煤巷层状软岩顶板支护.ppt

邓广哲 教授,煤巷层状软岩顶板支护,主要内容,1 国内外研究现状 2 煤巷顶板岩体结构类型及软化破坏特征 3层状软岩顶板锚杆支护作用机理及支护设计,1 国内外研究现状,1.1 问题的提出及意义 随着煤炭开采的需要，每年都要在煤层中开掘大量不同类型的巷道，而这些煤巷顶板多数是岩体强度较低的沉积岩，层状岩体结构是沉积岩的主要特征之一。煤巷顶板稳定性是确保安全、高效生产的基本条件，能否解决好这个问题，是影响我国煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键问题之一。煤巷顶板稳定性主要由顶板岩体结构、岩体性质及其岩体中应力分布规律所决定的。处于沉积地层中的煤巷，绝大多数顶板具有层状结构，因此对煤巷层状软岩顶板进行支护研究，具有非常重要工程应用价值。,1.2 软岩巷道支护理论,二十多年来，国内外岩石力学界对软岩工程问题进行了广泛而深入的研究工作。自1982年东京召开了第一届软岩国际研讨会以来，软岩方面的国际性会议已经多次召开。中国岩石力学与工程学会于1995年专门成立了软岩工程专业委员会，经许多学者的共同努力，如对甘肃金川矿区软岩问题的全国性科技攻关等，使得我国在软岩支护技术和软岩支护理论研究方面取得了较大的进展。 目前，国内外软岩支护理论有两大类，一类是用定性的原则表述的支护理论;另一类是用定量的力学模型研究的支护理论。,1.2.1 定性的支护理论,（1）新奥法（NATM）理论 新奥法（NATM）是1963年奥地利学者拉布西维兹在总结前人的经验后提出的一套隧道设计与施工原则，米勒(1980)将其总结为22条。至今为止，新奥法仍是国际上在地下工程设计与施工中占主导地位的权威理论。我国对新奥法的引进与推广虽较西欧晚十多年，但由于它的引进正好与软岩问题的大量出现同步，故二十多年来一直将其作为软岩支护的主要理论。,（2）松动圈支护理论,(3) 联合支护理论 联合支护理论是在软岩支护对新奥法的发展。其观点可以概括为:对于软岩支护，一味地追求加强刚度是难以凑效的，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。由此发展起来的支护型式有锚喷网技术、锚喷网架技术、锚带喷架等联合支护技术。,(4) 锚喷弧板支护理论 该理论实际是联合支护理论的新进展。该理论的要点是:对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住，坚决限制和顶住围岩向空中位移。,（5）关键部耦合组合支护理论 该理论认为：巷道支护破坏大多是由于支护体与围岩体在强度、刚度和结构等方面存在不耦合造成的。要采取适当的支护转化技术，使其相互耦合，复杂巷道支护要分为两次支护，第一次是柔性的面支护，第二次是关键部位的点支护。,1.2.2 定量支护理论,定量的支护理论研究历史实质上就是围岩力学模型的研究历史。五十年代以前，围岩的力学模型经历了刚性、弹性和弹塑性发展阶段。五十年代开始，流变力学引入到岩石力学，至七十年代，岩石流变及流变地压的研究已非常活跃。目前，考虑流变、软化、损伤、断裂、扩容及膨胀耦合作用的围岩力学模型已在国内外文献中较多地出现。但由于存在以下的两个主要问题使得定量的支护理论难以变成实用的可操作的支护理论。 一是考虑了各种因素的本构关系过于复杂，涉及的各种参数甚多，难以将力学模型用于支护力的大小设计。 二是目前建立的模型尚难考虑支护过程和围岩变形过程。,1.3 软岩巷道支护技术现状,1.3.1 锚杆支护,在巷道支护中，锚杆支护与传统的棚式支护相比，具有显著的技术、经济优越性，现已发展成为世界各国矿井巷道以及其它地下工程支护的几种主要形式之一。锚杆支护有多种组合形式，如锚杆支护、锚喷支护、锚喷网支护等。 国外自40年代井下使用锚杆支护以来，发展迅速。美国、澳大利亚的矿井煤巷支护中，锚杆支护占90%以上，处于世界领先地位。目前，在美国煤矿中几乎全部采用了锚杆作为其主要的或辅助的顶板支护措施，而且，美国已研究出经验类比法、客观实际法以及二者相结合的锚杆设计方法。,我国1956年开始在煤矿中使用锚杆，至今已经有快50年的历史了，经历了试验摸索阶段和全面推广阶段。