煤矿巷道支护技术张农课件讲解学习

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1、报告人：张农 ,煤矿巷道围岩控制技术若干进展,和创新团队发展计划创新团队带头人 新世纪百千万人才工程国家级人选 中国青年科技奖获得者 湖南省芙蓉学者特聘教授 煤炭工业协会煤矿支护专业委员会专家组副组长 煤炭学会青年工作委员会副主任委员 江苏省十大杰出青年、先进工作者,张农教授简介,研究方向：矿山压力与岩层控制,报告提纲,（一）引言 （二）煤巷高性能锚杆支护技术 （三）深井软岩支护技术,引 言,科学采矿势在必行。,煤炭是最容易获取的大规模一次能源，是我国能源安全的基本保障：相对石油、天然气、水电、核电、风电等能源的建设投资，煤炭能源投资强度较低、周期较短、效率较高、技术更为成熟。,风力发电,核电

2、设施,水力发电,1、煤炭的能源战略地位,我国煤炭产量连续多年位居世界第一，2010年32.4亿吨，占世界产量45%以上，为国家提供了70%以上的能源，支撑了国民经济快速发展。,中国和世界历年原煤产量/亿t,中国历年能源构成比重,1、煤炭的能源战略地位,8,9,2009年世界主要产煤国家煤炭产量 （单位：亿吨）,注：2009 年世界煤炭总产量 69.4 亿吨,2、煤炭开采面临的技术挑战,美国、澳大利亚、德国、加拿大等发达国家，资源回收率能达到80左右，他们每采1吨煤只消耗1.2吨1.3吨资源。 平均而言，中国的煤炭回采率只有30， 不到国际先进水平的一半，每采1吨煤 消耗3.04.0吨资源。 据

3、2007中国能源发展报告 蓝皮书， 中国在19802000年的20年间，浪费煤 炭资源280亿吨。 我国煤炭资源因开采不充分造成的不合 理损失量比重很大，绝对量很高。,2.1 资源动用量大，采出率低,2、煤炭开采面临的技术挑战,2.2 环境破坏严重，治理难度大、成本高,陷入水中的房屋,坍塌的矸石山,采矿引发地表沉陷、建筑物破坏、矸石山占地、地下水和地面水系破坏、交通破坏、瓦斯排放等环境问题，“三废一沉”治理日益严峻。 煤炭开采利用导致的环境污染问题日益受到国内外广泛关注。煤炭的产能受环境容量的限制日趋突出。,我国煤炭资源总量5.57万亿t，其中埋深在1000米以下的为2.95万亿t,占煤炭资源

4、总量的53%；目前国有重点煤矿中采深大于 1000米的矿井有34处，开采深度以每年1020米下延，东部矿井以每年1025米的速度延深。,2、煤炭开采面临的技术挑战,2.3 下延速度快，安全开采难度剧增,不同埋藏深度范围内的煤炭资源量及所占比例（千亿吨）,0600m； 6001000m； 10001500m； 15002000m,2、煤炭开采存在的问题,浅部开采条件下 围岩流变特性不明显 变形量小,巷道施工困难，持续变形，反复维护，维修成本甚至超出新掘巷道。,深部开采条件下 岩体大破坏、强流变 变形量大,2.3 下延速度加快，安全开采难度剧增,2、煤炭开采面临的技术挑战,动力灾害频发：深部岩石力

5、学行为发生质变，表现特殊，冲击矿压频率和强度均明显增加，成灾机理更加复杂，防治更加困难。,2.3 下延速度加快，安全开采难度剧增,2、煤炭开采面临的技术挑战,瓦斯涌出量增大，煤与瓦斯突出威胁急剧增加。 瓦斯治理巷道工程大，施工难度大。,2.3 下延速度加快，安全开采难度持续增加,治理瓦斯的岩巷工程量大,抽采钻孔施工难度大,围岩温度持续升高，热灾严害，垂深800m，地温达40左右； U型通风沿途高温聚集，上隅角及回风巷由于采空区氧化热的集中释放，工作环境极差； 机械降温能耗高，效果不明显。,17,2、煤炭开采面临的技术挑战,2.3 下延速度加快，安全开采难度持续增加,巷道顶板事故比重和频度相对增

