煤礦巷道支護的幾個技術(shù)問題

中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院煤礦巷道支護的幾個技術(shù)問題2021年12月23日提綱煤巷支護頂板平安控制技術(shù)巖巷支護圍巖強化控制技術(shù)動態(tài)分步加固技術(shù)煤巷支護----頂板平安控制技術(shù)煤礦巷道頂板控制及支護先天更困難巷道頂板失穩(wěn)規(guī)律與平安控制原理錨桿支護開展方向與平安控制技術(shù)煤巷錨桿支護工程實例圍巖賦存不均質(zhì)：巷道必須布置在煤層中，兩幫為煤體，頂?shù)装鍨檐浫鯇訝顜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條件往往都有區(qū)別；地質(zhì)構(gòu)造出現(xiàn)頻度大，難以高精度預(yù)測；圍巖強度低:圍巖松軟破碎，單軸抗壓強度小于20MPa；原巖應(yīng)力大:埋藏深，原巖應(yīng)力大；地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生的附加水平應(yīng)力強烈；動壓影響強烈：受強烈的采動影響，應(yīng)力提高3~5倍；存在大量特殊的平安技術(shù)問題:瓦斯、煤塵、煤體自燃發(fā)火、地下水、構(gòu)造等災(zāi)害嚴重。1.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〕05、06年全國煤礦死亡事故按性質(zhì)統(tǒng)計頂板占34.66%。事故起數(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。1.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〕錨桿支護技術(shù)進步顯著，平安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(shù)面臨的一大挑戰(zhàn)被動棚式支護造成巷道頂板平安狀況差，頂板事故頻繁發(fā)生；錨桿支護時頂板平安狀況仍未得到保證，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(shù)進一步推廣最突出因素是頂板平安保障。煤礦事故比例統(tǒng)計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(nèi)，負荷15~25kN/m2。擠壓型垮冒：在水平應(yīng)力和自重應(yīng)力雙重作用下，薄層狀巖體發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致弱面離層，變形持續(xù)開展，漸次向上垮冒。松脫型垮冒2.巷道頂板失穩(wěn)規(guī)律與平安控制原理擠壓型垮冒錨固區(qū)內(nèi)離層：松脫型垮冒得不到控制，錨固區(qū)產(chǎn)生裂隙，錨固強度衰減，進而導(dǎo)致錨固區(qū)整體穩(wěn)定性削弱或破壞；錨固區(qū)外離層：錨固區(qū)完整性較好，但不能阻止外層巖體漸進破壞，導(dǎo)致外層弱面離層。錨固區(qū)外離層持續(xù)開展將導(dǎo)致錨固區(qū)整體垮冒。錨桿支護巷道對應(yīng)兩種失穩(wěn)形式錨固區(qū)整體垮冒2.巷道頂板失穩(wěn)規(guī)律與平安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〞強化承載結(jié)構(gòu)，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2.巷道頂板失穩(wěn)規(guī)律與平安控制原理平安：平安可靠性要求更高，“零死亡率〞是研究錨桿支護技術(shù)首要目標(biāo)。快速：成巷速度必須與快速推進的現(xiàn)代化長壁綜采相適應(yīng)。高效：在效勞期間不進行任何翻修即能滿足長壁面生產(chǎn)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。 “平安〞和“支護效果〞已經(jīng)取代“支護本錢〞成為支護技術(shù)先進性和支護設(shè)計的出發(fā)點和評價標(biāo)準(zhǔn)。對此，形成了錨網(wǎng)支護的三項控制技術(shù)3.錨桿支護開展方向與平安控制技術(shù)高性能錨桿的概念桿體材質(zhì)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(yù)應(yīng)力；桿體外表結(jié)構(gòu)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；兩個減摩墊圈，雙重減摩措施，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力(初錨力)；并能夠調(diào)整錨桿外端受力；有醒目的標(biāo)志直觀顯示安裝施工質(zhì)量。第1項技術(shù)：高性能預(yù)拉力錨桿支護技術(shù)3.錨桿支護開展方向與平安控制技術(shù)尾部等強加工扭矩螺母桿體外型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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2項技術(shù)：小孔徑鋼絞線預(yù)拉力錨索梁技術(shù)機械張拉實現(xiàn)高預(yù)拉力預(yù)拉力范圍50~150kN提出了低張、短錨、適當(dāng)滯后的錨索使用原那么開發(fā)了幾種新的組合錨索結(jié)構(gòu)預(yù)拉力錨索梁技術(shù)雙斜拉錨索技術(shù)幫部錨索加固技術(shù)3.錨桿支護開展方向與平安控制技術(shù)肩角穩(wěn)定區(qū)肩角穩(wěn)定區(qū)機械張拉實現(xiàn)高預(yù)拉力；預(yù)拉力范圍50~150kN；抗剪切破壞能力強；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，防止頂板垮冒，確保頂板平安；結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。國內(nèi)首次研制和使用以巷道肩角穩(wěn)定區(qū)域巖層作為內(nèi)錨固支撐點，通過桁架連接器將兩根鋼絞線對拉，形成可靠護頂結(jié)構(gòu)，控制頂板離層、防止加固區(qū)整體垮冒。第3項技術(shù)：高預(yù)拉力鋼絞線桁架支護技術(shù)3.錨桿支護開展方向與平安控制技術(shù)巷道上方直接頂存在明顯軟弱夾層，在頂板中分布位置不固定7223機巷的水文地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層頂板砂巖含水豐富7123工作面尚未完全收作，7223機巷動壓影響強烈巷道掘進層位示意圖4.煤巷錨桿支護工程實例----許疃煤礦7223機巷巷道支護參數(shù)支護效果圖巷道整體支護效果圖幫部橫向桁架幫部豎向桁架4.煤巷錨桿支護工程實例----許疃煤礦7223機巷匯報提綱煤巷支護頂板平安控制技術(shù)巖巷支護圍巖強化控制技術(shù)動態(tài)分步加固技術(shù)煤炭資源的開采不斷向深部開展我國煤礦10~12m/y速度向深部開展(東部礦井10~25m/y)深井、軟巖巷道表現(xiàn)出高應(yīng)力、大變形、強烈底鼓、持續(xù)流變的特點，圍巖不能穩(wěn)定，嚴重影響生產(chǎn)和平安深部高應(yīng)力巷道是個相對性概念，傳統(tǒng)架棚支護、錨桿支護方式不能滿足支護要求一類巷道，底鼓普遍而且強烈常常在掘進時就需要屢次臥底、翻修圍巖顯著破壞的區(qū)域增加，參與變形的圍巖范圍大大拓展了,不易形成結(jié)構(gòu)效應(yīng)時間效應(yīng)強烈，變形速度快，衰減速度慢，不易長期維護人工有效支護范圍沒有根本擴大，錨固區(qū)整體移動現(xiàn)象增多1.圍巖強化控制技術(shù)1.圍巖強化控制技術(shù)應(yīng)力場的調(diào)整

