煤矿巷道支护理论与技术及应用
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煤矿巷道支护理论与技术
康红普
煤炭科学研究总院开采设计研究分院
年新掘巷道长度相当 于地球直径
井工开采示意图
我国煤矿90%是井工开采
每年新掘巷道总长度1万余公里
矿井生产、安 全通道
承担行人、通
巷道不畅通，井下开采
风、运输任务
工作都无法进行
大巷
井底车场
巷道大变形
顶板垮落
剧烈底臌
者起作用
不连续、不协调变形
连续变形
支护应力场概念：支护在围岩及本身内部产生的应力场
掘进工作面锚杆支护应力场
巷道锚杆支护应力场
U型钢金属支架应力场
单体支柱应力场
提出描述支护应力场的指标
主动支护系数：
ka
0 s
预应力长度系数： kl 有效压应力区 预应力扩散系数： k d 临界支护刚度
地应力与埋深的关系
侧压比与埋深的关系
估算地应力的公式
105.9 k 0.644 H
k-平均水平主应力与垂直
主应力比值
H-埋藏深度，m
平均水平应力与垂直应力比值随埋深变化
得出煤岩体强度分布规律
10.0 细砂岩
20
煤层抗压强度/MPa
9.0 8.0
钻孔深度/m
15 10 5 0
7.0 6.0 5.0 4.0 3.0
H , v , h c , t E , , c,
地质力学参数 建立数值模型 采动应力场计算
锚索 锚杆
锚杆
确定支护方案
巷道围岩应力变形分析
锚杆支护材料与构件的组成
树脂锚固剂
锚杆杆体及附件 锚固剂
金属网
钢带
护表构件(钢带、金属网)
托板
减摩垫片
锚索
螺纹钢锚杆
扭矩螺母
拉断载荷显著提高，最大900kN
延伸率提高1倍
公称直径/mm 18 拉断载荷/kN 408 伸长率()/% 7
20
22 28.6 1×19结构锚索及断面
510
607 900
7
7 7
系列化学注浆材料 聚氨酯加固与堵水材料 聚氨酯—水玻璃复合材料 不饱和聚酯加固材料 配套注浆工艺
与邻近采煤工作 面对掘，掘进、
二次动压影响
煤矿巷道锚杆支护率1990年 15%，2013年75%，有些矿 区90-100% 为煤矿提供了首选的、安全高 效的巷道支护技术，显著提升
了围岩控制理论与技术水平
为煤矿高效、安全生产，煤炭 产量大幅提高提供了有力保障
进一步加强井下巷道地质力学环境测试与分析 进一步研究井下应力场分布规律，地质力学参数间 的关系；原岩、采动与支护应力场的关系
锚杆支护构件
复杂困难巷道对支护材料的要求
杆体不仅强度高，且延伸率大、冲击韧性高
有利于锚杆预应力与工作阻力扩散的护表构件 各构件力学性能匹配
可操作性
经济性
井下锚杆支护构件
强力锚杆
超高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆，解决了锚杆破断难题。
直径 /mm 屈服强度 /MPa 500 600 700 抗拉强度 /MPa 670 780 850 伸长率 /% 冲击 吸收功/J
冲击地压
3.1 煤矿沉积岩层地质特点
顶 板 岩 石 钻 孔 观 测 图
淮南煤田地质构造分布图
强度低(煤5-20MPa，
岩石10-60MPa) 结构面发育，破碎
地质构造复杂
开采深度大(最大1500m)，地应力
高，构造应力复杂
3.2 生产特点 采动影响强烈（2-5倍原岩应 力），范围大 煤柱宽度小甚至无煤柱
预应力锚杆抗扭转增矩扳手(发明专利)
岩 层
设计出消除锚杆扭转应力的扳手结构
解决锚杆扭转屈服、高预应力施加难题
托板 球垫 锚杆 W钢带 减摩垫 螺母
