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1、2023/3/28,1,向参加鉴定会的各位专家致敬,淮南矿业（集团）有限责任公司2003年8月 30日,2023/3/28,2,极易离层破碎型煤巷预应力控制技术及工程应用研究,淮南矿业（集团）有限责任公司中国矿业大学合肥煤炭研究所沈阳煤炭科学研究所2002年10月,2023/3/28,3,汇报提纲,立项背景主要技术成果工业性试验和推广应用情况对矿区发展的推动作用,2023/3/28,4,落后的煤巷支护状况淮南矿区储量十分丰富，-1000m水平以上已查明储量153.25亿吨；主采煤层赋存稳定，适宜综采综放机械化开采；以瓦斯综合治理成套技术为中心的安全保障技术和以机械化采煤为中心的主导技术取得重大
2、突破，采煤工作面已具备年产200万吨以上的综合生产能力，新井发展迅速。煤巷支护问题突显，成为实现矿井综合生产能力的瓶颈，很多工作面产量主要受制于两巷维护。,1.立项背景,2023/3/28,5,表1.1 淮南矿区锚杆支护进尺统计(2000年前),2023/3/28,6,1980年以前，煤巷半煤岩巷尝试金属锚杆支护；19811992年，在、类顶板顺槽中试验和推广普通锚网支护；19932000年，跟踪全国煤巷螺纹钢树脂锚杆成套支护技术进展，并在、类巷道中攻关，但支护效果差，安全可靠性没有保障。1996年在潘一矿1672(3)综采工作面上风巷进行螺纹钢高强树脂锚杆支护试验；1997年在潘三1531(
3、3)下顺槽进一步开展螺纹钢高强树脂锚杆支护试验；,艰难的支护改革历程,2023/3/28,7,主要原因,煤巷支护的基础条件恶劣1)岩性差，胶结程度低，强度小；2)煤层顶板结构极其复杂，层理发育；3)煤体松软，结构复杂；4)区域构造应力强烈；5)采深大。顶板离层倾向显著，围岩稳定性差安全可靠性要求更高 因此，必须围绕极易离层破碎型煤巷的稳定性控制技术开展研究，创新支护技术,2023/3/28,8,2.主要技术成果,基本支护条件和围岩分类研究,针对顶板离层破坏的预应力控制理论,厚层复合顶板留小煤柱沿空掘巷的结构稳定性分析,有效控制顶板离层的预拉力支护体系,典型条件的工业性试验及推广应用,2023/
4、3/28,9,2.1 基本支护条件和分类研究,通过围岩物理力学性能和地应力测试进一步量化煤巷条件选取敏感指标开展分类，能够直观体现顶板的稳定性程度,2023/3/28,10,1）物理力学性质测试,测试点：谢桥矿、潘三矿试样数：15块测试单位：中国矿业大学岩层控制中心实验室承担1)岩性很差，煤系地层为第四系深厚冲积层覆盖，成岩较晚，煤系地层上覆岩体胶结压密不好，矿物成分X衍射定量分析测试结果表明，新区典型泥岩皆为粉砂质高岭石泥岩，抗拉强度仅有1.573.2MPa，易风化，遇水泥化并具有一定的膨胀性，膨胀率在5%左右，膨胀力达到0.380.51MPa；2)顶板结构复杂，赋含煤线、软弱夹层，取芯困难
5、，岩石质量指标指数RQD仅为2530%；3)煤层结构复杂，层理紊乱，硬度0.730.82，并含有多层硬度小于0.5的软弱薄层，严重制约了煤层的稳定性，顶煤自稳时间很短。,2023/3/28,11,基本支护条件和分类研究,测量原理：空心包体类三维应力测量原理和钻孔应力解除技术 测量点：潘三矿650水平东翼1542(3)工作面运输巷与切眼交叉处潘三矿650水平西翼1452(3)工作面运输巷谢桥矿-650水平1151(3)运输巷代表了由强到弱的3个典型应力区域地应力测试结论1)采深大，自重应力强烈；2)构造应力分布不均衡，3)围岩应力方向与大地坐标系及巷道方位都呈空间分布。,2)地应力测量,2023
