张农-煤矿巷道支护的几个技术问题1课件.ppt

1、5/20/20231煤矿巷道支护的几个技术问题（第一部分）煤炭资源与安全开采国家重点实验室中国矿业大学采矿工程学院张农 副院长/博士/博导 2019年11月5/20/20232n煤巷锚杆支护中层状顶板的安全控制技术煤巷锚杆支护中层状顶板的安全控制技术及实践及实践n煤巷高性能锚杆支护技术及应用煤巷高性能锚杆支护技术及应用n高应力软岩巷道强化控制技术及实践高应力软岩巷道强化控制技术及实践n动压巷道的施工过程控制技术及实践动压巷道的施工过程控制技术及实践n水患泥岩巷道的治理技术及实践水患泥岩巷道的治理技术及实践5/20/20233u 围岩赋存不均质：围岩赋存不均质：巷道必须布置在煤层中，两帮为煤体，

2、巷道必须布置在煤层中，两帮为煤体，顶底板为软弱的层状岩体；顶底板为软弱的层状岩体；u 围岩条件变化频繁：围岩条件变化频繁：同一煤层不同块段、同一块段不同位同一煤层不同块段、同一块段不同位置顶板赋存条件往往都有区别；地质构造出现频度大，尚置顶板赋存条件往往都有区别；地质构造出现频度大，尚难以高精度预测；难以高精度预测；u 围岩强度低围岩强度低:围岩松软破碎，单轴抗压强度小于围岩松软破碎，单轴抗压强度小于20MPa；u 原岩应力大原岩应力大:埋藏深，原岩应力大；地质构造产生的附加埋藏深，原岩应力大；地质构造产生的附加水平应力强烈；水平应力强烈；u 动压影响强烈：动压影响强烈：受强烈的采动影响，应力

3、提高受强烈的采动影响，应力提高35倍；倍；u存在大量特殊的安全技术问题存在大量特殊的安全技术问题:瓦斯、煤尘、煤瓦斯、煤尘、煤体自燃发火、地下水、构造等灾害严重。体自燃发火、地下水、构造等灾害严重。煤矿巷道顶板控制及支护先天更困难煤矿巷道顶板控制及支护先天更困难（与其它岩土工程相比）（与其它岩土工程相比）5/20/2023420192019、20192019年全国煤矿死亡事故按事故性质统计顶板事年全国煤矿死亡事故按事故性质统计顶板事故占故占34.6634.6634%34%，巷道顶板事故占有相当的比例，巷道顶板事故占有相当的比例事故起数，顶板事故起数，顶板50%、运输、运输21%、瓦斯、瓦斯9；

4、死亡人数，顶板死亡人数，顶板34、瓦斯、瓦斯33、运输、运输13；事故严重性，瓦斯最为严重，平均每起事故严重性，瓦斯最为严重，平均每起6.2人；水害次之，平人；水害次之，平均每起均每起4.5人。人。5/20/20235锚杆支护技术进步显著，安全可靠性问题仍很突出锚杆支护技术进步显著，安全可靠性问题仍很突出锚固区外的弱面离层是锚杆支护技术面临的一大挑战锚固区外的弱面离层是锚杆支护技术面临的一大挑战被动的棚式支护造成巷道顶板安全状况差，顶板事故被动的棚式支护造成巷道顶板安全状况差，顶板事故频繁发生；频繁发生；q采用煤巷锚杆技术后，但顶板安全状况仍未得到根本采用煤巷锚杆技术后，但顶板安全状况仍未得到

5、根本保证，冒顶事故时有发生；保证，冒顶事故时有发生；l冒顶率：冒顶率：3 35m/5m/万万m m；事故率：事故率：1 1人人/3/35 5万万m m 近几年，制约煤巷锚杆技术进一步推广的最突出近几年，制约煤巷锚杆技术进一步推广的最突出因素是顶板的安全保障。因素是顶板的安全保障。5/20/20236u 顶板结构复杂，松散破碎层一顶板结构复杂，松散破碎层一般超过般超过6 68m8m；u 结构稳定性差，空顶自稳时间结构稳定性差，空顶自稳时间十几分钟，随掘随冒；十几分钟，随掘随冒；u 采深大，水平构造应力对岩层采深大，水平构造应力对岩层弱面的破坏作用显著，层间错弱面的破坏作用显著，层间错动和离层矿压

6、显现强烈；动和离层矿压显现强烈；u 地下水和瓦斯赋存进一步消弱地下水和瓦斯赋存进一步消弱围岩强度和稳定性；围岩强度和稳定性；u 采用采用U U型钢可缩支架支护时有型钢可缩支架支护时有效断面最小只有效断面最小只有1.0m1.0m2 2。极易离层破碎型顶板典型综合柱状图极易离层破碎型顶板典型综合柱状图示例：淮南矿区典型的复合顶板（示例：淮南矿区典型的复合顶板（、类）采用锚杆类）采用锚杆支护的难度很大，可靠性要求很高支护的难度很大，可靠性要求很高两种典型的垮冒型式两种典型的垮冒型式u松脱型垮冒松脱型垮冒：垮冒范围一般在0.51.5m内，负荷1525 kN/m2。松脱型垮冒松脱型垮冒u挤压型垮冒挤压型

