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1、深井高地应力巷道锚杆支护的成套技术应用 目录 一 国内深部开采现状二 深部巷道支护研究现状三 深井巷道锚杆支护成套技术内容四 应用与效果五 经济与社会效益六 主要结论与建议 一 国内深部开采现状 我国煤矿开采深度以8 12m 年的速度增加 东部矿井10 25m 年 国有重点煤矿 开采深度达1000m深矿井有数十处 最大采深超过1300m 主要分布在新汶 淄博 开滦 北票 沈阳 徐州 淮南 长广等矿区 1980年平均开采深度288m 1995年428 83m 2000年以后超过了500m 一 国内深部开采现状 随着煤炭科学技术进步 矿山现代化促进了生产的高产高效 进一步加速矿井深度的增加 浅矿井
2、数目大为减少 中深矿井数目明显增加 深矿井将成倍增加 并将出现更多的特深矿井 预计在未来20年我国很多煤矿将进入到1000 1500m的开采深度 一 国内深部开采现状 高地应力 垂直应力明显增大 深部岩体形成历史久远 构造应力场复杂 应力高 高地温 地温梯度30 50 C km 热胀冷缩 温度变化1 产生0 4 0 5MPa应力变化 高岩溶水压 地应力与地温升高 岩溶水压升高 矿井突水严重 开采扰动 高地应力下 采动影响强烈 地压大 破坏严重 一 国内深部开采现状 深部岩体的脆弱 塑性转化在不同围压下岩石表现出不同的特性 在较低围压下脆性 在高围压下转化为塑性 深部岩体的流变特性在深部高应力作
3、用下 岩石具有较强的时间效应 表现为明显的流变或蠕变 深部岩体的扩容特性在大偏应力下岩石内部节理 裂隙 裂纹张开 出现新裂纹导致岩石体积增大 扩容膨胀 一 国内深部开采现状 矿山工程垮落 冒顶发生频率增加矿井深度增大 围岩应力高于围岩强度 增大围岩的失稳性和支护难度 极易导致顶板垮落 出现事故 冲击地压与煤岩突出灾害明显加剧随着矿井深度增大 煤岩体应力加大 冲击地压发生的频率 强度和规模随之增加 矿压显现强烈 巷道变形量明显增大 给矿山生产系统安全运行带来严重问题 二 深部巷道支护研究现状 一 深部巷道变形特点 巷道围岩变形的时间效应 围岩变形量大 有明显的时间性 初期来压快 变形显著 不采取
4、有效支护措施 极易发生冒顶 片帮 即使围岩变形稳定后 围岩还以一定速度长期处于流变状态 巷道围岩变形的空间效应 巷道来压方向多表现为四周来压 不仅顶板 两帮发生显著变形和破坏 底板也出现强烈变形和破坏 如不对底板采取有效控制措施 则强烈底臌会加剧两帮和顶板的变形和破坏 煤炭科学研究总院ChinaCoalResearchInstitute 二 深部巷道支护研究现状 一 深部巷道变形特点 巷道围岩变形的易受扰动性 围岩变形对应力的变化非常敏感 受震动 邻近巷道掘进或回采工作面采动影响后 围岩变形和破坏均有明显增加 围岩的稳定性与巷道断面形状 施工工艺等因素都有关系 巷道围岩变形的冲击性 在有冲击倾
5、向的巷道中 围岩变形有时并不是连续的 逐渐变化的 而是突然剧烈增加 导致断面迅速缩小 具有强烈的冲击性 煤炭科学研究总院ChinaCoalResearchInstitute 二 深井巷道支护研究现状 二 深部巷道支护理论 新奥法支护理论煤炭行业结合自身特点 完善和发展了新奥法 采用光面爆破 早强喷射混凝土及时封闭巷道周边 实施密贴支护 采用锚喷支护 主动加固围岩 提高其自承能力 在围岩内形成承载圈 实施二次支护 对破碎围岩实施注浆加固 实施动态设计和动态施工等 联合支护理论 煤炭科学研究总院ChinaCoalResearchInstitute 二 深井巷道支护研究现状 二 深部巷道支护理论 对
