恒阻大變形錨索支護技術(何滿潮、單仁亮)

1、煤礦大變形錨桿（索）支護技術,匯報人：何滿潮 單仁亮,中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,匯 報 提 綱,一、煤礦大變形災害的嚴重性二、恒阻大變形錨桿(索)定型研發(fā)三、恒阻大變形錨桿(索)力學特性及實驗系統(tǒng)四、恒阻大變形錨桿(索)與圍巖相互作用原理五、主要結論,,一、煤礦大變形災害的嚴重性,,煤炭占我國一次性能源的70%以上，居主導地位淺部煤炭資源越來越少，千米以下深部煤炭資

2、源將是我國未來的主體能源,0.5,1.0,資源量，萬億t,已采資源量,未采資源量,,,1.34,1.37,1.46,1.40,1.5,深度，m,-600,-1000,-1500,-2000,地表,★數(shù)據(jù)源自第三次全國煤炭資源預測和評價,工程巖體大變形災害的嚴重性發(fā)生次數(shù)最多的為頂板大變形塌方事故，占43.3%煤-瓦斯突出是有氣體參與的大變形塌方，占23.5%露采滑坡是露天礦的大變形塌方事故，日趨嚴重,頂板18.6%,煤

3、與瓦斯突出46.4%,水災15.5%,2005.1~2009.6煤礦各類事故死亡人數(shù)所占比例,運輸3.7%,其它10.7%,頂板43.3%,煤與瓦斯突出 23.5%,水災7.9%,火災2.5%,運輸11%,其它11.8%,2005.1~2009.6煤礦各類事故次數(shù)所占比例,火災5.1%,多發(fā)生在 工作面順槽,工程巖體大變形災害的主要原因深采復雜的地質力學環(huán)境——“三高一擾動”“三高”高地應力——自重應力

4、、構造應力高地溫——千米礦井巖層溫度35?C~45?C高壓滲透——液體壓力、氣體壓力（瓦斯等）“一擾動”——強烈開采擾動深部巖體力學特性發(fā)生轉變——硬巖?軟化?大變形深井開采頂板塌方冒頂、煤-瓦斯突出、深部露采滑坡災害均與大變形破壞相關,深部巖體大變形破壞模式,緩慢大變形破壞模式,,膨脹大變形,高溫高濕軟化大變形,,,,瞬間大變形破壞模式,,沖擊大變形,,突出大變形,,,結構大變形,,膨脹大變形,膨脹大變形底臌（龍口柳海礦）,

5、頂板膨脹大變形下沉（龍口柳海礦）,緩慢大變形——結構大變形,非對稱底臌大變形（鶴壁五礦）,,冒頂范圍150m,大面積嚴重冒頂（鶴崗興安礦）,,兩幫不均勻、非對稱變形,兩幫非對稱大變形(徐州旗山礦),緩慢大變形——高溫高濕軟化大變形,圍巖結構惡化（徐州夾河礦）,工作環(huán)境惡劣（徐州夾河礦）,瞬時大變形——沖擊大變形,沖擊地壓發(fā)生前（撫順老虎臺礦）,沖擊地壓發(fā)生后（撫順老虎臺礦）,加拿大某地下巷道（P. Kaiser，2000）,瞬時大變形—

6、—巖爆大變形,瞬時大變形——突出大變形,鄭州大平礦煤與瓦斯突出過程,鄭州嵩楓礦巖巷底板瓦斯逸出,,傳統(tǒng)錨桿（索）存在的問題——現(xiàn)行支護技術無法適應大變形破壞,錨桿端部斷裂,桿體中部斷裂,,,錨桿支護多次返修,鋼架扭曲破壞失效,,,,,,澆注混凝土開裂,錨桿支護巖爆破壞,針對傳統(tǒng)預應力錨桿（索）存在的問題及其引發(fā)工程災害的嚴重性，亟待研究一種新型恒阻大變形錨桿（索），通過結構大變形和材料大變形來抵抗巷道圍巖大變形破壞。由中國礦業(yè)大學（北京

