煤礦巷道支護(hù)理論與技術(shù)及應(yīng)用(康紅普院士)課件

“實(shí)用礦山壓力理論與實(shí)踐”學(xué)術(shù)研討會(huì)煤礦巷道支護(hù)理論與技術(shù)

康紅普煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院匯報(bào)提綱一、前言二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)四、應(yīng)用實(shí)例與效果五、展望一、前言我國(guó)煤礦90%是井工開(kāi)采井工開(kāi)采示意圖每年新掘巷道總長(zhǎng)度1萬(wàn)余公里年新掘巷道長(zhǎng)度相當(dāng)于地球直徑規(guī)模巨大，世界第一煤礦巷道工程的規(guī)模1一、前言大巷井底車(chē)場(chǎng)礦井生產(chǎn)、安全通道承擔(dān)行人、通風(fēng)、運(yùn)輸任務(wù)巷道不暢通，井下開(kāi)采工作都無(wú)法進(jìn)行煤礦巷道工程的重要性2一、前言堵塞“血管”發(fā)生事故造成生產(chǎn)癱瘓劇烈底臌沖擊地壓頂板垮落巷道大變形原巷道斷面現(xiàn)巷道斷面頂板下沉煤幫擠出1.5m一、前言3.1煤礦沉積巖層地質(zhì)特點(diǎn)頂板巖石鉆孔觀測(cè)圖結(jié)構(gòu)面發(fā)育，破碎強(qiáng)度低(煤5-20MPa，巖石10-60MPa)開(kāi)采深度大(最大1500m)，地應(yīng)力高，構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜淮南煤田地質(zhì)構(gòu)造分布圖煤礦巷道工程的特點(diǎn)3一、前言回采工作面周?chē)鷳?yīng)力分布矩形巷道圍巖受力狀況矩形巷道斷面回采巷道服務(wù)時(shí)間短采動(dòng)影響強(qiáng)烈（2-5倍原巖應(yīng)力），范圍大煤柱寬度小甚至無(wú)煤柱3.2生產(chǎn)特點(diǎn)一、前言高地應(yīng)力巷道變形嚴(yán)重回采巷道受力與變形狀態(tài)支護(hù)速度與成本要求苛刻巷道支護(hù)狀態(tài)特殊：服務(wù)時(shí)間短，允許有一定變形，但必須穩(wěn)定；采后能及時(shí)垮落松軟、破碎、高應(yīng)力等復(fù)雜困難巷道比重大(60%)煤礦巷道支護(hù)的難度4一、前言木支護(hù)砌碹支護(hù)型鋼支護(hù)錨桿支護(hù)煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程5一、前言錨桿支護(hù)一、前言錨桿類(lèi)型直徑/mm拉斷載荷/kN預(yù)應(yīng)力/kN錨固方式低強(qiáng)度14-2050-1200-10端部錨固高強(qiáng)度18-22120-20010-20端錨、加長(zhǎng)錨固高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度20-25200-40060-120加長(zhǎng)、全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固早期適用于簡(jiǎn)單條件(5%)不能滿足困難巷道支護(hù)解決復(fù)雜巷道支護(hù)難題煤礦巷道錨桿支護(hù)發(fā)展過(guò)程6低強(qiáng)度錨桿高強(qiáng)度錨桿高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿匯報(bào)提綱一、前言二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)四、應(yīng)用實(shí)例與效果五、展望二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展錨桿支護(hù)作用的認(rèn)識(shí)過(guò)程現(xiàn)有錨桿支護(hù)理論1懸吊作用（只考慮拉伸作用）錨固區(qū)內(nèi)形成結(jié)構(gòu)(梁、層、拱、殼)改善錨固圍巖力學(xué)性能與應(yīng)力狀態(tài)懸吊組合梁加固拱錨固前后應(yīng)力應(yīng)變曲線二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展一次支護(hù)(簡(jiǎn)單條件)巷道二次支護(hù)后變形破壞圖二次支護(hù)(復(fù)雜困難條件)：兩次支護(hù)，先柔后剛，先讓后抗深部高應(yīng)力、強(qiáng)烈動(dòng)壓影響、松軟破碎圍巖巷道，二次支護(hù)后仍出現(xiàn)變形破壞，需三次、四次支護(hù)甚至多次支護(hù)二次支護(hù)圖錨桿支護(hù)過(guò)程的認(rèn)識(shí)二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展不連續(xù)、不協(xié)調(diào)變形連續(xù)變形錨桿支護(hù)的本質(zhì)作用與關(guān)鍵參數(shù)對(duì)錨桿支護(hù)作用的新認(rèn)識(shí)2錨桿預(yù)應(yīng)力及擴(kuò)散起關(guān)鍵作用：大幅提高預(yù)應(yīng)力，并實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散，可抑制圍巖不連續(xù)、不協(xié)調(diào)變形圍巖變形形式：不連續(xù)、不協(xié)調(diào)變形；連續(xù)、整體變形。錨桿主要對(duì)前者起作用二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展

