千米深井巷道围岩控制技术课件

千米深井巷道

围岩控制技术研究

河北金牛能源股份有限公司1.千米深井巷道

围岩控制技术研究河北金牛能源股份有限公司1.1.煤矿巷道支护理论与技术现状我国煤矿巷道布置的发展趋势巷道支护技术发展历史与现状巷道支护存在问题邢东矿开拓巷道支护存在问题2.1.煤矿巷道支护理论与技术现状我国煤矿巷道布置的发展趋势2.我国煤矿巷道布置的发展趋势岩巷向煤巷发展岩石顶板煤巷向煤层顶板巷道和全煤巷道发展巷道拱形断面向矩形断面发展巷道从小断面向大断面发展

单巷布置向多巷发展巷道埋深从浅部向深部发展

简单地质条件巷道向复杂地质条件发展3.我国煤矿巷道布置的发展趋势岩巷向煤巷发展3.巷道支护技术发展历史与现状木支护→砌碹支护→型钢支护→锚杆支护（必不可少的技术）岩巷→大断面巷道、煤顶和全煤巷道、沿空掘巷、破碎围岩巷道（成功应用）深部高应力巷道支护：锚杆、锚索支护为主的锚喷、锚网喷、锚喷网架、钢筋混凝土，料石碹，预应力锚索支护4.巷道支护技术发展历史与现状木支护→砌碹支护→型钢支护→锚杆支近年来锚杆支护技术取得的成果：多种锚杆支护理论高强度锚杆与锚索支护技术的认可与应用

巷道围岩地质力学快速原位测试系统动态性、系统性、信息性的锚杆支护设计方法的普遍认可与应用

高强度、高刚度树脂锚杆支护系统性能优良的单体风动和液压锚杆钻机、手持式锚杆钻机综掘机配单体锚杆钻机的煤巷快速施工工艺锚杆支护施工质量检测和矿压监测成套仪器。锚注技术5.近年来锚杆支护技术取得的成果：多种锚杆支护理论5.巷道支护存在问题深部常规锚杆支护遇到巨大的困难锚杆支护理论不全面，二次支护理论受到巨大挑战深部普通高强锚杆、锚索支护效果差对锚杆支护系统刚度的重要性认识不足

深部与复杂困难巷道，锚杆材质和结构有待进一步改进不能实现全长预应力锚固，严重影响支护效果对组合构件的认识不足小孔径锚索不能适用深部巷道支护支护密度大，掘进速度低6.巷道支护存在问题深部常规锚杆支护遇到巨大的困难6.邢东矿开拓巷道支护存在问题矿井采深大（大于1000m），地质条件复杂，断层构造带多，围岩压力大，给巷道的支护、维护造成很大困难已掘的主副暗斜井：采用高强度锚杆(Φ22mm×2.4m,20MnSi)，小孔径锚索（Φ15.24mm×5.0m），但部分地段仍难以维护两次返修，影响生产，支护成本高7.邢东矿开拓巷道支护存在问题矿井采深大（大于1000m），地2.-980m水平开拓巷道围岩结构特点分析地质构造、巷道位置地应力巷道围岩条件及巷道稳定性指数围岩控制特点8.2.-980m水平开拓巷道围岩结构特点分析地质构造、巷道位断层巷道F22H=0-45mSF17H=0-12mFx-9H=4Fx-11H=29.断层巷道F22H=0-45mSF17H=0-12mFx-地应力区域垂直应力（MPa）水平应力（MPa）-980泵房及联络巷26.3829主副暗斜井26.3-31.2528.9～34.410.地应力区域垂直应力（MPa）水平应力-980泵房及联络巷262#煤及顶底板岩石力学参数层位岩性厚度(m)σC(MPa)σt(MPa)E(GPa)u老顶中砂岩20.8697.206.4823.830.23粉砂岩3.1470.004.6018.630.25粉细砂岩互层2.6684.65.6422.300.27直接顶铝土质粉砂岩3.3469.134.6014.310.252#煤4.5010.802.740.30直接底粉砂岩3.2270.004.6018.6330.252#下煤1.0810.82.7370.30老底粉砂岩2.4060.804.6014.180.2511.2#煤及顶底板岩石力学参数层位岩性厚度(m)σ巷道稳定性岩性－980泵房－980联络巷主副暗斜井中砂岩粉砂岩不稳定粉细砂岩互层不稳定铝土质粉砂岩强流变极不稳定2#煤粉砂岩2#下煤砂质泥岩强流变极不稳定粉砂岩强流变极不稳定不稳定12.巷道稳定性岩性－980泵房－980联络巷主副暗斜井中围岩控制特点服务时间长长达20年以上水平应力大，巷道顶底板变形严重地应力大，围岩变形严重主暗斜井掘进方向与最大主应力方向不一致13.围岩控制特点服务时间长长达20年以上13.3深井锚杆锚索强力支护原理分析邢东矿围岩变形特征分析深井锚杆锚索强力支护原理高预应力作用下岩体的响应规律锚杆支护强度对围岩强度的强化分析

14.3深井锚杆锚索强力支护原理分析邢东矿围岩变形特征分析14邢东矿围岩变形特征分析巷道围岩塑性区随巷道埋深的变化规律巷道埋深H（m）铅直应力σv（MPa）水平应力σH（MPa）塑性区半径R（m）塑性区厚度P（m）90022.5024.759.126.7695023.7526.139.577.2198024.5026.959.847.4899024.7527.239.937.57100025.0027.5010.027.66110027.5030.2510.948.58120030.0033.0011.869.50130032.5035.7512.7910.43140035.0038.5013.7311.3715.邢东矿围岩变形特征分析巷道围岩塑性区随巷道埋深的变化规律巷锚杆锚索支护效果2121工作面顺槽（平均埋深1000m）

