复杂条件下巷道主动控制支护技术

一、支护研究背景
深井巷道变形特点
巷道围岩变形的时间效应。围岩变形量大，有明显的时间性。初期来压快 、变形显著，不采取有效支护措施，极易发生冒顶、片帮。即使围岩变形稳 定后，围岩还以长期处于流变状态。 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。不仅顶板、 两帮发生显著变形和破坏，底板也出现强烈变形和破坏，如不对底板采取有 效控制措施，则强烈底臌会加剧两帮和顶板的变形和破坏。 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
高强预应力锚杆支护
全螺纹锚杆等强锚杆支护
二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索
关于预应力让压锚杆(锚)应用的体会
第一时间主动控制：复杂围岩条件下，锚网索支护成功的关键是围岩早期控制和 主动控制。锚杆锚索第一时间产生预应力是非常重要的。 锚杆、锚索协同支护：提高锚杆锚索预应力后，锚杆锚索的增阻速度会明显加快 。锚杆、锚索的受力匹配和变形匹配是保障支护系统协同完成支护任务的关键。通 常锚杆的预应力宜在3～5t左右。锚索的预应力应以施打锚索时刻的锚杆受力大小 来确定。 让压量和让压吨位匹配：让压锚杆、让压锚索的使用是有条件的。宜在围岩能量 有积蓄倾向、动压、围岩变形速度、地应力释放快的条件下使用。让压量和让压吨 位的匹配是让压支护成功的关键。 支护一体：在锚网索支护体系中，锚杆、锚索是“支”的作用；钢带、钢筋梯和 网子及喷射混凝土是“护”作用，良好的支护系统应该以“支”为主、以“护”为 辅，支护一体。 综合控制：对复杂条件下的围岩控制，通常是综合控制。锚注只能适用于巷道的 二次维修，是松动圈大量扩展后使用的一种支护方法。成功的锚网支护是松动圈得 到了有效控制，此时围岩无需锚注加固。
1980年平均开采深度288m，1995年428.83m，2000年以后超过了500m。
国有重点煤矿，开采深度达1000m深矿井有数十处，最大采深超过1300m。 主要分布在新汶、淄博、开滦、北票、沈阳、徐州、淮南、徐州等矿区。 到2009年底，新矿集团5个矿采深超过1000m，开滦、徐州、淮南等矿区平均采深大于800m。 预计在未来20年我国很多煤矿将进入到1000-1500m的开采深度。
岩的稳定性与巷道断面形状、施工工艺等因素都有关系。
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。
一、支护研究背景
深部巷道支护技术
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。 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。 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。 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。 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。 高强预应力锚杆、预应力锚索、让压锚杆、让压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。
国内外锚杆支护技术对比
比较项目 锚杆材料强度（MPa） 锚杆锚固力（t） 中 国 235、335、500 5～15 美、澳、英 450、500、600、700 >20
锚杆直径（mm）
锚杆间排距（m）
16～22
0.7～0.9
20～22
1.0～1.2
锚杆长度（m）
锚杆安装应力（t）
1.6～2.4
0～4
2.2～2.6
锚杆支护设计断面图
锚杆支护设计平面图
700
700
700
700
700
700
700
700
锚梁
700
20°
二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索
预应力锚杆与围岩主动控制支护效果—计算机模拟
1.0T安装载荷时的应力分布和变形图
1.0T 安装载荷时放大后的顶板离层
2.0T安装载荷时的应力分布和变形图
2.0T 安装载荷时放大后的顶板离层
锚 杆
760
沿 空 侧
15°
200
1400
700
3300
锚杆
700
巷 道 中 心 线
700
锚杆
1400
金属网
700
4200
20°
锚索
