《掘进顶板支护技术课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《掘进顶板支护技术课件（120页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、掘进工作面顶板支护技术掘进工作面顶板支护技术1掘进工作面顶板管理规定课件重点内容一、掘进工作面顶板管理基本知识二、锚杆、锚索支护原理三、高预应力锚杆支护理念及核心2一、掘进工作面顶板管理基本知识矿矿山山压压力力的的概概念念：地下岩体受到人类工程活动影响前称为原岩体，原岩体在地壳内处于平衡状态。当开掘巷道或进行采矿工作时破坏了原来的平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布，重新分布的应力超过煤岩的极限强度时，使巷道周围的煤岩发生破坏，并向已采空间移动。采动后作用于围岩中和支护物上的力称为矿山压力。矿山压力来源于以下三个方面： 1.上覆岩层重量（自重应力） 2.构造运动的作用力（构造应力） 3.采动影
2、响的作用力（采动应力）3平面应力模型实验台平面应力模型实验台平面应力模型实验台平面应力模型实验台45一、掘进工作面顶板管理基本知识煤及岩层采动后，在矿山压力作用下表现出来的围岩运动与支护物受力现象，称为矿山压力显现矿山压力显现。 影响矿山压力显现的因素： 1.深度 开采深度越大，巷道越难维护，浅部巷道的矿压主要表现在巷道顶板，深部巷道的矿压来自巷道四周。 2.岩层性质 岩层强度较小、节理发育的岩层矿压显现明显，反之不明显。6一、掘进工作面顶板管理基本知识3.地质构造 在向斜、背斜轴部、断层、陷落柱周边等都存在较大应力。 4.巷道的尺寸 巷道的矿山压力与巷道的尺寸成正比。 5.时间 矿山压力将随
3、时间而增加，如果维护得当，强度较大的岩体将在短时间内趋于稳定，软弱岩体将持续较长时间。 6.采动：采动影响范围巷道的矿压显现加剧。7一、掘进工作面顶板管理基本知识矿山压力与矿压显现之间存在一定的对应关系，可以通过矿山压力显现来推断矿山压力情况，为巷道布置和支护提供依据。如： 巷道顶板在锚杆锚索受力不大（托板、垫片没有变形）的情况下出现顶板下沉严重现象，说明锚索没有锚固到稳定岩层中，需加长锚索。要探明稳定岩层的位置。巷道顶板出现裂隙、下沉，两帮和底板鼓，锚杆锚索受力较大（托板、垫片严重变形、锚杆或锚索被拉断等），说明矿压很大，需加强支护。根据矿压显现程度确定支护强度。8一、掘进工作面顶板管理基本
4、知识1、常见岩层的性质泥泥 岩岩 （ 页页 岩岩 ）： 抗 剪 （ 拉 ） 强 度 1.06Mpa， 容 重2.56kg/m2，坚固性系数f=34。砂砂质质泥泥岩岩：抗剪（拉）强度1.47Mpa，容重2.69kg/m2，坚固性系数f=45。细细砂砂岩岩：抗剪（拉）强度4.08Mpa，容重2.74kg/m2，坚固性系数f=56。中中砂砂岩岩：抗剪（拉）强度3.14Mpa，容重2.65kg/m2，坚固性系数f=45。9一、掘进工作面顶板管理基本知识石灰岩石灰岩：抗剪（拉）强度6.08Mpa，容重2.6kg/m2，坚固性系数f=68。15#15#煤煤：抗剪（拉）强度0.8Mpa，容重1.43kg/m
5、2，坚固性系数f=0.51。稳定岩层稳定岩层：指巷道顶板上方岩性坚硬稳定不易冒落的较厚岩层，是锚索起到悬吊作用的根基。一般是厚度超过2米的坚硬岩层如细砂岩、石灰岩等，或厚度较大节理不发育、高度超过自然平衡拱2米的不很坚硬岩层如砂质泥岩、中砂岩等。对于顶板上方岩层如果节理十分发育、破碎难以施工锚杆或锚索的，不应采用锚杆或锚索支护形式，应采用支棚的形式。10巷道支护变形破坏现象主要有三种：1.顶板下沉，冒顶；2.两帮收敛位移，片帮（内移）；3.底臌。以下显示巷道变形的实物图片一、掘进工作面顶板管理基本知识11掘进工作面顶板管理基本知识冒顶冒顶(钢架支护钢架支护)12掘进工作面顶板管理基本知识尖顶尖
