冲击地压巷道锚杆支护技术课件.pptx
冲击地压巷道锚杆支护技术,冲击地压巷道锚杆支护技术,天地科技开采设计事业部发展历程,1999,现在,1957,煤炭科学研究总院天地科技股份有限公司开采设计事业部,煤炭科学研究总院北京开采所,中国煤炭科工集团（煤炭科学研究总院）天地科技股份有限公司开采设计事业部（煤炭科学研究总院开采设计分院）,天地科技开采设计事业部发展历程1999现在1957煤炭科学研,天地科技开采设计事业部组织机构,天地科技股份有限公司开采设计事业部,Text in here,中国煤炭学会岩石力学 与支护专业委员会,学术委员会,中国煤炭学会煤矿开采 损害技术鉴定委员会,煤炭工业开采信息中心站,煤炭工业矿山压力信息 中心站综采矿压分站,煤炭工业矿山压力信息 中心站冲击矿压分站,天地科技股份有限公司设计研究院,开采装备技术研究所,特殊采煤与矿区环境治理研究所,巷道矿压与支护技术研究所,安全生产部,综合办公室,采矿技术研究所,示范工程部,经营部,后勤部,文印中心,煤矿开采杂志编辑部,天地科技开采设计事业部组织机构天地科技股份有限公司开采设计事,4,汇 报 提 纲,冲击地压巷道锚杆支护作用原理,4汇 报 提 纲1、煤巷锚杆支护技术的发展2、锚杆支护对冲击,1、煤巷锚杆支护技术的发展,1.1、煤巷支护技术的特点及发展历程1.2、煤矿巷道支护理论发展1.3、锚杆支护技术的发展,1、煤巷锚杆支护技术的发展1.1、煤巷支护技术的特点及发展历,6,1.1、煤巷支护技术的特点及发展历程,我国煤矿85%是井工开采,井工开采示意图,每年新掘巷道总长度1.万公里,年新掘巷道长度相当于地球直径,规模巨大，世界第一,61.1、煤巷支护技术的特点及发展历程我国煤矿85%是井工开,7,1.1、煤巷支护技术的特点及发展历程,2.1 煤矿沉积岩层地质特点,顶板岩石钻孔观测图,结构面发育，破碎,强度低(煤5-20MPa，岩石10-60MPa),开采深度大(最大1500m)，地应力高，构造应力复杂,地质构造复杂,淮南煤田地质构造分布图,71.1、煤巷支护技术的特点及发展历程2.1 煤矿沉积岩层地,8,1.1、煤巷支护技术的特点及发展历程,回采工作面周围应力分布,矩形巷道围岩受力状况,矩形巷道断面回采巷道服务时间短,采动影响强烈（2-5倍原岩应力），范围大煤柱宽度小甚至无煤柱,2.2 生产特点,81.1、煤巷支护技术的特点及发展历程回采工作面周围应力分布,1.1、煤巷支护技术的特点及发展历程,高地应力巷道变形严重,回采巷道受力与变形状态,支护速度与成本要求苛刻,巷道支护状态特殊：服务时间短，允许有一定变形，但必须稳定；采后能及时垮落,松软、破碎、高应力等复杂困难巷道比重大(60%),1.1、煤巷支护技术的特点及发展历程高地应力巷道变形严重回采,1.1、煤巷支护技术的特点及发展历程,木支护,砌碹支护,型钢支护,锚杆支护,1.1、煤巷支护技术的特点及发展历程木支护砌碹支护型钢支护锚,1.1、煤巷支护技术的特点及发展历程,低强度锚杆,高强度锚杆,高预应力强力锚杆,1.1、煤巷支护技术的特点及发展历程锚杆类型直径/mm拉断载,理论：深化了对锚杆支护作用机理的认识，特别是锚杆预应力及其扩散的重要作用。技术：形成了以地质力学测试、以高强度锚杆与锚索为核心的成套支护技术。应用：得到大面积推广应用，一些矿区达到90%，甚至100%，很多矿区达到70%。实现安全、高效生产必不可少的关键技术。