顶锚杆：20MnSi高强锚杆，顶板采用φ22L2400，全长锚固，间排距700×900㎜；顶锚索：φ17.8L6500，间排距：运输巷2×1.8m，运料巷1.75×2.7m；帮锚杆：φ20L2100全长锚固，750×900㎜；帮锚索：φ15.24L4500，间排距：运输巷2×1.8m，运料巷1.75×2.7m；顶板下沉较大，达到210㎜，变形量较大，稳定时间较长，巷道总体支护效果较好。16.锚杆锚索支护效果2121工作面顺槽（平均埋深1000m）1主副暗斜井（810～1150m

）

顶锚杆：20MnSi全螺纹锚杆，φ22L2400，，间排距700×600㎜；帮锚杆：20MnSi全螺纹锚杆，φ18L2100，，间排距650×600㎜；顶锚索：φ15.24L5000，间排距2×1.8m；帮锚索：φ15.24L6500，间排距：1.2×2.3m；支护效果：两帮变形量较大，达到350㎜，顶板下沉较小，但底臌严重，经过3次清底后巷道基本能够满足使用要求。存在问题：锚杆强度低，预应力低，支护系统刚度低17.主副暗斜井（810～1150m）存在问题：锚杆强度低，预深井锚杆锚索强力支护原理锚杆支护系统的刚度与预应力的重要性

锚杆支护强度的重要性

巷道掘进速度对强力支护的制约

强度低下密度大，掘进速度上不去18.深井锚杆锚索强力支护原理锚杆支护系统的刚度与预应力的重要性对深井巷道来说，强力支护的概念就是在现有的条件下，保持合理的锚杆支护间排距的条件下，尽可能的采用高预应力、高强锚杆，并采用合理的护表结构，充分发挥锚杆支护的作用。19.对深井巷道来说，强力支护的概念就是在现有的条件下，保持合理的高预应力作用下岩体的响应规律20.高预应力作用下岩体的响应规律20.计算结果单根锚杆21.计算结果单根锚杆21.22.22.单根锚索23.单根锚索23.24.24.锚杆-锚索协调支护

25.锚杆-锚索协调支护25.26.26.支护形式最大附加应力（KPa）最大附加位移（e-6m）预应力损失率（%）锚杆130240.42锚索27937.20.19锚杆、锚索33344.50.62、1.09不同支护方式的比较27.支护形式最大附加应力（KPa）最大附加位移（e-6m）预应力锚杆支护强度对围岩强度的强化分析锚固体力学特性改善情况锚杆布置密度(根/400cm2)0234568弹性模量E(MPa)280.8282.6284.7288.2294.0299.7310软化模量M(MPa)32.032.635.239.341.943.246.3等效内聚力C(MPa)0.350.360.360.370.370.380.39等效内摩擦角φ（°）31.531.533.535.637.138.840.4等效内聚力C*(MPa)0.0170.0180.0180.0180.0190.0190.021等效内摩擦角φ*（°）31.531.533.535.637.138.840.428.锚杆支护强度对围岩强度的强化分析锚固体力学特性改善情况锚杆布锚固体强化理论是强力支护的理论基础（1）锚杆支护通过轴向或横向约束来改善围岩的应力状态（2）锚杆支护提高岩体的力学参数（3）普通锚杆支护难以保证Ⅲ～Ⅳ类巷道围岩的稳定（3）经过处理的高强、超高强锚杆能够满足使用要求。29.锚固体强化理论是强力支护的理论基础（1）锚杆支护通过轴向或横4基于强力支护的深井锚杆-锚索-围岩

协调支护技术研究锚杆锚索支护的协调分析深井煤巷锚杆-锚索协调作用原理分析锚杆锚索协调支护方法30.4基于强力支护的深井锚杆-锚索-围岩

协调支护技术研究锚锚杆锚索支护的协调分析锚杆－锚索之间的协调分析

锚杆锚索共同加固围岩条件较差时，支护失败锚杆-锚索协调支护

在巷道开挖支护初期，以锚杆的柔性支护为主，后期以锚索的悬吊作用为主。两者不是同时联合加强支护，而是相互协调、相互取长补短，从而大大改善了锚固支护的整体支护性能，达到控制围岩大变形的目的。31.锚杆锚索支护的协调分析锚杆－锚索之间的协调分析31.锚杆－围岩之间的协调分析及时支护轴力、延伸量全长锚固增加抵抗围岩变形的能力护表构件增加预应力的扩散32.锚杆－围岩之间的协调分析32.锚索和围岩之间的协调分析滞后安装，合理的安装时间将巷道表面松动破坏岩体悬吊在深部稳定的岩体之下，充分调动围岩的自承载能力，提高顶板的残余强度。合理的锚固长度2m锚索为Ф18.9mm，钻孔Ф29㎜药卷Z2360药卷数12345锚固长度（m）0.661.301.982.623.28拉拔力（KN）92168＞150（未破坏）＞150（未破坏）安装困难33.锚索和围岩之间的协调分析药卷数12345锚固长度（m）0.6护表构件与围岩变形的协调分析

维护组合拱的存在，防止岩块的冒落而失效

实现预应力支护的必要设施（锚杆托盘、金属网、钢带梁、梯子梁）将锚杆之间非锚固岩层载荷传给锚杆能减少锚杆的间排距，提高巷道的掘进速度编织带能够减缓围岩表面的风化，与其它护表构件一起，延长浅表围岩的稳定时间。