6、顶( (钢架支护钢架支护) )13掘进工作面顶板管理基本知识钢架支护严重变形14掘进工作面顶板管理基本知识 钢架支护围岩大变形流变钢架支护围岩大变形流变15掘进工作面顶板管理基本知识16掘进工作面顶板管理基本知识钢架支护，底角扭曲破坏17掘进工作面顶板管理基本知识18掘进工作面顶板管理基本知识料石碹支护顶板塌方19掘进工作面顶板管理基本知识料石碹支护顶板塌方料石碹支护顶板塌方20掘进工作面顶板管理基本知识料石碹支护严重底臌21掘进工作面顶板管理基本知识锚网支护，大变形尖顶锚网支护，大变形尖顶22掘进工作面顶板管理基本知识锚网钢架料石碹锚网钢架料石碹 复合支护变形底臌复合支护变形底臌23巷道布置
7、的原则巷道布置的原则1.1.空间上尽量避免支承压力的强烈影响、叠加影响和多次影响；时间上尽量空间上尽量避免支承压力的强烈影响、叠加影响和多次影响；时间上尽量缩短支承压力影响时间。缩短支承压力影响时间。2.2.巷道布置在应力降低区或原岩应力区。巷道布置在应力降低区或原岩应力区。3.3.采用无煤柱开采，必须留煤柱时在保证煤柱稳定的条件尽可能小。采用无煤柱开采，必须留煤柱时在保证煤柱稳定的条件尽可能小。4.4.如果需要留煤柱保护巷道，所留护巷煤柱尺寸应使巷道不受支承压力影响如果需要留煤柱保护巷道，所留护巷煤柱尺寸应使巷道不受支承压力影响或影响较小。或影响较小。5.5.避免在煤柱上、下方布置巷道。合理
8、选择巷道与煤柱边缘的水平距离和与避免在煤柱上、下方布置巷道。合理选择巷道与煤柱边缘的水平距离和与煤层的垂直距离。煤层的垂直距离。6.6.在围岩受采动影响稳定后再掘巷道。在围岩受采动影响稳定后再掘巷道。7.7.巷道轴线方向尽量与最大水平主应力方向平行，避免与之垂直。巷道轴线方向尽量与最大水平主应力方向平行，避免与之垂直。 一、掘进工作面顶板管理基本知识24二、锚杆、锚索支护原理阳煤集团阳煤集团19891989年开始应用锚索加固岩石巷道年开始应用锚索加固岩石巷道19991999年大面积进行小锚索支护技术的研究、试验和推广年大面积进行小锚索支护技术的研究、试验和推广工作工作是国内较早试验应用锚索支护
9、技术的煤矿之一是国内较早试验应用锚索支护技术的煤矿之一锚索支护应用到井下所有巷道锚索支护应用到井下所有巷道提高了巷道的支护质量，改善了巷道顶板力学状况提高了巷道的支护质量，改善了巷道顶板力学状况而且节约了大量的支护材料和维修费用而且节约了大量的支护材料和维修费用使回采工作面生产能力得到充分发挥使回采工作面生产能力得到充分发挥经济效益显著经济效益显著25二、锚杆、锚索支护原理锚杆的锚固力锚固力定义为锚杆对围岩的约束力 ,锚杆支护是兼有支护和加固两种作用的较完美的支护形式,径向锚固力显著地提高了围岩的残余强度，发挥了锚杆的支护作用,切向锚固力提高围岩中弱面的抗剪强度，发挥了锚杆的加固作用。 26（
10、1）悬吊理论q将巷道顶板较软弱岩层悬吊在稳定岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。q缺点：没有考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开。1、锚杆支护理论评述二、锚杆、锚索支护原理27按“松动圈”分类28（2）组合梁理论q将锚固范围内的岩层挤紧，增加岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其自撑能力。将几层薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。在上覆岩层载荷的作用下，这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。q缺点：将锚杆作用与围岩的自稳作用分开；在顶板较破碎、连续性受到破坏时，难以形成组合梁。二
11、、锚杆、锚索支护原理29（3）组合拱理论q在破碎区安装预应力锚杆时，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，只要铺杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，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。q缺点：一般不能作为准确的定量设计。二、锚杆、锚索支护原理30（4）最大水平应力理论q矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性。在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变形，