U型鋼金屬支架應(yīng)力場(chǎng)掘進(jìn)工作面錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)

單體支柱應(yīng)力場(chǎng)巷道錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)概念：支護(hù)在圍巖及本身內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展主動(dòng)支護(hù)系數(shù)：預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)度系數(shù)：llpkl=有效壓應(yīng)力區(qū)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散系數(shù)：臨界支護(hù)剛度支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)示意圖提出描述支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的指標(biāo)二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展結(jié)構(gòu)面分布及力學(xué)參數(shù)注漿的重要作用無(wú)結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面寬度5mm結(jié)構(gòu)面對(duì)群錨的影響支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的主要影響因素二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展原巖、采動(dòng)及支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)成煤礦井下綜合應(yīng)力場(chǎng)原巖+采動(dòng)+支護(hù)=綜合應(yīng)力場(chǎng)支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)采煤工作面周?chē)鷳?yīng)力分布原巖應(yīng)力場(chǎng)以應(yīng)力場(chǎng)為主線，將原巖體、采動(dòng)體及支護(hù)體有機(jī)結(jié)合在一體。巷道支護(hù)、巖層控制歸結(jié)為“三場(chǎng)”相互作用綜合應(yīng)力場(chǎng)概念二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展連續(xù)巖體非連續(xù)巖體設(shè)置在開(kāi)挖表面的巷道支護(hù)圍巖響應(yīng)曲線錨桿支護(hù)圍巖響應(yīng)曲線3金屬支架支護(hù)P0二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展錨桿包括插入煤巖體內(nèi)部分(桿體、錨固劑)，表面構(gòu)件（托板、鋼帶及網(wǎng)）。錨桿支護(hù)原理與支架有本質(zhì)區(qū)別，不能再用支架的圍巖響應(yīng)曲線。錨桿支護(hù)圍巖響應(yīng)曲線錨桿支護(hù)圍巖受力圖PP時(shí)間錨桿受力錨桿受力實(shí)測(cè)曲線二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展井下錨桿受力實(shí)測(cè)曲線—5種類(lèi)型31524曲線1對(duì)應(yīng)預(yù)應(yīng)力低，被動(dòng)支護(hù)，受力小，支護(hù)不明顯曲線5對(duì)應(yīng)高預(yù)應(yīng)力，錨固區(qū)位移差小，受力變化不大曲線2、3、4，雖然施加一定預(yù)應(yīng)力，但都小于臨界值，不能有效控制圍巖早期的離層無(wú)支護(hù)零強(qiáng)度線彈性支護(hù)壓力邊界位移二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展曲線1支護(hù)作用不明顯，與無(wú)支護(hù)相差不大曲線5，高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)有效控制圍巖位移曲線3錨桿破斷前圍巖位移較小，破斷后圍巖位移急劇增大錨桿支護(hù)圍巖響應(yīng)曲線12453曲線2圍巖較大位移后能趨于

