恒阻大变形锚索支护技术(何满潮、单仁亮)

煤矿大变形锚杆（索）支护技术汇报人：何满潮单仁亮中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院深部岩土力学与地下工程国家重点实验室汇报提纲一、煤矿大变形灾害的严重性二、恒阻大变形锚杆(索)定型研发三、恒阻大变形锚杆(索)力学特性及实验系统四、恒阻大变形锚杆(索)与围岩相互作用原理五、主要结论一、煤矿大变形灾害的严重性煤炭占我国一次性能源的70%以上，居主导地位浅部煤炭资源越来越少，千米以下深部煤炭资源将是我国未来的主体能源0.51.0资源量，万亿t已采资源量未采资源量1.341.371.461.401.5深度，m-600-1000-1500-2000地表★数据源自第三次全国煤炭资源预测和评价工程岩体大变形灾害的严重性发生次数最多的为顶板大变形塌方事故，占43.3%煤-瓦斯突出是有气体参与的大变形塌方，占23.5%露采滑坡是露天矿的大变形塌方事故，日趋严重顶板18.6%煤与瓦斯突出46.4%水灾15.5%2005.1~2009.6煤矿各类事故死亡人数所占比例运输3.7%其它10.7%顶板43.3%煤与瓦斯突出23.5%水灾7.9%火灾2.5%运输11%其它11.8%2005.1~2009.6煤矿各类事故次数所占比例火灾5.1%多发生在工作面顺槽工程岩体大变形灾害的主要原因深采复杂的地质力学环境——“三高一扰动”“三高”高地应力——自重应力、构造应力高地温——千米矿井岩层温度35C~45C高压渗透——液体压力、气体压力（瓦斯等）“一扰动”——强烈开采扰动深部岩体力学特性发生转变——硬岩软化大变形深井开采顶板塌方冒顶、煤-瓦斯突出、深部露采滑坡灾害均与大变形破坏相关深部岩体大变形破坏模式缓慢大变形破坏模式膨胀大变形高温高湿软化大变形瞬间大变形破坏模式冲击大变形突出大变形结构大变形膨胀大变形膨胀大变形底臌（龙口柳海矿）顶板膨胀大变形下沉（龙口柳海矿）缓慢大变形——结构大变形非对称底臌大变形（鹤壁五矿）冒顶范围150m大面积严重冒顶（鹤岗兴安矿）两帮不均匀、非对称变形两帮非对称大变形(徐州旗山矿)缓慢大变形——高温高湿软化大变形围岩结构恶化（徐州夹河矿）工作环境恶劣（徐州夹河矿）瞬时大变形——冲击大变形冲击地压发生前（抚顺老虎台矿）冲击地压发生后（抚顺老虎台矿）加拿大某地下巷道（P.Kaiser，2000）瞬时大变形——岩爆大变形瞬时大变形——突出大变形郑州大平矿煤与瓦斯突出过程郑州嵩枫矿岩巷底板瓦斯逸出传统锚杆（索）存在的问题——现行支护技术无法适应大变形破坏锚杆端部断裂杆体中部断裂锚杆支护多次返修钢架扭曲破坏失效浇注混凝土开裂锚杆支护岩爆破坏针对传统预应力锚杆（索）存在的问题及其引发工程灾害的严重性，亟待研究一种新型恒阻大变形锚杆（索），通过结构大变形和材料大变形来抵抗巷道围岩大变形破坏。由中国矿业大学（北京）深部国家重点实验室何满潮教授牵头的教育部创新团队，进行了多年的系统的研究，取得了突破性进展。工程岩体大变形破坏机理黏土矿物成分引起的膨胀性大变形破坏机理二、恒阻大变形锚杆（索）定型研发软岩水理作用测试系统深部软岩气态水吸附智能测试系统膨胀大变形底臌(龙口柳海)粘土矿物成分吸水软化吸水量随时间变化lnQ-t曲线ccwcsttttF121)(软岩强度随时间衰减的函数规律(ZL200610113006.5)原因直接吸水测试装备测试装备环境吸水测试曲线获得规律结构面引起的非对称软岩大变形破坏机理非对称大变形拱基线底臌区域6671750R2700结构面岩体结构非对称原因（ZL200710119124.1）关键部位实验装备软岩巷道破坏结构效应物理模型实验系统水平岩层8倾斜岩层30倾斜岩层45倾斜岩层实验结果确定关键部位深部高应力引起的岩体剧烈大变形(软岩岩爆)机理主机液压控制系统加载系统一向突然卸载煤系地层岩爆岩爆前支护状态岩爆后支护状态实验装备加拿大Creighton矿花岗岩岩爆实验(2500m)星村煤矿垂直层理泥质砂岩(1113m)实验结果深井高温高湿围岩软化大变形机理温度压力耦合软岩力学实验系统主机系统控制系统主机系统高温五联三轴软岩流变实验系统围岩结构恶化高温高湿恶劣环境(岩层温度40C，空气湿度95%)实验装备实验装备实验结果不同温度条件下的岩体强度和变形特性不同温度条件下的岩体强度和弹模(ZL200910088810.6)(ZL200610113003.1)恒阻大变形锚杆（索）研发理念——以柔克刚、刚柔相济国外大