学习新汶矿区深部巷道锚杆 支护与快速掘进的实践 大 家 好！2015年9月1日 张德林1目 录1、概况2、新汶矿区深部巷道锚杆支护实践 3、新汶矿区深部巷道快速掘进实践21、概况l1.1 新汶矿区煤田地质特征l 新汶矿业集团是一个建局40余年的老矿区 ，也是年产千万吨的国有特大型企业。矿区位于 山东中部的泰安、莱芜两市的四个县市区境内， 分布有新汶、莱芜两个煤田，总面积912km2。煤 系地层共含19层煤，其中可采和局部可采煤层有 2、3、4、6、11、13、15、19等711层。大部分 属缓倾斜煤层，倾角为1535。在可采煤层中除 4层煤在华丰井田为厚煤层(6m左右)外，其余均 为中厚煤层及薄煤层，2、4、11层为中厚煤层， 是矿区的主采煤层。 31、概况l1.2 新汶矿区井田特点l 矿区生产条件复杂，矿井井型小、井田密 度大、走向短，断层构造多（平均每平方公里 200条左右）。开采水平延深频繁，每年以30 50米的速度向深部延深。目前矿井平均采深1020 米，其中孙村、华丰、协庄等3个矿已达1300米 左右。41、概况l1.3 制约矿井掘进工作的两大难题l巷道支护安全使用，安全生产环境的 需要l快速掘进生产接续，维持正常生产秩 序的需要51、概况l1.4 近年来研究攻关的主要成果l形成深部巷道支护锚杆支护成套技术l形成煤巷、半煤巷快速掘进成套技术l岩巷快速掘进成套技术正在研究之中62、新汶矿区深部巷道锚杆支护实践2.1深部巷道锚杆支护现状及存在问题2.2超千米深井锚杆支护研究情况72.1 深部巷道锚杆支护现状及存在问 题q 2.1.1深部巷道支护理论新奥法支护理论煤炭行业结合自身特点，完善和发展了新奥法：采用光面爆破；早强喷射混凝土及时封闭巷 道周边，实施密贴支护；采用锚喷支护，主动加 固围岩，提高其自承能力，在围岩内形成承载圈 ；实施二次支护；对破碎围岩实施注浆加固；实 施动态设计和动态施工等。8联合支护理论对深部巷道，只提高支护刚度难以有效控制围岩 变形，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护 。但随着巷道条件变差，该理论受到挑战，有些巷道 采用联合支护并不有效，多次维修，围岩变形一直不 能稳定。二次支护理论对深部大变形巷道，应实施二次支护。一次支护在 保证围岩稳定的条件下允许有一定变形，释放压力； 在合适的时间进行二次支护，保持巷道的长期稳定。92.1.2 深部巷道支护技术q锚杆锚喷支护锚杆锚喷支护性能优越，比较适合深部巷道支护。但必须选择合理的支护形式与参数，才能取得较好效 果。q U型钢可缩性支架U型钢具有较好的断面形状和几何参数，型钢搭接后易于收缩，支架设计合理，使用正确，能获得较好的 力学性能。支架结构分不封闭和封闭。但U型钢支架毕竟是一种被动支护形式，而且支护费用高，施工比较 困难。10q注浆加固 注浆将破碎岩体固结，改善围岩结构，提高围岩强 度，增加自身承载能力。水泥水玻璃、高分子材 料。注浆加固适于破碎围岩，且与其它支护方法联 合使用。q 联合支护 两种或两种以上支护方式联合支护。如能充分发挥 每种支护方式性能，优势互补，有更好支护效果和 更广的适用范围。锚喷+注浆，锚喷+U型钢支架，U 型钢支架+注浆，锚喷+注浆+U型钢支架。适用范围 广，但费用高，支护形式选择不匹配时，往往造成 各个击破。11q卸压技术将巷道布置在应力降低区，或采取人工卸压措施 ，使巷道周边的高应力向深部转移，是深部巷道围 岩变形控制的另一个途径。在应力降低区布置巷道是首选方法，人工卸压法 （切缝、钻孔、爆破、掘卸压巷等），由于种种原 因，目前还没有推广，仅作为一种辅助方法局部采 用。高强度锚杆、锚索支护已得到大面积应用,成 为我国煤矿巷道首选的、主要的支护方式。