穩(wěn)定曲線4圍巖較大位移，不能穩(wěn)定錨桿支護(hù)響應(yīng)曲線二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展不垂直，不是理想的拉伸受拉、彎、扭、剪切桿體受力極不均勻，大部分錨桿在屈服狀態(tài)下工作高強(qiáng)度，高延伸，高沖擊韌性井下錨桿受力狀態(tài)4二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展123456錨桿控制錨固區(qū)不連續(xù)、不協(xié)調(diào)變形，保持圍巖完整，減小強(qiáng)度降低錨桿預(yù)應(yīng)力及其有效擴(kuò)散起決定性作用原巖、采動(dòng)與支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)“三場(chǎng)”相互作用與協(xié)調(diào)錨桿支護(hù)系統(tǒng)具有足夠延伸率和沖擊韌性，一方面使圍巖連續(xù)變形釋放，另一方面避免局部破壞圍巖破碎，不利于預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散時(shí)應(yīng)注漿困難巷道采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)，實(shí)現(xiàn)一次支護(hù)有效控制圍巖變形，盡量避免二次支護(hù)高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論5匯報(bào)提綱一、前言二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)四、應(yīng)用實(shí)例與效果五、展望三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)基于地質(zhì)力學(xué)測(cè)試、以錨固與注漿加固為核心的煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)。高預(yù)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系列材料與構(gòu)件高預(yù)應(yīng)力施工機(jī)具與工巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試方法與儀器基于地質(zhì)力學(xué)測(cè)試的動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系列材料與構(gòu)件破碎煤巖體系列注漿材料高預(yù)應(yīng)力施工機(jī)具與工藝巷道礦壓與安全監(jiān)測(cè)儀器123456三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)提出單孔、多參數(shù)、耦合地質(zhì)力學(xué)原位快速測(cè)試方法單孔完成地應(yīng)力、強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)及相互耦合關(guān)系測(cè)試巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試方法與儀器1三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)開(kāi)發(fā)出配套測(cè)試儀器(2項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利)巖層封隔器傳感器流量計(jì)油泵儲(chǔ)能器-1手動(dòng)泵采集儀儲(chǔ)能器-2升降器注水管手動(dòng)泵壓力表壓力－位移同步采集儀探針位移計(jì)升降器安裝桿巖層探頭探針SYY-56型小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了井下地應(yīng)力快速測(cè)量WQCZ-56型小孔徑煤巖體強(qiáng)度測(cè)定裝置，解決了破碎煤巖體強(qiáng)度測(cè)量難題三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)KDBC-56型數(shù)字全景鉆孔窺視儀，解決了結(jié)構(gòu)參數(shù)定量測(cè)量難題主機(jī)滑輪安裝桿信號(hào)轉(zhuǎn)換器光電編碼器升降器攝像頭巖層數(shù)字全景鉆孔窺視儀鉆孔結(jié)構(gòu)觀測(cè)圖片三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)地質(zhì)力學(xué)測(cè)點(diǎn)分布三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)得出煤礦井下地應(yīng)力分布規(guī)律地應(yīng)力與埋深的關(guān)系側(cè)壓比與埋深的關(guān)系主應(yīng)力隨深度增加而增大，但存在明顯離散主應(yīng)力受地質(zhì)構(gòu)造、煤巖體強(qiáng)度與剛度等因素影響明顯三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)估算地應(yīng)力的公式平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值隨埋深變化k-平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力比值H-埋藏深度，m三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)得出煤巖體強(qiáng)度分布規(guī)律頂板抗壓強(qiáng)度分布-寧煤煤層抗壓強(qiáng)度分布-淮南三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程—?jiǎng)討B(tài)信息設(shè)計(jì)確定合理的初始支護(hù)設(shè)計(jì)信息反饋與修正設(shè)計(jì)巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估建立數(shù)值模型，多支護(hù)方案比較井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析基于地質(zhì)力學(xué)測(cè)試的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)2三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)巷道支護(hù)初始設(shè)計(jì)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)建立數(shù)值模型采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算巷道圍巖應(yīng)力變形分析確定支護(hù)方案三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)錨桿支護(hù)材料與構(gòu)件的組成錨桿支護(hù)構(gòu)件錨桿桿體及附件錨固劑護(hù)表構(gòu)件(鋼帶、金屬網(wǎng))錨索高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系列材料與構(gòu)件3三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)復(fù)雜困難巷道對(duì)支護(hù)材料的要求井下錨桿支護(hù)構(gòu)件鋼帶螺母金屬網(wǎng)托板桿體球形墊圈桿體不僅強(qiáng)度高，且延伸率大、沖擊韌性高有利于錨桿預(yù)應(yīng)力與工作阻力擴(kuò)散的護(hù)表構(gòu)件各構(gòu)件力學(xué)性能匹配可操作性經(jīng)濟(jì)性三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)強(qiáng)力錨桿強(qiáng)力錨桿桿體超高強(qiáng)度、高延伸率、高沖擊韌性錨桿，解決了錨桿破斷難題。

