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1、千米深井巷道围岩控制技术研究,河北金牛能源股份有限公司,1.煤矿巷道支护理论与技术现状,我国煤矿巷道布置的发展趋势巷道支护技术发展历史与现状 巷道支护存在问题 邢东矿开拓巷道支护存在问题,我国煤矿巷道布置的发展趋势,岩巷向煤巷发展 岩石顶板煤巷向煤层顶板巷道和全煤巷道发展 巷道拱形断面向矩形断面发展 巷道从小断面向大断面发展 单巷布置向多巷发展 巷道埋深从浅部向深部发展 简单地质条件巷道向复杂地质条件发展,巷道支护技术发展历史与现状,木支护砌碹支护型钢支护锚杆支护 （必不可少的技术）岩巷大断面巷道、煤顶和全煤巷道、沿空掘巷、破碎围岩巷道 （成功应用）深部高应力巷道支护 ：锚杆、锚索支护为主的锚
2、喷、锚网喷、锚喷网架、钢筋混凝土，料石碹，预应力锚索支护,近年来锚杆支护技术取得的成果：,多种锚杆支护理论 高强度锚杆与锚索支护技术的认可与应用 巷道围岩地质力学快速原位测试系统 动态性、系统性、信息性的锚杆支护设计方法的普遍认可与应用 高强度、高刚度树脂锚杆支护系统 性能优良的单体风动和液压锚杆钻机、手持式锚杆钻机综掘机配单体锚杆钻机的煤巷快速施工工艺锚杆支护施工质量检测和矿压监测成套仪器。锚注技术,巷道支护存在问题,深部常规锚杆支护遇到巨大的困难锚杆支护理论不全面，二次支护理论受到巨大挑战深部普通高强锚杆、锚索支护效果差对锚杆支护系统刚度的重要性认识不足 深部与复杂困难巷道，锚杆材质和结构
3、有待进一步改进 不能实现全长预应力锚固 ，严重影响支护效果对组合构件的认识不足小孔径锚索不能适用深部巷道支护支护密度大，掘进速度低,邢东矿开拓巷道支护存在问题,矿井采深大（大于1000m ），地质条件复杂，断层构造带多，围岩压力大，给巷道的支护、维护造成很大困难 已掘的主副暗斜井：采用高强度锚杆 ( 22mm2.4m ,20MnSi )，小孔径 锚索（15.24mm5.0m ），但部分地段仍难以维护两次返修，影响生产，支护成本高,2.-980m水平开拓巷道围岩结构特点分析,地质构造、巷道位置地应力 巷道围岩条件及巷道稳定性指数 围岩控制特点,断层,巷道,F22 H=0-45m,SF17 H=0
4、-12m,Fx-9 H=4,Fx-11H=2,地应力,2#煤及顶底板岩石力学参数,巷道稳定性,围岩控制特点,服务时间长 长达20年以上水平应力大，巷道顶底板变形严重地应力大，围岩变形严重 主暗斜井掘进方向与最大主应力方向不一致,3 深井锚杆锚索强力支护原理分析,邢东矿围岩变形特征分析 深井锚杆锚索强力支护原理 高预应力作用下岩体的响应规律 锚杆支护强度对围岩强度的强化分析,邢东矿围岩变形特征分析,巷道围岩塑性区随巷道埋深的变化规律,锚杆锚索支护效果,2121工作面顺槽（平均埋深1000m） 顶锚杆： 20MnSi高强锚杆，顶板采用22L2400，全长锚固，间排距700900；顶锚索：17.8L
5、6500，间排距：运输巷21.8m，运料巷1.752.7m；帮锚杆：20L2100全长锚固，750900；帮锚索：15.24L4500，间排距：运输巷21.8m，运料巷1.752.7m；顶板下沉较大，达到210，变形量较大，稳定时间较长，巷道总体支护效果较好。,主副暗斜井（8101150m ） 顶锚杆：20MnSi全螺纹锚杆，22L2400，间排距700600；帮锚杆：20MnSi全螺纹锚杆，18L2100，间排距650600；顶锚索：15.24L5000，间排距21.8m；帮锚索：15.24L6500，间排距：1.22.3m；支护效果：两帮变形量较大，达到350，顶板下沉较小，但底臌严重，经
