張農-煤礦巷道支護的幾個技術問題133張課件

煤礦巷道支護的幾個技術問題

（第一部分）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室中國礦業(yè)大學采礦工程學院張農副院長/博士/博導2019年11月9/5/20231煤礦巷道支護的幾個技術問題

（第一部分）煤炭資源與安全開采國匯報提綱煤巷錨桿支護中層狀頂板的安全控制技術及實踐煤巷高性能錨桿支護技術及應用高應力軟巖巷道強化控制技術及實踐動壓巷道的施工過程控制技術及實踐水患泥巖巷道的治理技術及實踐9/5/20232匯報提綱煤巷錨桿支護中層狀頂板的安全控制技術及實踐7/31/圍巖賦存不均質：巷道必須布置在煤層中，兩幫為煤體，頂?shù)装鍨檐浫醯膶訝顜r體；圍巖條件變化頻繁：同一煤層不同塊段、同一塊段不同位置頂板賦存條件往往都有區(qū)別；地質構造出現(xiàn)頻度大，尚難以高精度預測；圍巖強度低:

圍巖松軟破碎，單軸抗壓強度小于20MPa；原巖應力大:

埋藏深，原巖應力大；地質構造產生的附加水平應力強烈；動壓影響強烈：受強烈的采動影響，應力提高3~5倍；存在大量特殊的安全技術問題:

瓦斯、煤塵、煤體自燃發(fā)火、地下水、構造等災害嚴重。煤礦巷道頂板控制及支護先天更困難（與其它巖土工程相比）9/5/20233煤礦巷道頂板控制及支護先天更困難7/31/202332019、2019年全國煤礦死亡事故按事故性質統(tǒng)計頂板事故占34.66~34%，巷道頂板事故占有相當?shù)谋壤鹿势饠?shù)，頂板50%、運輸21%、瓦斯9％；死亡人數(shù)，頂板34％、瓦斯33％、運輸13％；事故嚴重性，瓦斯最為嚴重，平均每起6.2人；水害次之，平均每起4.5人。9/5/202342019、2019年全國煤礦死亡事故按事故性質統(tǒng)計頂板事故占錨桿支護技術進步顯著，安全可靠性問題仍很突出錨固區(qū)外的弱面離層是錨桿支護技術面臨的一大挑戰(zhàn)被動的棚式支護造成巷道頂板安全狀況差，頂板事故頻繁發(fā)生；采用煤巷錨桿技術后，但頂板安全狀況仍未得到根本保證，冒頂事故時有發(fā)生；冒頂率：3~5m/萬m；事故率：1人/3~5萬m

近幾年，制約煤巷錨桿技術進一步推廣的最突出因素是頂板的安全保障。9/5/20235錨桿支護技術進步顯著，安全可靠性問題仍很突出近幾年，制約煤巷頂板結構復雜，松散破碎層一般超過6~8m；結構穩(wěn)定性差，空頂自穩(wěn)時間十幾分鐘，隨掘隨冒；采深大，水平構造應力對巖層弱面的破壞作用顯著，層間錯動和離層礦壓顯現(xiàn)強烈；地下水和瓦斯賦存進一步消弱圍巖強度和穩(wěn)定性；采用U型鋼可縮支架支護時有效斷面最小只有1.0m2。極易離層破碎型頂板典型綜合柱狀圖示例：淮南礦區(qū)典型的復合頂板（Ⅳ、Ⅴ類）采用錨桿支護的難度很大，可靠性要求很高9/5/20236頂板結構復雜，松散破碎層一般超過6~8m；極易離層破碎型頂板兩種典型的垮冒型式松脫型垮冒：垮冒范圍一般在0.5~1.5m內，負荷15~25kN/m2。松脫型垮冒2.頂板的失穩(wěn)規(guī)律9/5/20237兩種典型的垮冒型式松脫型垮冒2.頂板的失穩(wěn)規(guī)律7/31/20擠壓型垮冒：在水平應力和自重應力雙重作用下，薄層狀巖體發(fā)生彎曲變形，導致弱面離層，變形持續(xù)發(fā)展，漸次向上垮冒。擠壓型垮冒2.頂板的失穩(wěn)規(guī)律9/5/20238擠壓型垮冒：在水平應力和自重應力雙重作用下，薄層狀巖體發(fā)錨固區(qū)內離層：松脫型垮冒得不到控制，錨固區(qū)產生裂隙，錨固強度衰減，進而導致錨固區(qū)整體穩(wěn)定性的削弱或破壞；錨固區(qū)外離層：錨固區(qū)的完整性較好，但不能阻止外層巖體的漸進破壞，導致外層弱面離層。錨固區(qū)外離層的持續(xù)發(fā)展將導致錨固區(qū)整體垮冒。

