恒阻大变形锚索支护技术(何满潮、单仁亮)

顶板下沉量与工作面距离关系曲线 非工作帮
底臌量与工作面距离关系曲线
工作帮
支护表观效果对比
1 2 3
1.距工作面煤壁22m处恒阻锚杆支护效果 2.距工作面煤壁30m处恒阻锚杆支护效果 3.距工作面煤壁37m处普通锚喷支护效果
五、主要结论
1、自主研发了具有特殊结构的恒阻大变形锚杆（索），能够 适应工程围岩大变形灾害控制的需求。通过对恒阻大变形 锚杆（索）的材料、结构进行优化选择和组合试验，确定 了恒阻装置的结构组成、材料参数和几何参数；
围岩结构恶化
温度压力耦合软岩力学实验系统 (ZL200910088810.6)
实验 装备
不同温度条件下的 岩体强度和弹模
实验
主机 系统
结果
控制 系统
不同温度条件下的岩体强度 和变形特性
高温五联三轴软岩流变实验系统 (ZL200610113003.1)
恒阻大变形锚杆（索）研发理念 ——以柔克刚、刚柔相济
发生次数最多的为顶板大变形塌方事故，占43.3% 煤-瓦斯突出是有气体参与的大变形塌方，占23.5% 露采滑坡是露天矿的大变形塌方事故，日趋严重
工程岩体大变形灾害的主要原因
深采复杂的地质力学环境——“三高一扰动” “三高” ➢高地应力——自重应力、构造应力 ➢高地温——千米矿井岩层温度35C~45C ➢高压渗透——液体压力、气体压力（瓦斯等） “一扰动”——强烈开采扰动
现场工程验证
--- 沈阳煤业集团清水煤矿 --- 淄博煤业集团唐口煤矿 --- 徐州矿业集团新安煤矿 --- 国家电网新疆新吉海煤矿 --- 锦平水电站导流洞工程
恒阻大变形锚杆拉伸量监测（沈阳清水煤矿）
试验段
起始位置 B1测站
B2测站
新支护段
B3测站
传统支护段 B4测站
A1测站
A2测站
顺槽
4m
13.6m
--- 适用范围
软岩大变形、岩爆大变形、
冲击大变形、瓦斯突出大变形 0 150
恒阻大变形锚杆 U/mm
锚杆托盘 恒阻大变形装置
锚杆杆体
恒阻大变形支护性能国内外对比
•160
普通锚杆
•140
新型恒阻 大变形锚杆
•120
•拉力(kN)
•80
澳大利亚
•60
Roofex锚杆
加拿大MCB33型
•40
Conebolt
27.2m
17.6m
8m
12m
工
作
面 推 进
锚索 φ15.24mm,L=7000mm
方
向
HMG-500型恒阻大变形锚杆
70m
7
8
φ22mm,L=3000mm 7'
6
6'
5
5'
非
4
工
作 面
3
侧
2
1
菱形网
锚杆编号示意图
4' 工
作
3'
面 侧
2' 1'
变形量与工作面距离对比分析
两帮收缩量与工作面距离关系曲线
缓慢大变形——结构大变形
冒顶范围150m
两帮不均匀、非对称变形
两帮非对称大变形(徐州旗山矿)
大面积严重冒顶（鹤岗兴安矿）
非对称底臌大变形（鹤壁五矿）
缓慢大变形——高温高湿软化大变形
围岩结构恶化（徐州夹河矿） 工作环境恶劣（徐州夹河矿）
瞬时大变形——冲击大变形
冲击地压发生前（抚顺 老虎台矿）
冲击地压发生后（抚顺老虎台矿）
•20
•0 •0 •25 •50 •75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500
•位移(mm)
三、恒阻大变形锚杆(索)力学特性及实验系统
恒阻大变形锚杆（索）静力学特性及实验系统
控制台
主机系统
恒阻大变形锚杆静力实验系统