7、垮冒：在水平应力和自重应力双重作用下，薄层状岩体发生弯曲变形，导致弱面离层，变形持续发展，渐次向上垮冒。挤压型垮冒挤压型垮冒u锚固区内离层：锚固区内离层：松脱型垮冒得不到控制，锚固区产生裂隙，锚固强度衰减，进而导致锚固区整体稳定性的削弱或破坏；u锚固区外离层：锚固区外离层：锚固区的完整性较好，但不能阻止外层岩体的渐进破坏，导致外层弱面离层。锚固区外离层的持续发展将导致锚固区整体垮冒。锚固区整体垮冒 u提高支护效能，及时提高支护效能，及时主动有效加固顶板，主动有效加固顶板，消除松脱型冒顶消除松脱型冒顶u增大锚固范围，增大锚固范围，消弱消弱层状顶板沿弱面的渐层状顶板沿弱面的渐次离层和垮冒次离层和垮

8、冒u建立建立“楔形楔形”的强化的强化承载结构，承载结构，防止锚固防止锚固区外离层和挤压型冒区外离层和挤压型冒顶顶、类巷道类巷道顶板离层控制原理图顶板离层控制原理图5/20/202311厚深灰色,f=46粉砂岩煤1.75岩性描述厚度(m)岩石名称粉细沙岩粉砂岩综合柱状7.4317.01厚深灰色、坚硬互层，f=685.41深灰色，f=465/20/202312迎回采面留小煤柱沿空掘巷的平面布置 工作面回采面上 风 巷 运 输 平 巷 掘进5/20/2023135/20/2023145/20/2023155/20/2023165/20/2023175/20/202318传统的机械式点锚固锚杆传统的机

9、械式点锚固锚杆 高强树脂锚杆高强树脂锚杆l19451950：机械式锚杆的研究与应用。l19501960：采矿业广泛采用机械式锚杆，开始对锚杆进行系统研究。50506060年代，机械点锚固锚杆使用局限使年代，机械点锚固锚杆使用局限使锚杆支护出现徘徊；锚杆支护出现徘徊；l19601970：发明了树脂药卷，引发锚杆技术的一次革命，树脂锚杆在矿山得到应用。随后树脂全长锚固锚杆随后树脂全长锚固锚杆的发明应用使它成为的发明应用使它成为8080年代以后的主要支护形式。年代以后的主要支护形式。l19701980：发明管缝式锚杆、水力账管式锚杆并应用，研究锚杆新的设计方法，长锚索产生。19801990：混合锚头

10、锚杆、组合锚杆、桁架锚杆及各种特种锚杆得到应用，树脂锚固材料得到改进。5/20/202319l安全可靠性问题安全可靠性问题锚固区外的弱面离层是高强锚杆支护技术面临的一锚固区外的弱面离层是高强锚杆支护技术面临的一大挑战，必须围绕确保大大减缓顶板离层或根本消大挑战，必须围绕确保大大减缓顶板离层或根本消除离层这一中心开展控制理论和技术研究，才可能除离层这一中心开展控制理论和技术研究，才可能取得突破。取得突破。50605060年代，机械点锚固锚杆使用局限使锚杆支护年代，机械点锚固锚杆使用局限使锚杆支护出现徘徊，随后树脂全长锚固锚杆的发明应用使它出现徘徊，随后树脂全长锚固锚杆的发明应用使它成为成为808

11、0年代以后的主要支护形式。年代以后的主要支护形式。传统的机械式点锚固锚杆 高强树脂锚杆？5/20/202320l安全安全：安全可靠性要求更高，：安全可靠性要求更高，“零死亡率零死亡率”是研究锚杆支护技术的首要目标。是研究锚杆支护技术的首要目标。l快速快速：成巷速度必须与快速推进的现代化长：成巷速度必须与快速推进的现代化长壁综采相适应。壁综采相适应。l高效高效：在服务期间不进行任何翻修即能满足：在服务期间不进行任何翻修即能满足长壁面生产所需的有效断面，并努力简化回长壁面生产所需的有效断面，并努力简化回采动压影响期间的超前加强支护，最终取消采动压影响期间的超前加强支护，最终取消加强支护。加强支护。

12、“安全安全”和和“支护效果支护效果”已经取代已经取代“支护支护成本成本”成为支护技术先进性和支护设计的出成为支护技术先进性和支护设计的出发点和评价标准。发点和评价标准。目前主导的锚杆支护技术尚不能完全满足目前主导的锚杆支护技术尚不能完全满足上述目标上述目标。5/20/202321高性能锚杆的概念高性能锚杆的概念l指杆体材质符合高强度、延伸率要求、外形符合锚固要求、附件完整、整体强度和几何尺寸匹配、能够满足钻机连续一体化安装并实现高预应力；l锚杆杆体表面结构优化，实现高粘低阻（左旋无纵筋、右旋无纵筋螺纹钢）；l外端螺纹部采用低强度损失、无强度损失或增强加工新工艺；l加两个减摩垫圈，双重减摩措施，