34.护表构件与围岩变形的协调分析34.深井煤巷锚杆-锚索协调作用原理分析煤巷锚杆-锚索协调作用原理研究锚杆-锚索联合加固原理软弱围岩联合加固

软弱围岩互补原理

35.深井煤巷锚杆-锚索协调作用原理分析煤巷锚杆-锚索协调作用原理锚杆锚索协调支护方法防止锚索在围岩变形过程中破断，使其适应围岩大变形的技术途径有:改变锚索的力学特性，提高钢绞线屈服后的延伸率，从而增大锚索破坏前的总伸长量；（不属于本课题研究范围）改变支护工艺、支护结构和利用锚杆支护巷道的围岩变形破坏特点，提高锚索的适应性。36.锚杆锚索协调支护方法防止锚索在围岩变形过程中破断，使其适应围改善锚索支护性能的方法：木垫板滞后掘进迎头安装锚索

合理安排锚索的位置锚杆锚索有关构件的和谐性钢带、金属网的作用37.改善锚索支护性能的方法：木垫板37.增加锚索延伸量30－50㎜，38.增加锚索延伸量30－50㎜，38.顶板比较稳定，在锚杆支护作用下，距掘进迎头10m范围内的顶板下沉量较小。这一情况允许顶板锚索滞后掘进迎头安装，从而避免因同时安装锚杆和锚索影响巷道的掘进速度，降低施工效率；当掘进迎头顶板较破碎，自稳性差，为了防止锚杆支护后出现冒顶，要求锚索紧跟掘进迎头安装；如果滞后安装锚索时，可能引起钻孔成形不好而难以安装锚索，要求在掘进迎头安装锚索。锚带网当顶板下沉80－120㎜时安装锚索39.顶板比较稳定，在锚杆支护作用下，距掘进迎头10m范围内的顶板两根锚索应位于巷道宽段的1/4和3/4处，该处的顶板下沉量一般为中部顶板下沉量的1/2~1/3。40.两根锚索应位于巷道宽段的1/4和3/4处，该处的顶板下沉量一5工程设计-980m大断面泵房-980m水平岩石联络巷二水平主副暗斜井41.5工程设计-980m大断面泵房41.-980m大断面泵房方案设计要点数值模拟现场观测42.-980m大断面泵房方案设计要点42.方案设计要点高强锚杆强力支护、强力锚索加固，锚杆锚索协调作用围岩注浆，固结强化围岩刷大断面，治理底板浇筑混凝土，形成永久支护43.方案设计要点高强锚杆强力支护、强力锚索加固，锚杆锚索协调作用610015800φ22×2500全长锚固间排距700㎜长6500（锚索）排距2100㎜厚30（初喷层）厚50(复喷层)R3050锚杆－锚索＋喷射混凝土44.610015800φ22×2500全长锚固长6500（锚索图7-7底板反底拱施工图R5656800[16连接缝800557348R5656止浆塞底板注浆＋底拱45.图7-7底板反底拱施工图R5656800[16连接缝800图7-1泵房浇筑混凝土配筋图2900450（两帮）35016（顶板）36521480051005800浇筑混凝土46.图7-1泵房浇筑混凝土配筋图2900450（两帮）350数值模拟数值模型47.数值模拟数值模型47.硐室顶底板岩石力学性质岩性状态厚度/m体积模量(K/MPa)剪切模量(G/MPa)内摩擦角(φ/°)粘结力（C/MPa）抗拉强度（MPa）细粒砂岩注浆前38.8803529.6302324.3908.4006.0741.555粉砂岩注浆前7.0402981.2801788.7688.1604.4681.104注浆后7453.2004471.92020.40011.1702.760野青灰岩注浆前2.1803529.6302324.3908.4006.0741.555注浆后8824.0745810.97621.00015.1853.888炭质泥岩注浆前33.7302268.0001360.8008.1603.8810.624注浆后5670.0003402.00020.4009.7021.56048.硐室顶底板岩石力学性质岩性状态厚度/m体积模量(K/MPa支护方案普通锚喷支护帮底注浆锚杆+锚索+底板反拱+喷射混凝土支护49.支护方案普通锚喷支护帮底注浆锚杆+锚索+底板反拱+喷射混凝土监测线模拟结果50.监测线模拟结果50.塑性区51.塑性区51.轴力图52.轴力图52.数值模拟结论普通锚杆支护不能有效的控制硐室围岩的位移和塑性区的范围，尤其没有对底板采取任何处理措施，造成硐室严重破坏，影响设备的正常运行。而锚注+锚（索）杆+反拱支护采用全长树脂锚固方式、锚索补强方式对顶帮围岩进行有效的控制，同时对底板采用锚注加固加混凝土反拱的方式，减轻了硐室的底臌。数值模拟的初步结果表明，泵房支护的初步设计是合理的。53.数值模拟结论普通锚杆支护不能有效的控制硐室围岩的位移和塑性区10m12m2号测站1号测站图7-8测站布置示意图8m10m4号测站3号测站现场监测54.10m12m2号测站1号测站图7-8测站布置示意图8m10（a）表面收敛测点布置AOCBAD(b)弯头测钉尺寸示意图50503501634578216955.（a）表面收敛测点布置AOCBAD(b)弯头测钉尺寸示意图5部分监测成果56.部分监测成果56.57.57.工业试验效果①锚注+底拱支护有效地控制了围岩的变形，观测期内，各测点到围岩稳定，两帮最大移近量为127mm，最小为117mm。变形稳定以后，两帮的最大移近速率为0.2㎜/天，已经基本稳定。②观测期内最大底臌量为130mm，最小为115mm，，巷道底臌速率沉速率为0.1㎜/天，已经稳定。③硐室支护完毕后的30天左右变形剧烈，45天之后，变形速率降低到1㎜/天以下。④顶板离层观测表明，测得顶板锚固区内外得离层值之和最大为5mm，说明锚杆支护有效地抑制了顶板的下沉，顶板锚杆参数的设计是合理的。⑤锚杆锚索受力监测显示，锚杆受力在硐室掘后30m范围内增加最快，然后增加趋缓，最大13t，锚索最大27t。随着时间的延长，锚杆锚索受力总体趋势逐渐增加。58.工业试验效果①锚注+底拱支护有效地控制了围岩的变形，观测期内-980m水平岩石联络巷

