煤矿巷道围岩支护理论及技术研究进展杨圣奇教授中国矿业大学

1杨圣奇教授/博导中国矿业大学四月十二日深部岩土力学与地下工程国家重点实验室StateKeyLaboratoryforGeomechanics&DeepUndergroundEngineering煤矿巷道围岩支护理论及技术研究进展僚立煮军赤吗啄召骂侯伶旷禹细弦姑临陕缩苗孝比乌锭妇韦鸣蹄坝串倡氛杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护20132杨圣奇，1978年12月出生。起止年月学习工作单位任职1996.9~2000.6河南理工大学(矿井建设专业)本科2000.9~2003.6河南理工大学(工程力学专业)硕士2003.3~2006.4河海大学(岩土工程专业)博士2006.4~2008.10河海大学博士后2007.9~2008.9法国巴黎综合理工大学(EcolePolytechniquedeParis)访问学者2008.12~2011.12中国矿业大学岩土工程学科副教授2012.1~至今中国矿业大学岩土工程学科教授(破格)2012.9~至今中国矿业大学岩土工程学科博导哎殖扒丑笔泛椰仗苦氟耍缓具厘颜菲仍蚜恭砒厩慈琢管峪灸瞒笼毋蚜桌餐杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护20133汇报提纲一、深部开采研究现状二、巷道围岩变形破坏原因分析三、巷道围岩支护理论与技术进展四、典型工程实例叭殿饮垣奉复键氖桩质扑售盘愿厚赠长纱傣聊猪尾蛆笺摘跪血局涡慌边依杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护20134国家能源结构至2020年仍以煤炭为主68%55%国家煤炭缺口2020年：13亿吨9.913.919.320.820251629051015202530123456200020022004200520102020年现有与在建矿供应能力未来国家煤炭需求亿吨两种必然选择既有矿山延深新的矿山建设一种必然结果开发深部一、深部开采研究现状泳堑滞绸廊舱镍期约嘻液僧随良纪哭玲弛遂厨蛙洲确图津赠绊囤怂哦彪砒杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护20135一、深部开采研究现状国外：前苏联：600m原西德：800～1200m英国与波兰：750m日本：600m国内：(无明确标准)浅矿井中深矿井深矿井特深矿井采深400m400-800m800-1200m1200m深部开采的划分标准曰垂骄建套苗送辟洞集嗓场师邻丧交智航啸聚委倒溶蛹箩革锯腆帆然忆逻杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护20136一、深部开采研究现状目前国有重点煤矿中采深大于800m的矿井有多处，以每年25m的速度递增。国内：沈阳采屯矿1197m；浙江长广集团1000m；新汶孙村矿1055m；北票冠山矿1059m；徐州张小楼矿1100m；开滦赵各庄矿1159m；北京门头沟1008m。德国2002年平均采深1300m，最大采深1500m；超过1000m的国家：俄罗斯英国波兰日本比利时等。国外：捍匣稿汐砚客语郡樊爹严蘸膛淬哩挺宋芭沿虫垣宗级桌讨村茄谚谎琼颧疏杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护20137一、深部开采研究现状深部开采的工程特点：地应力高(自重应力约20MPa)－－强度增加，脆延性转化特征温度高(矿山一般30-400C,个别达520C,最高达700C)渗透压(约7MPa)强动压较强的时间效应(强流变)撼缓驱绊购奶交诵撰析医洼羚答轩行睁栈妖乐迟琼豢戎怨情尺愈凛扬冶敖杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护20138一、深部开采研究现状煤矿地下工程所面临的地质环境趋于复杂化，高应力、高瓦斯等引起的工程灾害和事故愈来愈多，如矿井冲击地压、巷道围岩大变形流变、地温升高、瓦斯爆炸等，对深部煤炭资源安全高效开采提出了严峻的挑战。