说明：1、高强锚杆长度均为2400mm，直径为20mm； 2、锚索长度为6m，直径为15.24mm； 3、图中单位均为mm
锚杆
说明：1、高强锚杆长度均为2400mm，直径为20mm； 2、锚索长度为6m，直径为15.24mm； 3、图中单位均为mm
二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索
预应力锚杆与围岩主动控制支护效果—计算机模拟
3.0T安装载荷时的应力分布和变形图
3.0T 安装载荷时放大后的顶板离层
4.0T安装载荷时的应力分布和变形图
4.0T 安装载荷时放大后的顶板离层
二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索
新矿集团集团1200m采深巷道支护效果对比
二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索
锚杆支护技术发展
1945～1950：机械式锚杆的研究与应用 1950～1960：广泛采用机械式锚杆，开始对锚杆进行系统研究 1960～1970：发明了树脂药卷，引发锚杆技术的一次革命 1970～1980：发明管缝式、水力涨管式锚杆，研究新的锚杆设计方法，长锚索产生 1980～1990：混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆、各种特种锚杆得到应用，树脂锚 固材料得到改进。 美国作为世界上第二采煤大国，锚杆支护技术是最先进的，美国锚杆支护技术至今
复杂地质条件下 巷道围岩主动控制技术
一、支护研究背景
一、支护研究背景
“复杂地质条件下巷道围岩变形与控制”是目前深井建设中遇到的普遍
难题，针对复杂施工地质条件，探究经济合理的巷道支护技术，对矿井的安 全高效生产具有重要的现实意义和工程应用价值。
我国煤矿开采深度以8-12m/年的速度增加，东部矿井10-25m/年。
龙固煤矿在建设期间的硐室和主要大断面巷道均采用了高强让
压锚杆，取得了较好的效果。让压锚杆在新矿集团、枣矿集团、兖 矿集团和潞安集团的动压高地应力巷道支护中被广泛应用。
二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索
位移平衡支护法－新型的预应力让压锚杆
单起动防冲让压锚杆
双起动点防冲让压锚杆
二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索
二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索
锚杆支护技术发展
我国现有锚杆支护存在的不足 ⑴锚杆支护设计主要依靠现场经验，设计理论依据有待完善和补充； ⑵各类巷道锚杆千篇一律；很多设计单位只是笼统选择了锚杆直径和长度 。但是不同的锚杆结构和施工工艺会很大的效果差别。 ⑶没有考虑地应力大小、方向、比值的影响； ⑷没有进行地质力学分析和巷道压力显现与锚杆支护参数的匹配关系分析
美国巷道支护理念：锚杆、锚索是支护结构的主体，为了充分实现锚杆主动支护的
效果，通过提高锚杆预应力去主动加固受掘进破岩影响的松动围岩，以提高围岩的 自身承载能力，控制松动圈的扩展。现矿井喷射的混凝土，由于受巷道初始成型的
影响，混凝土喷层厚度很不均匀，现混凝土喷层主要作用是封闭围岩，防止围岩风
化，保证围岩的长期强度。 另外，澳大利亚作为第三大采煤国，也几乎全部采用锚网支护。 国外发达国家锚网支护的特点：(1)单体锚杆强度大；(2)锚杆安装应力大；(3)间排距 大；(4)锚网支护效率高，支护效果良好。
已有一百多年的发展历史，但锚杆支护技术的广泛应用，仅是近五、六十年的时间
，现在美国矿井的锚杆支护率为100％。美国每年锚杆使用量在8000万套以上，每年 有2.5万km的煤巷使用锚杆支护。
二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索
锚杆支护技术发展
美国在复杂的地质条件下成功使用锚杆的经验是采用高预应力、高强度锚杆，对巷 道顶板采取积极主动的支护，极大地提高了巷道围岩的自承载能力和巷道的稳定性 ，减少了锚杆数量、提高了巷道掘进速度、降低了巷道的支护成本。
预应力让压锚杆工作特性曲线
高强高预应力让压锚杆－让压前
高强高预应力让压锚杆－让压后
无让压管和有让压管工作特性曲线
二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索
应力平衡支护法0 760 760 200
锚 索
1400
锚 杆