7、）深部國家重點實驗室何滿潮教授牽頭的教育部創(chuàng)新團隊，進行了多年的系統(tǒng)的研究，取得了突破性進展。,工程巖體大變形破壞機理黏土礦物成分引起的膨脹性大變形破壞機理,二、恒阻大變形錨桿（索）定型研發(fā),,軟巖水理作用測試系統(tǒng),深部軟巖氣態(tài)水吸附 智能測試系統(tǒng),膨脹大變形底臌(龍口柳海),粘土礦物成分吸水軟化,吸水量隨時間變化lnQ-t曲線,,,,,,軟巖強度隨時間衰減的函數(shù)規(guī)律,(ZL200610113006.5),原因,直接吸水,測

8、試裝備,測試裝備,環(huán)境吸水,測試,曲線,,獲得,規(guī)律,結構面引起的非對稱軟巖大變形破壞機理,非對稱大變形,,結構面,巖體結構非對稱,,原因,（ZL200710119124. 1）,關鍵部位,,,,實驗裝備,軟巖巷道破壞結構效應物理模型實驗系統(tǒng),水平巖層,8?傾斜巖層,30?傾斜巖層,45?傾斜巖層,,,實驗,結果,,,,確定,關鍵部位,,,深部高應力引起的巖體劇烈大變形(軟巖巖爆)機理,,主機,液壓控制系統(tǒng),加載系統(tǒng),,,,煤系地層巖爆

9、,巖爆前支護狀態(tài),,,巖爆后支護狀態(tài),,實驗裝備,加拿大Creighton礦花崗巖巖爆實驗(2500m),星村煤礦垂直層理泥質砂巖(1113m),,實驗,結果,深井高溫高濕圍巖軟化大變形機理,溫度壓力耦合軟巖力學實驗系統(tǒng),主機系統(tǒng),控制系統(tǒng),,,主機系統(tǒng),,高溫五聯(lián)三軸軟巖流變實驗系統(tǒng),圍巖結構惡化,高溫高濕惡劣環(huán)境(巖層溫度>40?C，空氣濕度>95%),,,實驗,裝備,,實驗裝備,,實驗,結果,不同溫度條件下的巖體強度

10、和變形特性,不同溫度條件下的巖體強度和彈模,(ZL200910088810.6),(ZL200610113003.1),恒阻大變形錨桿（索）研發(fā)理念 ——以柔克剛、剛柔相濟,國外大量使用的大變形錨桿,加拿大MCB33型Conebolt錨桿(非恒阻，最大變形量120mm),澳大利亞Roofex錨桿(恒阻80kN，最大變形量300mm),理想彈塑性材料研制——恒阻大變形錨桿 --- 技術特性 # 恒阻參數(shù)

11、150~300 kN # 大變形參數(shù) 0.3~0.6m # 可回收--- 適用范圍 軟巖大變形、巖爆大變形、 沖擊大變形、瓦斯突出大變形,,,,,,恒阻大變形裝置,,錨桿桿體,,錨桿托盤,,,恒阻大變形支護性能國內外對比,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,20,40,60,80,120,140,160,0,25,50,75,100,1

12、25,150,175,200,225,250,275,300,325,350,375,400,425,位移(mm),拉力(kN),450,475,500,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,普通錨桿,,加拿大MCB33型Conebolt,,,,,,新型恒阻 大變形錨桿,澳大利亞Roofex錨桿,,恒阻大變形錨桿（索）靜力學特性及實驗系統(tǒng),主機系統(tǒng),控制臺,恒阻大變形錨桿靜力實

13、驗系統(tǒng),實驗過程,,,試驗曲線,,三、恒阻大變形錨桿(索)力學特性及實驗系統(tǒng),恒阻大變形錨桿 拉伸力學性能實驗曲線,恒阻大變形錨桿（索）動力學特性及實驗系統(tǒng),恒阻大變形錨桿動載實驗系統(tǒng),恒阻大變形錨桿動載實驗過程,恒阻錨桿50mm沖擊全程時域波形圖,,,,,,50mm沖擊時域波形圖,四通道相加全程,[1]通道特寫,[2]通道特寫,[3]通道特寫,[4]通道特寫,四通道相加特寫,恒阻錨桿1000mm沖擊全程時域波形圖,,,,,,100