6、/3/28,12,1452(3)测点地应力解除过程实测曲线,1452(3)运顺测点岩芯,实测所得最大主应力1为18.75MPa，与铅垂方向成54夹角，和东西向夹38.41角，南北向夹角78.167。从实测看该处应力水平较高，水平面上的最大应力max与1452(3)运输顺槽斜交，对巷道形成水平剪力，且max和min相差较大。,2023/3/28,13,图2.71542(3)运输巷测点岩芯,图2.8 地应力解除过程实测曲线,最大主应力1与铅垂方向成46夹角，东西向夹65角，南北向夹126角。其值为16.41MPa，2和3相差较大，剪应力比较突出。v的估算值为17MPa左右，而计算所得的垂直方向的应
7、力分量为11.89MPa，二者相差较大，说明该区域内存在构造应力。,2023/3/28,14,地应力解除过程实测曲线,1151(3)运顺测点岩芯实物,最大主应力1 12.07MPa，与铅垂方向成36夹角，2和3相差不大。采区地质构造简单，地应力以自重应力为主，剪应力较小。水平面上的最大主应力与运输顺槽接近平行，有利于巷道围岩支护。,2023/3/28,15,表2.11主应力大小与方向,2023/3/28,16,表1.3巷道顶板稳定性类别的基本划分,注：顶板特征描述主要针对45m范围内岩层。,2023/3/28,17,基本支护条件和分类研究,表1.5巷道围岩构造应力强弱的划分,K：实测水平应力与
8、自重计算水平应力之比,2023/3/28,18,表1.6淮南矿区煤巷围岩分类,2023/3/28,19,2.2预应力支护理论,分析高强锚杆支护的技术问题提出锚杆支护技术的方向考虑水平应力和预拉力两因素提出层状顶板预应力结构理论,2023/3/28,20,预应力支护思想的提出,安全问题：如何控制锚固区内外的离层经济问题：如何发挥高强支护体系的效能,高强锚杆支护体系：两高两低 高强度、高粘结力、低初锚力（工作阻力）、低可靠性,预拉力支护体系：四高一大 高强度、高粘结力、高预拉力（工作阻力）、高可靠性、大间排距,2023/3/28,21,巷道掘进方向,最大水平应力,应力集中区,充分重视水平应力对巷道
9、稳定性的影响,2023/3/28,22,水平应力,水平应力,垂直应力,水平应力,水平应力,垂直应力,预拉力支护和高强锚杆支护的比较,2023/3/28,23,层状顶板预应力结构理论主要内容,水平应力是造成顶板弱面剪切破坏进而发生离层的主要原因；当水平应力超过顶板岩石弱面强度时，将不可避免地破坏顶板（剪切破坏和拉破坏），诱导层状顶板离层。预拉力是能否有效加固顶板弱面，进而控制离层的关键因素；当顶板支护预拉力达到一定水平时，可以消除顶板中部产生的拉应力区，促使顶板形成压力自撑结构，即产生预应力结构效应。当顶板整体性好时，形成预应力板，可以采用大间排距支护；当顶板破碎时，形成预应力梁，应采用小间排距
10、支护；,2023/3/28,24,2023/3/28,25,层状顶板预应力结构理论的指导作用,在技术源头上为彻底解决顶板的垮冒提供可能性和方向为离层型、离层破碎型顶板稳定性控制提供理论指导重视以实现高预拉力为目的的支护结构研究为施工安装机械设备的开发提出方向支护设计和监测应以预拉力和顶板离层为中心开展。,2023/3/28,26,2.3 三种新型预拉力支护手段,高性能（预拉力）锚杆支护钢绞线预拉力桁架支护M型钢带 和小孔径预拉力短锚索一起构成了预拉力支护体系,2023/3/28,27,高性能（预拉力）锚杆,杆体性能优良整体强度和几何尺寸匹配钻机连续一体化安装直观显现施工安装质量易于实现预拉力,