6、过3次清底后巷道基本能够满足使用要求。,存在问题：锚杆强度低，预应力低，支护系统刚度低,深井锚杆锚索强力支护原理,锚杆支护系统的刚度与预应力的重要性 锚杆支护强度的重要性 巷道掘进速度对强力支护的制约 强度低下密度大，掘进速度上不去,对深井巷道来说，强力支护的概念就是在现有的条件下，保持合理的锚杆支护间排距的条件下，尽可能的采用高预应力、高强锚杆，并采用合理的护表结构，充分发挥锚杆支护的作用。,高预应力作用下岩体的响应规律,计算结果,单根锚杆,单根锚索,锚杆-锚索协调支护,不同支护方式的比较,锚杆支护强度对围岩强度的强化分析,锚固体力学特性改善情况,锚固体强化理论是强力支护的理论基础,（1）锚
7、杆支护通过轴向或横向约束来改善围岩的应力状态 （2）锚杆支护提高岩体的力学参数 （3）普通锚杆 支护难以保证类巷道围岩的稳定（3）经过处理的高强、超高强锚杆能够满足使用要求。,4 基于强力支护的深井锚杆-锚索-围岩协调支护技术研究,锚杆锚索支护的协调分析 深井煤巷锚杆-锚索协调作用原理分析 锚杆锚索协调支护方法,锚杆锚索支护的协调分析,锚杆锚索之间的协调分析 锚杆锚索共同加固 围岩条件较差时，支护失败锚杆-锚索协调支护 在巷道开挖支护初期，以锚杆的柔性支护为主，后期以锚索的悬吊作用为主。两者不是同时联合加强支护，而是相互协调、相互取长补短，从而大大改善了锚固支护的整体支护性能，达到控制围岩大变
8、形的目的。,锚杆围岩之间的协调分析及时支护轴力、延伸量全长锚固增加抵抗围岩变形的能力护表构件增加预应力的扩散,锚索和围岩之间的协调分析 滞后安装，合理的安装时间将巷道表面松动破坏岩体悬吊在深部稳定的岩体之下，充分调动围岩的自承载能力，提高顶板的残余强度。合理的锚固长度 2m 锚索为18.9mm ，钻孔29 药卷Z2360,护表构件与围岩变形的协调分析 维护组合拱的存在，防止岩块的冒落而失效 实现预应力支护的必要设施 （锚杆托盘、金属网、钢带梁、梯子梁 ）将锚杆之间非锚固岩层载荷传给锚杆 能减少锚杆的间排距，提高巷道的掘进速度 编织带能够减缓围岩表面的风化，与其它护表构件一起，延长浅表围岩的稳定
9、时间。,深井煤巷锚杆-锚索协调作用原理分析,煤巷锚杆-锚索协调作用原理研究,锚杆-锚索联合加固原理,软弱围岩联合加固,软弱围岩互补原理,锚杆锚索协调支护方法,防止锚索在围岩变形过程中破断，使其适应围岩大变形的技术途径有:改变锚索的力学特性，提高钢绞线屈服后的延伸率，从而增大锚索破坏前的总伸长量；（不属于本课题研究范围）改变支护工艺、支护结构和利用锚杆支护巷道的围岩变形破坏特点，提高锚索的适应性。,改善锚索支护性能的方法：,木垫板 滞后掘进迎头安装锚索 合理安排锚索的位置 锚杆锚索有关构件的和谐性 钢带、金属网的作用,增加锚索延伸量3050，,顶板比较稳定，在锚杆支护作用下，距掘进迎头10m范围
10、内的顶板下沉量较小。这一情况允许顶板锚索滞后掘进迎头安装，从而避免因同时安装锚杆和锚索影响巷道的掘进速度，降低施工效率；当掘进迎头顶板较破碎，自稳性差，为了防止锚杆支护后出现冒顶，要求锚索紧跟掘进迎头安装；如果滞后安装锚索时，可能引起钻孔成形不好而难以安装锚索，要求在掘进迎头安装锚索。锚带网 当顶板下沉80120时安装锚索,两根锚索应位于巷道宽段的1/4和3/4处，该处的顶板下沉量一般为中部顶板下沉量的1/21/3。,5 工程设计,-980m大断面泵房 -980m水平岩石联络巷 二水平主副暗斜井,-980m大断面泵房,方案设计要点数值模拟现场观测,方案设计要点,高强锚杆强力支护、强力锚索加固，