深部高应力引起的岩体剧烈大变形(软岩岩爆)机理
岩爆前支护状态
星村煤矿垂直层理 泥质砂岩(1113m)
煤系地层岩爆
岩爆后支护状态 实验 装备
加载系统 液压控制系统
实验 结果
加拿大Creighton矿花岗岩 岩爆实验(2500m)
主机
一向突然卸载
深井高温高湿围岩软化大变形机理
实验 装备
主机 系统
高温高湿恶劣环境 (岩层温度>40C，空气湿度>95%)
深部岩体力学特性发生转变——硬岩软化大变形 深井开采顶板塌方冒顶、煤-瓦斯突出、深部露采滑坡 灾害均与大变形破坏相关
深部岩体大变形破坏模式
膨胀大变形
缓慢大变形破坏模式
结构大变形
高温高湿软化大变形
瞬间大变形破坏模式
冲击大变形 突出大变形
膨胀大变形
膨胀大变形底臌（龙口柳海矿） 顶板膨胀大变形下沉（龙口柳海矿）
EI
EII
EI
EII
0
Uc
U500 U/mm 0
Uc
U500 U/mm
EB= EI + EII
其中：
E
I
UC 0
f1 U dU
简化模型
E
II
U500 UC
f2
U
dU
E
I
1 2
kU
2 C
1 2
P0U C
EII P0U P0 U 500 UC
支护和围岩相互作用能量方程组
岩体
锚杆(索)
瞬时大变形——岩爆大变形
加拿大某地下巷道（P. Kaiser，2000）
瞬时大变形——突出大变形
郑州嵩枫矿岩巷底板瓦斯逸出 郑州大平矿煤与瓦斯突出过程
传统锚杆（索）存在的问题——现行支护技术无法 适应大变形破坏
锚杆支护多次返修
锚杆端部断裂
锚杆支护岩爆破坏
浇注混凝土开裂
杆体中部断裂
钢架扭曲破坏失效
一、煤矿大变形灾害的严重性
煤炭占我国一次性能源的70%以上，居主导地位
浅部煤炭资源越来越少，千米以下深部煤炭资源将 是我国未来的主体能源
地表
0.5
Fra Baidu bibliotek
1.0
1.5 资源量，万亿t
1.46
深度，m
-600 -1000 -1500 -2000
1.40 1.34
已采资源量 未采资源量
1.37
★数据源自第三次全国煤炭资源预测和评价
工程岩体大变形灾害的严重性
运输3.7% 火灾5.1%
其它 10.7%
水灾 15.5%
顶板 18.6%
煤与瓦 斯突出
46.4%
火灾 2.5%
其它 煤与瓦
运输 11.8% 斯突出
11%
23.5%
水灾
7.9%
顶板
多发生在 工作面顺槽
43.3%
2005.1~2009.6煤矿各类事故 死亡人数所占比例
2005.1~2009.6煤矿各类事故 次数所占比例
工程岩体大变形破坏机理
黏土矿物成分引起的膨胀性大变形破坏机理
原因 膨胀大变形底臌(龙口柳海)
软岩 直接吸水 水理
作用 测试装备 测试
系统
粘土矿物成分吸水软化
(ZL200610113006.5) 环境 测试
吸水 装备
s
F (t )
1
c cw t2 t1
t
c
软岩强度随时间衰减的函数规律
获得 规律
2、自主研发了“恒阻大变形锚杆（索）的大变形拉伸力学实 验系统”和“恒阻大变形锚杆冲击力学实验系统”。通过 实验，恒阻大变形锚杆的性能参数达到了恒阻120kN、变形 量0.5~1m，高于国际上最优的澳大利亚同类锚杆参数（恒 阻80kN、变形量0.3m）；
3、建立了恒阻大变形锚杆（索）能量本构关系，推导了恒阻 大变形锚杆（索）和围岩相互作用的能量平衡方程，为深 部巷道围岩大变形控制奠定了理论基础；
测试 曲线