1975年煤炭工业部召开了全国锚杆及锚喷支护会议，正式把锚杆支护确定为煤矿井巷支护的技术的发展方向，并作为重大技术项目在全国煤矿推广。 锚杆支护的发展，主要经历了以下的发展阶段： 1945-1950年，机械式锚杆研究与应用。1950-1960年，采矿业广泛采用机械式锚杆，并开始对锚杆支护进行系统研究；1960-1970年，树脂锚杆推出并在矿井得到应用。1970-1980年发明管缝式锚杆、胀管式锚杆并应用，研究新的设计方法。长锚索产生。1980-1990年，混合锚头锚杆、桁架锚杆、特种锚杆等得到应用，树脂锚固材料得到改进；1990-2000年，以螺纹钢锚杆为代表的锚杆加之长锚索得到了广泛的应用，煤矿锚杆支护的发展，使矿井中的吨煤成本和巷道的支护成本显著降低。,1.2.2可缩性金属支架支护,金属支架，也就是钢铁支架，是一种现代化支架，它强度高，构件截面小，支撑效率高，承载能力大，以及在结构上的可制造性，可做成各种力学性能的支架，适合于大断面，大地压以及动压巷道使用。由于锚杆在软岩巷道支护中的局限性，金属可缩性支架在软岩支护中仍然具有很大的市场。 我国在软岩巷道支护中使用较多的是U型钢可缩支架。 U型钢具有良好的断面和几何参数，且易于实现型钢搭接后的缩让，所以成为制造金属可缩性支架的主要材料。 早在1932年，德国海茨曼公司就研制成U型钢可缩性支架，近几年来得到了不断的完善和发展，在煤矿巷道支扩中获得了广泛的应用。在德国煤矿巷道中，几乎都采用U型钢可缩性支架支护，约占巷道总长的95%，且在开采深度达到1400m，地压很大，年底膨量在1000mm以上，需经常卧底的巷道中，也获得了非常好的的支护效果,我国在60年代初期，开滦、淮南、徐州、兖州、铁法、平顶山等矿区就已使用了U型钢可缩性支架，用量已占巷道支架总量的40以上，其中，淮南的用量已超过50万架，而在开滦矿区已超过100万架。我国众多煤矿采用种种形式和结构的可缩性U型钢支架。尽管如此，在软岩及动压巷道中，我国的U型钢使用还有些不能令人满意的地方，这表现存两个方面： 软岩巷道U型钢支护失效的关键是强度低，而支护强度低的主要原因支架与围岩间的接触状况差，支架空顶与空帮严重，从而不能有效控制巷道变形，使软岩巷道U型钢支护失效导致支架型钢、卡缆的变形破坏严重，复用率低，许多矿区把U型钢可缩性支架基本上作为一次性投入，极大增加了巷道支护的成本。 U型钢可缩性支架的最大优点在于可缩，但在实际应用中，往往因为往往在其压缩量很小(远小于巷道断面的20%)时就破坏，失去了可缩性的意义。,1.3.3高强砼弧板支架支护,煤矿的深部地层中，当遇到有断层折皱等地质构造，则破碎围岩处于高地应力围岩作用下，当巷道掘进在其中，易出现大地压、大变形、流变、失稳和塌冒，锚喷支护往往发生喷层开裂，锚杆连根整体位移，U型钢支架则被压得扭曲失去其支撑力，使得巷道支护十分困难。 比利时在软岩巷道中利用全断面掘进机掘进，并使弧板安装与壁后充填实现了机械化，颇引人注目；这种大弧板支架的成本不到U型钢可缩性支架的一半，而其承载力可比后者高约2倍。,我国80年代初引进了比利时的大型弧板支护技术，经过改进，使其得到进一步完善与提高。所谓大型钢筋混凝土弧板，其基木上将煤矿建井工作者所熟知的竖井预制丘宾块大型化(每截面仅由4-5块拼装)，然后应用于软岩圆形巷道中。东北大学80年代初首先在沈北煤矿软岩巷道中，试验用锚喷网作首次支护，再用大型弧板二次支护。每块弧板中央均留有中心孔，预埋短管，以便安装通过销子与安装机外伸臂连接；每块间垫有20mm木板，壁后充填低标号混凝土或散沙。“七五”科技攻关时，东北大学在梅河进一步试验了这种支架。淮南矿院和同济大学于“七五”期间在淮南矿务局的同一巷道中试验了两种类型的大弧板支架。 目前高强砼弧板支架支护存在问题:安装机械手不配套，壁后充填缓冲层预留大变形层的施工不配套，不能适应软岩巷道的变形规律。,2 煤巷顶板岩体结构类型及软化破坏特征,（1） 整体结构,（2） 块裂结构,图2.2 块裂结构顶板示意图,图2.1 整体结构顶板示意图,2.1 煤巷顶板岩体结构类型,（3）碎裂结构,（4）散体结构,图2.3 碎裂结构顶板示意图,图2.4 散体结构顶板示意图,（5）层状结构 层状结构顶板示意图见图2.5所示。层状结构顶板受两组结构面切割而形成，但层理面是主要控制结构面，节理面发育较少，不是主要结构面。