區(qū)域應(yīng)力場的調(diào)整微觀應(yīng)力場的改善支護手段的創(chuàng)新支護強度的進一步提高加固范圍的進一步加大支護結(jié)構(gòu)的進一步創(chuàng)新圍巖條件的改善注漿、錨固綜合治理技術(shù)噴錨注動態(tài)分步加固技術(shù)應(yīng)力場的調(diào)整---優(yōu)先考慮，提前布置區(qū)域應(yīng)力場的調(diào)整 深部巷道布置、開采部署和最終形成的開采邊界條件對巷道穩(wěn)定性影響很大，由此產(chǎn)生的巷道變形差異很大。上行開采大范圍轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力的思路深部大范圍地下采礦活動也使得水平應(yīng)力的傳遞變得不再連續(xù)掌握大范圍開采過程中應(yīng)力場的變化規(guī)律，特別是有效阻斷水平應(yīng)力調(diào)整規(guī)律，可以大大改善巷道的維護狀況。1.圍巖強化控制技術(shù)微觀應(yīng)力場的改善

卸壓技術(shù):將巷道上方及周圍巖體的高應(yīng)力區(qū)及高應(yīng)力值降低，并將其高應(yīng)力區(qū)及高應(yīng)力值向煤體深部轉(zhuǎn)移，使巷道上方及周圍巖體的應(yīng)力增高區(qū)變?yōu)閼?yīng)力降低區(qū)。解放層開采解放了巷道壓力1.圍巖強化控制技術(shù)合理規(guī)劃近距離煤層開采順序和巷道位置緩解了支護難度雙巷布置保護了主要巷道支護手段的創(chuàng)新錨桿承載能力的強化巷道圍巖強度的強化關(guān)鍵承載部位的強化

支護效能進一步提高加固范圍進一步加大支護結(jié)構(gòu)進一步創(chuàng)新1.圍巖強化控制技術(shù)巷道開挖支護加固三向應(yīng)力狀態(tài)穩(wěn)定圍巖恢復(fù)三向應(yīng)力狀態(tài)改善圍巖完整性二向應(yīng)力狀態(tài)

