深井高地应力巷道锚杆支护成套技术.ppt

《深井高地应力巷道锚杆支护成套技术.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《深井高地应力巷道锚杆支护成套技术.ppt（101页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、深井高地应力巷道 锚杆支护成套技术 煤炭科学研究总院开采研究分院 2007年3月,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

2、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30-50C/km。热胀冷缩，温度变化1 产生0.4-0.5 MPa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

3、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。,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,一、国内深部开采现状,巷道围岩变形的时间效应。围岩变

4、形量大，有明显的时间性。初期来压快、变形显著，不采取有效支护措施，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 China Coal Research Institute,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

5、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 China Coal Research Institute,二、深部巷道支护研究现状 （一） 深部巷道变形特点,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 China C

6、oal Research Institute,二、深井巷道支护研究现状 （二） 深部巷道支护理论,对深部巷道，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。,二、深井巷道支护研究现状 （二） 深部巷道支护理论,煤炭科学研究总院 China Coal Research Institute,锚杆锚喷支护 锚杆锚喷支护性能

7、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 China Coal Research Institute,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

8、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 China Coal Research Institute,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

9、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 China Coal Research Institute,二、深井巷道支护研究现状 （三） 深部巷道支护技术,二、深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

10、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。 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

11、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

12、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：

13、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：FS7520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、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： HVh，7个测站，协庄3个

14、、华丰3个测站，潘西1个测站。H/V=1.004-1.55 VHh，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N3EN43.5W 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）。,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11.21

15、8.2 MPa；华丰矿10.813.4 MPa，最小4.5MPa，最大15.8MPa；潘西矿抗压强度8.210.5 MPa，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，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

16、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,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

17、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,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（二）高预应力强

18、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； 右旋螺纹钢锚杆，锚固剂充填不密实，影响锚固效果。 锚杆被拉断或剪断，锚杆强度偏低； 右旋螺纹钢锚杆螺母为铸造件，出现“退帽”现象； 锚杆托梁、托盘强度不够。构件被剪断、拉穿； 护表构件（钢带、金属网等）力学性能与锚杆强度匹配性差，锚杆、锚索之间的围岩鼓出、变形大。 支护效果差，二次与多次支护的主要原因是支护系统的刚度低，被动支护。,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,理论分析、数值模拟与井下试验得出，

19、提高锚杆支护系统的刚度非常重要。 提高支护刚度的途径主要有两方面：一是给锚杆施加较大的预应力，并通过托板、钢带等构件实现预应力扩散；二是采用加长锚固或全长锚固，使杆体对围岩离层、错动非常敏感，能及时抑制离层与错动的产生。 特别是锚杆预应力支护系统中起关键性作用。,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,巷道开掘后，受掘进面支撑，变形很小。安装锚杆控制浅部离层滑动。安装越及时，预应力越大，锚固范围内岩层整体刚度越高，岩层处于压缩状态，不发生离层和弯曲等有害变形，完整性和整体强度得到保持。 没有预应力，只有当岩层产生一定变形时锚杆才有载荷，显然不能控制在这以前顶板岩层的

20、离层和错动，导致顶板从浅部向深部逐渐离层、破坏，失去完整性与稳定性。 通过大幅度提高锚杆支护系统刚度与强度，特别是预应力，可以有效抑制围岩结构面离层和弯曲变形，实现一次有效支护。,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,预紧力20kN,预紧力100kN,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,不同锚杆间距的应力分布,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,无钢带,有钢带,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,锚索周围应力分布,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

21、次支护理论,锚索周围应力分布,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,新汶深部巷道高预应力、强力锚杆支护理论： 锚杆作用控制锚固区围岩离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形与破坏，尽量使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏，最大限度地保持锚固区围岩完整性，减小锚固区围岩整体强度的降低。 在锚固区形成刚度大的次生承载结构，阻止锚固区外岩层产生离层，同时改善围岩深部的应力分布状态。,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,锚杆支护刚度十分重要，预应力起决定性作用。根据巷道条件确定合理预应力是支护设计的关键。较高预应力要求锚杆