,1.1、煤巷支护技术的特点及发展历程,理论：深化了对锚杆支护作用机理的认识，特别是锚杆预应力及其扩,13,1.2、煤矿巷道支护理论发展,传统锚杆支护理论,悬吊作用（只考虑拉伸作用）锚固区内形成结构(梁、层、拱、壳)改善锚固围岩力学性能与应力状态,锚固前后应力应变曲线,131.2、煤矿巷道支护理论发展传统锚杆支护理论锚杆支护理论,1.2、锚杆支护理论的发展,我国提出的锚杆支护理论,1、新奥法的引进与改进2、围岩松动圈支护理论3、联合支护理论4、围岩强度强化理论5、软岩工程力学理论6、预应力支护理论,1.2、锚杆支护理论的发展我国提出的锚杆支护理论1、新奥法的,1.2、锚杆支护理论的发展,不连续、不协调变形,连续变形,锚杆支护的本质作用与关键参数,锚杆预应力及扩散起关键作用：大幅提高预应力，并实现有效扩散，可抑制围岩变形，减小围岩强度损失。,围岩变形形式：不连续、不协调变形；连续、整体变形。,1.2、锚杆支护理论的发展不连续、不协调变形连续变形锚杆支护,16,1.2、锚杆支护理论的发展,U型钢金属支架应力场,掘进工作面锚杆支护应力场,单体支柱应力场,巷道锚杆支护应力场,支护应力场概念：支护在围岩及本身内部产生的应力场,161.2、锚杆支护理论的发展 U型钢金属支架应力场掘进工,1.2、锚杆支护理论的发展,原岩、采动及支护应力场构成煤矿井下综合应力场,原岩+采动+支护=综合应力场,支护应力场,采煤工作面周围应力分布,原岩应力场,以应力场为主线，将原岩体、采动体及支护体有机结合在一体。巷道支护、岩层控制归结为“三场”相互作用与协调,综合应力场概念,1.2、锚杆支护理论的发展原岩、采动及支护应力场构成煤矿井下,1.2、锚杆支护理论的发展,不垂直，不是理想的拉伸,受拉、弯、扭、剪切,杆体受力极不均匀，大部分锚杆在屈服状态下工作,高强度，高延伸，高冲击韧性,1.2、锚杆支护理论的发展不垂直，不是理想的拉伸受拉、弯、扭,1.2、锚杆支护理论的发展,锚杆控制锚固区围岩变形，保持围岩完整，减小强度降低,锚杆预应力及其有效扩散起决定性作用,原岩、采动与支护应力场“三场”相互作用与协调,锚杆支护系统具有足够延伸率和冲击韧性，一方面使围岩连续变形释放，另一方面避免局部破坏,围岩破碎，不利于预应力扩散时应注浆,复杂困难巷道采用高预应力、高强度锚杆支护,1.2、锚杆支护理论的发展123456锚杆控制锚固区围岩变形,20,1.3、锚杆支护技术的发展,基于地质力学测试、以锚固与注浆加固为核心的煤矿巷道支护成套技术。,高预力强力锚杆支护系列材料与构件,高预应力施工机具与工,201.3、锚杆支护技术的发展 基于地质力学测试,21,提出地质力学原位测试方法，开发出配套测试仪器,1.3、锚杆支护技术的发展,21 提出地质力学原位测试方法，开发出配套测试仪器岩,KDBC-56型数字全景钻孔窥视仪，解决了结构参数定量测量难题,钻孔结构观测图片,1.3、锚杆支护技术的发展,KDBC-56型数字全景钻孔窥视仪，解决了结构参数定量测量难,得出煤矿井下地应力分布规律,地应力与埋深的关系,侧压比与埋深的关系,主应力随深度增加而增大，但存在明显离散主应力受地质构造、煤岩体强度与刚度等因素影响明显,1.3、锚杆支护技术的发展,得出煤矿井下地应力分布规律地应力与埋深的关系 侧压比与埋深,估算地应力的公式,平均水平应力与垂直应力比值随埋深变化,k-平均水平主应力与垂直主应力比值H-埋藏深度，m,1.3、锚杆支护技术的发展,估算地应力的公式平均水平应力与垂直应力比值随埋深变化 