對應的兩種錨桿支護失穩(wěn)形式錨固區(qū)整體垮冒9/5/20239錨固區(qū)內離層：松脫型垮冒得不到控制，錨固區(qū)產生裂隙，錨固強度3.頂板安全的控制原理提高支護效能，及時主動有效加固頂板，消除松脫型冒頂增大錨固范圍，消弱層狀頂板沿弱面的漸次離層和垮冒建立“楔形”的強化承載結構，防止錨固區(qū)外離層和擠壓型冒頂Ⅳ、Ⅴ類巷道頂板離層控制原理圖9/5/2023103.頂板安全的控制原理提高支護效能，及時主動有效加固頂板，示例：三河尖礦綜放煤巷頂板控制技術9/5/202311示例：三河尖礦綜放煤巷頂板控制技術7/31/202311迎回采面留小煤柱沿空掘巷的平面布置9/5/202312迎回采面留小煤柱沿空掘巷的平面布置7/31/202312經受采動過程中9/5/202313經受采動過程中7/31/202313迎工作面對掘留小煤柱巷道9/5/202314迎工作面對掘留小煤柱巷道7/31/202314迎回采工作面留小煤柱留頂煤時的頂板控制情況9/5/202315迎回采工作面留小煤柱留頂煤時的頂板控制情況7/31/2023留小煤柱穩(wěn)定沿空掘巷段錨帶網與錨索組合支護9/5/202316留小煤柱穩(wěn)定沿空掘巷段錨帶網與錨索組合支護7/31/2023實體段錨帶網支護9/5/202317實體段錨帶網支護7/31/202317傳統(tǒng)的機械式點錨固錨桿←→高強樹脂錨桿1945～1950：機械式錨桿的研究與應用。1950～1960：采礦業(yè)廣泛采用機械式錨桿，開始對錨桿進行系統(tǒng)研究。50～60年代，機械點錨固錨桿使用局限使錨桿支護出現(xiàn)徘徊；1960～1970：發(fā)明了樹脂藥卷，引發(fā)錨桿技術的一次革命，樹脂錨桿在礦山得到應用。隨后樹脂全長錨固錨桿的發(fā)明應用使它成為80年代以后的主要支護形式。1970～1980：發(fā)明管縫式錨桿、水力賬管式錨桿并應用，研究錨桿新的設計方法，長錨索產生。1980～1990：混合錨頭錨桿、組合錨桿、桁架錨桿及各種特種錨桿得到應用，樹脂錨固材料得到改進。9/5/202318傳統(tǒng)的機械式點錨固錨桿←→高強樹脂錨桿7/31/202313.煤巷錨桿支護技術的發(fā)展方向安全可靠性問題錨固區(qū)外的弱面離層是高強錨桿支護技術面臨的一大挑戰(zhàn)，必須圍繞確保大大減緩頂板離層或根本消除離層這一中心開展控制理論和技術研究，才可能取得突破。50—60年代，機械點錨固錨桿使用局限使錨桿支護出現(xiàn)徘徊，隨后樹脂全長錨固錨桿的發(fā)明應用使它成為80年代以后的主要支護形式。

傳統(tǒng)的機械式點錨固錨桿←→高強樹脂錨桿←→？如何實現(xiàn)錨桿的高承載性能？9/5/2023193.煤巷錨桿支護技術的發(fā)展方向安全可靠性問題如何實現(xiàn)錨桿的高安全：安全可靠性要求更高，“零死亡率”是研究錨桿支護技術的首要目標?？焖伲撼上锼俣缺仨毰c快速推進的現(xiàn)代化長壁綜采相適應。高效：在服務期間不進行任何翻修即能滿足長壁面生產所需的有效斷面，并努力簡化回采動壓影響期間的超前加強支護，最終取消加強支護。 “安全”和“支護效果”已經取代“支護成本”成為支護技術先進性和支護設計的出發(fā)點和評價標準。 目前主導的錨桿支護技術尚不能完全滿足上述目標。