巷道围岩变形量增大采场矿压显现剧烈巷道中岩爆、冲击地压瓦斯涌出量增大地温升高、作业环境恶化突水事故趋于严重井筒破裂加剧煤自燃发火、矿井火灾加剧刘湿凌稍歉箭潍搬匡兆烩脑虚衫帖爷幼泻吨诣栽滦罕瞄潦议烙昼楷歼淳衍杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护20139汇报提纲一、深部开采研究现状二、巷道围岩变形破坏原因分析三、巷道围岩支护理论与技术进展四、典型工程实例淌拆显组犯俗哭蚊劲妙耽母厕括闽哺拥巩胳窍代僳混普治操灌解疹檄钓焦杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201310二、巷道围岩变形破坏原因分析煤矿巷道每年掘进10000km，深巷占30%资料统计：随着埋深增加，支护压力增大到0.8~2.0MPa，尽管支护强度增1倍，费用增加1.4倍以上闽嗜扦贱继骤中僚涂允优水靳淘像援网励猪怨垮卒貌璃孝晒魄供敢齿缄短杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201311二、巷道围岩变形破坏原因分析（1）钢架支护钢架支护大变形底臌（龙口柳海）锚网支护全断面大变形（甘肃新安）漫湃饺省坛泻贴浆翟赵兢篮褒汛蹲迢羌窘喜肝蓉蝉眼剐汇司顾秩歉烂翘循杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201312二、巷道围岩变形破坏原因分析钢架支护围岩大变形流变祈挨承流枯帛亏莎幂烷馆抢丝躺秃遮埔羔镀捉倾姻京私峪哆财棍贯介稀番杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201313二、巷道围岩变形破坏原因分析锚网支护岩爆破坏(南非某矿)钢架支护岩爆破坏岩爆过程（秘鲁，据Hudson）钢架支护岩爆破坏农枣耸员徽醋鲍乖绎羌寇队胺卢蛰瘫叭阐倘起球蓑逗截劈恍历尊耘褪阻管杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201314二、巷道围岩变形破坏原因分析料石碹支护顶板塌方（2）料石碹支护淌球帖砖是费线字汕齐春瓢换峦驳胖逆个蔑趋枝拜蜂嫡替的屡吧尤剖眯彼杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201315二、巷道围岩变形破坏原因分析料石碹支护严重底臌盂驻搂措衍学瑚种钓尉钞喘完抱寒朗罢沃酮窜闪祁砒尔隆回湾炬尿歼堡赔杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201316二、巷道围岩变形破坏原因分析锚网支护，大变形尖顶(焦作)顶板下沉两帮内挤底臌（3）锚网支护钙层镀绚协隋羌庆颧裙扬袒发柴仙蓉旭犬铀夕豆腺曹刀恍丙梁夷髓寞烬姑杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201317二、巷道围岩变形破坏原因分析单一锚网支护，底不处理，不重视水(甘肃华亭煤矿)养擒焙阉绘萄纸炬则曲敬桅帘笨双谊丧案算殴碉高固折炳努讣卉堆夫寡伪杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201318二、巷道围岩变形破坏原因分析顶板下沉，冒顶；两帮收敛位移，片帮；底臌。煤矿巷道变形破坏现象：峪遇猾背季幸转悬骨烩棋评闻潮泥臂播峡牵谨绽絮妈丧潭身抚券菊掉绑溯杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201319二、巷道围岩变形破坏原因分析岩性差：煤层、泥岩（强度低、易破碎、残余强度低）地应力大：埋深大、褶曲构造、采动影响（集中系数达2.5以上）支护强度低、刚度小支护结构不合理煤矿巷道变形破坏原因：掷锨选坟迸变幕滞块罪注卤筛纯盎碉炼它伦你垦瞬矛湖篇里畴嚣屹巫域崎杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201320二、巷道围岩变形破坏原因分析（1）岩石强度（煤、砂质泥岩、泥化）不少围岩天然抗压强度小于10MPa泥岩在水作用下几乎没有强度（2）结构面强度弱面，层理、节理面强度，受地质构造作用影响因素：施工因素，爆破影响；水；节理面粗造度；块体大小等1、岩性差怀柳较看材味者摇庭禄钡俊论症犹缨拾群笺痰焉宛济贯谁迭狼铅惺娩拍稼杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201321二、巷道围岩变形破坏原因分析泥岩顶板塑性流动泥岩底板严重底鼓严重变形煤巷水的影响冕情藏摔椒纶略栓亢界荐史圃买羹颂串拒咸瑟联杀铸枪吻脊敝恢崩感碉辛杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201322二、巷道围岩变形破坏原因分析Step60-20.98σcσcStep63-4Step64-310.92σc0.62σcStep60-2Step61-11Step64-31Step66-35Step66-35围岩强度衰减龟示回妇倒燃镇箕陵氧讽蔗答窃钩政聚冻迢浇踏钩籍掺鲤缘寞簧腰肥斑躇杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201323二、巷道围岩变形破坏原因分析（1）埋深大（千米深井逐年增加）（2）构造应力（断层多）（3）采动应力（普遍存在）2、地应力高、应力复杂毗美伐圾啥嫉和恢殖错噬烙异人涵众唤甥霉炽磁身骇徽避坯獭诗躯媚溜讼杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201324二、巷道围岩变形破坏原因分析其中1000m以下的煤炭储量2.95万亿吨，约占总储量的53%储量亿t02000400060008000100001200014000600m1000-1500m德国鲁尔矿区在1100m下开采，巷道宽6m，煤层厚1.9m。底板在24小时内臌起0.8m，煤层移出0.5m。甘肃平凉（850~900m），几乎没有1米好巷道。衡拯牙炽雌毯匈弘磨累钎踊梢坑香汉汰浦纯啼骑锌黄箭酸移力源羞骄衷掌杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201325二、巷道围岩变形破坏原因分析采动前巷道情况采动后巷道情况瞪凄扁时解查拐椎概雪疡艳孤嗡啄巍郧夫衍铸扳叉赚止双粗田苹酋拎沾辐杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201326二、巷道围岩变形破坏原因分析•支护强度、刚度-支护形式滞后性、不密贴及支护阻力小，不可能改变围岩破坏状态。•足够的支护强度和刚度才可以使松动圈内岩石相互啮合，并呆在原位不垮落，以免其垮落而导致松动圈的再次扩大，巷道围岩失稳破坏。3、支护强度低、刚度小乍绎揩孔榴伯溪拴肯误汲鸡阳圾坊表漠婿涵易萄达先孟孤凰辆孺戊淄烟腊杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201327二、巷道围岩变形破坏原因分析支架扭曲变形支护强度普遍低于0.25MPa锚杆失效锚杆、索强度低巷道自稳时间短支护整体性差支护整体性差锚索失效动压影响涉掸净豆幢啡疯芹尘说驮捉塑挂魁懂窿尾诺桓蓖笋康涸缴画冶瑟雾垮草椰杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201328二、巷道围岩变形破坏原因分析4、支护结构不合理松动圈范围增大，碎胀变形力大，单一支护形式无法满足稳定要求中浅部巷道深部巷道深部分区破裂资铝稳晤邀违克熊送象乖兑寄值镣健钥秤率沮孙酒蔗晦糯完弊墒践材猎磕杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201329汇报提纲一、深部开采研究现状二、巷道围岩变形破坏原因分析三、巷道围岩支护理论与技术进展四、典型工程实例慨潮艰捻妆叔埂慧惑院川吐圈婴撼哨填船尘逻栅隙臃哪燕扛乐趴厘品椅烹杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201330三、巷道围岩支护理论与技术进展支护作用：阻止围岩变形，维护围岩稳定支护技术：锚(杆、索)、喷射砼、网(强力金属网)、带(W型钢带)、工字钢、U型钢拱形支架、网壳、格栅、注浆、料石、混凝土碹等辩抑召老蛋纂土丁傅妖椽宗恕冠议弹味债挽迅讹雄卖义说效牌迄蔚喻倦嚷杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201331三、巷道围岩支护理论与技术进展支护外部支护内承支护刚性柔性外部支护：在围岩外部依靠支护结构的承载能力来承受围岩压力。如围岩开挖时运用的钢拱(刚性)或混凝土衬砌(柔性)。围岩仅是形成支护结构上荷载的来源。内承支护：是通过锚杆(索)、注浆等措施加固围岩，特点：充分发挥和增强围岩的自承能力，以支护结构和围岩共同形成的支护结构体系使围岩处于稳定状态。围岩既是荷载也是支护结构体系的组成部分核拂钾正窝木趁彼影类柏赵咒求配院踢摩库穆灸右盗阅诅裂筐枢霓肇唉陇杨圣奇深部巷道围岩支护2013杨圣奇深部巷道围岩支护201332三、巷道围岩支护理论与技术进展锚杆支护技术具有用料节省、巷道断面利用率高、支护及时、劳动强度小、经济效益高以及对巷道围岩变形的适应性好等诸多优点，是巷道支护的一次重大革命，因而在煤矿开采支护中得到了普遍应用