11、2023/3/28,28,2023/3/28,29,2023/3/28,30,2023/3/28,31,与普通高强锚杆的比较,对比项目 普通锚杆 预拉力等强锚杆锚杆破断力 100 120锚杆可延伸量 10mm 大于200mm材料成本 100 83锚杆井下断裂 有 很少国际相关技术 有 无机械安装性能 无 有 安全标志 无 有,预拉力钢绞线桁架 有效阻止顶板垮冒,顶板受压区,顶板受压区,2023/3/28,33,留顶煤时的桁架使用情况（M型钢带作基础）,2023/3/28,34,M型钢带,适应破碎不平整煤巷顶板条件；抗撕裂，和新型锚杆配套使用效果好。,2023/3/28,35,2023/3/28
12、,36,综采(放)留小煤柱沿空掘巷稳定性分析,沿空掘巷的大小结构稳定分析煤柱的稳定及变形控制技术,2023/3/28,37,留小煤柱沿空掘巷围岩大小结构的稳定性分析,大结构稳定上区段回采时侧向采空上覆关键层断裂成弧三角板，形成关键块体；该结构不受巷道掘进的影响，能够自稳；本工作面回采超前阶段承载结构不会失效，为使用锚杆类支护提供了基础。小结构稳定围岩变形的剧烈时期为一个关键块体的长度，即基本顶岩层的周期来压步距；取决于对两帮煤体的有效加固，特别是对其形状的有效控制。采用新型预拉力锚带网及钢绞线预拉力桁架等组合支护手段，可以保持围岩锚固结构的整体性能；,2023/3/28,38,煤柱稳定性的影响
13、因素主要考虑煤层力学参数、煤柱宽度、锚杆支护强度等。煤柱宽度对应力分布影响较大。随锚杆支护强度增大，煤柱浅部应力增大，软煤煤柱浅部应力增加幅度大于中硬煤。锚杆支护强度提高对软煤煤柱表面位移控制作用显著大于对中硬煤煤柱的控制作用。变形控制技术合理确定煤柱尺寸高预拉力支护技术控制窄煤柱浅表变形高强支护系统提高承载力预留变形量，适应大结构下沉考虑大变形过程中的锚固力衰减或失效现象，二次加强锚固,窄煤柱稳定性及变形控制,2023/3/28,39,工业性试验形成3项成熟技术1.谢桥矿8槽煤巷新型预拉力锚杆支护工业性试验2.谢桥矿13槽综放煤巷预拉力锚杆桁架组合支护工业性试验 3.潘三矿13槽综采煤巷组合
14、预拉力锚索(桁)架支护工业性试验 4.潘三矿1211(3)沿空掘巷组合锚杆支护工业性试验 5.潘一煤矿11槽煤层皮带机运输下山锚杆支护工业性试验,2023/3/28,40,经济效益,表1.7 试验研究期间煤巷锚杆支护推广应用汇总表,2023/3/28,41,经国内外文献检索，可以得出：本课题提出的利用水平应力强度和顶板结构两项指标开展煤巷围岩分类在所查的相关文献中均未见报道；以顶板是否离层为主要标准的煤巷锚杆支护设计方法和煤巷层状顶板的预应力结构理论的文献报道未见报道；除本课题外未见与研究报告相同技术特征的高性能锚杆的报道；国内外关于桁架系统结构特征及应用方法的描述与本课题研究报告的描述区别很大；国内关于M型钢带均属于中国矿业大学研制，属于本课题成果；国内外限于离层及离层破碎型顶板煤巷的锚杆支护技术的成功应用未见报道。,查新结论,2023/3/28,42,三主要技术成果,1个分类方法：利用水平应力强度和顶板结构的分类方法,1个支护理论：控制层状顶板离层的预应力结构理论,通过工业性试验形成3种典型条件的支护技术：类巷道的预拉力锚杆支护技术、类巷道的预拉力桁架组合支护技术、类（类）巷道的锚索（桁）架支护技术,三项实用支护手段：高性能预拉力锚杆、钢绞线预拉力桁架系统、M型钢带,2023/3/28,43,谢谢！,