k-平,得出煤岩体强度分布规律,顶板抗压强度分布-宁煤,煤层抗压强度分布-淮南,1.3、锚杆支护技术的发展,得出煤岩体强度分布规律顶板抗压强度分布-宁煤煤层抗压强度分,巷道支护设计过程动态信息设计,确定合理的初始支护设计,信息反馈与修正设计,巷道围岩地质力学评估,建立数值模型，多支护方案比较,井下监测与数据分析,1.3、锚杆支护技术的发展,巷道支护设计过程动态信息设计 确定合理的信息反馈巷道围岩,27,巷道支护初始设计,1.3、煤矿巷道支护技术的发展,27 巷道支护初始设计 地质力学参数建立数值模型采动应力场计,复杂困难巷道对支护材料的要求,1.3、锚杆支护技术的发展,复杂困难巷道对支护材料的要求井下锚杆支护构件钢带螺母金属网托,锚杆支护材料与构件的组成,锚杆杆体及附件,锚固剂,护表构件(钢带、金属网),锚索,1.3、锚杆支护技术的发展,锚杆支护材料与构件的组成锚杆杆体及附件锚固剂护表构件(钢带、,高强度锚杆及附件,强力锚杆杆体,超高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆，解决了锚杆破断难题。,1.3、锚杆支护技术的发展,配套高强度托板、螺母，钢带等护表构件。,高强度锚杆及附件强力锚杆杆体 超高强度、高延伸率、高冲击韧性,锚杆杆体力学性能,杆尾螺纹扭曲变形,拉弯剪扭组合作用等效应力,1.3、锚杆支护技术的发展,锚杆杆体力学性能锚杆受拉剪扭弯共同作用； 杆尾螺纹扭曲,SMG600型锚杆蠕变曲线,锚杆伸长率随轴向拉应力的变化,1.3、锚杆支护技术的发展,对锚杆进行了蠕变试验，锚杆发生蠕变通常在屈服点附近，表明预紧,杆体形状与尺寸优化,优化,优化,原始参数,优化,最优参数,锚杆杆体形状与尺寸,1.3、锚杆支护技术的发展,杆体形状与尺寸优化MPa700优化优化原始参数优化最优参数锚,锚杆杆尾螺纹几何参数与力学性能,矩形牙型等效应力,梯形牙型等效应力,锯齿型牙型等效应力,三角形牙型等效应力,1.3、锚杆支护技术的发展,锚杆杆尾螺纹几何参数与力学性能,锚杆杆尾螺纹几何参数与力学性能,不同螺距下螺纹牙底应力变化,1.3、锚杆支护技术的发展,锚杆杆尾螺纹几何参数与力学性能 公称直径越大，螺距对杆,托板几何形状与力学性能,托板受力特征试验,1.3、锚杆支护技术的发展,托板几何形状与力学性能开发出测力托板； 托板受力特征试,钢带几何形状与受力特征,钢带受拉,钢带受弯,钢带受剪,1.3、锚杆支护技术的发展,钢带几何形状与受力特征开发出测力钢带； 钢带受拉钢带受,金属网力学性能,金属网受力实验室试验,联网绑丝断裂导致的金属网失效,1.3、锚杆支护技术的发展,金属网力学性能开发出金属网试验台； 金属网受力实验室试,提高主动支护系数2倍。 降低构件破坏率90%。大幅提高支护系统整体支护能力。,支护构件的匹配性,支护构件匹配性试验台,1.3、锚杆支护技术的发展,提高主动支护系数2倍。支护构件的匹配性支护构件匹配性试验台,强力锚索（发明专利）,119结构锚索及断面,119结构，断面更加合理拉断载荷显著提高，最大900kN 延伸率提高1倍,1.3、锚杆支护技术的发展,强力锚索（发明专利）119结构锚索及断面公称直径/mm拉断,系列化学注浆材料,1.3、锚杆支护技术的发展,系列化学注浆材料实验室试块井下加固块体钻孔观测的加固效果聚氨,为满足高预应力锚杆施工要求，开发了系列预应力设备,1.3、锚杆支护技术的发展,为满足高预应力锚杆施工要求，开发了系列预应力设备大扭矩预紧扳,为克服大扭矩下锚杆扭转屈服、损伤，发明了相关设备,1.3、煤矿巷道支护技术的发展,为克服大扭矩下锚杆扭转屈服、损伤，发明了相关设备预应力锚杆抗,巷道支护实施于井下后，必须进行矿压监测，评价支护效果，修改设计，确保