6、深部巷道 只提高支护刚度难以有效控制围岩变形 要先柔后刚 先让后抗 柔让适度 稳定支护 但随着巷道条件变差 该理论受到挑战 有些巷道采用联合支护并不有效 多次维修 围岩变形一直不能稳定 二次支护理论对深部大变形巷道 应实施二次支护 一次支护在保证围岩稳定的条件下允许有一定变形 释放压力 在合适的时间进行二次支护 保持巷道的长期稳定 煤炭科学研究总院ChinaCoalResearchInstitute 二 深井巷道支护研究现状 三 深部巷道支护技术 锚杆锚喷支护锚杆锚喷支护性能优越 比较适合深部巷道支护 但必须选择合理的支护形式与参数 才能取得较好效果 U型钢可缩性支架U型钢具有较好的断面形状和
7、几何参数 型钢搭接后易于收缩 支架设计合理 使用正确 能获得较好的力学性能 支架结构分不封闭和封闭 但U型钢支架毕竟是一种被动支护形式 而且支护费用高 施工比较困难 煤炭科学研究总院ChinaCoalResearchInstitute 二 深井巷道支护研究现状 三 深部巷道支护技术 注浆加固注浆将破碎岩体固结 改善围岩结构 提高围岩强度 增加自身承载能力 水泥 水玻璃 高分子材料 注浆加固适于破碎围岩 且与其它支护方法联合使用 联合支护两种或两种以上支护方式联合支护 如能充分发挥每种支护方式性能 优势互补 有更好支护效果和更广的适用范围 锚喷 注浆 锚喷 U型钢支架 U型钢支架 注浆 锚喷 注
8、浆 U型钢支架 适用范围广 但费用高 支护形式选择不匹配时 往往造成各个击破 煤炭科学研究总院ChinaCoalResearchInstitute 二 深井巷道支护研究现状 三 深部巷道支护技术 卸压技术将巷道布置在应力降低区 或采取人工卸压措施 使巷道周边的高应力向深部转移 是深部巷道围岩变形控制的另一个途径 在应力降低区布置巷道是首选方法 人工卸压法 切缝 钻孔 爆破 掘卸压巷等 由于种种原因 目前还没有推广 仅作为一种辅助方法局部采用 高强度锚杆 锚索支护已得到大面积应用 成为我国煤矿巷道首选的 主要的支护方式 煤炭科学研究总院ChinaCoalResearchInstitute 二 深
9、井巷道支护研究现状 四 新汶深部巷道支护状况 新汶平均采深1000m 我国采深最大矿区之一 集中采深大 构造复杂 灾害性多重条件 支护极困难 不断开发应用支护新技术 新设备 新材料 大力推广锚杆支护 完成了多项支护重大科研项目 推动新汶矿区锚杆支护技术发展 目前 锚杆支护率达到97 15 其中煤巷96 7 岩巷98 3 二 深井巷道支护研究现状 四 新汶深部巷道支护状况 随着开采深度的增加 出现以下问题 深部巷道围岩破坏机理没能得到很好的解决 特定条件下围岩运动规律还需进一步研究 研究形成的锚网喷二次支护理论受到了挑战 深部动压影响区 构造压力带 软岩破碎带 采用二次支护后仍出现变形破坏等问题
10、 深部岩石巷道底鼓 采动影响煤巷支护 冲击地压煤层顺槽支护没有得到很好解决 二 深井巷道支护研究现状 四 新汶深部巷道支护状况 没有形成一套锚杆支护计算机辅助动态设计系统 采用工程类比法 巷道支护形式及参数不能根据现场的条件变化科学的进行支护设计 支护材料及机具不能适应深部困难条件 现在普遍采用的全螺纹锚杆 螺距大 预紧力低 未形成巷道支护合理性评价系统 不能适时评价合理支护的方式及参数 达到支护效果最佳 成本最低化程度 不能适应煤炭生产降低成本提高安全 经济效益的要求 二 深井巷道支护研究现状 四 新汶深部巷道支护状况 针对新汶千米深井高地应力巷道支护难题 全面系统研究试验 形成深部巷道支护
11、理论与成套技术 提出深部巷道围岩控制理论 设计方法 开发设计软件 解决支护设计难题 开发新型支护材料与机具 保证支护质量与速度提出巷道围岩变形 离层 安全评价指标 保证安全有效解决矿区深部 高地应力与复杂地质条件巷道支护问题 为采煤工作面快速推进创造有利条件 三 深井巷道锚杆支护成套技术内容 巷道围岩地质力学测试与评估深井高地应力巷道锚杆支护理论深部巷道锚杆支护设计方法与软件高预应力强力锚杆支护材料深部巷道井下试验研究巷道围岩离层安全评价方法 三 深井巷道锚杆支护成套技术内容 一 深部巷道围岩地质力学测试巷道围岩特性三要素 地质力学测试的重要性和必要性 测试内容地应力测量井下巷道围岩强度测试围