22、具有较高强度。 锚杆预应力扩散同样重要。单根锚杆预应力作用范围有限，必须通过托板、钢带和金属网等构件将预应力扩散到离锚杆更远围岩中。 钢带、金属网等构件在预应力支护系统中发挥极其重要的作用。,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,锚索作用：一将锚杆形成的次生承载结构与深部围岩相连，二是挤紧和压密岩层层理节理，增加不连续面抗剪力，提高围岩的整体强度。 新汶深部巷道采用高预应力强力锚杆支护，尽量实现一次支护有效控制围岩变形，避免二次支护。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法,确定支护形式与参数的原则 一次支护原则 高预应力与预应力扩散原则 “三

23、高一低”原则：高强度、高刚度、高可靠性，低密度。 临界支护刚度和强度原则，不能低于临界值； 相互匹配原则； 可操作性原则； 经济合理原则,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法,动态信息设计法 地质力学评估； 初始设计； 井下监测和信息反馈； 修正初始设计； 日常监测（顶板离层锚杆受力）,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法,初始设计 采用大型数值计算软件FLAC、UDEC 多方案比较，得最优初始设计 合理性，合理反映围岩支护关系 全面性，更多地考虑影响因素 快速性，进行多方案快速比较 可视性，结果以优越图形显示,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）

24、深部巷道支护设计方法,强力锚杆支护 普通锚杆支护（岩巷）,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法,强力锚杆支护 普通锚杆支护（煤巷）,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法,5m煤柱 15m煤柱（煤巷）,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法,预应力-锚杆关键参数，对支护效果起决定性作用。 很多矿区没有认识到预应力重要性，且施工机具不能提供较大预应力，预应力普遍低，一般预紧力矩为100-150N.m，预应力为15-20kN，被动支护。 预应力设计原则是控制围岩不发生明显的离层和滑动。如果选择合理的预应力值，能够实现。 根据我国巷道条件

25、，确定锚杆预应力为杆体屈服载荷的30-50%。对于HRB600、直径25mm的强力锚杆，预应力的取值范围为90-150kN。 锚杆直径、长度越大，杆体材质强度越高，要求的预应力越高。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法,预紧力与螺母安装扭矩之间的关系 P0=kM 预紧力与螺母扭矩成正比，同时取决于系数k。 影响k值的关键因素： 螺母与螺纹段间摩擦系数，越大，k值越小； 螺母、垫圈端面间摩擦系数，越小，k值越大； 锚杆直径，锚杆越粗，k值越小。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法,提高预应力途径：提高螺母扭矩M；提高转换系数k。 提高螺母安装扭矩M

26、 螺母安装扭矩由锚杆机具输出扭矩决定，影响预紧力关键因素。 美国等采用锚杆台车、掘锚机组。钻机扭矩大，400-500Nm，保证锚杆高预紧力。 国内采用单体锚杆钻机，输出扭矩100-150N.m，顶推力10kN，无法实现锚杆高预紧力。 采用专门高扭矩螺母拧紧设备，但增加一道工序；引进、开发锚杆台车和掘锚联合机组。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法,提高预紧力与螺母扭矩的转换系数k 降低螺母与锚杆螺纹段间摩擦系数； 提高螺纹加工精度等级，减少摩擦阻力和摩擦扭矩；采用油脂对螺纹部进行润滑，减少摩擦阻力。 减小螺母、垫圈端面间摩擦系数。 采用高效减摩副，减少螺母、垫圈和托盘之

27、间的摩擦阻力和摩擦扭矩。在螺母与托板之间加金属垫圈和塑料垫圈，可减少摩擦阻力，而且塑料减摩垫圈的材质起着关键作用。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（四）强力锚杆支护材料,锚杆支护构件图,强力锚杆支护材料。 锚杆杆体 树脂锚固剂 W型钢带 小孔径树脂锚索,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（四）强力锚杆支护材料,针对深井高应力条件，专门开发强力锚杆专用钢材左旋无纵筋螺纹钢。 从炼钢开始，设计专用锚杆钢材的配方，钢的牌号为BHRB600， 保证杆体延伸率，强度大幅提高。 25mmBHRB600锚杆强力锚杆；破断力400kN。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（四）强力锚杆支护材料,三、深井巷道锚杆

