煤巷强帮强角支护理论与技术(单仁亮).ppt

1、煤巷强帮强角支护理论与技术煤巷强帮强角支护理论与技术 岩石力学与工程学报岩石力学与工程学报20162016年年“陈宗基讲座陈宗基讲座”暨暨层状边坡灾变理论及控稳技术专题研讨会层状边坡灾变理论及控稳技术专题研讨会 单仁亮单仁亮中国矿业大学（北京）中国矿业大学（北京）2016.11.5 武汉武汉报报 告告 提提 纲纲21 1 问题的提出问题的提出2 2 无支护煤巷变形破坏机制无支护煤巷变形破坏机制3 3 强帮强角支护技术研究强帮强角支护技术研究4 4 工程应用工程应用5 5 结论结论6 6 结语结语 31 1 问题的提出问题的提出出于安全考虑，并且为了能够充分发挥锚杆的主出于安全考虑，并且为了能够

2、充分发挥锚杆的主动支护作用，二十多年来，我国煤巷支护一直在动支护作用，二十多年来，我国煤巷支护一直在追求：高强度、高刚度、高预应力追求：高强度、高刚度、高预应力。煤炭行业长。煤炭行业长期以顶板为中心，定期不定期召开不同规模的顶期以顶板为中心，定期不定期召开不同规模的顶板支护与管理工作会议。板支护与管理工作会议。煤巷煤巷帮部帮部煤岩体强度和变形模量普遍低于顶底板岩煤岩体强度和变形模量普遍低于顶底板岩体，体，存在帮部薄弱体存在帮部薄弱体，在开挖影响和应力作用下，煤，在开挖影响和应力作用下，煤巷帮部较早出现极限平衡区并产生较大变形巷帮部较早出现极限平衡区并产生较大变形。41 1 问题的提出问题的提出

3、因此，采用多种研究方法对因此，采用多种研究方法对煤巷支护深入研究，提出了煤巷支护深入研究，提出了强帮强角煤巷锚杆支护方法强帮强角煤巷锚杆支护方法，已获得已获得国家发明专利国家发明专利；提出；提出了了强帮强角支护技术强帮强角支护技术，已成，已成功应用于西山矿区和汾西矿功应用于西山矿区和汾西矿区煤巷支护。区煤巷支护。52.1 2.1 理论分析理论分析2 2 无支护煤巷变形破坏机制无支护煤巷变形破坏机制 图2.1 帮部薄弱体破坏示意帮部薄弱体破坏示意图（1 1）帮部薄弱体压剪破坏帮部薄弱体压剪破坏静态荷载作用下，煤的实质破坏形式主要分为静态荷载作用下，煤的实质破坏形式主要分为压剪破坏压剪破坏和和拉伸

4、破坏拉伸破坏。在煤巷开挖之后，。在煤巷开挖之后，帮部薄弱体帮部薄弱体在煤巷围岩压力在煤巷围岩压力的作用下，大部分会的作用下，大部分会由于压剪破坏原因由于压剪破坏原因而而形成剪切面形成剪切面。6（1 1）帮部薄弱体压剪破坏帮部薄弱体压剪破坏帮部薄弱体压剪破坏符合帮部薄弱体压剪破坏符合莫尔莫尔-库仑库仑强度准则。其破坏强度准则。其破坏由三以下方面引起：由三以下方面引起：u 开挖卸载开挖卸载u 应力集中应力集中u 材料强度降低材料强度降低2.1 2.1 理论分析理论分析7半径：半径：圆心坐标：圆心坐标：图2.2 帮部各帮部各阶段莫段莫尔尔圆2.1 2.1 理论分析理论分析8（2 2）帮部薄弱体交界面

5、滑移破坏）帮部薄弱体交界面滑移破坏帮部薄弱体交界面滑移破坏，符合莫尔帮部薄弱体交界面滑移破坏，符合莫尔-库仑强度准则：库仑强度准则：帮部薄弱体发生压剪破坏，承载能力降低，帮部薄弱体发生压剪破坏，承载能力降低，变小，变小，交界面极限剪力强度随之降低，致使界面滑移破坏发交界面极限剪力强度随之降低，致使界面滑移破坏发生，帮部更破碎。可见，帮部薄弱体生，帮部更破碎。可见，帮部薄弱体压剪破坏压剪破坏与界面与界面滑移破坏滑移破坏相互相互加剧加剧，导致帮部失稳。，导致帮部失稳。2.1 2.1 理论分析理论分析92.2.1 2.2.1 试验设计试验设计 图2.4 试验模型模型图（1 1）试验模型）试验模型2.