预应力锚杆液压张拉器(发明专利) 类似张拉锚索张拉锚杆 获得稳定预紧力，150kN 锚杆安装只受拉，受力状态最好
锚杆抗扭转增矩扳手结构
件)：两次支护，先柔
后刚，先让后抗
二次支护后仍出现变形破
坏，需三次、四次支护甚 至多次支护
二次支护图
巷道二次支护后变形破坏图
锚杆支护的本质作用与关键参数
围岩变形形式：不连续、
不协调变形；连续、整 体变形。锚杆主要对前 锚杆预应力及扩散起关键作用：
大幅提高预应力，并实现有效
扩散，可抑制围岩不连续、不 协调变形
原岩应力场
采煤工作面周围应力分布
支护应力场
原岩+采动+支护=综合应力场
设置在开挖表面的巷道支护围岩响应曲线
P0
连续岩体
非连续岩体
金属支架支护
锚杆支护围岩响应曲线
锚杆包括插入煤岩体内部分
(杆体、锚固剂)，表面构件
（托板、钢带及网）。 锚杆支护原理与支架有本质 区别，不能再用支架的围岩
P
P
响应曲线。
木支护
低强度锚杆
早期适用于简 单条件(5%)
高强度锚杆
不能满足困难
高预应力强力锚杆
解决复杂巷道支
护难题
巷道支护
锚杆类型
低强度 高强度 高预应力 高强度
直径/mm 拉断载荷/kN
14-20 18-22 20-25 50-120 120-200 200-400
预应力 /kN
0-10 10-20 60-120
基于地质力学测试、以锚固与注浆加固为核心的煤矿巷 道支护成套技术。
基于地质力学测试 的动态信息设计法
2
巷道围岩地质力学 测试方法与仪器 1
高预力强力锚 杆支护系列材 料与构件
高预应力强力锚杆 支护系列材料与构件 高预应力施工
3
机具与工
巷道矿压与 安全监测仪器 6
5
4
破碎煤岩体 系列注浆材料
高预应力施工 机具与工艺
σH
破碎围岩巷道
σH σv
强烈动压 影响巷道
沿空巷道
应用实例1
新汶超千米深井巷道
巷道埋深
1150m
最大水平主应力
34.6MPa
应用实例2
淮南深井软岩沿空留巷
巷道埋深 700m 煤层强度
12MPa
顶板 37MPa
应用实例3
平庄极软岩巷道
煤层强度
9MPa 顶板抗压强度
5-15MPa
应用实例4
潞安强烈动压影响巷道
护相差不大 曲线2围岩较大位移后能趋于
稳定
控制围岩位移
1
曲线3锚杆破断前围岩位移较小，
破断后围岩位移急剧增大
5 2
3 4
曲线4围岩较大位移，不能稳定
锚杆支护响应曲线
不垂直，不是理想的拉伸 受拉、弯、扭、剪切
4 P 32M Mt i t2 768 3 d3 d d
泥岩
煤
2.0 1.0 0 10 20 30 40 50 单轴抗压强度/MPa
0
2
4 钻孔深度/m
6
8
煤层抗压强度分布-淮南
顶板抗压强度分布-宁煤
巷道支护设计过程—动态信息设计
巷道围岩 地质力学评估
确定合理的 初始支护设计
信息反馈 与修正设计
建立数值模型， 多支护方案比较
井下监测 与数据分析
巷道支护初始设计
矩形巷道断面
回采巷道服务时间短
支承压力
回采工作面周围应力分布
矩形巷道围岩受力状况
巷道支护状态特殊：服务时间
短，允许有一定变形，但必须
稳定；采后能及时垮落 松软、破碎、高应力等复杂困 难巷道比重大(60%)
回采巷道受力与变形状态
支护速度与成本要求苛刻
高地应力巷道变形严重
锚杆支护 型钢支护 砌碹支护
lp l
ld l
支护应力场示意图
支护应力场的主要影响因素 结构面分布及力学参数 注浆的重要作用
无结构面
结构面宽度5mm
结构面对群锚的影响
综合应力场概念 原岩、采动及支护应力场构成煤矿井下综合应力场 以应力场为主线，将原岩体、采动体及支护体有机结合在一 体。巷道支护、岩层控制归结为“三场”相互作用