量使用的大变形锚杆加拿大MCB33型Conebolt锚杆(非恒阻，最大变形量120mm)澳大利亚Roofex锚杆(恒阻80kN，最大变形量300mm)理想弹塑性材料研制——恒阻大变形锚杆---技术特性#恒阻参数150~300kN#大变形参数0.3~0.6m#可回收---适用范围软岩大变形、岩爆大变形、冲击大变形、瓦斯突出大变形P0150U/mm传统锚杆恒阻大变形锚杆P0150U/mm传统锚杆恒阻大变形锚杆恒阻大变形装置锚杆杆体锚杆托盘恒阻大变形支护性能国内外对比0204060801201401600255075100125150175200225250275300325350375400425位移(mm)拉力(kN)450475500普通锚杆加拿大MCB33型Conebolt新型恒阻大变形锚杆澳大利亚Roofex锚杆恒阻大变形锚杆（索）静力学特性及实验系统主机系统控制台恒阻大变形锚杆静力实验系统实验过程试验曲线三、恒阻大变形锚杆(索)力学特性及实验系统恒阻大变形锚杆拉伸力学性能实验曲线恒阻大变形锚杆（索）动力学特性及实验系统恒阻大变形锚杆动载实验系统恒阻大变形锚杆动载实验过程恒阻锚杆50mm冲击全程时域波形图50mm冲击时域波形图四通道相加全程[1]通道特写[2]通道特写[3]通道特写[4]通道特写四通道相加特写恒阻锚杆1000mm冲击全程时域波形图1000mm冲击时域波形图四通道相加全程[1]通道特写[2]通道特写[3]通道特写[4]通道特写四通道相加特写单次冲击变形量动载撞击实验结果累计冲击变形量累计冲击变形量与冲击能量的关系恒阻锚杆阻力岩爆大变形控制对策大断面预留量恒阻大变形支护多级吸收能量多次加压注浆缓慢大变形控制对策大断面预留量恒阻大变形支护释放能量多次加压注浆恒阻大变形支护原理四、恒阻大变形锚杆(索)与围岩相互作用原理树脂锚固剂恒阻大变形装置恒阻大变形范围Max:300~1000mm锚杆（索）恒阻锚杆(索)随围岩变形吸收能量恒阻大变形锚杆（索）能量本构关系抵抗变形能量EI和吸收变形能量EIIEB=EI+EII其中：PU/mm0UcEIEIIP0U5005002II01IUUUCCdUUfEdUUfEPU/mm0UcEIEIIP0U500f1(U)f2(U)简化模型简化模型CCCUUPUPEUPkUE50000II02I2121f2(U)f1(U)恒阻锚杆变形吸收能量支护和围岩相互作用能量方程组岩体锚杆(索)UUPnEEECRT220岩体锚杆(索)UIIII0II012TRSDSBDBBCBEEEEEnEEnEEPUEPU0022CPnPUU00022CnPUUnP支护力和位移的解支护总力—材料变形量关系（P–U0）支护总力-结构变形量关系（△U–P）现场工程验证---沈阳煤业集团清水煤矿---淄博煤业集团唐口煤矿---徐州矿业集团新安煤矿---国家电网新疆新吉海煤矿---锦平水电站导流洞工程恒阻大变形锚杆拉伸量监测（沈阳清水煤矿）锚杆编号示意图菱形网HMG-500型恒阻大变形锚杆φ22mm,L=3000mm锚索φ15.24mm,L=7000mm工作面侧非工作面侧123456781'2'3'4'5'6'7'试验段起始位置B1测站B2测站B3测站B4测站4m8m12mA1测站A2测站新支护段传统支护段13.6m27.2m17.6m工作面推进方向70m顺槽变形量与工作面距离对比分析两帮收缩量与工作面距离关系曲线顶板下沉量与工作面距离关系曲线底臌量与工作面距离关系曲线工作帮非工作帮支护表观效果对比1.距工作面煤壁22m处恒阻锚杆支护效果1232.距工作面煤壁30m处恒阻锚杆支护效果3.距工作面煤壁37m处普通锚喷支护效果1、自主研发了具有特殊结构的恒阻大变形锚杆（索），能够适应工程围岩大变形灾害控制的需求。通过对恒阻大变形锚杆（索）的材料、结构进行优化选择和组合试验，确定了恒阻装置的结构组成、材料参数和几何参数；2、自主研发了“恒阻大变形锚杆（索）的大变形拉伸力学实验系统”和“恒阻大变形锚杆冲击力学实验系统”。通过实验，恒阻大变形锚杆的性能参数达到了恒阻120kN、变形量0.5~1m，高于国际上最优的澳大利亚同类锚杆参数（恒阻80kN、变形量0.3m）；3、建立了恒阻大变形锚杆（索）能量本构关系，推导了恒阻大变形锚杆（索）和围岩相互作用的能量平衡方程，为深部巷道围岩大变形控制奠定了理论基础；4、上述技术在沈煤集团清水煤等煤矿和锦屏水电站现场工程中进行了验证推广，效果良好，具有广阔推广前景。五、主要结论谢谢！请指正！