14、0mm沖擊時域波形圖,四通道相加全程,[1]通道特寫,[2]通道特寫,[3]通道特寫,[4]通道特寫,四通道相加特寫,單次沖擊變形量,動載撞擊實驗結果,累計沖擊變形量,累計沖擊變形量與沖擊能量的關系,恒阻錨桿阻力,巖爆大變形控制對策大斷面預留量恒阻大變形支護多級吸收能量多次加壓注漿緩慢大變形控制對策大斷面預留量恒阻大變形支護釋放能量多次加壓注漿,恒阻大變形支護原理,四、恒阻大變形錨桿(索)與圍巖相互作用原理,,,,,,

15、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,樹脂錨固劑,,,恒阻大變形裝置,,,,,恒阻大變形范圍,,Max:300~1000mm,,錨桿（索）,,,,,恒阻錨桿(索)隨圍巖變形吸收能量,,恒阻大變形錨桿（索）能量本構關系抵抗變形能量EI和吸收變形能量EII EB=

16、EI + EII 其中：,,,,P,U/mm,0,Uc,,EI,EII,P0,,,U500,,,,,,,,,P,U/mm,0,Uc,,,EI,EII,P0,,U500,,,,f1(U),f2(U),,簡化模型,,簡化模型,f2(U),f1(U),恒阻錨桿變形吸收能量,支護和圍巖相互作用能量方程組,,,,,,,,,,,,,,,巖體,錨桿(索),,,,,,,,,,,,,,,,巖體,錨桿(索),?U,,,,,,,支護力和位移的解,,,,

17、,支護總力—材料變形量關系（P – U0）,支護總力- 結構變形量關系（△U –P ）,現(xiàn)場工程驗證--- 沈陽煤業(yè)集團清水煤礦--- 淄博煤業(yè)集團唐口煤礦--- 徐州礦業(yè)集團新安煤礦 --- 國家電網新疆新吉海煤礦--- 錦平水電站導流洞工程,恒阻大變形錨桿拉伸量監(jiān)測（沈陽清水煤礦）,,,錨桿編號示意圖,變形量與工作面距離對比分析,,兩幫收縮量與工作面距離關系曲線,頂板下沉量與工作面距離關系曲線,底臌量與工作面距離關系曲

18、線,工作幫,非工作幫,支護表觀效果對比,,,,1.距工作面煤壁22m處恒阻錨桿支護效果,,1,2,3,2.距工作面煤壁30m處恒阻錨桿支護效果,3.距工作面煤壁37m處普通錨噴支護效果,,,,1、自主研發(fā)了具有特殊結構的恒阻大變形錨桿（索），能夠適應工程圍巖大變形災害控制的需求。通過對恒阻大變形錨桿（索）的材料、結構進行優(yōu)化選擇和組合試驗，確定了恒阻裝置的結構組成、材料參數(shù)和幾何參數(shù)；2、自主研發(fā)了“恒阻大變形錨桿（索）的大變形拉伸力

19、學實驗系統(tǒng)”和“恒阻大變形錨桿沖擊力學實驗系統(tǒng)”。通過實驗，恒阻大變形錨桿的性能參數(shù)達到了恒阻120kN、變形量0.5~1m，高于國際上最優(yōu)的澳大利亞同類錨桿參數(shù)（恒阻80kN、變形量0.3m）；3、建立了恒阻大變形錨桿（索）能量本構關系，推導了恒阻大變形錨桿（索）和圍巖相互作用的能量平衡方程，為深部巷道圍巖大變形控制奠定了理論基礎；4、上述技術在沈煤集團清水煤等煤礦和錦屏水電站現(xiàn)場工程中進行了驗證推廣，效果良好，具有廣闊推廣前景。