康红普：煤矿巷道现代化支护技术 (1)

径向支护压力
B
E
C
D
12
3
4
OF
G 径向位移
支护支刚护度刚度与与时设间置时对间支对护支效护效果果的的影影响响
re
a[
2P C
1
] (d 1)
(1 b)Pi
re–巷道围岩破碎区半径； u–巷道周边径向位移； P–原岩应力；Pi–支护压力； a–巷道半径； G–弹性模量；C–粘聚力； b, d, f–系数。
升降 器
煤岩体强度测定原理
煤岩体强度测定装置
二、巷道围岩地质力学测试技术
开发出配套测试仪器-围岩结构观测
钻孔孔壁观察法； KDBC-56型数字全景钻孔窥视仪，实现结构参数定量测量。
岩层
摄像头
光电编码器 主机 信号转换器
滑轮
升
安
降
装
器
杆
数字全景钻孔窥视仪结构
KDBC-56型数字全景钻孔窥视仪
二、巷道围岩地质力学测试技术
锚杆支护原理与支架有 本质区别，不能再用支 架围岩响应曲线。
P P
锚杆支护围岩受力图
三、锚杆支护成套技术-支护理论
锚杆主要起加固作用：控制围岩不连续、不协调的扩 容变形，保持围岩完整性和自承能力，减小围岩强度 的降低。
煤岩体体积变形与应力曲线
巷道变形破坏过程与形态-数值模拟
三、锚杆支护成套技术-支护理论
三、锚杆支护成套技术-支护理论
传统的锚杆支护理论
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
三、锚杆支护成套技术-支护理论
对锚杆支护作用的新认识
锚杆包括插入围岩内的 部分(杆体、锚固剂)， 表面构件（托板、钢带 及网）。
煤矿巷道现代化支护技术
康红普
中国煤炭科工集团有限公司 （煤炭科学研究总院） 2016.8.4
提纲
一、前言 二、巷道围岩地质力学测试技术 三、锚杆支护成套技术 四、破碎煤岩体注浆加固技术 五、坚硬顶板水力压裂技术 六、展望
一、前言
巷道支护是保障井工煤矿安全、高效生产的关键技术
巷道是井工煤矿开采的必要通道。煤矿安全、高效生产取
随着开采深度增加，井下地质 环境发生显著变化，地质力学 测试越显重要。
煤层结构(大同塔山)
二、巷道围岩地质力学测试技术
提出单孔、多参数、耦合地质力学原位快速测试方法
二、巷道围岩地质力学测试技术
开发出配套测试仪器-地应力测量
水压致裂法； 煤矿井下SYY-56型小孔径水压致裂地应力测量装置。
岩层
6
4
预应力锚杆支护 系列材料与构件
5
预应力施工机 具与工艺
三、锚杆支护成套技术-支护理论
传统的巷道支护理论
基于设置在开挖表面的巷道支护围岩响应曲线
径向支护压力
限制 巷道变 形 所需 要的压 力
A
A（Pi=σ0）
第一步
径向 位移 开挖 轮廓线
支护压 力Pi
巷道 轮廓线
第二步 第三步 第四步
B C
底板 所需 的支 护线
地应力方向分布-与震源机制解比较
✓ 山西总体受NNE-NEE区 域主压应力控制。
✓ 北部、东部一致性好。 ✓ 西北部存在差异。 ✓ 中部构造应力规律性不强。 ✓ 东南部大多NE方向。 ✓ 实测与震源机制解基本趋
势一致，但局部差异较大。
二、巷道围岩地质力学测试技术
煤矿井下地应力分布影响因素 ✓ 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。
汾西离柳矿区
✓ 东南部：NE和NW。
✓ 从北到南，最大水平主应力
方向主体趋向NE。东部与西
部偏向NW；东南部多变。
大同市
大同矿区
朔州市 忻州市
轩岗焦家寨煤矿
吕梁市
太原市
阳泉市
晋中市
阳泉矿区
汾西矿区 潞安整合煤矿
临汾市
长治市 晋城市
潞安矿区 晋城矿区
运城市
山西省地应力分布图
二、巷道围岩地质力学测试技术
支护 反作用 力
F
顶板 所需的 支护线
H E
巷帮 所需的 支护线
支护 提供 的压 力
A
截面A-A
D
G
径向位移
围岩与支护系围统岩与的支径护系向统的支径护向支压护力压力-位-位移移曲曲线 线
三、锚杆支护成套技术-支护理论
传统的巷道支护理论
A
u (P Pi ) [ f 1 ( re )1 f ]r G(1 f ) 2 r
封隔器
手动泵
油泵
储能器-2
传感器 储能器-1
