煤矿巷道支护的几个技术问题

中国矿业大学矿业工程学院煤矿巷道支护的几个技术问题2021年12月23日提纲煤巷支护顶板平安控制技术岩巷支护围岩强化控制技术动态分步加固技术煤巷支护----顶板平安控制技术煤矿巷道顶板控制及支护先天更困难巷道顶板失稳规律与平安控制原理锚杆支护开展方向与平安控制技术煤巷锚杆支护工程实例围岩赋存不均质：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条件往往都有区别；地质构造出现频度大，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；存在大量特殊的平安技术问题: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〔与其它岩土工程相比〕05、06年全国煤矿死亡事故按性质统计顶板占34.66%。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。1.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〕锚杆支护技术进步显著，平安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棚式支护造成巷道顶板平安状况差，顶板事故频繁发生；锚杆支护时顶板平安状况仍未得到保证，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最突出因素是顶板平安保障。煤矿事故比例统计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。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，变形持续开展，渐次向上垮冒。松脱型垮冒2.巷道顶板失稳规律与平安控制原理挤压型垮冒锚固区内离层：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削弱或破坏；锚固区外离层：锚固区完整性较好，但不能阻止外层岩体渐进破坏，导致外层弱面离层。锚固区外离层持续开展将导致锚固区整体垮冒。锚杆支护巷道对应两种失稳形式锚固区整体垮冒2.巷道顶板失稳规律与平安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〞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2.巷道顶板失稳规律与平安控制原理平安：平安可靠性要求更高，“零死亡率〞是研究锚杆支护技术首要目标。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：在效劳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。 “平安〞和“支护效果〞已经取代“支护本钱〞成为支护技术先进性和支护设计的出发点和评价标准。对此，形成了锚网支护的三项控制技术3.锚杆支护开展方向与平安控制技术高性能锚杆的概念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；杆体外表结构优化，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；两个减摩垫圈，双重减摩措施，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1项技术：高性能预拉力锚杆支护技术3.锚杆支护开展方向与平安控制技术尾部等强加工扭矩螺母杆体外型结构优化

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2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那么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3.锚杆支护开展方向与平安控制技术肩角稳定区肩角稳定区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，确保顶板平安；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层作为内锚固支撑点，通过桁架连接器将两根钢绞线对拉，形成可靠护顶结构，控制顶板离层、防止加固区整体垮冒。第3项技术：高预拉力钢绞线桁架支护技术3.锚杆支护开展方向与平安控制技术巷道上方直接顶存在明显软弱夹层，在顶板中分布位置不固定7223机巷的水文地质条件复杂，煤层顶板砂岩含水丰富7123工作面尚未完全收作，7223机巷动压影响强烈巷道掘进层位示意图4.煤巷锚杆支护工程实例----许疃煤矿7223机巷巷道支护参数支护效果图巷道整体支护效果图帮部横向桁架帮部竖向桁架4.煤巷锚杆支护工程实例----许疃煤矿7223机巷汇报提纲煤巷支护顶板平安控制技术岩巷支护围岩强化控制技术动态分步加固技术煤炭资源的开采不断向深部开展我国煤矿10~12m/y速度向深部开展(东部矿井10~25m/y)深井、软岩巷道表现出高应力、大变形、强烈底鼓、持续流变的特点，围岩不能稳定，严重影响生产和平安深部高应力巷道是个相对性概念，传统架棚支护、锚杆支护方式不能满足支护要求一类巷道，底鼓普遍而且强烈常常在掘进时就需要屡次卧底、翻修围岩显著破坏的区域增加，参与变形的围岩范围大大拓展了,不易形成结构效应时间效应强烈，变形速度快，衰减速度慢，不易长期维护人工有效支护范围没有根本扩大，锚固区整体移动现象增多1.围岩强化控制技术1.围岩强化控制技术应力场的调整

区域应力场的调整微观应力场的改善支护手段的创新支护强度的进一步提高加固范围的进一步加大支护结构的进一步创新围岩条件的改善注浆、锚固综合治理技术喷锚注动态分步加固技术应力场的调整---优先考虑，提前布置区域应力场的调整 深部巷道布置、开采部署和最终形成的开采边界条件对巷道稳定性影响很大，由此产生的巷道变形差异很大。上行开采大范围转移围岩应力的思路深部大范围地下采矿活动也使得水平应力的传递变得不再连续掌握大范围开采过程中应力场的变化规律，特别是有效阻断水平应力调整规律，可以大大改善巷道的维护状况。1.围岩强化控制技术微观应力场的改善