6、加，其中顶板事故占38.3%40%，超过瓦斯事故（31.5%28.6%）。,2、煤炭开采面临的技术挑战,2.3 下延速度加快，安全开采难度剧增,巷道掘进和维护成本成为制约经济效益的首要因素； 开采深度每增加100m，支护成本增加1030元/t。,2、煤炭开采面临的技术挑战,2.3 下延速度加快，安全开采难度剧增,绿色和低碳的新能源（技术）是相对性概念： 绿色：降低污染物排放和生态破坏。 低碳：适量降低温室气体排放。,3、科学采矿势在必行,3.1 煤炭开采需要持续的技术创新,新能源的定义（倪维斗）：因地、因时而不同，比如核电在中国是新能源，而在法国、美国则不是。相对于在役主力能源而言，能大幅度地

7、节约资源、大幅度减排的能源或能源技术即可称为 “新能源”。 新的能源技术(周凤起)：至2050年，保证全球经济增长的同时，CO2排放必须下降，这需要有新的能源技术革命。,科学采煤（Sustainable coal mining）(钱鸣高),采矿的科学技术：在保证安全和保护环境前提下高效高回收的采出技术。,3、科学采矿势在必行,3.2 煤炭开采需要持续的技术创新,科学产能: 指“在持续发展的储量条件下，具有与环境容量相匹配、和相应的安全和保护环境的技术，将资源最大限度采出的综合能力”。,绿色开采技术原则：环境损害/单位资源产量 最小。,科学采煤（Sustainable coal mining）(

8、钱鸣高),3、科学采矿势在必行,3.2 煤炭开采需要持续的技术创新,高效开采 -机械化开采以减少井下人员 安全开采-保护人身作业安全 绿色开采-保护环境和形成低碳运行矿山 高回收开采-提高资源采出率 经济开采-采用先进科学技术以降低成本,科学采矿,加强煤炭资源勘探，统筹规划，合理开发； 节约资源，切实提高煤炭资源回收率； 保护环境，推行清洁生产和综合利用，减少煤炭开采利用对生态环境的影响。,3.3 科学采矿不仅仅是安全保障：比安全更多。,23,3、科学采矿势在必行,保护环境 从先破坏后治理到与环境协调的绿色开采转变。 节约能源 由高资源消耗向高回采率转变。 保障安全 从治理瓦斯灾害向煤与瓦斯共

9、采转变。 高效开采 由留煤柱分散开采向无煤柱集约高度机械化连续开采转变。,3.4 转变采矿理念，实现科学开采,3、科学采矿势在必行,煤与瓦斯 共采模式,瓦斯资源化开采,无煤柱连续 开采模式,资源节约化开采,充填 开采模式,环境保护化开采,3、科学采矿势在必行,地下气化 开采模式,新的可能,井工开采中，安全高效开采依赖于井下可靠的巷道支护系统。 随着采深快速下延，在动压开采条件下维持地下空间的长时稳定是煤矿井工开采面临的关键支撑技术和重要挑战。,煤巷高性能锚杆支护技术及实践,不断取得技术进步和 应用条件突破的煤巷锚杆支护技术,第二部分,目 录,煤巷锚杆支护概况 高性能预拉力锚杆支护技术 无煤柱沿

10、空留巷技术,1、煤巷锚杆支护概况,工程条件复杂多变 受地质构造影响，在同一条巷道内围岩结构及物理力学性质变化大； 围岩分类可能相差12类。 围岩应力环境复杂 构造应力普遍存在，显现水平应力作用特征； 采动应力集中程度和调整剧烈。,1.1煤巷的基本特点,围岩松软破碎 支护时已发生一定范围和程度的松动破裂； 围岩锚固性能差。 巷道工程量大，服务时间短,允许一定量的绝对收敛变形（可达到5001500mm以上），要求支护结构安全可靠，又要简单实用。,1,1 煤巷的基本特点,美国 锚杆支护是巷道顶板支护唯一方式，1977年修订“煤矿健康与安全法案”更将其定为巷道顶板永久支护方式。 由于效果好、操作简单，