200
760 760 760 760
二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索
压缩拱(承载拱)理论
机理：在破裂区中安装预应力锚杆时，在 杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如 果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距 足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将 相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的 压缩带，即承压拱，这个承压拱可以承受 其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压 拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向 应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能 力也相应加大。 对扰动围岩进行强度再强化，控制松动圈的扩展。 适用条件：拱形巷道
一、支护研究背景
深井开采矿压特点
高地应力： 垂直应力明显增大；水平应力甚至超过静水压力；构造应力场复杂。 高 地 温： 地温梯度30-50°C/km。热应力问题明显，（0.4-0.5 MPa）/△ 1°C 高岩溶水压：高裂隙水压使岩石更易破坏且矿井突水严重。 开采扰动： 在高地应力下，叠加采动影响，巷道硐室破坏更加严重。 岩体弱化： 不同围压下岩石具有不同的特性，在高围压下脆性岩石转化为塑性。 流变特性： 高应力作用下，岩石具有较强的时间效应，呈现明显的流变或蠕变。 扩容特性： 在大偏应力下岩石内部节理、裂隙、裂纹张开，出现扩容膨胀。 垮落冒顶增加：围岩应力高于围岩强度，围岩易失稳性，支护难度大。 冲击地压： 煤岩体应力加大，冲击地压发生的频率、强度和规模增加。 矿压显现强烈：巷道变形量明显增大，采面矿压显现强烈。
4～8
二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索
2、主动控制锚杆支护系统
扰动围岩再强化支护理念
锚杆和锚固区域围岩体形成统一的承载结构 锚杆支护可以提高锚固体的力学性质 提高残余强度值 改变围岩的受力状态,提高承载能力 减少破碎区、松动区范围 控制松动圈扩展 预应力锚杆、锚索支护是主动强化破碎围岩的主要方法； 后注浆锚杆、锚索是被动强化围岩的一种方法。
与选择，所以提出的支护方案很难适应地质条件的变化，不能实现量体裁
衣、对症下药。 ⑸单根锚杆强度低、预紧力低、可靠性低、间排距小(单体锚杆钻机推力小
(小于0.5t)、扭距小(小于160Nm)，锚杆基本上没有预应力)；
⑹锚杆消耗量大、施工速度慢、工效低、费用高、安全性较低。
二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索
二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索
锚杆支护技术发展
自50年代以来，锚杆支护技术在我国得到了逐步应用，特别是进入90年代， 许多矿井改变传统的棚式和砌体支护的理念，开始试用推广锚网支护，大量
的实践验证了锚网支护安全、高效、经济的优势。
同时，在矿井软岩、动压巷道及煤巷中采用锚杆支护也获得了良好的效果。 原煤炭工业部1995年提出：“煤巷锚杆支护是我国煤矿继综合机械化采煤之 后的第二次支护技术革命”，并将“煤矿锚杆支护技术”列为煤炭工业“九 五”重点科技攻关项目的五个项目之一，在攻关研究的基础上，在煤矿中大 力推广煤巷锚杆支护技术。 但是煤矿锚网支护作为一种主动支护方式，要达到理想的支护效果，在技术 细节上尚未完全解决。如锚杆组件、锚杆结构、锚杆施工安装机具和锚杆与 其它支护结构的耦合问题等。
二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索
高地应力、软弱破碎围岩巷道平衡支护问题
位移平衡支护法－新型预应力让压锚杆
1）巷道开挖后地应力释放的不可抗拒性
2）对地应力释放实施有控制让压 应力平衡支护法－通过变换支护参数平衡巷道不同位置的地应力
1）受构造应力或采动应力的影响，巷道周边应力分布不均一，所
以不能用均一的支护参数去支护巷道围岩。 2）巷道围岩强度的不均一性，应根据围岩的强度设计支护参数。