卸压技术:将巷道上方及周围岩体的高应力区及高应力值降低，并将其高应力区及高应力值向煤体深部转移，使巷道上方及周围岩体的应力增高区变为应力降低区。解放层开采解放了巷道压力1.围岩强化控制技术合理规划近距离煤层开采顺序和巷道位置缓解了支护难度双巷布置保护了主要巷道支护手段的创新锚杆承载能力的强化巷道围岩强度的强化关键承载部位的强化

支护效能进一步提高加固范围进一步加大支护结构进一步创新1.围岩强化控制技术巷道开挖支护加固三向应力状态稳定围岩恢复三向应力状态改善围岩完整性二向应力状态

只有锚杆支护能同时实现以上三种功能锚杆类支护替代U型钢支护是目前技术阶段的必然选择，是技术追求的方向。锚杆承载性能的强化提高围岩强度1.围岩强化控制技术巷道围岩强度的强化锚固体的力学性能改善注浆加固体的力学性能改善侯朝炯教授提出围岩强度强化理论关键破坏区域是客观存在的由于围岩的赋存不均匀性，有软弱区域由于围岩应力场的非对称性，有不同的破坏特征浅埋巷道治理的中心是顶板，建立了梁式、拱式等非封闭式承载结构深井高应力软岩巷道是全方位大范围变形破坏，必须形成封闭式环形对称或非对称承载结构关键承载部位的强化1.围岩强化控制技术关键部位的强化分阶段动态加固原理随巷道开挖围岩赋存状态动态变化，围岩强度不断降低；在该过程中围岩总能保持一定自稳能力，但随其内部结构和外部约束的变化而消长；巷道围岩变形和破坏表现为明显阶段性特征，各阶段力学性能和强度变化规律各不相同，动态监测巷道围岩的变形和强度弱化过程，针对性地采取加固补强措施，才可能最经济地维护软岩巷道的稳定。单一的支护方式都不能满足围岩变形

，不同支护技术的组合，同一支护不同加固时机对巷道围岩的变形和稳定有不同的影响，应当优化选择；支护选型应以充分利用和维持围岩自稳能力，强化围岩支撑结构为标准，优先选择主动加固方式的支护技术，包括混凝土喷层、锚杆支护、围岩注浆加固等技术。2.动态分步加固技术动态分步控制技术手段高强预应力〔锚杆〕支护高性能锚杆预拉力钢绞线桁架M型钢带大孔径锚索、组合锚索滞后注浆加固技术组合支护的分步实施软岩喷锚注分步加固技术煤巷组合支护的分步实施破碎煤岩体的加固技术注浆锚索钻锚注一体化技术自固式锚杆玻璃钢锚杆等新型支护材料2.动态分步加固技术及时喷表达“让压〞、“护顶〞适时锚形成有效的支护结构和支护强度采用新型的高强预应力锚杆滞后注浆把握注浆时机注浆材料动态分步控制技术的关键一项新技术：新型锚注技术薄壁管式锚杆和水泥浆为根底的锚注技术锚杆强度低注浆加固效果差充填注浆、灌注新型高强螺纹管式锚注一体化技术杆体强度高、锚固性能好化学注浆渗透性强裂隙加固2.动态分步加固技术3.工程例如----朱仙庄二水平巷道治理初喷架U型棚锚杆锚索加强滞后注浆反拱加固初喷锚网基本支护关键部位加强锚索、桁架支护局部卸压围岩注浆反拱加固施工流程图第一套方案第二套方案工程例如----朱仙庄二水平巷道治理巷道整体支护效果图与导师合影及联系方式联系方式李桂臣博士张农教授博导

E-mail:liguichen@126张农，中国矿业大学博士、教授、博士生导师、中国煤炭工业协会煤矿支护专业委员会专家组成员，中国岩石力学与工程学会软岩工程专业委员会委员，国家级重点学科采矿工程学科青年学术带头人，?采矿与平安工程学报?、?煤矿支护?杂志编委。曾获得政府特殊津贴(2021)，江苏