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1、巷道围岩控制与监测v原岩应力及巷道周围应力分布v开采对巷道围岩应力的影响v巷道顶板事故的影响因素（棚式及锚杆支护的事故分析）v棚式及锚杆支护质量监测第四章 锚杆支护巷道顶板事故分析第一节第一节 锚杆支护巷道冒顶基本形式锚杆支护巷道冒顶基本形式一、锚杆支护巷道顶板冒顶的特点及成因锚杆支护巷道冒顶事故与架棚支护巷道的冒顶事故锚杆支护巷道冒顶事故与架棚支护巷道的冒顶事故相比有以下特点：相比有以下特点：v 锚杆支护巷道冒顶事故一般都发生在地质条件锚杆支护巷道冒顶事故一般都发生在地质条件变化的地点。v 锚杆支护巷道冒顶锚杆支护巷道冒顶范围较大，冒顶宽度一般小于，冒顶宽度一般小于巷道宽度，冒顶高度一般是巷
2、道高度的巷道宽度，冒顶高度一般是巷道高度的12倍，呈倍，呈现顶板现顶板整体冒落状态，状态，大多发生在发生在掘进施工期间。期间。v 锚杆支护巷道冒顶大多瞬间发生，锚杆支护巷道冒顶大多瞬间发生，随机性大，呈，呈突发性。二、锚杆支护巷道顶板冒顶基本形式1、整体压冒型冒顶 掘进迎头复合、镶嵌型围岩坠矸冒顶。掘进迎头复合、镶嵌型围岩坠矸冒顶。 锚固区外离层顶板整体压冒。锚固区外离层顶板整体压冒。 锚固区内离层顶板整体压冒。锚固区内离层顶板整体压冒。2、松漏冒型冒顶 松软围岩松漏冒顶。松软围岩松漏冒顶。 地质构造带围岩松漏冒顶。地质构造带围岩松漏冒顶。 采动影响剧烈带围岩松漏冒顶。采动影响剧烈带围岩松漏冒
3、顶。3、挤压破裂型冒顶 水平应力挤压破裂型冒顶。水平应力挤压破裂型冒顶。 采空区岩层移动挤压破裂型冒顶。采空区岩层移动挤压破裂型冒顶。第二节第二节 整体压冒型冒顶事故的机理及预防措施整体压冒型冒顶事故的机理及预防措施一、掘进迎头复合、镶嵌型围岩坠矸冒顶1、冒顶的特点及原因v掘进迎头镶嵌型围岩坠落，主要是由地质条件造成掘进迎头镶嵌型围岩坠落，主要是由地质条件造成的，巷道顶板为镶嵌型结构、碎裂结构等的，巷道顶板为镶嵌型结构、碎裂结构等不稳定顶顶板，除层面发育外，还发育有多组结构面，其间贯板，除层面发育外，还发育有多组结构面，其间贯通性好，将岩体切割破碎。通性好，将岩体切割破碎。v顶板整体强度低，开
4、挖后顶板整体强度低，开挖后自稳能力差，自稳时间多，自稳时间多为几小时。当岩体自重在弱面上引起的下滑力超过为几小时。当岩体自重在弱面上引起的下滑力超过侧向挤压所形成的摩擦力时，岩块就会发生冒落，侧向挤压所形成的摩擦力时，岩块就会发生冒落，造成冒顶事故。造成冒顶事故。v根据根据弱面分布和彼此和彼此组合关系的不同，可能出现三的不同，可能出现三角形、梯形、矩形等岩块冒落。角形、梯形、矩形等岩块冒落。3、掘进迎头镶嵌型围岩坠矸冒顶预防措施v（1）巷道顶板煤、岩互层已破碎，岩层的整体性受）巷道顶板煤、岩互层已破碎，岩层的整体性受到破坏，必须采取到破坏，必须采取短段揭锚喷的施工方法。的施工方法。v（2）巷道
