簧组弹性变形阶段、弹簧组屈服变形阶段、锚索整体变形阶段 微整阻、增阻和急增阻阶段 锚索延长量等于弹簧长度一半,三、锚杆（索）支护理论与技术,支护对冒顶的控制作用,解决了普通锚索不适应巷道大变形而大量破断导致冒顶的问题,弹簧锚索能够适应塑性区内破裂围岩的巨大压力和强烈变形，在围岩大变形过程中不破断，有效抑制巷道围岩塑性区的恶性扩展，防止冒顶事故。,常 规 锚 索 破 断,弹 簧 锚 索 延 伸,(五) 新型支护材

29、料的研发,三、锚杆（索）支护理论与技术,“三软”煤层巷道是指顶板软、煤质软和底板软的巷道。 影响三软煤层巷道围岩稳定性的主要因素 巷道围岩自身特点： （1）顶板岩层裂隙发育、破碎，强度低或为软顶煤，基本上是一旦失去支撑很快就冒顶； （2）煤质软，节理发育、强度低、煤层不稳定使煤壁极易片帮，而且煤壁片帮和梁端冒顶相互诱发； （3）底板软，底板岩层通常由泥岩、砂质泥岩等遇水容易泥化或崩解的岩石，或是底板岩石中含有大量高岭石、蒙脱石等遇水易膨胀的成分，这类底板特别容易造成底臌现象。,三、锚杆（索）支护理论与技术,(六)复杂困难条件下巷道支护技术体系,“三软”煤层巷道支护技术,三、锚杆（索）支护理论与

30、技术,(六)复杂困难条件下巷道支护技术体系,“三软”煤层巷道支护技术,煤岩体赋存环境特殊：“三软”煤层巷道煤岩体一般赋存于潮湿的环境中（甚至水中）这种恶劣的环境一方面会大幅度降低围岩强度，另一方面会锈蚀金属支架、锚杆等支护构件，影响支护效果。 巷道受动压影响：除受原岩应力、各种构造应力外，“三软”煤层巷道还要经受至少一次采动影响，三个应力场叠加所产生的工程偏应力对巷道围岩稳定性造成很大影响。 支护方案欠合理：由于“三软”煤层用巷道围岩稳定性影响因素众多且非常复杂，有些因素是相互交织在一起，很多时候很难用某一个机理来解释巷道的变形破坏，因此，现场在做支护设计时很难把握，导致经常出现不合理的支护方

31、案。 “三软煤层”巷道的支护问题是工程届的难题。,巷道围岩变形破坏特征：巷道变形量大，变形速度快，冒顶隐患大，煤层易片帮，有些巷道底臌十分严重。,三、锚杆（索）支护理论与技术,(六)复杂困难条件下巷道支护技术体系,“三软”煤层巷道支护技术,支护设计原则：根据每一个矿井巷道围岩工程地质条件，深入分析围岩变形破坏根源。采取一矿、一井、一条巷道、一个区域一种对策，采用联合支护方式。 “三软”煤层巷道常用的一些联合支护措施： 1、一般情况（围岩变形量小） 2、较困难情况（围岩变形量较大） 3、困难情况（围岩变形量大， 甚至达到返修需要的条件） 4、特别困难情况 （围岩破碎且断面已经严重缩小）,锚网支护

32、,锚网索喷联合支护,锚网索梁喷注联合支护,锚网索喷注+可缩性U型钢联合支护,底臌处理常用技术手段。（1）可采用注浆锚杆（索），或注浆锚杆与注浆锚索联合支护，能有效地提高底板强度，防止底臌或减小底臌量；（2）采用加长底角锚杆及底角注浆锚杆（扎角锚杆），也能有效地控制巷道底臌；（3）遇水泥化或无法在巷道底板打注浆孔时，采用封闭型可缩性U型钢支架控制底臌。,三、锚杆（索）支护理论与技术,底臌的处理方式,底臌成因复杂，找到根源，实施对策，一般原则： “强帮固顶治底臌”,一,煤矿顶板支护基本情况,四,二,金属支架支护原理与技术,三,锚杆（索）支护理论及技术,工程应用及展望,（一）对接长锚杆应用的地质条件

33、,沈煤集团蒲河煤矿西三采区集中运输巷 围岩属于典型的“三软”煤层巷道岩 矿井地质构造复杂，存在破碎带，围岩松软破碎，完整性差； 煤体抗压强度为8.58MPa，内聚力为0.57MPa，属于低强度岩体； 煤层的底板普遍赋存油母页岩等软岩，具有较强流变性和膨胀性 在开挖后3天内顶板下沉量达到300-400mm，最大达到600mm，两帮变形量达到500mm，最大能达到1000mm。,四、工程应用及展望,（二）巷道锚索破断、U型钢破坏实照,巷道变形量大，局部地区发生锚索破断，不架棚的巷道锚索破断率高达30以上，采用架棚支护的巷道U型钢支架出现折损、破坏等现象，对后期巷道维护以及安全生产有很大影响。,四、

34、工程应用及展望,（三）巷道支护对比试验,原支护（左图）：锚杆+锚索+支架+混凝土 现支护（右图）：对接长锚杆+混凝土,锚杆+锚索+支架+混凝土,对接长锚杆+混凝土,四、工程应用及展望,（四）对接长锚杆顶板深部围岩位移,在巷道开挖初期，变形量较大，尤其是前两天，顶板下沉量能达到200mm左右，两天以后顶板变形在150mm左右，且变形速度逐渐减小，总变形量在300-400mm之间；两帮移近量在200mm左右。在开挖20天后，变形速度趋于0，巷道得到稳定的控制。,四、工程应用及展望,（五）对接长锚杆支护取代锚索支护效果,（1）可以取消锚索，取消吊梁，不需架棚，大大节省了大笔巷道掘进的开支（经计算，每

35、米巷道能节省4400元左右），并且降低了工人的劳动强度； （2）减少了巷道返修量，避免误工误时； （3）长锚杆没有发生破断的情况，顶板得到了有效地控制，消除了冒顶隐患。,四、工程应用及展望,（1）要加强井下巷道围岩地质力学环境测试与分析，包括地应力、围岩强度与围岩结构的分布规律及相互作用，进一步加深对围岩物理力学特性的了解； （2）应继续开展原岩应力场、采动应力场与支护应力场测试与分析，研究“三场”分布特征及相互作用关系； （3）围岩与锚杆相互作用机理还没有完全研究清楚，锚杆与锚索协调作用机制、锚杆与注浆联合加固机理等还需要不断深入的研究；,展 望 我国煤矿极软、极破碎、超深、强烈采动影响、强烈冲击地压、强烈底臌等巷道很多，因此，仍需要进行如下攻关研究：,四、工程应用及展望,（4）锚杆支护参数设计仍以经验为主，还缺乏普遍认可的定量化设计方法在锚杆支护设计方面仍有大量基础研究工作需要开展，同时要加强现场施工质量管理以及后期巷道围岩变形监测工作。 （5）对于锚杆支护材料与构件，一方面应根据巷道支护要求，不断开发新材料、新产品；另一方面，一些矿区锚杆支护构件存在加工精度低、匹配性差等弊端，应开发应用高精度加工设备与工艺，不断提高锚杆产品质量；,四、工程应用及展望,谢谢大家！,