脲醛树脂加固材料
实验室试块
井下加固块体
钻孔观测的加固效果
为满足高预应力锚杆施工要求，开发了系列预应力设备 大扭矩预紧扳手 扭矩倍增器
风动扳手：265-880Nm 液压扳手：340-1600Nm
与单体锚杆钻机配套 扭矩放大倍数6倍，最大扭矩 800N. m
为克服大扭矩下锚杆扭转屈服、损伤，发明了相关设备
2 2
杆体受力极不均匀，大部分锚 杆在屈服状态下工作 高强度，高延伸，高冲击韧性
1 2 3 4 5 6
锚杆控制锚固区不连续、不协调变形，保持围岩完整，减小强度降低 锚杆预应力及其有效扩散起决定性作用 原岩、采动与支护应力场“三场”相互作用与协调 锚杆支护系统具有足够延伸率和冲击韧性，一方面使围岩连续变形释 放，另一方面避免局部破坏 围岩破碎，不利于预应力扩散时应注浆 困难巷道采用高预应力、强力锚杆支护，实现一次支护有效控制围岩 变形，尽量避免二次支护
开发出配套测试仪器(2项发明专利)
岩 层
封隔器
岩
层
探针
探头
探针位移计 手动泵 油泵 采集仪 传感器 储能器-1 流量计 注水 管 升降 器 安 装 杆 升降 器 储能器-2 压力表
手动泵
压力－位移同步 采集仪
SYY-56型小孔径水压致
WQCZ-56型小孔径煤岩
裂地应力测量装置，实现
了井下地应力快速测量
更深入研究困难巷道变形、破坏机理及支护理论
极软岩、极破碎围岩、强烈底鼓、极深、冲击地压 巷道等支护问题还没有解决 …，需继续不断的研究与试验
谢 谢！
ຫໍສະໝຸດ Baidu牌号
B500 B600 B700
18-25
18-25
60-160
强力锚杆杆体
树脂药卷
树脂胶泥
固化快，及时施加预应力 固化时间可调
固化剂
树脂锚固剂
高粘结力、高变性模量
L
钢带
W型钢带
t B
L0
A
L1
L1
L0
A
M型钢带 钢梁
A-A放大
B0
h
d B
W型钢带
强力锚索（发明专利）
1×19结构，断面更加合理
体强度测定装置，解决了
破碎煤岩体强度测量难题
岩
层
摄像头
光电编码器 升 降 器 主机 信号转换器
滑轮 安 装 杆
数字全景钻孔窥视仪
钻孔结构观测图片
KDBC-56型数字全景钻孔 窥视仪，解决了结构参数定 量测量难题
地质力学测点分布
得出煤矿井下地应力分布规律
主应力随深度增加而增大，但存在明显离散 主应力受地质构造、煤岩体强度与刚度等因素影响明显
锚固方式
端部锚固 端锚、加长锚固 加长、全长预应力锚固
锚杆支护作用的认识过程 悬吊作用（只考虑拉伸作用）
锚固区内形成结构(梁、层、拱、壳)
改善锚固围岩力学性能与应力状态
锚固前后应力应变曲线
悬吊
组合梁
加固拱
锚杆支护过程的认识
深部高应力、强烈动压影 二次支护(复杂困难条 一次支护(简 单条件) 响、松软破碎围岩巷道，
巷道支护实施于井下后，必须进行矿压监测，评价支护效果，
修改设计，确保安全
围岩位移
表面位移 顶板离层 深部位移 煤柱应力 支承压力
矿压监测内容
采动应力
锚杆受力
支护体应力
锚索受力
综合矿压监测系统
研究成果已推广应用于全国各大煤矿区 解决了5类复杂困难巷道支护难题
极软岩巷道
1000m
σv
深部高地 应力巷道
锚杆支护围岩受力图
井下锚杆受力实测曲线—5种类型
曲线2、3、4，虽然施加一定预应
力，但都小于临界值，不能有效控
制围岩早期的离层
2 5 4 3 1
曲线5对应高预应力，锚固区位移 差小，受力变化不大
锚杆受力实测曲线
曲线1对应预应力低，被动支护， 受力小，支护不明显