11、锚杆锚索协调作用围岩注浆，固结强化围岩刷大断面，治理底板浇筑混凝土，形成永久支护,锚杆锚索喷射混凝土,止浆塞,底板注浆底拱,浇筑混凝土,数值模拟,数值模型,硐室顶底板岩石力学性质,支护方案,普通锚喷支护,帮底注浆锚杆+锚索+底板反拱+喷射混凝土支护,监测线,模拟结果,塑性区,轴力图,数值模拟结论,普通锚杆支护不能有效的控制硐室围岩的位移和塑性区的范围，尤其没有对底板采取任何处理措施，造成硐室严重破坏，影响设备的正常运行。而锚注+锚（索）杆+反拱支护采用全长树脂锚固方式、锚索补强方式对顶帮围岩进行有效的控制，同时对底板采用锚注加固加混凝土反拱的方式，减轻了硐室的底臌。数值模拟的初步结果表明，泵房
12、支护的初步设计是合理的。,现场监测,部分监测成果,工业试验效果,锚注+底拱支护有效地控制了围岩的变形，观测期内，各测点到围岩稳定，两帮最大移近量为127mm，最小为117mm。变形稳定以后，两帮的最大移近速率为0.2/天，已经基本稳定。观测期内最大底臌量为130mm，最小为115mm，巷道底臌速率沉速率为0.1/天，已经稳定。硐室支护完毕后的30天左右变形剧烈，45天之后，变形速率降低到1/天以下。顶板离层观测表明，测得顶板锚固区内外得离层值之和最大为5mm，说明锚杆支护有效地抑制了顶板的下沉，顶板锚杆参数的设计是合理的。锚杆锚索受力监测显示，锚杆受力在硐室掘后30m范围内增加最快，然后增加趋
13、缓，最大13t，锚索最大27t。随着时间的延长，锚杆锚索受力总体趋势逐渐增加。,-980m水平岩石联络巷,方案设计要点数值模拟现场观测,方案设计要点,预留断面高强的锚喷网支护体系，高强锚杆锚索协调支护技术二次支护，注浆加固，固结强化围岩，加固帮角控制底臌适时U型钢全断面加固,锚杆锚索喷射混凝土,部分监测成果,工业试验效果,工业性试验结果表明：尽管采用了高强支护，深井巷道围岩仍有一定的变形，但由于采用了预留断面，围岩的变形保持在可控制的范围内，因此，保证了巷道变形稳定后的断面符合使用要求。这种设计思路是正确的。(2)岩石联络巷采用22L3000mm高强锚杆，加长树脂锚固，采用17.8L6500m
14、m锚索加强支护，二者之间协调支护，混凝土分两次喷射。实践证明，支护参数的选取是正确的。,二水平主副暗斜井,方案设计要点数值模拟现场观测,方案设计要点,高阻让压，强力支护；预留断面；锚杆锚索协调支护关键技术：锚杆、锚索高预紧力 ，锚杆、护网、协调支护技术，预应力协调技术，底角锚杆控制底臌技术,锚杆锚索协调支护,数值模拟,数值模型,主副暗斜井岩石力学性质,模拟结果,监测线,位移,监测线,主应力,应力峰值距巷道从小到大：顶角顶板两帮底脚,塑性区,数值模拟结论,两帮煤体深部变形较大，帮锚杆锚固在岩体浅部，形成浅部承载结构，锚索锚固于岩体深部，能够调动深部围岩强度。但只有调整两者的安装顺序或增加锚索的延