采集仪 流量计
注水 管
升降 器
小孔径水压致裂地应力测量原理
小孔径水压致裂地应力测量装置
二、巷道围岩地质力学测试技术
开发出配套测试仪器-煤岩体强度测试
钻孔触探法； WQCZ-56型小孔径煤岩体强度测定装置。
岩层
探针
探头
压力表
探针位移计
手动泵
安 装 杆 压力－位移同步 采集仪
三、锚杆支护成套技术
低强度锚杆
早期适用于简 单条件(5%)
高强度锚杆
适用于一般条 件巷道支护
高预应力强力锚杆
解决复杂巷道支 护难题
锚杆类型 直径/mm 拉断载荷/kN
低强度
高强度 高预应力
高强度
14-20 18-22 20-25
50-120 120-200 200-400
预应力 /kN
0-10 10-20
无支护开挖边界为主应力 面，对原岩应力场扰动；
开挖边界围岩水压、气压 巷
降低为大气压；
道
完整岩石位移
岩块滑出
σn=0
非连续面 最小主应力
开挖边界围岩温度、湿度 变化及风化作用，围岩力 学性质变化。
水流
巷道开挖引起的物理力学效应
一、前言
巷道支护目的
控制围岩变形，保证断面满足要求；
保持围岩稳定，避免垮落，保证安全。
采动体支 护体关系
巷道支护与围岩相互作用关系，支护理论；
围岩控制 方法参数
提出合理的围岩控制方法与参数；
井下应用 信息反馈
井下施工，矿压监测，信息反馈与评价。
二、巷道围岩地质力学测试技术
地质力学测试的重要性
煤岩体地质力学参数：应力（ 原岩应力与采动应力），煤岩 体强度，结构。
地质力学参数是巷道布置与支 护设计的必要基础。
的方法
联合法 两种或多种巷 道围岩控制方
法联合使用
型 钢 支 架
喷 射 混 凝 土
砌 碹
锚 杆
锚 索
注 浆
开 采 方 法
巷 道 布 置
人 工 卸 压
锚 喷 与 注 浆
锚 杆 与 支 架
…
一、前言
煤矿巷道支护发展历程
木支护
砌碹支护
型钢支护
锚杆支护
一、前言
目前煤矿巷道围岩控制主要形式
锚杆、锚索、锚喷支护。大面积推广应用，总体70%，有 些矿区90-100%。
潞安常村矿煤层上山锚杆支护
新汶协庄矿顺槽锚杆支护
一、前言
金属支架：工字钢、U型钢支架，钢管混凝土支架等。
(a) 梯形
(b) 拱形
(c) 马蹄形
(d) 环形
金属支架类型
新汶华丰矿大巷金属支架支护
一、前言
注浆加固：水泥─水玻璃；高分子材料，复合注浆材料。
浆液 锚杆 封孔器
出浆口 破碎岩体
锚杆与注浆加固示意图
σ2
巷道支护原理
E，C，μ，ϕ
开挖边界施加约束力，控制
围岩变形；
σ1
P1
σ1
改善围岩力学性能，发挥自 承能力；
降低或转移围岩应力。
σ2 巷道支护原理示意图
一、前言
提出多种巷道围岩控制技术
煤矿巷道围岩控制技术
支护法 支护力作用在 巷道围岩表面
的方法
加固法 深入围岩内部 保持围岩自承
能力的方法
应力控制法 减小或转移巷 道周围高应力
矿井开拓部署与巷道布置； 巷道支护设计； 采煤方法与采掘机械选择； 采场岩层控制； 煤矿安全（与岩层运动与破坏有关的灾害：顶板垮
落、冲击地压，煤与瓦斯突出）。
二、巷道围岩地质力学测试技术
地应力场与巷道布置
巷道轴线与最大水 平主应力平行，有 利于顶底板稳定；
巷道轴线与最大水
0°
30°
平主应力垂直，顶
地应力场与巷道布置-晋城寺河矿
初期工作面布置在东区南 部，无地应力数据，顺槽 沿南北向布置，与最大水 平主应力近似垂直，围岩 变形1-1.5m，破坏严重；
基于地应力测量将顺槽改 为东西向布置。巷道变形 小，支护状况良好。
晋城寺河矿
三、锚杆支护成套技术
锚杆支护
三、锚杆支护成套技术
世界煤矿锚杆支护已有140多年的发展历史。
竹 林
山
矿
地应力场与巷道布置-晋城寺河矿
王坡矿
东区南部与西部，西区 南部近东西向，顺槽沿 东西向布置。
东区东北部，主应力与 南北向呈小角度，顺槽 沿南北向布置。
西区北部，与南北夹角 40-65°，可据其它选 顺槽方向。
寺河矿（西区）
成庄矿
寺
寺河矿（东区）
河
二
号
井
晋城寺河矿地应力场分布
二、巷道围岩地质力学测试技术
英国 采用 锚杆
美国 使用 锚杆
锚杆 迅速 发展
德国卷 式树脂 锚固剂
美国全 长摩擦 式锚杆