12、锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动。二、锚杆、锚索支护原理31锚杆的作用是约束围岩的径向膨胀和横向剪切32q由中国矿业大学侯朝炯教授提出，理论要点为：锚杆支护的实质是锚杆与锚固区域岩体相互作用组成锚固体，形成统一的承载结构；锚杆支护可提高锚固体的力学参数，（E、黏聚力、内摩擦角），改善被锚岩体的力学性能；锚固区岩体的峰值强度、峰后强度及残余强度均得到强化；增加围压、改善应力状态围岩锚固体强度的提高，减小破碎区等，并控制其发展，从而利于巷道的稳定。（5）围岩强度强化理论二、锚杆、锚索支护原理问题2：锚杆支护后，软弱顶板巷道为何能像岩石巷道般维持稳定？33破碎体挤压加固试
13、验图134破碎体挤压加固试验图2碎石35破碎体挤压加固试验图236破碎体挤压加固试验图237锚杆锚固力意义38锚固试验39锚杆40安装一个底板41安装锚杆42锚杆安装完毕43放入碎石44捣实45锚杆预紧力46去掉底板47碎石成为整体结构稳定48站上一个人的荷载492、锚杆约束原理锚杆支护的基本原理是运用锚杆抗拉强度远远高于围岩体抗压强度的优势来克服岩体内应力分布过程中产生的拉应力（1 1）一根具有一定抗拉强度的杆体）一根具有一定抗拉强度的杆体）一根具有一定抗拉强度的杆体）一根具有一定抗拉强度的杆体（2 2）具有足够的锚固力和锚固结构）具有足够的锚固力和锚固结构）具有足够的锚固力和锚固结构）具有
14、足够的锚固力和锚固结构（3 3）具有足够的预紧初锚力）具有足够的预紧初锚力）具有足够的预紧初锚力）具有足够的预紧初锚力50岩体锚固系统 岩体锚固系统由四个要素组成：围岩体（锚固长度范围内）、锚杆、内部固定物质（粘结剂、摩擦）、外部固定物如托盘、螺母等。这四个要素之间相互作用，共同完成加固围岩的功能并与周围如外部或深部围岩体环境进行力传递作用。这四个要素构成岩体锚固系统的结构，随系统结构的不同匹配组合，系统相应产生不同的支护效果。围岩的支护效果体现四个要素之间相互作用匹配耦合的结果上。二、锚杆、锚索支护原理51(4)锚杆钻孔直径与杆体直径的匹配关系国内外试验表明，锚杆锚固力与粘结体环向厚度有关，
15、当粘结剂环向厚度4.55mm时，锚固剂的平均粘结强度约为4.8MPa。考虑锚固段岩性、环境温度、湿度及施工质量等因素，锚杆钻孔直径与杆体直径一般相差610mm。52三、高预应力锚杆支护理念及核心锚杆支护的应用情况锚杆支护的应用情况 巷道支护首选的支护方式 如何用好锚杆支护，最大限度地发挥锚杆支护的作用？ 锚杆支护精细化研究程度如何？ 如何在不同条件选择合适的支护方式？53三、高预应力锚杆支护理念及核心在巷道浅层通过锚杆加固形成稳定的承载结构在巷道浅层通过锚杆加固形成稳定的承载结构 锚固加固结构保持整体完整性 具有足够的主动承载能力 在内部煤岩体变形时能适当让压54三、高预应力锚杆支护理念及核心
16、三、高预应力锚杆支护理念及核心掘进工作面附近锚杆支护应力场分布掘进工作面附近锚杆支护应力场分布55三、高预应力锚杆支护理念及核心三、高预应力锚杆支护理念及核心保持整体完整性保持整体完整性 锚固加固结构整体完整性是对锚杆支护的基本要求。 锚杆支护系统局部出现破坏（如锚杆破断、支护构件失效、顶帮出现网兜等）会导致加固结构丧失整体完整性，将引起连锁反应，加速锚杆支护巷道的破坏。 据统计绝大多数巷道的破坏均是由局部开始，进而发展成全断面的变形破坏，导致巷道片帮、冒顶，甚至引发事故。 因此，在软岩巷道支护中，不应盲目放大锚杆间排距，同时增大护表构件的护表强度和面积，防止锚杆间煤岩体“鼓包”、锚杆失效等现象。56三、高预应力锚杆支护理念及核心三、高预应力锚杆支护理念及核心57三、高预应力锚杆支护理念及核心三、高预应力锚杆支护理念及核心足够的主动承载能力足够的主动承载能力 针对不同地质和生产条件的巷道，所需的主动承载力差异很大。 一般回采巷道和不受动压影响的大巷要求的主动承载力较小。 深井高应力巷道、小煤柱护巷、多次动压影响巷道、煤柱下掘进的巷道等要求的主动承载力较大。 应根据不同生产和地质条件，选