28、支护成套技术内容（四）强力锚杆支护材料,锚杆附件 高强度拱形托板，可调心垫圈。托板尺寸150mm150mm12mm，力学性能与强力锚杆相匹配。 高效减摩垫圈1010尼龙,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（四）强力锚杆支护材料,高强度、高粘接力、低粘度、快速固化树脂锚固剂 高聚合度树脂锚固剂专用树脂； 高粘接力，保证锚固效果； 低粘度，满足全长锚固要求； 高强度，抗压强度60MPa； 超快固化，快速施工。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（四）强力锚杆支护材料,高强度、高刚度组合构件 W型钢带 原W钢带强度低，易撕裂； 厚5mm、宽250-280mm 钢带强度刚度大幅度提高； 护顶面积大，与强力

29、锚杆 匹配，组合效果好。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（四）强力锚杆支护材料,强力锚杆研发和试验过程中存在的问题及解决方案 强力锚杆开发成功后，首先在新汶进行试验。巷道围岩变形大大减小。但在实验中出现部分强力锚杆在杆体尾部螺纹破断，破断没有明显“颈缩”。 国家钢铁材料测试中心对锚杆进行对比分析和化验。 锚杆杆体力学性能符合要求，杆尾部分性能强度指标与杆体相近，但断后伸长率明显低于杆体部分，锚杆钢具有较大的缺口敏感性。发生断裂的锚杆杆尾的冲击韧性-吸收功很低，仅为5.1J。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（四）强力锚杆支护材料,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（四）强力锚杆支护材料,锚杆在

30、螺纹处发生断裂是螺纹表面受较高弯曲力矩而瞬间脆性断裂； 锚杆钢硅酸盐夹杂很多，晶粒较粗，冲击韧性值低，是发生脆性断裂的材质内在因素。 找出杆尾螺纹发生脆性断裂原因。在生产工艺和过程中大量改进，新轧制钢材冲击韧性指标有明显提高。 出现的问题，首次将冲击吸收功列入锚杆力学检测参数中（20J）。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（五）深部困难巷道支护技术,协庄矿1202E运输巷支护布置图,原支护前掘后修 25mm、2.4m强力锚杆 高预紧力(100kN) 破断力(400kN) 280、5mm钢带 排距增大到1m,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（五）深部困难巷道支护技术,矿压监测数据： 顶底板移近量

31、是原来的30.5% 两帮移近量是原来的22.2%,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（五）深部困难巷道支护技术,三种锚杆支护顶板离层变化趋势和表面位移规律一致。 等强锚杆支护顶板离层量最大，最大离层值127mm，最小56mm，平均80mm； 淮北高强锚杆支护最大离层量86mm，最小39mm，平均57mm，是原支护离层量71.3%； 强力锚杆支护离层量最小，最大为11mm，最小为2mm，平均4mm，是原支护离层量5%。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（五）深部困难巷道支护技术,强力锚杆顶板完整下沉小,全螺纹锚杆顶板破碎下沉大,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（五）深部困难巷道支护技术,潘西矿-7

32、40后六轨道上山 第一种支护20-2200全螺纹锚杆，锚杆间排距1.21.2m，第二层锚杆与第一层五花布置。锚网喷永久支护。 第二种支护强力锚杆配合喷射混凝土。22-2400mm强力锚杆，W型钢护板护顶、护帮，5.5mm钢筋网，锚杆间排距0.80.8m。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（五）深部困难巷道支护技术,支护效果 全螺纹钢锚杆支护，两帮移近量273mm，顶板下沉量187mm，底臌量485mm； 强力锚杆配钢筋网支护，两帮移近量102mm，顶板下沉量13.5mm，底臌量177mm，分别为普通锚杆支护的37.4%、7.2%、36.5%。 提高巷道锚杆支护强度、预紧力、钢带厚度等方法控制深

33、部煤岩巷道围岩变形行之有效，通过控制顶帮，还可以有效地控制巷道底臌。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（五）深部困难巷道支护技术,华丰矿-1100西岩巷 -1100m水平西大巷埋深1200m，穿层掘进，层理发育，稳定性差。 巷道断面直墙半圆拱形。宽度3.7m，高度3.85m，断面积12.04m2。 树脂加长锚固强力锚杆支护配喷射混凝土。锚杆25#左旋无纵筋锚杆螺纹钢，长度2.4m，W型钢护板、钢筋网护顶护帮。锚杆间排距800mm。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（五）深部困难巷道支护技术,支护效果 一测区252400mm强力锚杆，进入稳定段，变形减弱。顶底移近以底鼓为主，两帮移近逐渐变小。顶