12新汶矿业集团有限责任公司是一家以国有 资产为主体、多种所有制并存，以煤为主 、多种产业共同发展的大型企业集团，是 全国 520 家重点国有企业和山东省 136 户 重点企业集团之一， 2005年列中国企业 500强 232 位， 2005 年中国煤炭企业 100 强第 10 位。 2.1.3新汶矿区深部巷道支护现状与存在的 问题 13 新汶矿区锚杆支护技术发展状况 q新汶平均采深1000m，我国采深最大矿区之一，集 中采深大、构造复杂、灾害性多重条件，支护极困 难。q不断开发应用支护新技术、新设备、新材料，大 力推广锚杆支护，完成了多项支护重大科研项目， 推动新汶矿区锚杆支护技术发展。q目前，锚杆支护率达到97.15，其中煤巷96.7 ，岩巷98.3。 14 新汶矿区深部巷道锚杆支护存在的问题 随着开采深度的增加，出现以下问题：q深部巷道围岩破坏机理没能得到很好的解决，特定 条件下围岩运动规律还需进一步研究。q研究形成的锚网喷二次支护理论受到了挑战，深部 动压影响区、构造压力带、软岩破碎带，采用二次支 护后仍出现变形破坏等问题。q深部岩石巷道底鼓，采动影响煤巷支护，冲击地压 煤层顺槽支护没有得到很好解决。15q没有形成一套锚杆支护计算机辅助动态设计系统。 采用工程类比法，巷道支护形式及参数不能根据现场 的条件变化科学的进行支护设计。q支护材料及机具不能适应深部困难条件，现在普遍 采用的全螺纹锚杆，螺距大，预紧力低。q未形成巷道支护合理性评价系统，不能适时评价合 理支护的方式及参数，达到支护效果最佳、成本最低 化程度，不能适应煤炭生产降低成本提高安全、经济 效益的要求。16新汶矿区复杂困难巷道类型及影响因素 煤柱集中应力影响区巷道支护困难； 受煤柱及动压影响的岩巷变形破坏严重； 深部高地应力巷道维护困难； 构造应力影响区巷道变形严重； 巷道托顶煤和受软弱及破碎带影响支护困难。 172.2 超千米深井锚杆支护研究情况2.2.1 深井开采的困难条件开采深度越来越大开采深度以30-50m每年的速度增加，预 计5年后将进入1500米深部开采。18深部开采矿井面临的灾害高地应力：垂直应力明显增大；深部岩体形成历 史久远，构造应力场复杂，应力高。高地温：地温梯度30-50C/km。热胀冷缩，温 度变化1 产生0.4-0.5 MPa应力变化。高岩溶水压：地应力与地温升高，岩溶水压升高 ，矿井突水严重。开采扰动：高地应力下，采动影响强烈，地压大 ，破坏严重。19q矿山工程垮落、冒顶发生频率增加q矿井深度增大，围岩应力高于围岩强度，增大围 岩的失稳性和支护难度。极易导致顶板垮落，出现事 故。q冲击地压与煤岩突出灾害明显加剧q随着矿井深度增大，煤岩体应力加大，冲击地压 发生的频率、强度和规模随之增加。q矿压显现强烈，巷道变形量明显增大，给矿山生 产系统安全运行带来严重问题20 深部巷道围岩变形与破坏的特征深部巷道围岩变形与破坏的特征巷道围岩变形的时间效应。巷道围岩变形量大，有 明显的时间性。表现为初期来压快、变形显著，如不 采取有效支护措施，极易发生冒顶、片帮等破坏现象 。即使围岩变形变得比较稳定后，围岩还以一定的速 度长期处于流变状态。 巷道围岩变形的空间效应。巷道来压方向多表现为四 周来压。巷道开挖后不仅顶板、两帮易发生显著变形 和破坏，底板也往往出现强烈变形和破坏，如不对底 板采取有效的控制措施，则强烈底臌会加剧两帮和顶 板的变形和破坏。21q巷道围岩变形的易受扰动性。围岩变形对应力的变 化非常敏感，受震动、邻近巷道掘进或回采工作面采 动影响后，围岩变形和破坏均有明显增加。围岩的稳 定性与巷道断面形状、施工工艺等因素都有关系。q巷道围岩变形的冲击性。在有冲击倾向的巷道中， 围岩变形有时并不是连续的、逐渐变化的，而是突然 剧烈增加，导致断面迅速缩小，具有强烈的冲击性。222.2.2 深部巷道支护对策针对新汶千米深井高地应力巷道支护难题，全面系统研究试验，形成深部巷道支护理论与成套技术。