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2020/7/141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2020/7/142汇报提纲煤巷锚杆支护中层状顶板的安全控制技术及实践煤巷高性能锚杆支护技术及应用高应力软岩巷道强化控制技术及实践动压巷道的施工过程控制技术及实践水患泥岩巷道的治理技术及实践2020/7/143围岩赋存不均质：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；围岩条件变化频繁：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，尚难以高精度预测；围岩强度低:围岩松软破碎，单轴抗压强度小于20MPa；原岩应力大:埋藏深，原岩应力大；地质构造产生的附加水平应力强烈；动压影响强烈：受强烈的采动影响，应力提高3~5倍；存在大量特殊的安全技术问题:瓦斯、煤尘、煤体自燃发火、地下水、构造等灾害严重。1.煤矿巷道顶板控制及支护先天更困难2.（与其它岩土工程相比）2020/7/1442019、2019年全国煤矿死亡事故按事故性质统计顶板事故占34.66~34%，巷道顶板事故占有相当的比例事故起数，顶板50%、运输21%、瓦斯9％；死亡人数，顶板34％、瓦斯33％、运输13％；事故严重性，瓦斯最为严重，平均每起6.2人；水害次之，平均每起4.5人。2020/7/145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；采用煤巷锚杆技术后，但顶板安全状况仍未得到根本保证，冒顶事故时有发生；冒顶率：3~5m/万m；事故率：1人/3~5万m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。2020/7/146顶板结构复杂，松散破碎层一般超过6~8m；结构稳定性差，空顶自稳时间十几分钟，随掘随冒；采深大，水平构造应力对岩层弱面的破坏作用显著，层间错动和离层矿压显现强烈；地下水和瓦斯赋存进一步消弱围岩强度和稳定性；采用U型钢可缩支架支护时有效断面最小只有1.0m2。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（Ⅳ、Ⅴ类）采用锚杆支护的难度很大，可靠性要求很高两种典型的垮冒型式松脱型垮冒：垮冒范围一般在0.5~1.5m内，负荷15~25kN/m2。松脱型垮冒2.顶板的失稳规律挤压型垮冒：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2.顶板的失稳规律锚固区内离层：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；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。对应的两种锚杆支护失稳形式锚固区整体垮冒3.顶板安全的控制原理提高支护效能，及时主动有效加固顶板，消除松脱型冒顶增大锚固范围，消弱层状顶板沿弱面的渐次离层和垮冒建立“楔形”的强化承载结构，防止锚固区外离层和挤压型冒顶Ⅳ、Ⅴ类巷道顶板离层控制原理图2020/7/1411示例：三河尖矿综放煤巷顶板控制技术厚深灰色,f=4~6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=6~85.41深灰色，f=4~62020/7/1412迎回采面留小煤柱沿空掘巷的平面布置Ⅲⅲ工作面回采面ⅱⅡⅰ上风巷运输平巷Ⅰ掘进2020/7/1413经受采动过程中2020/7/1414迎工作面对掘留小煤柱巷道2020/7/1415迎回采工作面留小煤柱留顶煤时的顶板控制情况2020/7/1416留小煤柱稳定沿空掘巷段锚带网与锚索组合支护2020/7/1417实体段锚带网支护2020/7/1418传统的机械式点锚固锚杆←→高强树脂锚杆1945～1950：机械式锚杆的研究与应用。1950～1960：采矿业广泛采用机械式锚杆，开始对锚杆进行系统研究。50～60年代，机械点锚固锚杆使用局限使锚杆支护出现徘徊；1960～1970：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的发明应用使它成为80年代以后的主要支护形式。1970～1980：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。1980～1990：混合锚头锚杆、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。2020/7/14193.煤巷锚杆支护技术的发展方向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，才可能取得突破。50—60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成为80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←→？如何实现锚杆的高承载性能？2020/7/1420安全：安全可靠性要求更高，“零死亡率”是研究锚杆支护技术的首要目标。快速：成巷速度必须与快速推进的现代化长壁综采相适应。高效：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，并努力简化回采动压影响期间的超前加强支护，最终取消加强支护。“安全”和“支护效果”已经取代“支护成本”成为支护技术先进性和支护设计的出发点和评价标准。目前主导的锚杆支护技术尚不能完全满足上述目标。3.锚杆支护的发展方向2020/7/1421高性能锚杆的概念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；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）；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；加两个减摩垫圈，双重减摩措施，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2020/7/1422实现了锚杆安装的机械化、连续化；保证了20~30kN以上的预拉力；控制了顶板的松脱垮冒，初始支护强度达到30~45kN/m2。第一项技术：高性能预拉力锚杆支护技术尾部等强加工扭矩螺母杆体外型结构优化原尾部损伤加工2020/7/1423抗撕裂，容易与围岩密贴，适应破碎不平整煤巷顶板条件,保障了整体锚固效果；克服了W型钢带、钢筋梯子梁等常用钢带的主要缺陷。新型M型钢带和Π型钢带M型钢带及井下应用Π型钢带及井下应用通过多层易离层岩体的整体锚固，消弱层状顶板沿弱面的渐次离层和垮冒。第二项技术：小孔径钢绞线预拉力锚索梁技术机械张拉实现高预拉力；预拉力范围50～150kN；提出了低张、短锚、适当滞后的锚索使用原则；开发了几种新的组合锚索结构；预拉力锚索梁技术双斜拉锚索技术帮部锚索加固技术肩角稳定区肩角稳定区第三项技术：高预拉力钢绞线桁架支护技术机械张拉实现高预拉力；预拉力范围50～150kN；抗剪切破坏能力强；结构稳定可靠，防止顶板垮冒，确保顶板安全；结构简单，安装方便。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。2020/7/1426煤巷支护技术的阶段性发展强度粘结力初锚力(工作阻力)可靠性使用范围技术特征50~60年代：机械点锚固锚杆技术低低低低很小四低一小80~90年代末：高强螺纹钢锚杆技术高高低低较小两高两低2019年开始：高性能预拉力支护技术高高高高大四高一大2020/7/1427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、大间排距锚固技术取得突破锚杆支护材料强度迅速提高ZL201920120629.7一种柔性抗剪锚杆ZL201920026908.1一种与锚杆配套的垫圈ZL201920026905.8一种矿用巷道临时支柱器ZL201920026907.7一种与锚杆配套的检测垫圈ZL201920192790.8一种高翼缘抗撕裂矿山支护用钢带ZL201920192791.2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201910041465.8煤层巷道三维锚索支护技术受理13项发明专利,已获得11项授权2020/7/1429示例：淮南谢桥8槽煤层大间排距预拉力锚杆支护8槽煤层松软，平均厚度3.5m，直接顶为深灰色、致密块状的泥岩，厚度为0～4.4m，埋深570ｍ，地压较大。巷道沿顶板掘进，用于综采两道；设计方案：单一预拉力锚带网支护2020/7/14308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2020/7/14318槽实体巷掘后稳定段巷道谢桥煤矿12228区段煤巷支护工业性试验2020/7/1432谢桥煤矿12228区段煤巷支护工业性试验