方案设计要点数值模拟现场观测59.-980m水平岩石联络巷

方案设计要点59.方案设计要点预留断面高强的锚喷网支护体系，高强锚杆锚索协调支护技术二次支护，注浆加固，固结强化围岩，加固帮角控制底臌适时U型钢全断面加固60.方案设计要点预留断面60.锚杆－锚索＋喷射混凝土61.锚杆－锚索＋喷射混凝土61.部分监测成果62.部分监测成果62.63.63.工业试验效果工业性试验结果表明：尽管采用了高强支护，深井巷道围岩仍有一定的变形，但由于采用了预留断面，围岩的变形保持在可控制的范围内，因此，保证了巷道变形稳定后的断面符合使用要求。这种设计思路是正确的。(2)岩石联络巷采用Φ22L3000mm高强锚杆，加长树脂锚固，采用Φ17.8L6500mm锚索加强支护，二者之间协调支护，混凝土分两次喷射。实践证明，支护参数的选取是正确的。64.工业试验效果工业性试验结果表明：尽管采用了高强支护，深井巷道二水平主副暗斜井方案设计要点数值模拟现场观测65.二水平主副暗斜井方案设计要点65.方案设计要点高阻让压，强力支护；预留断面；锚杆锚索协调支护关键技术：锚杆、锚索高预紧力，锚杆、护网、协调支护技术，预应力协调技术，底角锚杆控制底臌技术66.方案设计要点高阻让压，强力支护；预留断面；锚杆锚索协调支护6锚杆锚索协调支护

67.锚杆锚索协调支护67.数值模拟数值模型68.数值模拟数值模型68.主副暗斜井岩石力学性质岩性厚度体积模量(K/MPa)剪切模量(G/MPa)内摩擦角(φ/°)粘结力（C/MPa）抗拉强度（MPa）中砂岩21.008824.075810.9821.0015.193.89粉砂岩3.147453.204471.9220.4011.172.76粉细砂岩互层2.669696.095267.9519.8013.793.38铝土质粉砂岩3.345722.003433.2018.0011.982.762＃煤层4.501368.50631.6215.002.060.66粉砂岩3.227453.204471.9220.4011.172.762＃下煤层1.081368.50631.6215.002.060.66粉砂岩2.405670.003402.0020.409.702.76中砂岩18.308824.075810.9821.0015.193.8969.主副暗斜井岩石力学性质岩性厚度体积模量(K/MPa)剪切模模拟结果监测线位移70.模拟结果监测线位移70.监测线主应力应力峰值距巷道从小到大：顶角→顶板→两帮→底脚71.监测线主应力应力峰值距巷道从小到大：71.塑性区72.塑性区72.数值模拟结论两帮煤体深部变形较大，帮锚杆锚固在岩体浅部，形成浅部承载结构，锚索锚固于岩体深部，能够调动深部围岩强度。但只有调整两者的安装顺序或增加锚索的延伸率，才能实现协调支护。73.数值模拟结论两帮煤体深部变形较大，帮锚杆锚固在岩体浅部，形成现场监测74.现场监测74.部分监测成果75.部分监测成果75.76.76.77.77.支护参数修改顶板和两帮锚杆支护的长度加大到3.0m，每排锚索增加到3根78.支护参数修改顶板和两帮锚杆支护的长度加大到3.0m，每排锚索观测结果改进后的支护有效地控制了围岩的变形，观测期内，8号测站两帮最大移近量为89mm，9号测站为42mm。8号测站与9号测站均改变了支护形式，同比，9号测站尽管开采深度加大，但围岩的控制效果已显现。观测期内8号测站顶底板最大移近量为85mm，最小为38mm，巷道顶底移近速率为1.5㎜/d左右，巷道的稳定时间较长。木垫板的压缩量与锚索的延伸量相加能够满足顶板下沉量的需要，保证了锚索不被拉断，实现了锚杆与锚索的协调。由观测结果可以看出，加强支护后，顶底板移近量和两帮位移大幅度降低，且锚杆、锚索等完好率高，说明改进后的支护方式能够控制围岩的变形，支护获得了成功。79.观测结果改进后的支护有效地控制了围岩的变形，观测期内，8号测课题结论本项目根据邢东矿千米深井高应力区域开拓巷道掘进的特点，针对该矿-980m水平开拓巷道及硐室支护难题，提出基于围岩强度强化理论的锚杆锚索强力支护原理、锚杆－锚索协调支护原理。主要结论如下：从围岩条件、地质构造、水文地质和地应力几个方面分析了邢东矿大埋深煤层开拓巷道的围岩结构特点：围岩属于高应力岩层，在高应力的作用下，围岩将出现较大范围的松动，特别在断层附近，围岩裂隙更加发育，给巷道围岩控制带来困难；断层对暗斜井的掘进支护有一定的影响；掘进过程中断层附近将会淋水，但水量不大；区域内主应力的方向与暗斜井斜交，暗斜井两侧将出现不对称的变形状况。