11、以至于美国在过去30年中，在锚杆作用机理以及根据特定条件设计不同支护系统方面并没有做太多的研究（彭赐灯）。,1.2 国内外煤巷锚杆支护应用概况,美国的成功经验 锚杆制造作为一门技术，实现了多样化、系列化； 锚杆设计、制造、服务一体化。 美国锚杆技术精髓：- “两高一大” 高强度 高预拉力 大排间距,1.2 国内外煤巷锚杆支护应用概况,澳大利亚 推广全长树脂锚固锚杆，强调锚杆强度要高； 澳大利亚锚杆支护率100。 德国 自1932年发明型钢支架以来，主要采用型钢支架支护巷道，支护比重达到90%以上； 自80年代以来，由于采深加大，型钢支架支护费用高，巷道维护日益困难，锚杆支护在鲁尔矿区试验成功。

12、,1.2 国内外煤巷锚杆支护应用概况,南非 一般地讲，南非大部分井工矿煤层是硬砂岩顶板，开采条件良好。大部分煤矿采用了房柱式开采方式，长壁工作面所占的比重不足10%； 南非57个井工矿均采用顶板锚杆支护，锚杆安装作业并不构成采煤作业的“瓶颈”。为了阻止顶板岩层的局部冒落，一些煤矿安装了严格的顶板岩层监控系统。,1.2 国内外煤巷锚杆支护应用概况,波兰 所有井工矿采用被动受力的钢型（U型钢）支架，没有一个煤矿将锚杆支护用作永久顶板支护技术，波兰向锚杆支护技术的转变过程最缓慢； 随着高产高效长壁工作面的采用，工作面端头的U型钢支架的缓慢拆除速度和缓慢，采区煤巷掘进速度严重阻碍了工作面的回采速度。,

13、1.2 国内外煤巷锚杆支护应用概况,印度 大多数井工矿采用锚杆支护方式，采用点固锚杆或承载能力为68t的水泥锚杆； 近几年一些井工矿对连续采煤机和全部机械化房柱式开采系统很感兴趣，同时全脂锚杆也将得到使用。,1.2 国内外煤巷锚杆支护应用概况,我国 20世纪50年代首先用在岩巷，60年代进采区，发展缓慢。 20世纪80年代后，研制开发了价廉物美的快硬水泥锚杆、引进管缝式锚杆技术并推广应用、开始研究“三小”锚杆技术、试验成功了几种可拉伸锚杆、各种组合锚杆锚索和桁架开始试用； 八五、九五煤炭部把煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行了攻关，引进澳大利亚锚杆支护技术，在邢台矿务局现场演示，树脂锚杆研制成功

14、并推广应用。,1.2 国内外煤巷锚杆支护应用概况,20世纪90年代初引进基础上创新，较大范围推广。 存在问题： 锚杆加工质量差：产品粗糙； 施工速度慢：工艺技术装备水平低； 复杂条件支护效果差：手段单一 安全可靠性低：冒顶事故偶发，死亡事故不能杜绝,1.2 国内外煤巷锚杆支护应用概况,我国,悬吊理论 组合梁理论 组合拱理论 最大水平应力理论 刚性梁理论 围岩强度强化理论 预应力控制理论,1.3 煤巷锚杆支护理论,悬吊理论 锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。,1.3 煤巷锚杆支护理论,坚硬岩层,组合梁理论 在层状岩体中开挖巷道，顶板锚杆的作用，

15、一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，防止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁），梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的饶度也就越小。,1.3 煤巷锚杆支护理论,无锚杆支护,有锚杆支护,组合拱理论 在拱形巷道围岩的破裂区中安装锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即组合拱。,1.3 煤巷锚杆支护理论,最大水平应力理论 由澳大利压学者盖尔（W

16、.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。,1.3 煤巷锚杆支护理论,刚性理论 锚杆的作用在于给顶板及时提供很高的初撑力以形成“刚性”顶板，“刚性”顶板本身提供了一个压力自撑结构。锚杆杆体本身不是承载结构。大量实测表明“刚性”梁顶板的建立使得锚杆后期增加的载荷等于零，也就是说，杆体本身除维持锚杆预拉力外已不起任何别的作用。,1.3 煤巷锚杆支护理论,水平应力,垂直应力,围岩强度强化理论 对锚固体提供围压，使巷道围岩特别是处于峰后区围岩强度得到强化，提高峰值强度和残余强