安全,矿压监测内容,支护体应力,围岩位移,采动应力,表面位移,顶板离层,深部位移,锚杆受力,锚索受力,煤柱应力,支承压力,1.3、锚杆支护技术的发展,巷道支护实施于井下后，必须进行矿压监测，评价支,1.3、锚杆支护技术的发展,CM-200型测力锚杆,1.3、锚杆支护技术的发展CM-200型测力锚杆,1.3、锚杆支护技术的发展,GYS300型锚索测力计,1.3、锚杆支护技术的发展GYS300型锚索测力计,1.3、锚杆支护技术的发展,DW4型遥测多点位移计,1.3、锚杆支护技术的发展DW4型遥测多点位移计,1.3、锚杆支护技术的发展,ZYJ25型钻孔应力计,1.3、锚杆支护技术的发展ZYJ25型钻孔应力计,1.3、锚杆支护技术的发展,LBY3型顶板离层指示仪,1.3、锚杆支护技术的发展LBY3型顶板离层指示仪,综合矿压监测系统,1.3、锚杆支护技术的发展,综合矿压监测系统1.3、锚杆支护技术的发展,2、锚杆支护对冲击地压巷道的适应性,2.1、冲击地压巷道的矿压特征2.2、冲击地压巷道的对支护的特殊要求2.3、锚杆支护对冲击地压巷道的适应性,2、锚杆支护对冲击地压巷道的适应性2.1、冲击地压巷道的矿压,2022/12/31,52,2.1、冲击地压巷道的矿压特征,来压的剧烈性发生的突然性巨大的破坏性破坏是形式多样,通常表现为四面来压，容易发生激烈的底臌,2022/9/27522.1、冲击地压巷道的矿压特征来压的剧,2022/12/31,53,义马冲击地压灾害现象,2022/9/2753义马冲击地压灾害现象,2022/12/31,54,2.2、冲击地压巷道的对支护的特殊要求,更高的承载能力良好的柔性良好的稳定性良好的整体性,2022/9/27542.2、冲击地压巷道的对支护的特殊要求,2022/12/31,55,2.3 锚杆支护对冲击地压巷道的适应性,是一种主动支护形式是一种柔性支护形式是一种内在的支护形式非常好的自身稳定性良好的整体性可以达到很高的支护强度,2022/9/27552.3 锚杆支护对冲击地压巷道的适应性,2022/12/31,56,2.3 锚杆支护对冲击地压巷道的适应性,不同支护形式的工作特性曲线,2022/9/27562.3 锚杆支护对冲击地压巷道的适应性,3 冲击地压巷道锚杆支护的作用原理,对围岩体的强化作用对围岩应力状态的改良作用对围岩的约束作用对围岩变形能量的吸收作用,2022/12/31,57,3 冲击地压巷道锚杆支护的作用原理2022/9/2757,4 “抗冲击锚杆支护系统”的概念,抗冲击锚杆支护系统是指用于冲击地压巷道的锚杆支护整体技术，包括支护理念、锚杆材料、支护参数等。抗冲击锚杆支护系统的设计理念是：高强度、强让压、整体性。抗冲击锚杆支护系统的最基本支护形式为：高强度预应力树脂锚固螺纹钢锚杆，配以小孔径预应力树脂锚固锚索、钢带及金属网等构件。特殊条件需开发专用锚杆、锚索及配件。,2022/12/31,58,4 “抗冲击锚杆支护系统”的概念抗冲击锚杆支护系统是指用于冲,2022/12/31,59,5 冲击地压巷道支护能量校合设计法,上个世纪六十年代，Cook等学者提出了著名的冲击地压能量理论，认为随着采掘范围的扩大，矿体-围岩系统的力学平衡达到极限时就会失稳破坏，破坏过程中，围岩既要吸收能量，也会释放能量，如果释放的能量大于吸收能量就会发生冲击地压。我们把围岩破坏过程中释放的能量与吸收能量的差值称为剩余能量，剩余能量的数值即为冲击地压发生时抛出的围岩的动能。巷道支护具有很好的吸能作用。如果所设计的支护系统能吸收全部过剩能量，那么就不会有围岩抛出，就可以避免冲击地压的发生。