80.课题结论本项目根据邢东矿千米深井高应力区域开拓巷道掘进的特点提出了深井强力支护的概念，论证了预应力对巷道围岩强度的影响规律，采用数值模拟方法考察了锚杆、锚索及二者共同作用下预应力在锚固岩体中的扩散及衰减规律，即岩体表面预应力的影响范围为托盘宽度的15倍左右，剧烈影响范围为托盘下方区域；沿锚索（杆）深度方向附加应力和变形逐渐减小，深度大致和锚索（杆）长度相当，在锚索末端一定范围内出现了拉应力，而后随着距离的深入拉应力消失，呈现压力状态。81.提出了深井强力支护的概念，论证了预应力对巷道围岩强度的影响规在分析现有锚杆支护理论及技术的基础上，提出了锚杆－锚索及护表构件与围岩的相互协调关系进行了分析。阐述了锚杆－锚索协调支护的机理，即发挥锚杆和锚索自身的优势，在巷道开挖支护初期，以锚杆的柔性支护为主，后期以锚索的悬吊作用为主，两者相互取长补短，改善锚杆支护的整体支护性能，达到控制围岩大变形的目的。其关键是应根据巷道围岩条件，采用合理的锚杆支护形式和参数，选择与之相匹配的锚索支护方法。为了实现锚杆－锚索协调支护，提出了改善锚索加强支护性能的方法：加木垫板、滞后安装、改变锚索位置、锚杆锚索有关构件的和谐性及实现预应力的有效扩散等措施。82.在分析现有锚杆支护理论及技术的基础上，提出了锚杆－锚索及护表提出了巷道围岩控制设计的总体思路是：高阻让压，强力支护；预留断面；据此应用数值模拟提出了锚杆－锚索及加强支护的参数，给出了高应力区域硐室、岩石联络巷、主暗斜井初始的支护方案。提出了高应力区域围岩控制的关键技术：即锚杆、锚索高预紧力；锚杆、锚索、围岩、护网构件协调支护技术；底角锚杆控制底臌技术；注浆加固技术。采用理论分析、工程类比、动态设计、系统分析方法对邢东矿高应力区域巷道进行了支护设计和工业性试验。结果表明：该设计方法能够解决深井高应力区域的开拓巷道支护问题。83.提出了巷道围岩控制设计的总体思路是：高阻让压，强力支护；预留效益分析直接经济效益主暗斜井经济效益综合支护费用与修复费用，高强协调支护比原锚杆－锚索支护每米可节约费用1835.8元/m。每年掘进开拓和采区巷道9700米，考虑修复费用，矿井每年可节约费用1780.7万元。

-980m泵房支护与原支护相比可节省18.03万元-980m联络岩巷可节省38.97万元因此，该课题创造的直接经济效益为1837.7万元

84.效益分析直接经济效益84.间接经济效益显著降低了巷道维修费用，基本消除了巷修对矿井的影响。提高了资源回收率，减少煤炭资源损失；减少了支护材料的运量，有利于快速掘进；为同类条件下深井开拓巷道支护提供了有益的经验和尝试。85.间接经济效益85.千米深井巷道

围岩控制技术研究

河北金牛能源股份有限公司86.千米深井巷道

围岩控制技术研究河北金牛能源股份有限公司1.1.煤矿巷道支护理论与技术现状我国煤矿巷道布置的发展趋势巷道支护技术发展历史与现状巷道支护存在问题邢东矿开拓巷道支护存在问题87.1.煤矿巷道支护理论与技术现状我国煤矿巷道布置的发展趋势2.我国煤矿巷道布置的发展趋势岩巷向煤巷发展岩石顶板煤巷向煤层顶板巷道和全煤巷道发展巷道拱形断面向矩形断面发展巷道从小断面向大断面发展

单巷布置向多巷发展巷道埋深从浅部向深部发展

简单地质条件巷道向复杂地质条件发展88.我国煤矿巷道布置的发展趋势岩巷向煤巷发展3.巷道支护技术发展历史与现状木支护→砌碹支护→型钢支护→锚杆支护（必不可少的技术）岩巷→大断面巷道、煤顶和全煤巷道、沿空掘巷、破碎围岩巷道（成功应用）深部高应力巷道支护：锚杆、锚索支护为主的锚喷、锚网喷、锚喷网架、钢筋混凝土，料石碹，预应力锚索支护89.巷道支护技术发展历史与现状木支护→砌碹支护→型钢支护→锚杆支近年来锚杆支护技术取得的成果：多种锚杆支护理论高强度锚杆与锚索支护技术的认可与应用

巷道围岩地质力学快速原位测试系统动态性、系统性、信息性的锚杆支护设计方法的普遍认可与应用

高强度、高刚度树脂锚杆支护系统性能优良的单体风动和液压锚杆钻机、手持式锚杆钻机综掘机配单体锚杆钻机的煤巷快速施工工艺锚杆支护施工质量检测和矿压监测成套仪器。锚注技术90.近年来锚杆支护技术取得的成果：多种锚杆支护理论5.巷道支护存在问题深部常规锚杆支护遇到巨大的困难锚杆支护理论不全面，二次支护理论受到巨大挑战深部普通高强锚杆、锚索支护效果差对锚杆支护系统刚度的重要性认识不足