牌號(hào)直徑/mm屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率/%沖擊吸收功/JB500B600B70018-2550060070067078085018-2560-160三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)樹(shù)脂藥卷樹(shù)脂錨固劑固化快，及時(shí)施加預(yù)應(yīng)力固化時(shí)間可調(diào)高粘結(jié)力、高變性模量W型鋼帶鋼帶W型鋼帶M型鋼帶鋼梁三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)強(qiáng)力錨索（發(fā)明專(zhuān)利）1×19結(jié)構(gòu)錨索及斷面公稱(chēng)直徑/mm拉斷載荷/kN伸長(zhǎng)率()/%18408720510722607728.690071×19結(jié)構(gòu)，斷面更加合理拉斷載荷顯著提高，最大900kN

延伸率提高1倍三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)系列化學(xué)注漿材料實(shí)驗(yàn)室試塊井下加固塊體鉆孔觀測(cè)的加固效果聚氨酯加固與堵水材料聚氨酯—水玻璃復(fù)合材料脲醛樹(shù)脂加固材料不飽和聚酯加固材料配套注漿工藝系列化學(xué)注漿材料4三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)為滿足高預(yù)應(yīng)力錨桿施工要求，開(kāi)發(fā)了系列預(yù)應(yīng)力設(shè)備大扭矩預(yù)緊扳手風(fēng)動(dòng)扳手：265-880Nm液壓扳手：340-1600Nm扭矩倍增器與單體錨桿鉆機(jī)配套扭矩放大倍數(shù)6倍，最大扭矩800N.m高預(yù)應(yīng)力施工機(jī)具與工藝5三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)為克服大扭矩下錨桿扭轉(zhuǎn)屈服、損傷，發(fā)明了相關(guān)設(shè)備預(yù)應(yīng)力錨桿抗扭轉(zhuǎn)增矩扳手(發(fā)明專(zhuān)利)預(yù)應(yīng)力錨桿液壓張拉器(發(fā)明專(zhuān)利)設(shè)計(jì)出消除錨桿扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的扳手結(jié)構(gòu)解決錨桿扭轉(zhuǎn)屈服、高預(yù)應(yīng)力施加難題類(lèi)似張拉錨索張拉錨桿獲得穩(wěn)定預(yù)緊力，150kN錨桿安裝只受拉，受力狀態(tài)最好錨桿抗扭轉(zhuǎn)增矩扳手結(jié)構(gòu)巖層W鋼帶錨桿托板螺母球墊減摩墊三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)巷道支護(hù)實(shí)施于井下后，必須進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)支護(hù)效果，修改設(shè)計(jì)，確保安全礦壓監(jiān)測(cè)內(nèi)容支護(hù)體應(yīng)力圍巖位移采動(dòng)應(yīng)力表面位移頂板離層深部位移錨桿受力錨索受力煤柱應(yīng)力支承壓力巷道礦壓與安全監(jiān)測(cè)儀器6三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)綜合礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)匯報(bào)提綱一、前言二、煤礦巷道支護(hù)理論的發(fā)展三、煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)四、應(yīng)用實(shí)例與效果五、展望四、應(yīng)用實(shí)例與效果研究成果已推廣應(yīng)用于全國(guó)各大煤礦區(qū)解決了5類(lèi)復(fù)雜困難巷道支護(hù)難題深部高地應(yīng)力巷道沿空巷道極軟巖巷道破碎圍巖巷道強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷道四、應(yīng)用實(shí)例與效果應(yīng)用實(shí)例1新汶超千米深井巷道巷道埋深最大水平主應(yīng)力1150m34.6MPa四、應(yīng)用實(shí)例與效果應(yīng)用實(shí)例2淮南深井軟巖沿空留巷巷道埋深煤層強(qiáng)度700m12MPa頂板37MPa四、應(yīng)用實(shí)例與效果應(yīng)用實(shí)例3平莊極軟巖巷道煤層強(qiáng)度9MPa頂板抗壓強(qiáng)度5-15MPa四、應(yīng)用實(shí)例與效果應(yīng)用實(shí)例4潞安強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷道與鄰近采煤工作面對(duì)掘，掘進(jìn)、二次動(dòng)壓影響

四、應(yīng)用實(shí)例與效果為煤礦提供了首選的、安全高效的巷道支護(hù)技術(shù)，顯著提升了圍巖控制理論與技術(shù)水平煤礦巷道錨桿支護(hù)率1990年15%，