基于这一原理，提出了能量校核设计法：首先根据巷道的地质条件和生产技术条件对巷道的冲击危险性进行评价；然后根据类似工程经验提出巷道支护方案；再通过数值模拟方法对支护方案进行优化；最后对支护系统的吸能指标进行校核，判定设计是否满足抗冲击要求，否则重新进行设计,2022/9/27595 冲击地压巷道支护能量校合设计法上个,5 冲击地压巷道支护能量校合设计法,5.1 预测巷道冲击的强度级别5.2 计算巷道冲击的剩余能量5.3 冲击地压巷道支护初步设计5.4 支护系统吸能校合,5 冲击地压巷道支护能量校合设计法5.1 预测巷道冲击的强度,2022/12/31,61,5.1 预测巷道冲击的强度级别,综合指数法是在分析已发生的各种冲击地压灾害的基础上，分析各种采矿地质因素对冲击地压的影响，确定各种因素的影响权重，建立冲击地压危险性评价模型并预测冲击危险性的一种方法。 冲击地压危险状态评定综合指数-震级ML值与冲击地压强度有对应关系.,2022/9/27615.1 预测巷道冲击的强度级别,2022/12/31,62,5.2 计算巷道冲击的剩余能量,冲击地压的剩余能量Es可按下式求得： 式中m破坏围岩的质量; v冲击点围岩的质点震动速度。围岩的质点移动峰值速度与震级存在以下函数关系： logRV=3.95+0.75ML 式中 R与震源点的距离； ML冲击震级,2022/9/27625.2 计算巷道冲击的剩余能量 冲击地,2022/12/31,63,5.3 冲击地压巷道支护初步设计,采用工程类比法与数值模拟相结合的办法：根据类似矿井的经验及设计人员的分析提出初始设计；然后对巷道重要参数进行数值模拟研究：通过方案比较，确定比较合理的初步设计支护参数。,2022/9/27635.3 冲击地压巷道支护初步设计,2022/12/31,64,5.3 冲击地压巷道支护初步设计,能量校合设计法应用-初步设计,2022/9/2764 5.3 冲击地压巷道支护初步设计能量,2022/12/31,65,5.4 支护系统吸能校合,基于锚杆支护的吸能原理，对初始设计的吸收能量能力进行校合，看支护系统吸收能量Ec是否大于剩余能量Es，如果Ec大于Es，支护设计满足要求，否则要重新设计。Ec等于各支护构件吸收能量的总和，即：Ec =Eci,2022/9/27655.4 支护系统吸能校合基于锚杆支护的,2022/12/31,66,5.4 支护系统吸能校合,锚杆吸收能量计算,2022/9/27665.4 支护系统吸能校合 锚杆吸收,2022/12/31,67,5.4 支护系统吸能校合,煤矿典型支护构件荷载及吸能参数,2022/9/27675.4 支护系统吸能校合支护构件屈服载,2022/12/31,68,5.4 支护系统吸能校合,能量校合设计法应用-支护系统吸能校合顶板总的吸能EC =顶锚杆的吸能+锚索吸能+钢带的吸能+网的吸能前面计算得出顶板剩余ES，若EC大于ES，顶板支护设计满足要求。,2022/9/2768 5.4 支护系统吸能校合能量校合设计,2022/12/31,69,总结与展望,（1）巷道支护是冲击地压防治的重要手段之一，相关研究不够深入。（2）锚杆支护对冲击地压巷道的适应性，是冲击地压巷道的主力支护方式。（3）锚杆支护技术的发展为冲击地压巷道支护提供了有力支撑。（4）冲击地压巷道锚杆支护技术有待深入研究。（5）所讲的观点为初步研究成果，有待进一步完善和验证。,2022/9/2769总结与展望（1）巷道支护是冲击地压防治,70,谢 谢！,70谢 谢！,