深部与复杂困难巷道，锚杆材质和结构有待进一步改进不能实现全长预应力锚固，严重影响支护效果对组合构件的认识不足小孔径锚索不能适用深部巷道支护支护密度大，掘进速度低91.巷道支护存在问题深部常规锚杆支护遇到巨大的困难6.邢东矿开拓巷道支护存在问题矿井采深大（大于1000m），地质条件复杂，断层构造带多，围岩压力大，给巷道的支护、维护造成很大困难已掘的主副暗斜井：采用高强度锚杆(Φ22mm×2.4m,20MnSi)，小孔径锚索（Φ15.24mm×5.0m），但部分地段仍难以维护两次返修，影响生产，支护成本高92.邢东矿开拓巷道支护存在问题矿井采深大（大于1000m），地2.-980m水平开拓巷道围岩结构特点分析地质构造、巷道位置地应力巷道围岩条件及巷道稳定性指数围岩控制特点93.2.-980m水平开拓巷道围岩结构特点分析地质构造、巷道位断层巷道F22H=0-45mSF17H=0-12mFx-9H=4Fx-11H=294.断层巷道F22H=0-45mSF17H=0-12mFx-地应力区域垂直应力（MPa）水平应力（MPa）-980泵房及联络巷26.3829主副暗斜井26.3-31.2528.9～34.495.地应力区域垂直应力（MPa）水平应力-980泵房及联络巷262#煤及顶底板岩石力学参数层位岩性厚度(m)σC(MPa)σt(MPa)E(GPa)u老顶中砂岩20.8697.206.4823.830.23粉砂岩3.1470.004.6018.630.25粉细砂岩互层2.6684.65.6422.300.27直接顶铝土质粉砂岩3.3469.134.6014.310.252#煤4.5010.802.740.30直接底粉砂岩3.2270.004.6018.6330.252#下煤1.0810.82.7370.30老底粉砂岩2.4060.804.6014.180.2596.2#煤及顶底板岩石力学参数层位岩性厚度(m)σ巷道稳定性岩性－980泵房－980联络巷主副暗斜井中砂岩粉砂岩不稳定粉细砂岩互层不稳定铝土质粉砂岩强流变极不稳定2#煤粉砂岩2#下煤砂质泥岩强流变极不稳定粉砂岩强流变极不稳定不稳定97.巷道稳定性岩性－980泵房－980联络巷主副暗斜井中围岩控制特点服务时间长长达20年以上水平应力大，巷道顶底板变形严重地应力大，围岩变形严重主暗斜井掘进方向与最大主应力方向不一致98.围岩控制特点服务时间长长达20年以上13.3深井锚杆锚索强力支护原理分析邢东矿围岩变形特征分析深井锚杆锚索强力支护原理高预应力作用下岩体的响应规律锚杆支护强度对围岩强度的强化分析

99.3深井锚杆锚索强力支护原理分析邢东矿围岩变形特征分析14邢东矿围岩变形特征分析巷道围岩塑性区随巷道埋深的变化规律巷道埋深H（m）铅直应力σv（MPa）水平应力σH（MPa）塑性区半径R（m）塑性区厚度P（m）90022.5024.759.126.7695023.7526.139.577.2198024.5026.959.847.4899024.7527.239.937.57100025.0027.5010.027.66110027.5030.2510.948.58120030.0033.0011.869.50130032.5035.7512.7910.43140035.0038.5013.7311.37100.邢东矿围岩变形特征分析巷道围岩塑性区随巷道埋深的变化规律巷锚杆锚索支护效果2121工作面顺槽（平均埋深1000m）

顶锚杆：20MnSi高强锚杆，顶板采用φ22L2400，全长锚固，间排距700×900㎜；顶锚索：φ17.8L6500，间排距：运输巷2×1.8m，运料巷1.75×2.7m；帮锚杆：φ20L2100全长锚固，750×900㎜；帮锚索：φ15.24L4500，间排距：运输巷2×1.8m，运料巷1.75×2.7m；顶板下沉较大，达到210㎜，变形量较大，稳定时间较长，巷道总体支护效果较好。101.锚杆锚索支护效果2121工作面顺槽（平均埋深1000m）1主副暗斜井（810～1150m

）

顶锚杆：20MnSi全螺纹锚杆，φ22L2400，，间排距700×600㎜；帮锚杆：20MnSi全螺纹锚杆，φ18L2100，，间排距650×600㎜；顶锚索：φ15.24L5000，间排距2×1.8m；帮锚索：φ15.24L6500，间排距：1.2×2.3m；支护效果：两帮变形量较大，达到350㎜，顶板下沉较小，但底臌严重，经过3次清底后巷道基本能够满足使用要求。存在问题：锚杆强度低，预应力低，支护系统刚度低102.主副暗斜井（810～1150m）存在问题：锚杆强度低，预深井锚杆锚索强力支护原理锚杆支护系统的刚度与预应力的重要性

锚杆支护强度的重要性

巷道掘进速度对强力支护的制约

强度低下密度大，掘进速度上不去103.深井锚杆锚索强力支护原理锚杆支护系统的刚度与预应力的重要性对深井巷道来说，强力支护的概念就是在现有的条件下，保持合理的锚杆支护间排距的条件下，尽可能的采用高预应力、高强锚杆，并采用合理的护表结构，充分发挥锚杆支护的作用。104.对深井巷道来说，强力支护的概念就是在现有的条件下，保持合理的高预应力作用下岩体的响应规律105.高预应力作用下岩体的响应规律20.计算结果单根锚杆106.计算结果单根锚杆21.107.22.单根锚索108.单根锚索23.109.24.锚杆-锚索协调支护