12、岩结构观察 三 深井巷道锚杆支护成套技术内容 一 深部巷道围岩地质力学测试 地应力测量 SYY 56型小孔径水压致裂地应力测量装置小直径 56mm无需钻取岩芯测量工序简单速度快 大面积测量 测量深度大 30m 三 深井巷道锚杆支护成套技术内容 一 深部巷道围岩地质力学测试 围岩强度测试 小孔径巷道围岩强度测试装置原位测量 钻孔直径56mm 深度30m 强度值更接近岩体 可测软弱破碎岩层强度 简单 快速 方便 三 深井巷道锚杆支护成套技术内容 一 深部巷道围岩地质力学测试 围岩结构观察 FS75 20光导纤维钻孔窥视仪窥视钻孔最小直径25mm 窥视钻孔长度6m 窥视仪光源矿灯 便携式 快速 三
13、深井巷道锚杆支护成套技术内容 一 深部巷道围岩地质力学测试 华丰矿 1100大巷地应力测量曲线 三 深井巷道锚杆支护成套技术内容 一 深部巷道围岩地质力学测试 三 深井巷道锚杆支护成套技术内容 一 深部巷道围岩地质力学测试 深部两种地应力场 H V h 7个测站 协庄3个 华丰3个测站 潘西1个测站 H V 1 004 1 55 V H h 2个测站 潘西矿 V H 1 20 1 27新汶深部地应力在协庄 华丰主要以水平应力为主 潘西垂直应力为主 最大水平主应力方向集中N3 E N43 5 W潘西矿采深浅 地应力最小 协庄和华丰矿地应力较大 最大水平主应力达42 1MPa 华丰矿 1100大巷
14、 三 深井巷道锚杆支护成套技术内容 一 深部巷道围岩地质力学测试 协庄矿1202W回风巷顶板围岩强度 华丰矿 1100大巷顶板岩层强度 潘西矿7192主巷1号机窝顶板岩层强度 三 深井巷道锚杆支护成套技术内容 一 深部巷道围岩地质力学测试 煤层 协庄矿抗压强度11 2 18 2MPa 华丰矿10 8 13 4MPa 最小4 5MPa 最大15 8MPa 潘西矿抗压强度8 2 10 5MPa 最小6 5MPa 最大12 6MPa 煤的强度煤帮较小 随帮孔深度增加 强度增加 煤层强度对比 潘西矿煤层强度相对较低 华丰煤矿中等 协庄煤矿较高 总的强度属中等偏低 直接顶 各矿相差较大 强度最大潘西矿
15、60MPa以上 其次华丰矿 50MPa以上 个别30MPa 较差协庄矿 强度一般在35MPa左右 三 深井巷道锚杆支护成套技术内容 一 深部巷道围岩地质力学测试 华丰矿 1100大巷顶板钻孔窥视结果 协庄矿1202W回风巷顶板钻孔窥视结果 顶板内节理裂隙比较发育 岩层间都有不同程度的离层现象发生 而且离层和破坏有向深部发展的趋势 三 深井巷道锚杆支护成套技术内容 二 高预应力强力锚杆一次支护理论 以锚杆锚索为基本支护的巷道支护方式已得到大面积应用 成为首选的支护方式 60 超千米深部巷道仍选锚杆支护 传统二次支护理论 先柔后刚 先让后抗 的背景现有锚杆支护存在的问题能否实现超千米深部巷道一次支
16、护怎样才能实现一次支护 关键因素是什么 三 深井巷道锚杆支护成套技术内容 二 高预应力强力锚杆一次支护理论 锚杆可减小锚固区煤岩体的强度 弹性模量 凝聚力和内摩擦角等力学参数的降低 高强度锚杆提供围压0 25 0 40MPa 因围压增加的煤岩体强度为1 2MPa 锚杆支护在岩石破坏前对其强度影响不大 锚杆主要作用是改善发生塑性变形和破坏的煤岩体力学性质 减小其屈服后强度的降低 改变屈服后煤岩变形特性 使破坏变得比较平缓 三 深井巷道锚杆支护成套技术内容 二 高预应力强力锚杆一次支护理论 锚杆对节理 层理 裂隙不连续面本质作用 通过锚杆提供轴向力与切向力 减小不连续面抗剪强度的降低 阻止离层与滑动 尽量保持节理煤岩体的原有强度 完整性 锚杆给围岩施加压应力 改善围岩应力状态 对于受拉区域 可抵消部分拉应力 提高围岩抗拉能力 对于受剪区域 通过压应力产生的摩擦力 提高围岩的抗剪能力 三 深井巷道锚杆支护成套技术内容 二 高预应力强力锚杆一次支护理论 新汶多种锚杆 巷道支护效果差 锚杆作用没充分发挥 锚杆预应力小 仍属被动支护 不能控制围岩早期离层 围岩强度和整体性明显降低 出现较大变形 右