锚杆支护围岩响应曲线
曲线1支护作用不明显，与无支 曲线5，高预应力强力支护有效
康红普
煤炭科学研究总院开采设计研究分院
年新掘巷道长度相当 于地球直径
井工开采示意图
我国煤矿90%是井工开采
每年新掘巷道总长度1万余公里
矿井生产、安 全通道
承担行人、通
巷道不畅通，井下开采
风、运输任务
工作都无法进行
大巷
井底车场
巷道大变形
顶板垮落
剧烈底臌
者起作用
不连续、不协调变形
连续变形
支护应力场概念：支护在围岩及本身内部产生的应力场
掘进工作面锚杆支护应力场
巷道锚杆支护应力场
U型钢金属支架应力场
单体支柱应力场
提出描述支护应力场的指标
主动支护系数：
ka
0 s
预应力长度系数： kl 有效压应力区 预应力扩散系数： k d 临界支护刚度
地应力与埋深的关系
侧压比与埋深的关系
估算地应力的公式
105.9 k 0.644 H
k-平均水平主应力与垂直
主应力比值
H-埋藏深度，m
平均水平应力与垂直应力比值随埋深变化
得出煤岩体强度分布规律
10.0 细砂岩
20
煤层抗压强度/MPa
9.0 8.0
钻孔深度/m
15 10 5 0
7.0 6.0 5.0 4.0 3.0
H , v , h c , t E , , c,
地质力学参数 建立数值模型 采动应力场计算
锚索 锚杆
锚杆
确定支护方案
巷道围岩应力变形分析
锚杆支护材料与构件的组成
树脂锚固剂
锚杆杆体及附件 锚固剂
金属网
钢带
护表构件(钢带、金属网)
托板
减摩垫片
锚索
螺纹钢锚杆
扭矩螺母
拉断载荷显著提高，最大900kN
延伸率提高1倍
公称直径/mm 18 拉断载荷/kN 408 伸长率()/% 7
20
22 28.6 1×19结构锚索及断面
510
607 900
7
7 7
系列化学注浆材料 聚氨酯加固与堵水材料 聚氨酯—水玻璃复合材料 不饱和聚酯加固材料 配套注浆工艺
与邻近采煤工作 面对掘，掘进、
二次动压影响
煤矿巷道锚杆支护率1990年 15%，2013年75%，有些矿 区90-100% 为煤矿提供了首选的、安全高 效的巷道支护技术，显著提升
了围岩控制理论与技术水平
为煤矿高效、安全生产，煤炭 产量大幅提高提供了有力保障
进一步加强井下巷道地质力学环境测试与分析 进一步研究井下应力场分布规律，地质力学参数间 的关系；原岩、采动与支护应力场的关系
锚杆支护构件
复杂困难巷道对支护材料的要求
杆体不仅强度高，且延伸率大、冲击韧性高
有利于锚杆预应力与工作阻力扩散的护表构件 各构件力学性能匹配
可操作性
经济性
井下锚杆支护构件
强力锚杆
超高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆，解决了锚杆破断难题。
直径 /mm 屈服强度 /MPa 500 600 700 抗拉强度 /MPa 670 780 850 伸长率 /% 冲击 吸收功/J
冲击地压
3.1 煤矿沉积岩层地质特点
顶 板 岩 石 钻 孔 观 测 图
淮南煤田地质构造分布图
强度低(煤5-20MPa，
岩石10-60MPa) 结构面发育，破碎
地质构造复杂
开采深度大(最大1500m)，地应力
高，构造应力复杂
3.2 生产特点 采动影响强烈（2-5倍原岩应 力），范围大 煤柱宽度小甚至无煤柱
预应力锚杆抗扭转增矩扳手(发明专利)
岩 层
设计出消除锚杆扭转应力的扳手结构
解决锚杆扭转屈服、高预应力施加难题
托板 球垫 锚杆 W钢带 减摩垫 螺母
预应力锚杆液压张拉器(发明专利) 类似张拉锚索张拉锚杆 获得稳定预紧力，150kN 锚杆安装只受拉，受力状态最好