5、掘进施工中，必需有）巷道掘进施工中，必需有临时支护。v（3）巷道穿过的围岩复杂多变时，实际施工中要对）巷道穿过的围岩复杂多变时，实际施工中要对穿过岩层、层位、断层、褶曲、破碎岩层的层理节穿过岩层、层位、断层、褶曲、破碎岩层的层理节理、水文状况等，进行收集、比较、测试、分析，理、水文状况等，进行收集、比较、测试、分析，发现问题发现问题及时修改设计和施工方法。修改设计和施工方法。二、锚固区外离层顶板整体压冒（一）冒顶的特点及原因1、顶板为离层型或镶嵌型结构v锚固区外离层顶板整体压冒主要原因是支护设计不锚固区外离层顶板整体压冒主要原因是支护设计不当。当。2、补强的锚索部分失效或全部失效v普通锚索支护
6、基本属于普通锚索支护基本属于刚性支护，不能适应贮存有支护，不能适应贮存有巨大弹性变形复合顶板的变形特性。巨大弹性变形复合顶板的变形特性。v普通锚索虽可提供较高的支护力，但远普通锚索虽可提供较高的支护力，但远不能抵抗顶抵抗顶板岩层释放的板岩层释放的形变压力。压力。(三) 预防锚固区外离层顶板整体压冒措施1、掌握地质资料与开采条件v通过地质钻孔、岩层柱状图等多种途径，摸清地质构造及顶板通过地质钻孔、岩层柱状图等多种途径，摸清地质构造及顶板结构、岩性变化，确保结构、岩性变化，确保锚索在稳定岩层内锚固长度大于在稳定岩层内锚固长度大于1 m。2、确保锚索施工质量v根据变化的地质情况，锚索设计方案要通过施
7、工、监测、反复根据变化的地质情况，锚索设计方案要通过施工、监测、反复实践、检验、调整完善，在动态中逐步优化完成，确保锚索施实践、检验、调整完善，在动态中逐步优化完成，确保锚索施工质量。增强锚索可伸长和抗剪切性能。工质量。增强锚索可伸长和抗剪切性能。3、锚杆锚固区内形成稳定的压缩拱岩粱v加强巷道两帮锚杆支护，巷道顶板两肩部必须布置与水平方向加强巷道两帮锚杆支护，巷道顶板两肩部必须布置与水平方向成成70（土（土5）的斜向全长锚固锚杆并与钢带连接，其他顶锚）的斜向全长锚固锚杆并与钢带连接，其他顶锚杆应尽可能与岩层层面垂直，顶锚杆不得沿岩层层面布置。杆应尽可能与岩层层面垂直，顶锚杆不得沿岩层层面布置。
8、三、锚固区内离层顶板整体压冒1、冒顶的特点及原因v锚固区内离层顶板整体冒落主要有两方面原因：锚固区内离层顶板整体冒落主要有两方面原因：v 锚杆支护设计不当，如巷道顶板为复合顶板，锚如巷道顶板为复合顶板，锚杆的长度、间、排距等参数不合理，锚杆的预紧力、杆的长度、间、排距等参数不合理，锚杆的预紧力、锚固力过低，顶板会发生较大范围的离层，出现弯锚固力过低，顶板会发生较大范围的离层，出现弯曲下沉，进而张裂、拉断。锚杆失效或被拉断，锚曲下沉，进而张裂、拉断。锚杆失效或被拉断，锚固区内顶板离层发生大面积垮落。固区内顶板离层发生大面积垮落。v 锚杆支护工程质量低劣。由于煤巷锚杆支护巷道由于煤巷锚杆支护巷道在
9、掘进施工过程中施工工艺不合理或施工工程质量在掘进施工过程中施工工艺不合理或施工工程质量把关不严，或锚杆、树脂药卷、托盘、螺母等材质把关不严，或锚杆、树脂药卷、托盘、螺母等材质不合格，造成巷道的工程质量低劣，锚杆支护部分不合格，造成巷道的工程质量低劣，锚杆支护部分失效或全部失效。失效或全部失效。3、预防锚固区内离层顶板整体压冒措施v 针对不同的地质条件、围岩类型，根据巷道开掘针对不同的地质条件、围岩类型，根据巷道开掘处的地应力大小和方向选择处的地应力大小和方向选择合理的支护方式及锚杆支护方式及锚杆支护参数。支护参数。v 加强顶板加强顶板两肩角锚杆支护，特别是巷道顶板在没，特别是巷道顶板在没有坚固