34、板下沉、两帮移近较小。 二测区222400mm强力锚杆，围岩变形不稳定，顶板移近、两帮移近速度变化较缓，顶板移近、两帮移近比一测区大。 浅部范围离层占总离层2/3，巷道主要在浅部（2m范围内）产生离层。 25mm强力锚杆比22mm变形小。支护效果明显好于二测区。类似条件应使用25mm强力锚杆。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（六）锚杆支护设计软件,为使支护设计适合工程技术人员，简单、方便，又不降低科学性，针对一个矿区，在大量示范巷道数值计算、井下实践经验和监测数据基础上，进行提炼与简化，编制设计软件是一条可行的途径。 在围岩地质力学测试与评估，研究深部锚杆支护机理基础上，借助数值计算及大量现

35、场观测研究的成果，提出适合新汶矿区深部煤巷的锚杆支护设计方法，并编制支护设计软件，提高锚杆支护设计可靠性、合理性和科学性，提高工程技术人员对锚杆支护设计的掌握程度和设计速度。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（六）锚杆支护设计软件,设计软件组成 (1) 煤巷数据库系统 (2) 设计系统 煤巷数据库系统 添加、查看、修改和删除煤巷锚杆支护设计所涉及的各种参数。绘制岩层柱状图。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（六）锚杆支护设计软件,地应力参数 巷道围岩岩层分布、强度与结构参数 煤巷使用特征 煤巷类型 巷道断面尺寸与方位 护巷煤柱类型 巷道掘进方式,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（六）锚杆支护设

36、计软件,设计系统 根据数据库原始资料，确定合理锚杆支护初始设计，以表格和图形两种方式提供设计结果： 表格提供的设计结果包括： 锚杆支护形式,支护参数,支护材料消耗表 图形提供的设计结果包括： 锚杆支护断面图； 锚杆支护俯视图； 锚杆支护侧视图； 锚杆支护材料简要名单,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（六）锚杆支护设计软件,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（六）锚杆支护设计软件,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（六）锚杆支护设计软件,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（六）锚杆支护设计软件,锚杆支护矿压监测方法与信息反馈 新汶矿区煤巷锚杆支护巷道监测方法 综合监测 日常监测 信息反馈和修正初始设计

37、 监测数据反馈指标选择 反馈信息指标数值的确定 判断支护设计合理性与修改设计准则,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（六）锚杆支护设计软件,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（六）锚杆支护设计软件,预应力优先修改原则 决定参数。首先判断初始设计锚杆预应力是否合理。 1) 顶板出现弯曲，锚固区内外离层值超出指标值； 2) 两帮破坏范围大，相对移近量大； 3) 锚杆受力不大，但与围岩一起向巷道内移动； 4) 锚杆间围岩破碎、鼓出； 最有效方法合理提高锚杆预应力,优化托板、钢带护表构件尺寸与参数，实现预应力有效扩散。 初步确定预应力范围为杆体屈服强度3050%。设计预应力越大，要求杆体强度越高、直径越大

38、。 只有杆体强度和直径不能满足预应力要求，才考虑减小锚杆间排距，增加密度，以及改变其它支护参数。 其它参数修改原则,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（六）锚杆支护设计软件,煤巷锚杆支护监测与信息反馈软件 矿压监测数据库 输入、存贮、修改、删除、处理矿压监测数据，绘制各种矿压监测曲线。 信息反馈与修改初始设计系统 对监测数据处理分析，判断现有支护设计是否满足工程，是否需要修改。根据支护初始设计判断和修改准则，给出修改设计的建议。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（七）基于锚杆支护允许变形的离层确定方法,顶板离层指巷道服务期内顶板岩层中一点与其正上方一定深度岩层中某点的相对位移量。包含弹塑性变形、

39、扩容变形、结构面变形等。 顶板离层界限指锚杆支护巷道在正常使用情况下所允许的顶板离层范围。超过这一范围意味着顶板处于非稳定状态，应该密切注意顶板动态，及时采取相应措施。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（七）基于锚杆支护允许变形的离层确定方法,新汶巷道变形与顶板离层实测数据 巷道变形与顶板离层随埋深增加而增大。 煤岩体强度对巷道变形与顶板离层影响很大。 支护形式与参数对围岩变形与顶板离层控制作用差别很大。 锚固区内离层最大300mm，最小几乎0。其中10mm及以下占13%，1050mm占56%，50100mm占11%，100mm以上占20%。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（七）基于锚杆支护