3.錨桿支護的發(fā)展方向9/5/202320安全：安全可靠性要求更高，“零死亡率”是研究錨桿支護技術的首高性能錨桿的概念指桿體材質符合高強度、延伸率要求、外形符合錨固要求、附件完整、整體強度和幾何尺寸匹配、能夠滿足鉆機連續(xù)一體化安裝并實現(xiàn)高預應力；錨桿桿體表面結構優(yōu)化，實現(xiàn)高粘低阻（左旋無縱筋、右旋無縱筋螺紋鋼）；外端螺紋部采用低強度損失、無強度損失或增強加工新工藝；加兩個減摩墊圈，雙重減摩措施，保證實現(xiàn)預應力（初錨力）；并能夠調整錨桿外端受力；有醒目的標志直觀顯示安裝施工質量。第一項技術：高性能預拉力錨桿支護技術9/5/202321高性能錨桿的概念第一項技術：高性能預拉力錨桿支護技術7/31實現(xiàn)了錨桿安裝的機械化、連續(xù)化；保證了20~30kN以上的預拉力；控制了頂板的松脫垮冒，初始支護強度達到30~45kN/m2。第一項技術：高性能預拉力錨桿支護技術尾部等強加工扭矩螺母桿體外型結構優(yōu)化原尾部損傷加工9/5/202322實現(xiàn)了錨桿安裝的機械化、連續(xù)化；保證了20~30kN以上的預抗撕裂，容易與圍巖密貼，適應破碎不平整煤巷頂板條件,保障了整體錨固效果；

克服了W型鋼帶、鋼筋梯子梁等常用鋼帶的主要缺陷。新型M型鋼帶和Π型鋼帶M型鋼帶及井下應用Π型鋼帶及井下應用9/5/202323抗撕裂，容易與圍巖密貼，適應破碎不平整煤巷頂板條件,保障了整通過多層易離層巖體的整體錨固，消弱層狀頂板沿弱面的漸次離層和垮冒。第二項技術：小孔徑鋼絞線預拉力錨索梁技術機械張拉實現(xiàn)高預拉力；預拉力范圍50～150kN；提出了低張、短錨、適當滯后的錨索使用原則；

開發(fā)了幾種新的組合錨索結構；預拉力錨索梁技術雙斜拉錨索技術幫部錨索加固技術通過多層易離層巖體的整體錨固，消弱層狀頂板沿弱肩角穩(wěn)定區(qū)肩角穩(wěn)定區(qū)第三項技術：高預拉力鋼絞線桁架支護技術機械張拉實現(xiàn)高預拉力；預拉力范圍50～150kN；抗剪切破壞能力強；結構穩(wěn)定可靠，防止頂板垮冒，確保頂板安全；結構簡單，安裝方便。國內首次研制和使用以巷道肩角穩(wěn)定區(qū)域巖石作為內錨固支撐點，通過桁架連接裝置將兩根鋼絞線對拉，形成可靠的護頂結構，控制頂板的離層、防止頂板加固區(qū)整體垮冒。肩角穩(wěn)定區(qū)肩角穩(wěn)定區(qū)第三項技術：高預拉力鋼絞線桁架支護技術機煤巷支護技術的階段性發(fā)展強度粘結力初錨力(工作阻力)可靠性使用范圍技術特征50~60年代：機械點錨固錨桿技術低低低低很小四低一小80~90年代末：高強螺紋鋼錨桿技術高高低低較小兩高兩低2019年開始：高性能預拉力支護技術高高高高大四高一大9/5/202326煤巷支護技術的階段性發(fā)展強度粘結力初錨力可靠性使用技術特征5高強錨桿支護體系：兩高兩低

高強度、高粘結力、低初錨力（工作阻力）、低可靠性高強預應力支護體系：四高一大

高強度、高粘結力、高預拉力（工作阻力）、高可靠性、大間排距錨固技術取得突破錨桿支護材料強度迅速提高9/5/202327高強錨桿支護體系：兩高兩低錨固技術取得突破7/31/2023ZL201920120629.7

一種柔性抗剪錨桿ZL201920026908.1

一種與錨桿配套的墊圈ZL201920026905.8

一種礦用巷道臨時支柱器ZL201920026907.7

一種與錨桿配套的檢測墊圈ZL201920192790.8

一種高翼緣抗撕裂礦山支護用鋼帶

ZL201920192791.2

雙張拉鋼絞線連接器201910041386.7

一種控制煤巖頂幫變形的桁架支護技術

201910041465.8

煤層巷道三維錨索支護技術受理13項發(fā)明專利,已獲得11項授權9/5/202328ZL201920120629.7受理13項發(fā)明專利,已示例：淮南謝橋8槽煤層

大間排距預拉力錨桿支護8槽煤層松軟，平均厚度3.5m，直接頂為深灰色、致密塊狀的泥巖，厚度為0～4.4m，埋深570ｍ，地壓較大。巷道沿頂板掘進，用于綜采兩道；設計方案：單一預拉力錨帶網支護9/5/202329示例：淮南謝橋8槽煤層

大間排距預拉力錨桿支護8槽煤