10、岩层的情况下。顶板肩部两角锚杆锚固形式、有坚固岩层的情况下。顶板肩部两角锚杆锚固形式、强度，尤其是锚杆角度非常重要。强度，尤其是锚杆角度非常重要。v 对巷道顶板对巷道顶板1.5 m以上无坚固岩层的破碎顶扳，以上无坚固岩层的破碎顶扳，采用锚杆支护时，锚固型式必须采用采用锚杆支护时，锚固型式必须采用全锚或或加长锚固，保证每个锚杆锚固长度不低于，保证每个锚杆锚固长度不低于1 m。v 完善井下锚喷支护的完善井下锚喷支护的矿压监测系统，发现锚杆拉系统，发现锚杆拉断、失效等现象要及时补打或采取相应的措施，确断、失效等现象要及时补打或采取相应的措施，确保锚杆支护巷道的安全。保锚杆支护巷道的安全。四、防止巷道
11、锚杆尾部破断方法（一）普通金属锚杆尾部破断原因v目前我国使用的金属锚杆一般都是用螺纹钢加工而目前我国使用的金属锚杆一般都是用螺纹钢加工而成，加工后锚杆尾部部分的螺纹内径比杆体公称直成，加工后锚杆尾部部分的螺纹内径比杆体公称直径径小1013，截面面积，截面面积小2022。v由于锚杆的由于锚杆的极限载荷取决于整根杆体中取决于整根杆体中最薄弱部分部分的强度，锚杆往往还没达到设计的极限载荷，锚杆的强度，锚杆往往还没达到设计的极限载荷，锚杆尾部已经破断。尾部已经破断。v同时，由于锚杆尾部破断载荷较小，锚杆杆体部分同时，由于锚杆尾部破断载荷较小，锚杆杆体部分不能产生延伸，降低了锚杆的整体，降低了锚杆的整体
12、延伸率。(二) 解决锚杆尾部破断的方法v等强锚杆：使锚尾极限承载力等于锚杆杆体部分的：使锚尾极限承载力等于锚杆杆体部分的承载力。承载力。1、精轧、精轧右旋螺纹钢钢筋锚杆：因不利因素（搅拌树钢筋锚杆：因不利因素（搅拌树脂和螺纹升角过大），没有被广泛推广应用。脂和螺纹升角过大），没有被广泛推广应用。2、普通螺纹钢锚杆尾部螺纹部分、普通螺纹钢锚杆尾部螺纹部分热处理3、金属、金属粗尾锚杆的结构型式的结构型式 杆尾的螺纹公称直径大于杆体直径，杆尾的螺纹公称直径大于杆体直径， 杆体与杆尾为整体式连接方式。杆体与杆尾为整体式连接方式。强度强度整体延伸率整体延伸率锚尾部的附加弯矩锚尾部的附加弯矩第三节第三节
13、松漏冒型冒顶事故的机理及预防措施松漏冒型冒顶事故的机理及预防措施v巷道围岩松软或受采动剧烈影响以及地质构造带内，巷道围岩松软或受采动剧烈影响以及地质构造带内，巷道顶板被节理裂隙切割，在高应力作用下顶板巷道顶板被节理裂隙切割，在高应力作用下顶板锚杆之间会发生会发生局部冒顶，继而扩大塌漏抽冒，如不及时，继而扩大塌漏抽冒，如不及时控制，最终形成控制，最终形成冒落拱。v顶板局部冒顶引起大面积垮落一般是巷道顶板局部冒顶引起大面积垮落一般是巷道顶煤较厚情情况下发生，顶煤碎胀首先在顶板局部漏顶。锚杆之间况下发生，顶煤碎胀首先在顶板局部漏顶。锚杆之间金属网局部撕裂金属网局部撕裂漏煤，漏高接近或超过锚固深度时，