吸水量随时间变化lnQ-t曲线
深部软岩气态水吸附 智能测试系统
结构面引起的非对称软岩大变形破坏机理
R2700
拱基线
底臌区域
非对称大变形
1750 667
结构面
原因
岩体结构非对称
关键部位
实验 装备
关键部位
确定
30倾斜岩层
45倾斜岩层
水平岩层 8倾斜岩层
实验
结果
软岩巷道破坏结构效 应物理模型实验系统 （ZL200710119124. 1）
岩体
恒阻锚杆 变形吸收能量
锚杆(索) U
ET ER ES ED
E
S
nEIB
E
D
nEIBI
EIB
1 2
P0U C
E ET E R
n 2
P0 UC
2U
EIBI P0U
支护力和位移的解
2C P nP0 U0 2U U 2C nP0U0
2nP0
支护总力—材料变形量关系（P – U0） 支护总力- 结构变形量关系（△U –P ）
四、恒阻大变形锚杆(索)与围岩相互作用原理
恒阻大变形支护原理
恒阻大变形装置
树脂锚固剂 锚杆（索）
恒阻大变形范围
恒阻锚杆(索)随围岩 变形吸收能量
Max:300~1000mm
恒阻大变形锚杆（索）能量本构关系
抵抗变形能量EI和吸收变形能量EII
P
P0 f1(U)
f2(U)
P
P0
简化模型
f1(U)
f2(U)
国外大量使用的大变形锚杆
加拿大MCB33型Conebolt锚杆(非恒阻，最大变形量120mm) 澳大利亚Roofex锚杆(恒阻80kN，最大变形量300mm)
理想弹塑性材料研制——恒阻大变形锚杆
--- 技术特性
P 传统锚杆
# 恒阻参数 150~300 kN
# 大变形参数 0.3~0.6m
# 可回收
实验过程
试验曲线
恒阻大变形锚杆 拉伸力学性能实验曲线
恒阻大变形锚杆（索）动力学特性及实验系统
恒阻大变形锚杆 动载实验系统
恒阻大变形锚杆 动载实验过程
恒阻锚杆50mm冲击全程时域波形图
50mm冲击时域波形图
四通道相加全程
[1]通道特写
[2]通道特写
[3]通道特写
[4]通道特写
四通道相加特写
恒阻锚杆1000mm冲击全程时域波形图
针对传统预应力锚杆（索）存在的问题及 其引发工程灾害的严重性，亟待研究一种新型 恒阻大变形锚杆（索），通过结构大变形和材 料大变形来抵抗巷道围岩大变形破坏。由中国 矿业大学（北京）深部国家重点实验室何满潮 教授牵头的教育部创新团队，进行了多年的系 统的研究，取得了突破性进展。
二、恒阻大变形锚杆（索）定型研发
煤矿大变形锚杆（索）支护技术
汇报人：何满潮 单仁亮
中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室
汇报提纲 一、煤矿大变形灾害的严重性 二、恒阻大变形锚杆(索)定型研发 三、恒阻大变形锚杆(索)力学特性及实验系统 四、恒阻大变形锚杆(索)与围岩相互作用原理 五、主要结论
4、上述技术在沈煤集团清水煤等煤矿和锦屏水电站现场工程 中进行了验证推广，效果良好，具有广阔推广前景。
谢谢！ 请指正！
1000mm冲击时域波形图
四通道相加全程
[1]通道特写
[2]通道特写
[3]通道特写
[4]通道特写
四通道相加特写
动载撞击实验结果
单次冲击变形量
累计冲击变形量
累计冲击变形量与冲击能量的关系
恒阻锚杆阻力
岩爆大变形控制对策 大断面 预留量 恒阻大变形支护多级吸收能量 多次加压注浆
缓慢大变形控制对策 大断面 预留量 恒阻大变形支护释放能量 多次加压注浆