40、允许变形的离层确定方法,锚固区内离层1050mm居多，大部分处于15-35mm； 锚固区外离层最大177.5mm，最小几乎0。10mm及以下占43%，1050mm占41%；50100mm占11%；100mm以上占5%。锚固区外离层值以050mm居多，大部分处于5-30mm之间。 锚固区内离层值大于锚固区外离层值占89%，锚固区内离层值小于锚固区外离层值的仅占11%。 锚固区外离层值大于锚固区内离层值一半占39%，小于锚固区内离层值一半的占61%。顶板离层以锚固区内离层值大于锚固区外离层值占大多数，且锚固区外离层值小于锚固区内离层值一半居多。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（七）基于锚杆支护允

41、许变形的离层确定方法,锚杆支护对岩石弹性变形、峰值强度之前塑性变形控制作用不明显； 锚杆支护可有效控制岩石峰值强度后由于新裂纹形成与张开引起的扩容变形与岩石碎胀； 锚杆支护可有效控制围岩内结构面变形，包括结构面滑动、张开和离层，阻止节理化煤岩体的变形与松散。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（七）基于锚杆支护允许变形的离层确定方法,确定巷道顶板离层界限值的原则： 离层界限应考虑煤岩强度和地应力弹塑性变形影响； 顶板离层界限确定必须与支护形式参数密切联系； 顶板离层界限确定必须密切考虑锚杆支护系统本身允许变形量，应作为确定顶板离层界限的重要依据； 顶板离层界限确定应根据不同围岩类型与地应力条件确

42、定，不能统一确定为一个固定值。 基于已有理论研究、井下实测成果，据确定顶板离层界限原则，提出新汶不同围岩类型与地应力顶板离层界限的参考值，,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（七）基于锚杆支护允许变形的离层确定方法,将实测离层与离层界限值比较，分析顶板安全性 实测值小于界限值，支护设计合理，支护系统处于允许变形范围，顶板处于安全状态； 实测值达到或超过界限值，支护系统已达到或超过允许变形量，支护系统可靠性降低，围岩变形与顶板离层较大，巷道顶板存在安全隐患； 实测值达到或超过界限值并不意味顶板立即会冒落，但顶板破坏、失稳、垮落可能性增大； 实测值达到或超过界限值，应及时分析超限原因，修改支护设计，

43、采取补强加固措施，确保巷道安全。,三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（七）基于锚杆支护允许变形的离层确定方法,四、应用与效果,通过集中攻关研究，使新汶矿区深部巷道，特别是超千米高地应力巷道围岩变形与破坏得到有效控制，巷道支护状况得到明显改善，围岩稳定性与安全程度得到显著提高。 新矿集团2005年以来，重点加大高预应力、高强度锚杆支护推广力度。公司文件规定在、类围岩巷道和埋深超过800m、服务年限超过5年开拓准备巷道必须推广使用高预应力、高强度螺纹钢锚杆支护技术。,四、应用与效果,2006年二季度来，在孙村、良庄、华丰、协庄、潘西、翟镇、华恒公司、华泰公司及鄂庄等矿共试验推广应用高预应力、高强度锚

44、杆支护巷道44409余米，计501845余套。 逐渐消灭前掘后修现象，特别在深部应力集中区和围岩松软区支护效果显著。 新矿集团锚杆支护技术上了一个新台阶。,五、技术经济与社会效益,锚杆支护理念有较大突破。从低强度、低刚度被动锚杆支护转变为高预应力、高强度刚度主动锚杆支护。 高预应力、强力锚杆支护成功进行超千米深井高应力巷道一次支护，对原有二次支护理论提出挑战，丰富深井软岩巷道支护理论，为我国深部高应力软岩巷道支护提供重要参考。 高预应力强力锚杆支护成本虽然比原支护有所提高，但解决了新汶深部巷道前掘后修，使巷道掘进和维修综合成本降低，取得显著经济效益。 解放大量用于巷修人力物力，用于掘进回采，矿