14、漏高接近或超过锚固深度时，漏空区四周的锚杆失稳或失效，这部分锚杆所承受的漏空区四周的锚杆失稳或失效，这部分锚杆所承受的压力压力转移到相邻的锚杆上，形成恶性循环，导致顶板到相邻的锚杆上，形成恶性循环，导致顶板垮落范围迅速扩大，直至直接顶冒落。这种垮落形式垮落范围迅速扩大，直至直接顶冒落。这种垮落形式具有可见性，垮落前有具有可见性，垮落前有明显的预兆。一、松软围岩松漏冒顶1、冒顶的特点及原因v实践证明，岩石单轴抗压强度小于实践证明，岩石单轴抗压强度小于10 MPa的巷道，的巷道，即软弱型软岩巷道，即软弱型软岩巷道，难于用普通锚杆进行支护。于用普通锚杆进行支护。v单根锚杆的单根锚杆的最大锚固力锚固力
15、P：v单根锚杆的最大锚固力P：式中式中 P锚杆的锚固力；锚杆的锚固力； K考虑锚杆剪应力分布状态的系数，考虑锚杆剪应力分布状态的系数，K0.51，岩石越软，岩石越软，K值越大；值越大； 1锚杆与锚固剂间的粘结强度；锚杆与锚固剂间的粘结强度； 2锚固剂的剪切强度；锚固剂的剪切强度； 3锚固剂与围岩间的剪切强度；锚固剂与围岩间的剪切强度； 4围岩的剪切强度；围岩的剪切强度； L中心点以外锚杆的锚固长度。中心点以外锚杆的锚固长度。 4由围岩的内摩擦角与抗压强度求出：由围岩的内摩擦角与抗压强度求出：v软岩巷道锚杆支护容易失效的两个巷道锚杆支护容易失效的两个主要原因：v 较低的围压降低了锚杆的锚固作用，
16、使锚杆在很降低了锚杆的锚固作用，使锚杆在很低锚固水平下工作，而且随着围岩的变形，围岩应低锚固水平下工作，而且随着围岩的变形，围岩应力不断向深部迁移，锚固力不断散失。力不断向深部迁移，锚固力不断散失。v 软岩巷道的软岩巷道的大变形，特别是深部岩体和浅部岩体，特别是深部岩体和浅部岩体的非均匀变形在锚固剂上产生的非均匀变形在锚固剂上产生较大的剪力，相应地，相应地要求锚杆提供更大的锚固力。要求锚杆提供更大的锚固力。3、预防松软围岩松漏冒顶措施v 加大锚杆长度。随着围岩深度增加，围岩应力增加。单位长。随着围岩深度增加，围岩应力增加。单位长度上锚杆受到的剪力越大，锚固效果越好。度上锚杆受到的剪力越大，锚固
17、效果越好。v 加大锚杆直径，锚杆直径增大，锚杆受到的剪力增大。，锚杆直径增大，锚杆受到的剪力增大。v 用高强度的树脂粘结全长锚固，锚固剂的粘结强度增大，单，锚固剂的粘结强度增大，单位长度上锚杆受到的剪力增大。特别在松散破碎岩体中，全长位长度上锚杆受到的剪力增大。特别在松散破碎岩体中，全长粘结锚固才能有效保证锚杆的锚固效果。粘结锚固才能有效保证锚杆的锚固效果。v 加强护表构件的作用，改善围岩的应力状态，通过人为因素，改善围岩的应力状态，通过人为因素控制锚杆及其他相关配套支护材料，形成均衡的围岩一锚杆支控制锚杆及其他相关配套支护材料，形成均衡的围岩一锚杆支护系统，增强锚杆在破裂围岩中的可锚性。护系