层状结构岩体是构造较为简单的沉积岩，岩层产状可以是水平的，也可以是倾斜的。它可以由单一岩性组成，也可由不同岩性互层或夹层组合而成。层面常有层间错动，层面连接力较弱。该类顶板大量存在，是一种主要的煤巷顶板结构类型，也是本文研究的煤巷顶板类型。层状结构岩体由许多分层构成，实践表明，分层厚度往往并不相等。,图2.5 层状结构顶板示意图,2.2 煤巷软岩顶板变形破坏类型与特征,煤巷顶板结构体变形破坏存在着4种基本类型 :,图2.6煤巷软岩顶板变形破坏类型,（1）剪切破坏。 (图2.6a，2.6b）,（2）拉断破坏。 （图2.6c）,（3）离层与挠曲破坏。 (图2.6d，2.6e）,（4）挤压流动破坏。 （图2.7）,图2.7 煤巷顶板挤压流动破坏 (a)围岩应力分布 (b)裂隙发育 (c)顶板冒落与片帮,3层状软岩顶板锚杆支护作用机理及支护设计,3.1 煤巷层状软岩顶板支护结构选择,在巷道中无论采用锚杆支护还是框式支护，它们的主要功能和作用都是将支撑荷载作用到巷道周边，对围岩施加径向力，加强巷道围岩的稳定性，保持岩体固有强度，发挥岩体自承能力，以控制巷道围岩变形及防止岩块塌落，巷道支护根据其对围岩的加固和作用方式可以分为以下四类: (1) 支护力作用在巷道围岩表面的支护方式。如各种类型的支架、碹砌、控制底鼓和承载能力较大的环形支架、以及适应围岩变形的可缩性支架。 (2) 改善支架受力状况，提高支护力的方式。如框式支架实施壁后充填，及喷浆等，能够使支架尽早承载并且均匀受力，从而提高承载能力，将支架、充填体和围岩三者形成共同的承载体系。,(3) 改善巷道围岩性质，提高围岩强度的加固方法。如岩体注浆，可明显可以改善岩体结构，提高岩体的强度和变形模量。 (4) 支护力不但作用在围岩表面，而且作用在围岩体内部的支护方式。如锚杆对提高岩体自身承载能力具有重要作用。,层状软岩顶板煤巷一般属于软岩巷道。软岩巷道的变形破坏具有自身特点，支护结构只有符合其变形破坏特征，才能维护巷道的稳定。要维护软岩巷道的稳定，支护结构必须具备以下特点：,（1）强柔性 ；（2）高可缩性 ；（3）边支边让； （4）增阻性；（5）有限的可缩性；（6） 抗弯性；（7）施工方便性 ；（8）经济性；,在对煤巷层状软岩顶板支护结构的选择上，我们首先要认识支护结构与围岩的作用关系。锚杆和表面支护（或支架）与巷道顶板的相互作用关系方面的主要区别为：支架只与顶板围岩周边接触，支架的支护力对顶板深部岩体的变形和破坏不发生直接影响；而锚杆支护是依靠锚杆和顶板围岩之间的相互错动来产生锚固力，所以锚杆支护能够影响顶板深部围岩的变形和破坏。 锚杆和表面支护(或支架)相比，除锚杆构件用材量比支架要少的多，辅助运输量也大为减少，有利于实现支护机械化，及巷道断面利用率高等优点外，主要优点是初撑力高，增阻速度快，围岩自身得到加固，能充分发挥围岩的自承能力。 因此对于煤巷层状软岩顶板支护结构的选取以锚杆支护较好。,3.2 锚杆支护作用机理分析,锚杆的作用应是增加不连续面间的摩擦力，消除或削减岩层的层面效应，提高其围岩整体强度。在顶板上安装锚杆，就相当于增加了支点，减小了顶板的跨度，使顶板岩层的屈曲应力和挠度得到降低，增强了顶板的稳定性。,锚杆作用机理可分为以下三个阶段进行分析 ： （1）锚杆的早期作用 （2）锚杆的中期作用 （3）锚杆的后期作用,图3.1 巷道围岩承载结构,3.3 煤巷层状结构顶板锚杆支护设计,3.3.1 设计原则,（1） 层状结构类型细分 厚分层分层厚度 ； 中厚分层分层厚度 m； 薄分层分层厚度 m；,（2）锚杆参数设计原则,图3.2 设计原则,3.3.2 悬吊作用设计,（1）厚分层位置判断,（2）岩层稳定性判断 设顶板层状结构由n层岩层组成，分层厚度记为 ，分层垂直层理方向单轴抗压强度记为 ，容重记为 。第i层离层跨距 根据文献可由下式计算：,（1）,第i层稳定跨距记为 ，由下式计算：,（2）,将第i层稳定跨距与离层跨距相比较即可判断该层的稳定性：,第i层稳定； 第i层处于临界状态； 第i层失稳。,当第i层厚分层岩层处于稳定状态时，就可将其作为悬吊层。此时顶板锚杆支护就可按悬吊作用设计。,3.3.3 兜吊作用设计,兜吊作用是指用两个角锚杆和拉杆(或钢带)将顶板荷载传递到两帮上方的顶板中，顶板荷载由两帮支撑。中间锚杆起着增大锚固层刚度、减小顶板