锚杆抗扭转增矩扳手结构
件)：两次支护，先柔
后刚，先让后抗
二次支护后仍出现变形破
坏，需三次、四次支护甚 至多次支护
二次支护图
巷道二次支护后变形破坏图
锚杆支护的本质作用与关键参数
围岩变形形式：不连续、
不协调变形；连续、整 体变形。锚杆主要对前 锚杆预应力及扩散起关键作用：
大幅提高预应力，并实现有效
扩散，可抑制围岩不连续、不 协调变形
原岩应力场
采煤工作面周围应力分布
支护应力场
原岩+采动+支护=综合应力场
设置在开挖表面的巷道支护围岩响应曲线
P0
连续岩体
非连续岩体
金属支架支护
锚杆支护围岩响应曲线
锚杆包括插入煤岩体内部分
(杆体、锚固剂)，表面构件
（托板、钢带及网）。 锚杆支护原理与支架有本质 区别，不能再用支架的围岩
P
P
响应曲线。
木支护
低强度锚杆
早期适用于简 单条件(5%)
高强度锚杆
不能满足困难
高预应力强力锚杆
解决复杂巷道支
护难题
巷道支护
锚杆类型
低强度 高强度 高预应力 高强度
直径/mm 拉断载荷/kN
14-20 18-22 20-25 50-120 120-200 200-400
预应力 /kN
0-10 10-20 60-120
基于地质力学测试、以锚固与注浆加固为核心的煤矿巷 道支护成套技术。
基于地质力学测试 的动态信息设计法
2
巷道围岩地质力学 测试方法与仪器 1
高预力强力锚 杆支护系列材 料与构件
高预应力强力锚杆 支护系列材料与构件 高预应力施工
3
机具与工
巷道矿压与 安全监测仪器 6
5
4
破碎煤岩体 系列注浆材料
高预应力施工 机具与工艺
σH
破碎围岩巷道
σH σv
强烈动压 影响巷道
沿空巷道
应用实例1
新汶超千米深井巷道
巷道埋深
1150m
最大水平主应力
34.6MPa
应用实例2
淮南深井软岩沿空留巷
巷道埋深 700m 煤层强度
12MPa
顶板 37MPa
应用实例3
平庄极软岩巷道
煤层强度
9MPa 顶板抗压强度
5-15MPa
应用实例4
潞安强烈动压影响巷道
护相差不大 曲线2围岩较大位移后能趋于
稳定
控制围岩位移
1
曲线3锚杆破断前围岩位移较小，
破断后围岩位移急剧增大
5 2
3 4
曲线4围岩较大位移，不能稳定
锚杆支护响应曲线
不垂直，不是理想的拉伸 受拉、弯、扭、剪切
4 P 32M Mt i t2 768 3 d3 d d
泥岩
煤
2.0 1.0 0 10 20 30 40 50 单轴抗压强度/MPa
0
2
4 钻孔深度/m
6
8
煤层抗压强度分布-淮南
顶板抗压强度分布-宁煤
巷道支护设计过程—动态信息设计
巷道围岩 地质力学评估
确定合理的 初始支护设计
信息反馈 与修正设计
建立数值模型， 多支护方案比较
井下监测 与数据分析
巷道支护初始设计
矩形巷道断面
回采巷道服务时间短
支承压力
回采工作面周围应力分布
矩形巷道围岩受力状况
巷道支护状态特殊：服务时间
短，允许有一定变形，但必须
稳定；采后能及时垮落 松软、破碎、高应力等复杂困 难巷道比重大(60%)
回采巷道受力与变形状态
支护速度与成本要求苛刻
高地应力巷道变形严重
锚杆支护 型钢支护 砌碹支护
lp l
ld l
支护应力场示意图
支护应力场的主要影响因素 结构面分布及力学参数 注浆的重要作用
无结构面
结构面宽度5mm
结构面对群锚的影响
综合应力场概念 原岩、采动及支护应力场构成煤矿井下综合应力场 以应力场为主线，将原岩体、采动体及支护体有机结合在一 体。巷道支护、岩层控制归结为“三场”相互作用
脲醛树脂加固材料