6、2 2.2 模型试验模型试验 图2.3 试验模型台模型台10 图2.5 浇筑模型筑模型（2 2）相似材料）相似材料2.2 2.2 模型试验模型试验表表2.1 模型材料用量表模型材料用量表试验煤岩体采用自行研发设计试验煤岩体采用自行研发设计的模拟材料（的模拟材料（河砂、水泥、高河砂、水泥、高强石膏、柠檬酸、水强石膏、柠檬酸、水）进行模）进行模拟，进行配比实验并确定了模拟，进行配比实验并确定了模拟拟砂质泥岩砂质泥岩、煤层煤层和和砂质页岩砂质页岩的配比值，各层模型材料的用的配比值，各层模型材料的用量如表量如表2.1所示。所示。位置位置模模拟对象象 厚度厚度/mm 配比号配比号砂子砂子/kg水泥水泥/

7、kg石膏石膏/kg 柠檬酸檬酸/kg水水/kg强强度度/MPa顶板板层 砂砂质泥岩泥岩3258:7:355.334.842.080.036.880.71巷道巷道层煤体煤体1509:7:325.862.010.860.033.160.39底板底板层 砂砂质页岩岩3258:5:555.333.463.460.036.880.9611 图2.6 监测点布置点布置图（3 3）模型监测）模型监测2.2 2.2 模型试验模型试验为了监测应力，在巷道为了监测应力，在巷道顶板顶板布置布置1#、2#、3#共共3 3个压力个压力盒，间距为盒，间距为40mm40mm，在，在帮部帮部布布置置4#、5#、6#共共3 3

8、个压力盒，个压力盒，间距为间距为40mm40mm，在，在底板底板布置布置1 1个压力盒，编号为个压力盒，编号为7#7#。为了。为了监测围岩表面位移，在巷道监测围岩表面位移，在巷道顶底板、帮部布置顶底板、帮部布置位移监测位移监测点点，如图，如图2.6所示。所示。12（4 4）模型加载）模型加载2.2 2.2 模型试验模型试验模型采用模型采用顶部逐级加载顶部逐级加载方式，最大加载力为方式，最大加载力为36.4KN，帮，帮部承压面积为部承压面积为0.084m2，形成的加载应力为，形成的加载应力为0.43Mpa，帮，帮部强度为部强度为0.39Mpa，帮部的加载应力帮部的加载应力/帮部强度帮部强度1.1

9、，满足满足工程荷载工程荷载/岩体强度岩体强度1，因此，本模型巷道为软岩，因此，本模型巷道为软岩巷道，也可视为深部高地应力巷道。巷道，也可视为深部高地应力巷道。加载加载级别级别I级II级III级IV级V级VI级VII级VIII级加载加载力力/KN3.98.613.217.822.527.131.836.4表表2.2 加加载方案方案132.2.2 2.2.2 试验结果与分析试验结果与分析（1 1）煤巷围岩应力分析）煤巷围岩应力分析煤巷的变形破坏是由于煤巷的变形破坏是由于围岩应力围岩应力重分布引起的，研究围岩在重分布引起的，研究围岩在不同外荷载下应力分布和变化，对于得出煤巷变形破坏机制不同外荷载下应

10、力分布和变化，对于得出煤巷变形破坏机制具有重要意义。具有重要意义。图2.7顶板板竖向向应力随外荷力随外荷载变化曲化曲线142.2.2 2.2.2 试验结果与分析试验结果与分析（1 1）煤巷围岩应力分析）煤巷围岩应力分析 图2.8帮部帮部竖向向应力随外荷力随外荷载变化曲化曲线 图2.9底板底板竖向向应力随外荷力随外荷载变化曲化曲线152.2.2 2.2.2 试验结果与分析试验结果与分析（2 2）煤巷围岩位移分析）煤巷围岩位移分析煤巷围岩的位移是在应力作用下围岩煤巷围岩的位移是在应力作用下围岩变形的直接体现变形的直接体现。随着。随着外荷载增加，外荷载增加，顶板顶板岩层位移逐渐增大。在岩层位移逐渐增

11、大。在VIII荷载时，荷载时，A1A1A5A5的的相对位移为相对位移为0.69mm，说明顶板岩层各测点间的相对位，说明顶板岩层各测点间的相对位移较小。移较小。图2.10 顶板岩板岩层位移随外荷位移随外荷载变化曲化曲线162.2.2 2.2.2 试验结果与分析试验结果与分析（2 2）煤巷围岩位移分析）煤巷围岩位移分析 图2.11帮部位移随外荷帮部位移随外荷载变化曲化曲线 图2.12 底板位移随外荷底板位移随外荷载变化曲化曲线随着外荷载增加，随着外荷载增加，帮部帮部B1B1B5B5的的相对位移相对位移明显逐渐增大，在明显逐渐增大，在VIII荷载时，荷载时，B1B1B5B5的相对位移为的相对位移为7

