恒阻大變形錨索支護(hù)技術(shù)(何滿潮、單仁亮)

1、煤礦大變形錨桿（索）支護(hù)技術(shù),匯報人：何滿潮 單仁亮,中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室,匯 報 提 綱,一、煤礦大變形災(zāi)害的嚴(yán)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(xué)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(jié)論,,一、煤礦大變形災(zāi)害的嚴(yán)重性,,煤炭占我國一次性能源的70%以上，居主導(dǎo)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(yù)測和評價,工程巖體大變形災(zāi)害的嚴(yán)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(yán)重,頂板18.6%,煤

3、與瓦斯突出46.4%,水災(zāi)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(zāi)7.9%,火災(zāi)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(zāi)5.1%,多發(fā)生在 工作面順槽,工程巖體大變形災(zāi)害的主要原因深采復(fù)雜的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境——“三高一擾動”“三高”高地應(yīng)力——自重應(yīng)力

4、、構(gòu)造應(yīng)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(qiáng)烈開采擾動深部巖體力學(xué)特性發(fā)生轉(zhuǎn)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(zāi)害均與大變形破壞相關(guān),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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)大變形,非對稱底臌大變形（鶴壁五礦）,,冒頂范圍150m,大面積嚴(yán)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(jié)構(gòu)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(hù)技術(shù)無法適應(yīng)大變形破壞,錨桿端部斷裂,桿體中部斷裂,,,錨桿支護(hù)多次返修,鋼架扭曲破壞失效,,,,,,澆注混凝土開裂,錨桿支護(hù)巖爆破壞,針對傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨桿（索）存在的問題及其引發(fā)工程災(zāi)害的嚴(yán)重性，亟待研究一種新型恒阻大變形錨桿（索），通過結(jié)構(gòu)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(xué)（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(tuán)隊，進(jìn)行了多年的系統(tǒng)的研究，取得了突破性進(jìn)展。,工程巖體大變形破壞機(jī)理黏土礦物成分引起的膨脹性大變形破壞機(jī)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(qiáng)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(jié)構(gòu)面引起的非對稱軟巖大變形破壞機(jī)理,非對稱大變形,,結(jié)構(gòu)面,巖體結(jié)構(gòu)非對稱,,原因,（ZL200710119124. 1）,關(guān)鍵部位,,,,實驗裝備,軟巖巷道破壞結(jié)構(gòu)效應(yīng)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(jié)果,,,,確定,關(guān)鍵部位,,,深部高應(yīng)力引起的巖體劇烈大變形(軟巖巖爆)機(jī)理,,主機(jī),液壓控制系統(tǒng),加載系統(tǒng),,,,煤系地層巖爆

9、,巖爆前支護(hù)狀態(tài),,,巖爆后支護(hù)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(zhì)砂巖(1113m),,實驗,結(jié)果,深井高溫高濕圍巖軟化大變形機(jī)理,溫度壓力耦合軟巖力學(xué)實驗系統(tǒng),主機(jī)系統(tǒng),控制系統(tǒng),,,主機(jī)系統(tǒng),,高溫五聯(lián)三軸軟巖流變實驗系統(tǒng),圍巖結(jié)構(gòu)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(jié)果,不同溫度條件下的巖體強(qiáng)度

10、和變形特性,不同溫度條件下的巖體強(qiáng)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?cè)嵯酀?jì),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(shù)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(hù)性能國內(nèi)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(xué)特性及實驗系統(tǒng),主機(jī)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(xué)特性及實驗系統(tǒng),恒阻大變形錨桿 拉伸力學(xué)性能實驗曲線,恒阻大變形錨桿（索）動力學(xué)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(jié)果,累計沖擊變形量,累計沖擊變形量與沖擊能量的關(guān)系,恒阻錨桿阻力,巖爆大變形控制對策大斷面預(yù)留量恒阻大變形支護(hù)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(yù)留量恒阻大變形支護(hù)釋放能量多次加壓注漿,恒阻大變形支護(hù)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(gòu)關(guān)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(hù)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(hù)力和位移的解,,,,

17、,支護(hù)總力—材料變形量關(guān)系（P – U0）,支護(hù)總力- 結(jié)構(gòu)變形量關(guān)系（△U –P ）,現(xiàn)場工程驗證--- 沈陽煤業(yè)集團(tuán)清水煤礦--- 淄博煤業(yè)集團(tuán)唐口煤礦--- 徐州礦業(yè)集團(tuán)新安煤礦 --- 國家電網(wǎng)新疆新吉海煤礦--- 錦平水電站導(dǎo)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(guān)系曲線,頂板下沉量與工作面距離關(guān)系曲線,底臌量與工作面距離關(guān)系曲

18、線,工作幫,非工作幫,支護(hù)表觀效果對比,,,,1.距工作面煤壁22m處恒阻錨桿支護(hù)效果,,1,2,3,2.距工作面煤壁30m處恒阻錨桿支護(hù)效果,3.距工作面煤壁37m處普通錨噴支護(hù)效果,,,,1、自主研發(fā)了具有特殊結(jié)構(gòu)的恒阻大變形錨桿（索），能夠適應(yīng)工程圍巖大變形災(zāi)害控制的需求。通過對恒阻大變形錨桿（索）的材料、結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化選擇和組合試驗，確定了恒阻裝置的結(jié)構(gòu)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(xué)實驗系統(tǒng)”和“恒阻大變形錨桿沖擊力學(xué)實驗系統(tǒng)”。通過實驗，恒阻大變形錨桿的性能參數(shù)達(dá)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(gòu)關(guān)系，推導(dǎo)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(chǔ)；4、上述技術(shù)在沈煤集團(tuán)清水煤等煤礦和錦屏水電站現(xiàn)場工程中進(jìn)行了驗證推廣，效果良好，具有廣闊推廣前景。