实验室试块
井下加固块体
钻孔观测的加固效果
为满足高预应力锚杆施工要求，开发了系列预应力设备 大扭矩预紧扳手 扭矩倍增器
风动扳手：265-880Nm 液压扳手：340-1600Nm
与单体锚杆钻机配套 扭矩放大倍数6倍，最大扭矩 800N. m
为克服大扭矩下锚杆扭转屈服、损伤，发明了相关设备
2 2
杆体受力极不均匀，大部分锚 杆在屈服状态下工作 高强度，高延伸，高冲击韧性
1 2 3 4 5 6
锚杆控制锚固区不连续、不协调变形，保持围岩完整，减小强度降低 锚杆预应力及其有效扩散起决定性作用 原岩、采动与支护应力场“三场”相互作用与协调 锚杆支护系统具有足够延伸率和冲击韧性，一方面使围岩连续变形释 放，另一方面避免局部破坏 围岩破碎，不利于预应力扩散时应注浆 困难巷道采用高预应力、强力锚杆支护，实现一次支护有效控制围岩 变形，尽量避免二次支护
开发出配套测试仪器(2项发明专利)
岩 层
封隔器
岩
层
探针
探头
探针位移计 手动泵 油泵 采集仪 传感器 储能器-1 流量计 注水 管 升降 器 安 装 杆 升降 器 储能器-2 压力表
手动泵
压力－位移同步 采集仪
SYY-56型小孔径水压致
WQCZ-56型小孔径煤岩
裂地应力测量装置，实现
了井下地应力快速测量
更深入研究困难巷道变形、破坏机理及支护理论
极软岩、极破碎围岩、强烈底鼓、极深、冲击地压 巷道等支护问题还没有解决 …，需继续不断的研究与试验
谢 谢！
ຫໍສະໝຸດ Baidu牌号
B500 B600 B700
18-25
18-25
60-160
强力锚杆杆体
树脂药卷
树脂胶泥
固化快，及时施加预应力 固化时间可调
固化剂
树脂锚固剂
高粘结力、高变性模量
L
钢带
W型钢带
t B
L0
A
L1
L1
L0
A
M型钢带 钢梁
A-A放大
B0
h
d B
W型钢带
强力锚索（发明专利）
1×19结构，断面更加合理
体强度测定装置，解决了
破碎煤岩体强度测量难题
岩
层
摄像头
光电编码器 升 降 器 主机 信号转换器
滑轮 安 装 杆
数字全景钻孔窥视仪
钻孔结构观测图片
KDBC-56型数字全景钻孔 窥视仪，解决了结构参数定 量测量难题
地质力学测点分布
得出煤矿井下地应力分布规律
主应力随深度增加而增大，但存在明显离散 主应力受地质构造、煤岩体强度与刚度等因素影响明显
锚固方式
端部锚固 端锚、加长锚固 加长、全长预应力锚固
锚杆支护作用的认识过程 悬吊作用（只考虑拉伸作用）
锚固区内形成结构(梁、层、拱、壳)
改善锚固围岩力学性能与应力状态
锚固前后应力应变曲线
悬吊
组合梁
加固拱
锚杆支护过程的认识
深部高应力、强烈动压影 二次支护(复杂困难条 一次支护(简 单条件) 响、松软破碎围岩巷道，
巷道支护实施于井下后，必须进行矿压监测，评价支护效果，
修改设计，确保安全
围岩位移
表面位移 顶板离层 深部位移 煤柱应力 支承压力
矿压监测内容
采动应力
锚杆受力
支护体应力
锚索受力
综合矿压监测系统
研究成果已推广应用于全国各大煤矿区 解决了5类复杂困难巷道支护难题
极软岩巷道
1000m
σv
深部高地 应力巷道
锚杆支护围岩受力图
井下锚杆受力实测曲线—5种类型
曲线2、3、4，虽然施加一定预应
力，但都小于临界值，不能有效控
制围岩早期的离层
2 5 4 3 1
曲线5对应高预应力，锚固区位移 差小，受力变化不大
锚杆受力实测曲线
曲线1对应预应力低，被动支护， 受力小，支护不明显
锚杆支护围岩响应曲线
曲线1支护作用不明显，与无支 曲线5，高预应力强力支护有效