15、伸率，才能实现协调支护。,现场监测,部分监测成果,支护参数修改,顶板和两帮锚杆支护的长度加大到3.0m，每排锚索增加到3根,观测结果,改进后的支护有效地控制了围岩的变形，观测期内，8号测站两帮最大移近量为89mm，9号测站为42mm。8号测站与9号测站均改变了支护形式，同比，9号测站尽管开采深度加大，但围岩的控制效果已显现。观测期内8号测站顶底板最大移近量为85mm，最小为38mm，巷道顶底移近速率为1.5/d左右，巷道的稳定时间较长。木垫板的压缩量与锚索的延伸量相加能够满足顶板下沉量的需要，保证了锚索不被拉断，实现了锚杆与锚索的协调。由观测结果可以看出，加强支护后，顶底板移近量和两帮位移大幅
16、度降低，且锚杆、锚索等完好率高，说明改进后的支护方式能够控制围岩的变形，支护获得了成功。,课题结论,本项目根据邢东矿千米深井高应力区域开拓巷道掘进的特点，针对该矿-980m水平开拓巷道及硐室支护难题，提出基于围岩强度强化理论的锚杆锚索强力支护原理、锚杆锚索协调支护原理。主要结论如下：从围岩条件、地质构造、水文地质和地应力几个方面分析了邢东矿大埋深煤层开拓巷道的围岩结构特点：围岩属于高应力岩层，在高应力的作用下，围岩将出现较大范围的松动，特别在断层附近，围岩裂隙更加发育，给巷道围岩控制带来困难；断层对暗斜井的掘进支护有一定的影响；掘进过程中断层附近将会淋水，但水量不大；区域内主应力的方向与暗斜井
17、斜交，暗斜井两侧将出现不对称的变形状况。,提出了深井强力支护的概念，论证了预应力对巷道围岩强度的影响规律，采用数值模拟方法考察了锚杆、锚索及二者共同作用下预应力在锚固岩体中的扩散及衰减规律，即岩体表面预应力的影响范围为托盘宽度的15倍左右，剧烈影响范围为托盘下方区域；沿锚索（杆）深度方向附加应力和变形逐渐减小，深度大致和锚索（杆）长度相当，在锚索末端一定范围内出现了拉应力，而后随着距离的深入拉应力消失，呈现压力状态。,在分析现有锚杆支护理论及技术的基础上，提出了锚杆锚索及护表构件与围岩的相互协调关系进行了分析。阐述了锚杆锚索协调支护的机理，即发挥锚杆和锚索自身的优势，在巷道开挖支护初期，以锚杆
18、的柔性支护为主，后期以锚索的悬吊作用为主，两者相互取长补短，改善锚杆支护的整体支护性能，达到控制围岩大变形的目的。其关键是应根据巷道围岩条件，采用合理的锚杆支护形式和参数，选择与之相匹配的锚索支护方法。为了实现锚杆锚索协调支护，提出了改善锚索加强支护性能的方法：加木垫板、滞后安装、改变锚索位置、锚杆锚索有关构件的和谐性及实现预应力的有效扩散等措施。,提出了巷道围岩控制设计的总体思路是：高阻让压，强力支护；预留断面；据此应用数值模拟提出了锚杆锚索及加强支护的参数，给出了高应力区域硐室、岩石联络巷、主暗斜井初始的支护方案。 提出了高应力区域围岩控制的关键技术：即锚杆、锚索高预紧力；锚杆、锚索、围岩
19、、护网构件协调支护技术；底角锚杆控制底臌技术；注浆加固技术。采用理论分析、工程类比、动态设计、系统分析方法对邢东矿高应力区域巷道进行了支护设计和工业性试验 。结果表明：该设计方法能够解决深井高应力区域的开拓巷道支护问题。,效益分析,直接经济效益 主暗斜井经济效益综合支护费用与修复费用，高强协调支护比原锚杆锚索支护每米可节约费用1835.8元/m。每年掘进开拓和采区巷道9700米，考虑修复费用，矿井每年可节约费用1780.7万元。 -980m泵房支护与原支护相比可节省18.03万元 -980m联络岩巷 可节省38.97万元因此，该课题创造的直接经济效益为1837.7 万元,间接经济效益显著降低了巷道维修费用，基本消除了巷修对矿井的影响。提高了资源回收率，减少煤炭资源损失；减少了支护材料的运量，有利于快速掘进；为同类条件下深井开拓巷道支护提供了有益的经验和尝试。,