只有錨桿支護能同時實現(xiàn)以上三種功能錨桿類支護替代U型鋼支護是目前技術(shù)階段的必然選擇，是技術(shù)追求的方向。錨桿承載性能的強化提高圍巖強度1.圍巖強化控制技術(shù)巷道圍巖強度的強化錨固體的力學(xué)性能改善注漿加固體的力學(xué)性能改善侯朝炯教授提出圍巖強度強化理論關(guān)鍵破壞區(qū)域是客觀存在的由于圍巖的賦存不均勻性，有軟弱區(qū)域由于圍巖應(yīng)力場的非對稱性，有不同的破壞特征淺埋巷道治理的中心是頂板，建立了梁式、拱式等非封閉式承載結(jié)構(gòu)深井高應(yīng)力軟巖巷道是全方位大范圍變形破壞，必須形成封閉式環(huán)形對稱或非對稱承載結(jié)構(gòu)關(guān)鍵承載部位的強化1.圍巖強化控制技術(shù)關(guān)鍵部位的強化分階段動態(tài)加固原理隨巷道開挖圍巖賦存狀態(tài)動態(tài)變化，圍巖強度不斷降低；在該過程中圍巖總能保持一定自穩(wěn)能力，但隨其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部約束的變化而消長；巷道圍巖變形和破壞表現(xiàn)為明顯階段性特征，各階段力學(xué)性能和強度變化規(guī)律各不相同，動態(tài)監(jiān)測巷道圍巖的變形和強度弱化過程，針對性地采取加固補強措施，才可能最經(jīng)濟地維護軟巖巷道的穩(wěn)定。單一的支護方式都不能滿足圍巖變形

，不同支護技術(shù)的組合，同一支護不同加固時機對巷道圍巖的變形和穩(wěn)定有不同的影響，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化選擇；支護選型應(yīng)以充分利用和維持圍巖自穩(wěn)能力，強化圍巖支撐結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)先選擇主動加固方式的支護技術(shù)，包括混凝土噴層、錨桿支護、圍巖注漿加固等技術(shù)。2.動態(tài)分步加固技術(shù)動態(tài)分步控制技術(shù)手段高強預(yù)應(yīng)力〔錨桿〕支護高性能錨桿預(yù)拉力鋼絞線桁架M型鋼帶大孔徑錨索、組合錨索滯后注漿加固技術(shù)組合支護的分步實施軟巖噴錨注分步加固技術(shù)煤巷組合支護的分步實施破碎煤巖體的加固技術(shù)注漿錨索鉆錨注一體化技術(shù)自固式錨桿玻璃鋼錨桿等新型支護材料2.動態(tài)分步加固技術(shù)及時噴表達“讓壓〞、“護頂〞適時錨形成有效的支護結(jié)構(gòu)和支護強度采用新型的高強預(yù)應(yīng)力錨桿滯后注漿把握注漿時機注漿材料動態(tài)分步控制技術(shù)的關(guān)鍵一項新技術(shù)：新型錨注技術(shù)薄壁管式錨桿和水泥漿為根底的錨注技術(shù)錨桿強度低注漿加固效果差充填注漿、灌注新型高強螺紋管式錨注一體化技術(shù)桿體強度高、錨固性能好化學(xué)注漿滲透性強裂隙加固2.動態(tài)分步加固技術(shù)3.工程例如----朱仙莊二水平巷道治理初噴架U型棚錨桿錨索加強滯后注漿反拱加固初噴錨網(wǎng)基本支護關(guān)鍵部位加強錨索、桁架支護局部卸壓圍巖注漿反拱加固施工流程圖第一套方案第二套方案工程例如----朱仙莊二水平巷道治理巷道整體支護效果圖與導(dǎo)師合影及聯(lián)系方式聯(lián)系方式李桂臣博士張農(nóng)教授博導(dǎo)

E-mail:liguichen@126張農(nóng)，中國礦業(yè)大學(xué)博士、教授、博士生導(dǎo)師、中國煤炭工業(yè)協(xié)會煤礦支護專業(yè)委員會專家組成員，中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會軟巖工程專業(yè)委員會委員，國家級重點學(xué)科采礦工程學(xué)科青年學(xué)術(shù)帶頭人，?采礦與平安工程學(xué)報?、?煤礦支護?雜志編委。曾獲得政府特殊津貼(2021)，江蘇