110.锚杆-锚索协调支护25.111.26.支护形式最大附加应力（KPa）最大附加位移（e-6m）预应力损失率（%）锚杆130240.42锚索27937.20.19锚杆、锚索33344.50.62、1.09不同支护方式的比较112.支护形式最大附加应力（KPa）最大附加位移（e-6m）预应力锚杆支护强度对围岩强度的强化分析锚固体力学特性改善情况锚杆布置密度(根/400cm2)0234568弹性模量E(MPa)280.8282.6284.7288.2294.0299.7310软化模量M(MPa)32.032.635.239.341.943.246.3等效内聚力C(MPa)0.350.360.360.370.370.380.39等效内摩擦角φ（°）31.531.533.535.637.138.840.4等效内聚力C*(MPa)0.0170.0180.0180.0180.0190.0190.021等效内摩擦角φ*（°）31.531.533.535.637.138.840.4113.锚杆支护强度对围岩强度的强化分析锚固体力学特性改善情况锚杆布锚固体强化理论是强力支护的理论基础（1）锚杆支护通过轴向或横向约束来改善围岩的应力状态（2）锚杆支护提高岩体的力学参数（3）普通锚杆支护难以保证Ⅲ～Ⅳ类巷道围岩的稳定（3）经过处理的高强、超高强锚杆能够满足使用要求。114.锚固体强化理论是强力支护的理论基础（1）锚杆支护通过轴向或横4基于强力支护的深井锚杆-锚索-围岩

协调支护技术研究锚杆锚索支护的协调分析深井煤巷锚杆-锚索协调作用原理分析锚杆锚索协调支护方法115.4基于强力支护的深井锚杆-锚索-围岩

协调支护技术研究锚锚杆锚索支护的协调分析锚杆－锚索之间的协调分析

锚杆锚索共同加固围岩条件较差时，支护失败锚杆-锚索协调支护

在巷道开挖支护初期，以锚杆的柔性支护为主，后期以锚索的悬吊作用为主。两者不是同时联合加强支护，而是相互协调、相互取长补短，从而大大改善了锚固支护的整体支护性能，达到控制围岩大变形的目的。116.锚杆锚索支护的协调分析锚杆－锚索之间的协调分析31.锚杆－围岩之间的协调分析及时支护轴力、延伸量全长锚固增加抵抗围岩变形的能力护表构件增加预应力的扩散117.锚杆－围岩之间的协调分析32.锚索和围岩之间的协调分析滞后安装，合理的安装时间将巷道表面松动破坏岩体悬吊在深部稳定的岩体之下，充分调动围岩的自承载能力，提高顶板的残余强度。合理的锚固长度2m锚索为Ф18.9mm，钻孔Ф29㎜药卷Z2360药卷数12345锚固长度（m）0.661.301.982.623.28拉拔力（KN）92168＞150（未破坏）＞150（未破坏）安装困难118.锚索和围岩之间的协调分析药卷数12345锚固长度（m）0.6护表构件与围岩变形的协调分析

维护组合拱的存在，防止岩块的冒落而失效

实现预应力支护的必要设施（锚杆托盘、金属网、钢带梁、梯子梁）将锚杆之间非锚固岩层载荷传给锚杆能减少锚杆的间排距，提高巷道的掘进速度编织带能够减缓围岩表面的风化，与其它护表构件一起，延长浅表围岩的稳定时间。

119.护表构件与围岩变形的协调分析34.深井煤巷锚杆-锚索协调作用原理分析煤巷锚杆-锚索协调作用原理研究锚杆-锚索联合加固原理软弱围岩联合加固

软弱围岩互补原理

120.深井煤巷锚杆-锚索协调作用原理分析煤巷锚杆-锚索协调作用原理锚杆锚索协调支护方法防止锚索在围岩变形过程中破断，使其适应围岩大变形的技术途径有:改变锚索的力学特性，提高钢绞线屈服后的延伸率，从而增大锚索破坏前的总伸长量；（不属于本课题研究范围）改变支护工艺、支护结构和利用锚杆支护巷道的围岩变形破坏特点，提高锚索的适应性。121.锚杆锚索协调支护方法防止锚索在围岩变形过程中破断，使其适应围改善锚索支护性能的方法：木垫板滞后掘进迎头安装锚索