12、.65mm，远大于顶板的相远大于顶板的相对位移对位移，说明帮部整体性很差，易产生局部破坏。，说明帮部整体性很差，易产生局部破坏。172.2.2 2.2.2 试验结果与分析试验结果与分析（3 3）煤巷围岩变形破坏特征）煤巷围岩变形破坏特征I级级II级级：煤巷围岩应力较小，围岩基本处于：煤巷围岩应力较小，围岩基本处于弹性变形弹性变形阶阶段，围岩表面没有出现明显的变化特征。段，围岩表面没有出现明显的变化特征。II级级III级级：随着荷载的增加，围岩应力随之增大，在角部：随着荷载的增加，围岩应力随之增大，在角部发生应力集中，发生应力集中，角部角部发生塑性变形，出现微小的发生塑性变形，出现微小的裂纹裂纹

13、。图2.13 I级 II级阶段段 图2.14 II级 III级阶段段182.2.2 2.2.2 试验结果与分析试验结果与分析III级级IV级级：帮部应力：帮部应力逐渐增大，帮部表面近逐渐增大，帮部表面近似二维受力，帮部发生似二维受力，帮部发生塑性变形，出现裂纹。塑性变形，出现裂纹。IV级级V级级：角部的裂纹：角部的裂纹开始扩展，帮部裂纹也开始扩展，帮部裂纹也开始发生扩展，且产生开始发生扩展，且产生了新的裂纹。了新的裂纹。图2.16 IV级 V级阶段段 图2.15 III级 IV级阶段段192.2.2 2.2.2 试验结果与分析试验结果与分析V级级VI级级：在不断增大的应力作用下，：在不断增大的

14、应力作用下，帮部帮部严重变形，发严重变形，发生生垮落垮落现象。垮落部分的形状为侧拱形，左帮属于压剪破现象。垮落部分的形状为侧拱形，左帮属于压剪破坏，右帮包括压剪破坏和拉伸破坏的复合破坏。坏，右帮包括压剪破坏和拉伸破坏的复合破坏。顶板顶板整体整体下沉，下沉，角部裂纹进一步扩展角部裂纹进一步扩展，并产生多条新裂纹。，并产生多条新裂纹。图2.17 V级 VI级阶段段202.2.2 2.2.2 试验结果与分析试验结果与分析VI级级VII级级：顶板的整：顶板的整体下沉，使帮部承受的体下沉，使帮部承受的荷载更大。大块体完全荷载更大。大块体完全垮落，垮落，深部出现裂纹深部出现裂纹，其承载力也下降很多，其承载

15、力也下降很多，等效于等效于增大了顶板的跨增大了顶板的跨度度，恶化了顶板围岩的，恶化了顶板围岩的受力状态，顶板受力状态，顶板角部均角部均出现多道并列的环形裂出现多道并列的环形裂纹纹，外围的环形裂纹说，外围的环形裂纹说明此处的帮部支撑力已明此处的帮部支撑力已经降低很多。经降低很多。图2.18 VI级 VII级阶段段212.2.2 2.2.2 试验结果与分析试验结果与分析VII级级VIII级级：随着荷：随着荷载值的不断加大，顶板载值的不断加大，顶板裂纹贯通，受力状态恶裂纹贯通，受力状态恶化，帮部破坏更为严重，化，帮部破坏更为严重，顶板变形更为明显，裂顶板变形更为明显，裂纹发展迅速。纹发展迅速。VII

16、I级级：煤巷已经失稳，：煤巷已经失稳，帮部破坏最严重，发生帮部破坏最严重，发生大范围垮落现象；顶板大范围垮落现象；顶板整体下沉明显；角部出整体下沉明显；角部出现两条主裂纹。现两条主裂纹。图2.20 VIII级阶段段图2.19 VII级VIII级阶段段222.2.2 2.2.2 试验结果与分析试验结果与分析u 通过从通过从围岩应力、位移、破坏特征围岩应力、位移、破坏特征三方面深入研究了无支三方面深入研究了无支护煤巷的变形破坏，可见，护煤巷的变形破坏，可见，煤巷破坏源于帮部和角部煤巷破坏源于帮部和角部，帮部帮部相对位移最大相对位移最大，破坏程度最严重，以，破坏程度最严重，以压剪破坏压剪破坏为主；为主；顶板破顶板破坏坏形式为形式为整体下沉破坏整体下沉破坏，有冒落趋势；，有冒落趋势；角部角部是连接纽带且应是连接纽带且应力集中，产生裂纹破坏；帮部、角部和顶板容易陷入相互加力集中，产生裂纹破坏；帮部、角部和顶板容易陷入相互加剧破坏、恶化彼此应力状态的恶性循环中。剧破坏、恶化彼此应力状态的恶性循环中。u 控制帮部和角部变形破坏，提高其稳定性，是打破恶性循控制帮部和角部变形破坏，提高其稳定性，是打破恶