18、统，增强锚杆在破裂围岩中的可锚性。v 采用锚注支护可以大大提高锚杆的锚固效果。锚注支护的重。锚注支护的重要作用之一是提高围岩的残余强度。围岩的自承能力增强，围要作用之一是提高围岩的残余强度。围岩的自承能力增强，围岩的应力提高。锚杆的锚固效果大大提高。岩的应力提高。锚杆的锚固效果大大提高。v 锚杆受剪切发生断裂比受拉作用发生断裂的数量多，因此对锚杆受剪切发生断裂比受拉作用发生断裂的数量多，因此对钢带端部锚杆被剪断现象要引起重视。现象要引起重视。 二、地质构造带围岩松漏冒顶1、冒顶的特点及原因v由于地质构造运动的作用，岩层节理发育，多组节由于地质构造运动的作用，岩层节理发育，多组节理互相切割，理互
19、相切割，破坏了岩体的了岩体的完整性。v尤其是受强风化侵蚀形成的风化带、受地质构造运尤其是受强风化侵蚀形成的风化带、受地质构造运动形成的断层破碎带、层间错动带及褶皱破坏带、动形成的断层破碎带、层间错动带及褶皱破坏带、受岩浆浸入形成的挤压破碎带等，这些地带围岩受岩浆浸入形成的挤压破碎带等，这些地带围岩松散破碎易造成锚杆支护巷道冒顶事故。易造成锚杆支护巷道冒顶事故。3、预防地质构造带围岩松漏冒顶措施（1）软煤区v软煤区发育在向背斜、陷落柱附近以及煤层倾角增大的区域，巷道掘到该软煤区发育在向背斜、陷落柱附近以及煤层倾角增大的区域，巷道掘到该区域，煤层常常出现疏软，该区域送巷易出现冒顶。在该区域掘巷时需
20、采区域，煤层常常出现疏软，该区域送巷易出现冒顶。在该区域掘巷时需采取以下措施：取以下措施：让煤顶自然跨落，在冒落区顶板打锚杆、锚索控制顶板，同时对冒落让煤顶自然跨落，在冒落区顶板打锚杆、锚索控制顶板，同时对冒落区根据通风需要进行喷射混凝土封闭。区根据通风需要进行喷射混凝土封闭。加密锚杆、锚索，顶帮加柱帽和帮钢带。加密锚杆、锚索，顶帮加柱帽和帮钢带。巷道爬坡沿煤层顶板掘进。巷道爬坡沿煤层顶板掘进。（2）断层构造v对于大断层，可预见的断层，必须提前确定施工方案和支护方案。一般采对于大断层，可预见的断层，必须提前确定施工方案和支护方案。一般采用减小断面面积、拱形架棚锚喷支护。对于不可预见的小断层，根
21、据巷道用减小断面面积、拱形架棚锚喷支护。对于不可预见的小断层，根据巷道揭露出来的断层情况，确定施工方案。构造区域的支护需根据断层产状，揭露出来的断层情况，确定施工方案。构造区域的支护需根据断层产状，确定钢带加改的方向和锚索的长度和密度，改用确定钢带加改的方向和锚索的长度和密度，改用W型钢带。型钢带。（3）陷落柱v巷道掘进需要通过陷落柱时，须将原矩形断面改为拱形断面，如果顶板出巷道掘进需要通过陷落柱时，须将原矩形断面改为拱形断面，如果顶板出现冒落，需采用注浆的方法先凝结顶板，然后再打超前管棚作为临时支护，现冒落，需采用注浆的方法先凝结顶板，然后再打超前管棚作为临时支护，采用短掘短支及时喷射混凝土
22、封闭的方法施工。采用短掘短支及时喷射混凝土封闭的方法施工。三、采动影响剧烈带围岩松漏冒顶1、冒顶的特点及原因v受到采动影响的巷道的维护状况受到采动影响的巷道的维护状况主要取决于采动影取决于采动影响。响。v巷道与采煤工作面在巷道与采煤工作面在空间位置和位置和时间关系上不同，关系上不同，受到采动影响引起的岩层运动和支承压力的影响不受到采动影响引起的岩层运动和支承压力的影响不同。同。3、预防采动影响剧烈带围岩松漏冒顶的措施v动压影响对相邻巷道的破坏极大，巷道受破坏的程度动压影响对相邻巷道的破坏极大，巷道受破坏的程度严重，避开动压影响可采取的措施有以下几点：严重，避开动压影响可采取的措施有以下几点：v