合理安排锚索的位置锚杆锚索有关构件的和谐性钢带、金属网的作用122.改善锚索支护性能的方法：木垫板37.增加锚索延伸量30－50㎜，123.增加锚索延伸量30－50㎜，38.顶板比较稳定，在锚杆支护作用下，距掘进迎头10m范围内的顶板下沉量较小。这一情况允许顶板锚索滞后掘进迎头安装，从而避免因同时安装锚杆和锚索影响巷道的掘进速度，降低施工效率；当掘进迎头顶板较破碎，自稳性差，为了防止锚杆支护后出现冒顶，要求锚索紧跟掘进迎头安装；如果滞后安装锚索时，可能引起钻孔成形不好而难以安装锚索，要求在掘进迎头安装锚索。锚带网当顶板下沉80－120㎜时安装锚索124.顶板比较稳定，在锚杆支护作用下，距掘进迎头10m范围内的顶板两根锚索应位于巷道宽段的1/4和3/4处，该处的顶板下沉量一般为中部顶板下沉量的1/2~1/3。125.两根锚索应位于巷道宽段的1/4和3/4处，该处的顶板下沉量一5工程设计-980m大断面泵房-980m水平岩石联络巷二水平主副暗斜井126.5工程设计-980m大断面泵房41.-980m大断面泵房方案设计要点数值模拟现场观测127.-980m大断面泵房方案设计要点42.方案设计要点高强锚杆强力支护、强力锚索加固，锚杆锚索协调作用围岩注浆，固结强化围岩刷大断面，治理底板浇筑混凝土，形成永久支护128.方案设计要点高强锚杆强力支护、强力锚索加固，锚杆锚索协调作用610015800φ22×2500全长锚固间排距700㎜长6500（锚索）排距2100㎜厚30（初喷层）厚50(复喷层)R3050锚杆－锚索＋喷射混凝土129.610015800φ22×2500全长锚固长6500（锚索图7-7底板反底拱施工图R5656800[16连接缝800557348R5656止浆塞底板注浆＋底拱130.图7-7底板反底拱施工图R5656800[16连接缝800图7-1泵房浇筑混凝土配筋图2900450（两帮）35016（顶板）36521480051005800浇筑混凝土131.图7-1泵房浇筑混凝土配筋图2900450（两帮）350数值模拟数值模型132.数值模拟数值模型47.硐室顶底板岩石力学性质岩性状态厚度/m体积模量(K/MPa)剪切模量(G/MPa)内摩擦角(φ/°)粘结力（C/MPa）抗拉强度（MPa）细粒砂岩注浆前38.8803529.6302324.3908.4006.0741.555粉砂岩注浆前7.0402981.2801788.7688.1604.4681.104注浆后7453.2004471.92020.40011.1702.760野青灰岩注浆前2.1803529.6302324.3908.4006.0741.555注浆后8824.0745810.97621.00015.1853.888炭质泥岩注浆前33.7302268.0001360.8008.1603.8810.624注浆后5670.0003402.00020.4009.7021.560133.硐室顶底板岩石力学性质岩性状态厚度/m体积模量(K/MPa支护方案普通锚喷支护帮底注浆锚杆+锚索+底板反拱+喷射混凝土支护134.支护方案普通锚喷支护帮底注浆锚杆+锚索+底板反拱+喷射混凝土监测线模拟结果135.监测线模拟结果50.塑性区136.塑性区51.轴力图137.轴力图52.数值模拟结论普通锚杆支护不能有效的控制硐室围岩的位移和塑性区的范围，尤其没有对底板采取任何处理措施，造成硐室严重破坏，影响设备的正常运行。而锚注+锚（索）杆+反拱支护采用全长树脂锚固方式、锚索补强方式对顶帮围岩进行有效的控制，同时对底板采用锚注加固加混凝土反拱的方式，减轻了硐室的底臌。数值模拟的初步结果表明，泵房支护的初步设计是合理的。138.数值模拟结论普通锚杆支护不能有效的控制硐室围岩的位移和塑性区10m12m2号测站1号测站图7-8测站布置示意图8m10m4号测站3号测站现场监测139.10m12m2号测站1号测站图7-8测站布置示意图8m10（a）表面收敛测点布置AOCBAD(b)弯头测钉尺寸示意图505035016345782169140.（a）表面收敛测点布置AOCBAD(b)弯头测钉尺寸示意图5部分监测成果141.部分监测成果56.142.57.工业试验效果①锚注+底拱支护有效地控制了围岩的变形，观测期内，各测点到围岩稳定，两帮最大移近量为127mm，最小为117mm。变形稳定以后，两帮的最大移近速率为0.2㎜/天，已经基本稳定。②观测期内最大底臌量为130mm，最小为115mm，，巷道底臌速率沉速率为0.1㎜/天，已经稳定。③硐室支护完毕后的30天左右变形剧烈，45天之后，变形速率降低到1㎜/天以下。④顶板离层观测表明，测得顶板锚固区内外得离层值之和最大为5mm，说明锚杆支护有效地抑制了顶板的下沉，顶板锚杆参数的设计是合理的。⑤锚杆锚索受力监测显示，锚杆受力在硐室掘后30m范围内增加最快，然后增加趋缓，最大13t，锚索最大27t。随着时间的延长，锚杆锚索受力总体趋势逐渐增加。143.工业试验效果①锚注+底拱支护有效地控制了围岩的变形，观测期内-980m水平岩石联络巷

方案设计要点数值模拟现场观测144.-980m水平岩石联络巷

方案设计要点59.方案设计要点预留断面高强的锚喷网支护体系，高强锚杆锚索协调支护技术二次支护，注浆加固，固结强化围岩，加固帮角控制底臌适时U型钢全断面加固145.方案设计要点预留断面60.锚杆－锚索＋喷射混凝土146.锚杆－锚索＋喷射混凝土61.部分监测成果147.部分监测成果62.148.63.工业试验效果工业性试验结果表明：尽管采用了高强支护，深井巷道围岩仍有一定的变形，但由于采用了预留断面，围岩的变形保持在可控制的范围内，因此，保证了巷道变形稳定后的断面符合使用要求。这种设计思路是正确的。(2)岩石联络巷采用Φ22L3000mm高强锚杆，加长树脂锚固，采用Φ17.8L6500mm锚索加强支护，二者之间协调支护，混凝土分两次喷射。实践证明，支护参数的选取是正确的。149.工业试验效果工业性试验结果表明：尽管采用了高强支护，深井巷道二水平主副暗斜井方案设计要点数值模拟现场观测150.二水平主副暗斜井方案设计要点65.方案设计要点高阻让压，强力支护；预留断面；锚杆锚索协调支护关键技术：锚杆、锚索高预紧力，锚杆、护网、协调支护技术，预应力协调技术，底角锚杆控制底臌技术151.方案设计要点高阻让压，强力支护；预留断面；锚杆锚索协调支护6锚杆锚索协调支护

152.锚杆锚索协调支护67.数值模拟数值模型153.数值模拟数值模型68.主副暗斜井岩石力学性质岩性厚度体积模量(K/MPa)剪切模量(G/MPa)内摩擦角(φ/°)粘结力（C/MPa）抗拉强度（MPa）中砂岩21.008824.075810.9821.0015.193.89粉砂岩3.147453.204471.9220.4011.172.76粉细砂岩互层2.669696.095267.9519.8013.793.38铝土质粉砂岩3.345722.003433.2018.0011.982.762＃煤层4.501368.50631.6215.002.060.66粉砂岩3.227453.204471.9220.4011.172.762＃下煤层1.081368.50631.6215.002.060.66粉砂岩2.405670.003402.0020.409.702.76中砂岩18.308824.075810.9821.0015.19