q 提出深部巷道围岩控制理论、设计方法，开发设计软件，解决支护设计难题；q 开发新型支护材料与机具，保证支护质量与速度 q 提出巷道围岩变形(离层)安全评价指标，保证安全q 有效解决矿区深部、高地应力与复杂地质条件巷道支护问题，为采煤工作面快速推进创造有利条件。232.2.3 影响深部巷道支护因素分析l通过对锚杆支护作用机理分析认为，巷 道开掘以后，由于受掘进工作面的支撑， 顶板下沉和变形很小。此时安装锚杆，其 主要作用是控制顶板浅部岩层的离层、滑 动。锚杆安装越及时，预应力越大，则锚 固范围内岩层的整体刚度越高，岩层处于 压缩状态，岩层间不发生离层和弯曲变形 等有害变形，岩层的完整性和整体强度得 到保持。24l相反，如果锚杆没有预应力，则只有当岩层 产生一定变形时锚杆才有载荷，显然不能控制 在这以前顶板岩层的离层和错动，导致顶板从 浅部向深部逐渐离层、破坏，失去完整性与稳 定性。预应力太小也不能起到有效约束顶板离 层的作用。如果锚杆安装不及时，较大范围内 的岩层已产生离层、滑动，岩层承载能力丧失 很大，再打锚杆，支护效果会受到明显影响。25巷道断面形状对支护的影响 l 由于新汶矿区属倾斜煤层，煤层倾角一般在 30左右，工作面顺槽一般属半煤岩巷道。目前 该矿区顺槽一般有三种断面形式：梯形巷道、拱 形巷道和矩形巷道。l从巷道围岩受力状态来讲，拱形巷道围岩受 力较为均匀，自稳性较好，锚杆的受力状态也 较好。但从深井高应力软岩的角度来讲，由于 围岩存在流变性，拱形巷道非常不利于锚杆组 合支护作用的发挥，特别是使钢带早期几乎丧 失作用，而在深井软岩巷道，钢带对 于防止锚 杆之间围岩的松动、冒落起着至关重要的作用。 26l梯形巷道主要是沿煤层顶板掘进，不破坏煤 层顶板的完整性，非常有利于顶板支护，保 持顶板岩层的整体性和稳定性，同时两帮煤 岩体的维护也较为容易，非常有利于发挥钢 带的护帮护顶作用。但同时也存在下帮上肩 角锚杆受较大剪切力的作用，容易出现锚杆 被剪断的现象。 27矩形巷道挑顶范围较 大，但从发挥锚 杆和钢带 的组合作用方面最为有效，同 时巷道周围应 力分布也较为 均匀，施工 较为 方便。但如煤层较为 破碎时顶 板 角煤的留设较为 困难。通过以上分析，在回采巷道中应根据具 体岩性情况选择巷道断面，不易统一形 式。如煤体较为完整是可选择矩形巷道 或拱形巷道，煤体较破碎时应选择梯形 巷道，煤层倾角较大时可选择拱形巷道 。 28锚杆的预紧力 l 锚杆预紧力的大小是反映锚杆主动支护的一个 重要指标，也是锚杆支护区别于其他被动支护的重 要标识之一。数值模拟结果显示，锚杆预紧力越大 ，支护承载体的承载能力越强，巷道的变形也越小 。承载体内的应力分布越均匀，应力值也越高，在 巷道周边围岩应力差越小，围岩越不易遭受破坏。 反之，锚杆的预紧力越小，形成的应力偏差越大， 岩体越容易破坏。因此，巷道开挖后，及时对锚杆 施加较大的预紧力，对维护围岩的稳定性非常有好 处。 29预紧力20kN 预紧力100kN 30合理选择钢带 l煤巷（半煤巷）一般采用锚网带支护， 钢带的作用除可以防止锚杆间的松动岩块 掉落外，还可均衡锚杆受力，改善顶板岩 层应力状态，与锚杆共同形成组合支护系 统，增加顶板岩层的稳定性。钢带是以受 拉为主的构件，受压和抗弯能力极差，因 此，在支护中应充分发挥钢带的受拉作用 。31在深井软岩巷道支护中，钢带的作用 和锚杆的作用同等重要，通过钢带的受 拉作用，可以将较大的力传递给锚杆之 间的岩体上，使整个加固岩体均受到挤 压和约束作用，同时起到增加护帮护顶 面积，从而大大减小围岩的变形，保持 岩体的完整性。因此，在深井高应力软 岩巷道支护中，选择合理的钢带形式和 强度也非常重要。32无钢带 有钢带 33施工工序和工艺 l在深井高应力软岩巷道支护中，施工的工序安排 和施工工艺的组织直接关系到锚杆支护效果甚至支 护的成败。锚杆支护的核心是要做到主动及时，因 此，施工的工序和施工工艺应围绕这一核心进行。 在巷道掘进中，要尽量采用做到一次成巷，放炮后 应及时打设锚杆