13、保证实现预应力（初锚力）；并能够调整锚杆外端受力；有醒目的标志直观显示安装施工质量。第一项技术：高性能预拉力锚杆支护技术第一项技术：高性能预拉力锚杆支护技术5/20/202322实现了锚杆安装的机械化、连续化；实现了锚杆安装的机械化、连续化；保证了保证了2030kN以上的预拉力；以上的预拉力；控制了顶板的松脱垮冒，控制了顶板的松脱垮冒，初始支护强度达到初始支护强度达到3045kN/m2。第一项技术：高性能预拉力锚杆支护技术第一项技术：高性能预拉力锚杆支护技术尾部等强加工尾部等强加工扭矩螺母扭矩螺母杆体外型结构优化杆体外型结构优化原尾部损伤加工原尾部损伤加工5/20/202323新型新型M型钢带

14、和型钢带和 型钢带型钢带M型钢带及井下应用型钢带及井下应用型钢带及井下应用型钢带及井下应用 通过多层易离层岩体的整体锚固，消弱层状顶通过多层易离层岩体的整体锚固，消弱层状顶板沿弱面的渐次离层和垮冒。板沿弱面的渐次离层和垮冒。u机械张拉实现高预拉机械张拉实现高预拉力；力；u预拉力范围预拉力范围50150kN；u提出了低张、短锚、提出了低张、短锚、适当滞后的锚索使用适当滞后的锚索使用原则；原则；u开发了几种新的组合开发了几种新的组合锚索结构；锚索结构；u预拉力锚索梁技术预拉力锚索梁技术u双斜拉锚索技术双斜拉锚索技术u帮部锚索加固技术帮部锚索加固技术肩角稳定区肩角稳定区肩角稳定区肩角稳定区第三项技术

15、：高预拉力钢绞线桁架支护技术第三项技术：高预拉力钢绞线桁架支护技术u机械张拉实现高预拉力；机械张拉实现高预拉力；u预拉力范围预拉力范围5050150kN150kN；u抗剪切破坏能力强；抗剪切破坏能力强；u结构稳定可靠，防止顶板结构稳定可靠，防止顶板垮冒，确保顶板安全；垮冒，确保顶板安全；u结构简单，安装方便。结构简单，安装方便。u国内首次研制和使用国内首次研制和使用 以巷道肩角稳定区域岩石作为内锚固支撑点，通过桁架以巷道肩角稳定区域岩石作为内锚固支撑点，通过桁架连接装置将两根钢绞线对拉，形成可靠的护顶结构，控制连接装置将两根钢绞线对拉，形成可靠的护顶结构，控制顶板的离层、防止顶板加固区整体垮冒

16、。顶板的离层、防止顶板加固区整体垮冒。5/20/202326强度强度粘结粘结力力初锚力初锚力(工作阻力工作阻力)可靠可靠性性使用使用范围范围技术特征5060年代：年代：机械点锚固锚杆技术机械点锚固锚杆技术低低低低很小四低一小四低一小8090年代末：年代末：高强螺纹钢锚杆技术高强螺纹钢锚杆技术高高低低较小两高两低两高两低2019年开始：年开始：高性能预拉力支护技术高性能预拉力支护技术高高高高大四高一大四高一大5/20/202327l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l高强预应力支护体系：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

17、n锚固技术取得突破锚固技术取得突破n锚杆支护材料强度迅速提高锚杆支护材料强度迅速提高ZL 2019 2 0120629.7一种柔性抗剪锚杆一种柔性抗剪锚杆ZL 2019 2 0026908.1 一种与锚杆配套的垫圈一种与锚杆配套的垫圈ZL 2019 2 0026905.8 一种矿用巷道临时支柱器一种矿用巷道临时支柱器ZL 2019 2 0026907.7 一种与锚杆配套的检测垫圈一种与锚杆配套的检测垫圈 ZL 201920192790.8 一种高翼缘抗撕裂矿山支护用钢带一种高翼缘抗撕裂矿山支护用钢带 ZL 201920192791.2 双张拉钢绞线连接器双张拉钢绞线连接器 201910041386.7 一种控制煤岩顶帮变形的桁架支护技术一种控制煤岩顶帮变形的桁架支护技术 201910041465.8 煤层巷道三维锚索支护技术煤层巷道三维锚索支护技术受理受理1313项发明专利项发明专利,已获得已获得1111项授权项授权5/20/202329l8槽煤层松软，平均厚度3.5m，l直接顶为深灰色、致密块状的泥岩，厚度为04.4m，埋深570，地压较大。巷道沿顶板掘进，用于综采两道；l设计方案：单一预拉力锚带网支护5/20/2023308槽煤层典型综合柱状图谢桥煤矿12228区段煤巷支护工业性试验 5/20/2023318槽实体巷掘后稳定段巷道 5/20/202332