23、 留有足够的留有足够的保护煤柱，使巷道避开采动支撑压力高，使巷道避开采动支撑压力高峰区域。峰区域。v 上、下邻近煤层工作面，上、下区段工作面在上、下邻近煤层工作面，上、下区段工作面在空间、时间上应尽可能应尽可能错开，避免采动应力反复叠加。，避免采动应力反复叠加。v 工作面工作面接替采用采用跳采方法，新工作面巷道送巷必须方法，新工作面巷道送巷必须在工作面采完，上覆岩层活动稳定之后开始送巷。在工作面采完，上覆岩层活动稳定之后开始送巷。v 选择跨巷回采及沿空送巷等选择跨巷回采及沿空送巷等无煤柱护巷方式。方式。第四节第四节 挤压破裂型冒顶事故的机理及预防措施挤压破裂型冒顶事故的机理及预防措施一、水平应
24、力挤压破裂型冒顶1、冒顶的特点及原因v锚杆的作用是沿锚杆轴向约束岩层膨胀和在垂直锚锚杆的作用是沿锚杆轴向约束岩层膨胀和在垂直锚杆轴向方向约束岩层剪切错动。如果巷道顶板受到杆轴向方向约束岩层剪切错动。如果巷道顶板受到的的剪应力大于杆体的抗剪强度，在水平构造应力作大于杆体的抗剪强度，在水平构造应力作用下，巷道顶板很容易失稳冒落。用下，巷道顶板很容易失稳冒落。沿层面滑移沿层面滑移以小角度或沿小断层产生剪切以小角度或沿小断层产生剪切3、预防水平应力挤压破裂型冒顶措施（1）合理选择巷道的位置v地质构造区内可能存在较大的构造应力，开掘过程中引起构造地质构造区内可能存在较大的构造应力，开掘过程中引起构造应力
25、的释放将极易造成冒顶事故。同时，地质构造区内岩体的应力的释放将极易造成冒顶事故。同时，地质构造区内岩体的完整性己受到破坏，松散岩块失去自承能力，多数情完整性己受到破坏，松散岩块失去自承能力，多数情 况下松散况下松散岩体超出了锚杆支护的有效范围。巷道位置首先要尽量避开应岩体超出了锚杆支护的有效范围。巷道位置首先要尽量避开应力集中区，尽量避开地质构造区。力集中区，尽量避开地质构造区。（2）选择适合巷道地质状况的支护设计方法v巷道在不同地质条件下，也要及时根据变化的地质情况，及时巷道在不同地质条件下，也要及时根据变化的地质情况，及时调整支护策略。设计方案要通过系统设计方法在动态中逐步优调整支护策略。
26、设计方案要通过系统设计方法在动态中逐步优化完成。化完成。 （3）在水平应力强烈区域采取加强支护措施v在水平应力强烈的地质破坏区，围岩松软破碎，可进行注浆加在水平应力强烈的地质破坏区，围岩松软破碎，可进行注浆加固。随掘随冒可采取超前注浆，一般条件下采取滞后注浆。固。随掘随冒可采取超前注浆，一般条件下采取滞后注浆。二、采空区岩层移动挤压破裂型冒顶锚索损坏原因分析原因分析v上覆煤层采动在巷道上覆煤层采动在巷道围岩中产生围岩中产生集中应力。v刚性支护的锚索支护支护的锚索支护不能抵抗顶板岩层释不能抵抗顶板岩层释放的放的变形压力。v沿空巷的顶板岩层的沿空巷的顶板岩层的回转倾斜26，顶板，顶板岩层的层面运动和岩层的层面运动和层间剪切。v锚索的锚索的抗剪强度很低。强度很低。