45、区人工效率大幅度提高。,五、技术经济与社会效益,回采巷道支护直接经济效益 协庄矿1202E运输巷，原锚杆材料消耗1217元/m，强力锚杆消耗1929.3元/m，强力锚杆多712.3元/m。 2005年煤巷平均支护材料费用1505元m，煤巷进尺19150m，修复量50%，每米修复支护费用为1217.0元，每米修复用工12个，41.66元/工。2006年采用新支护体系节约费用：279.93万元 综合支护与修复费用，高预应力锚杆比原支护每米可节约费用146.18元/m。,五、技术经济与社会效益,岩巷支护直接经济效益 潘西矿后六轨道上山。高预应力锚杆支护段比原支护巷道每米材料费多投入593.44元。

46、采用原支护，巷道前后共维修三次，维修费占施工费用的30.6%，原支护巷道比高预应力锚杆支护段多投入修复费用1100元/m。 综合支护、修复费用，高预应力锚杆比原支护巷道每米节约施工费用506.56元/m。 潘西矿每年岩巷进尺7000m，年经济效益354.59万元。,五、技术经济与社会效益,全矿区直接经济效益 在、回采巷道及埋深800m以下岩巷全部用高强锚杆支护。每年掘进煤巷、半煤巷12万余米，其中深部、回采巷道7.5万余米，高预应力锚杆比原支护巷道每米节约施工费用146.18元/m，集团公司每年节约费用1096.35万元。 每年掘进岩巷7万米，埋深800m以下岩巷3万余米，高预应力锚杆比原支护

47、巷道每米节约施工费用506.56元/m，每年可节约费用1519.68万元。 高预应力锚杆支护，每年节约费用2616.03万元。,五、技术经济与社会效益,间接经济效益 有利于矿井实现高产高效。有效控制深部巷道变形，改善边掘边修、前掘后修状况。缓解接续紧张局面。促进矿井安全生产，具有较高安全效益。间接效益大大超过直接经济效益。 减轻工人劳动强度，简化工作面端头与超前支护，为工作面快速推进创造条件，有利于提高工作面单产； 显著降低巷修费用，基本消除巷修对回采影响。 解决沿空掘巷支护，提高回收率，减少煤炭损失； 减少支护材料运量，有利于快速掘进； 实现支护材料自行加工，带动支护材料加工业发展。,五、技

48、术经济与社会效益,社会效益 提高巷道支护可靠性有利于矿井安全生产 对社会的辐射效应 在项目试验研究中，多家单位派人或组织参观学习，对山东乃至全国煤炭行业都会起到很好的技术辐射效应，可带动全公司和全国范围深井高应力巷道锚杆支护技术的进一步发展。,六、主要结论与建议,新汶最大水平应力40MPa，围岩强度3040MPa，煤层强度在812MPa，典型深井高应力软岩； 深部巷道锚杆作用控制锚固区围岩离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形，围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲、拉伸与剪切破坏，在锚固区内形成刚度较大的次生承载结构，最大限度地保持锚固区围岩完整性，减小锚固区围岩整体强度降低。 锚杆支护刚度十分

49、重要，特别是预应力起决定性作用。预应力扩散同样重要，钢带等护表构件在预应力支护系统中发挥重要作用。,六、主要结论与建议,针对新汶深部高应力巷道提出高预应力、强力锚杆支护理论。大幅度提高锚杆支护的刚度与强度，采用高预应力、强力锚杆支护系统，实现一次支护有效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷修。 提出设计原则，即一次支护原则、高预应力和预应力扩散原则、“三高一低”原则、临界支护刚度与强度原则、相互匹配原则； 研制开发适用于深井高应力巷道强力锚杆支护系统，为深井支护提供非常有效的支护手段；,六、主要结论与建议,基于大量示范巷道数值模拟、井下试验和监测数据，进行提炼与简化，编制了适合现场工程技术人员使用的煤巷支护设计软件。 基于锚杆支护系统允许变形量，同时考虑围岩类型与地应力的离层界限值确定方法，比较客观、合理。 本项目解决了典型的深部巷道支护难题，实现了一次支护，大幅度减少了巷修量，使新汶巷道支护技术上了一个新台阶。,六、主要结论与建议,进一步研究深部巷道锚杆支护作用机理； 地质力学测试点较少，应继续进