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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 矿山压力的概念 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 采动影响的作用力 采动应力 3 平面应力模型实验台 4 5 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 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知识 1 常见岩层的性质泥岩 页岩 抗剪 拉 强度1 06Mpa 容重2 56kg m2 坚固性系数f 3 4 砂质泥岩 抗剪 拉 强度1 47Mpa 容重2 69kg m2 坚固性系数f 4 5 细砂岩 抗剪 拉 强度4 08Mpa 容重2 74kg m2 坚固性系数f 5 6 中砂岩 抗剪 拉 强度3 14Mpa 容重2 65kg m2 坚固性系数f 4 5 9 一 掘进工作面顶板管理基本知识 石灰岩 抗剪 拉 强度6 08Mpa 容重2 6kg m2 坚固性系数f 6 8 15 煤 抗剪 拉 强度0 8Mpa 容重1 43kg m2 坚固性系数f 0 5 1 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 钢架支护 12 掘进工作面顶板管理基本知识 尖顶 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 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 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 22 掘进工作面顶板管理基本知识 锚网钢架料石碹复合支护变形底臌 23 巷道布置的原则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 时间上尽量缩短支承压力影响时间 2 巷道布置在应力降低区或原岩应力区 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 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或影响较小 5 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 6 在围岩受采动影响稳定后再掘巷道 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 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1989年开始应用锚索加固岩石巷道1999年大面积进行小锚索支护技术的研究 试验和推广工作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使回采工作面生产能力得到充分发挥经济效益显著 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 1 悬吊理论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 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 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 锚杆 锚索支护原理 29 3 组合拱理论 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 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 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 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 32 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 破碎体挤压加固试验图1 34 破碎体挤压加固试验图2 碎石 35 破碎体挤压加固试验图2 36 破碎体挤压加固试验图2 37 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 49 2 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 一根具有一定抗拉强度的杆体 2 具有足够的锚固力和锚固结构 3 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 当粘结剂环向厚度4 5 5mm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6 10mm 52 三 高预应力锚杆支护理念及核心 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 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 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 57 三 高预应力锚杆支护理念及核心 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 选择不同的锚杆强度 锚杆直径 锚杆长度 锚固方式 预紧力等 58 三 高预应力锚杆支护理念及核心 让压性能锚杆支护本身是一种柔性支护 具有很强的让压性能 让压性能包括两方面 一是锚杆支护材料本身的让压性能 要求锚杆杆体材料具有足够的延伸性能 二是支护结构的让压性能 对于锚杆支护的巷道 支护结构为锚杆和被加固的围岩的组合体 不同的地质和生产条件下的巷道 对锚杆支护系统的让压性能要求不同 如静压巷道对锚杆支护系统的让压性能要求不高深井高应力软岩巷道 强膨胀性软岩巷道 留巷巷道 小煤柱护巷等对让压性要求较高 冲击矿压巷道除要求静载下的延伸性能外 对瞬时延伸和吸能要求很高在巷道经受高应力或强烈动压转移的过程中支护结构应在保持高承载能力和整体结构完整性的同时适当让压 承载结构应像一堵墙 可以被整体推动 但仍具有较强承载能力 59 三 高预应力锚杆支护理念及核心 掘进工作面前后顶板应力变化曲线 60 三 高预应力锚杆支护理念及核心 掘进工作面前后围岩位移曲线 61 三 高预应力锚杆支护理念及核心 顶板离层指示仪与安装时间和距离掌头的变化规律 62 三 高预应力锚杆支护理念及核心 靠近掘进工作面位置一定范围内 顶板内仍有一定垂直压应力 在这个范围内安装锚杆 可维持或减小垂直压应力降低 减小偏应力 从改善围岩应力状态考虑 锚杆安设位置离工作面位置越近越好 掘进工作面周围拉应力区与剪切破坏区随工作面推进而发展 显然在围岩还没有出现拉 剪破坏或范围小时 安设锚杆对控制围岩进一步破坏有利 从控制围岩破坏考虑 锚杆安设位置离工作面位置越近越好 63 三 高预应力锚杆支护理念及核心 掘进工作面位置已经发生一定位移 只有及时安设锚杆才能有效控制围岩进一步位移和离层 从控制位移考虑 锚杆安设位置离工作面位置越近越好 在时间上 一开挖就应立即打锚杆 并施加足够预应力 不仅对改善围岩应力状态 控制围岩位移与破坏有利 而且对围岩风化 软化及空顶区破坏有很好的控制作用 锚杆作用控制锚固区围岩离层 滑动 裂隙张开 新裂纹产生等扩容 不连续变形破坏 使围岩处于受压状态 抑制围岩弯曲变形 拉伸与剪切破坏 保持锚固区围岩完整性 减小强度降低 64 三 高预应力锚杆支护理念及核心 两大基本原则 及时 主动预应力及预应力有效扩散 65 三 高预应力锚杆支护理念及核心 锚杆支护究竟对哪些变形有明显的控制作用 锚杆支护对岩石的弹性变形 峰值强度之前的塑性变形控制作用不明显 锚杆支护可有效控制岩石峰值强度后由于新裂纹形成与张开引起的扩容变形与岩石碎胀 锚杆支护可有效控制围岩内结构面的变形 包括结构面的滑动 张开和离层 阻止节理化煤岩体的变形与松散 66 三 高预应力锚杆支护理念及核心 锚杆支护设计要点 重视顶帮支护强度的协调 对帮部煤岩体相对较软的巷道和超高帮巷道在保证顶板安全的前提下重点加强帮部支护 对应力型底鼓的巷道应加强帮下角的支护强度 对控制底鼓有明显的效果 对煤岩体酥软的巷道应选择护表面积 强度大的构件 酥软破碎煤岩体巷道尽量采用自稳性较好的拱形断面 对围岩有膨胀性的巷道应采取有效的控水措施 67 三 高预应力锚杆支护理念及核心 锚杆预应力传递分布特征预应力临界值及其确定方法锚杆设计角度的选取锚杆预应力在裂隙岩体中的传递特征不同杆体外形锚杆锚固与安装性能锚杆尾部螺纹破断问题 锚索预应力损失问题锚索的破断问题锚杆预紧力施加护表钢带的选取锚杆托盘的设计金属网的选取和使用锚杆变形特性分析顶板离层临界值的确定方法 68 3 1锚杆预应力传递分布特征 69 3 1锚杆预应力传递分布特征 轴向应力场 横向应力场 70 3 1锚杆预应力传递分布特征 支护应力分为浅部压应力场 中部压应力场和尾部拉应力场三部分 托盘引起自由面应力再次分布 自由面形成以锚杆为中心的矩形压应力扩散区域 影响深度约为600mm 横向影响宽度约为托盘宽的3 5 4倍 中部压应力区域影响宽度约为托盘宽度的2 2 5倍 尾部拉应力场为椭圆形拉应力区域 并沿轴向向锚固体深部延伸 随锚杆预紧力增大该区域逐渐向锚固段中部移动 但其横向影响范围逐渐减小 71 3 1锚杆预应力传递分布特征 72 3 2预紧力临界值及其确定方法 典型低预紧力锚杆受力 典型高预紧力锚杆受力 73 3 2预紧力临界值及其确定方法 74 3 2预紧力临界值及其确定方法 曲线1对应预应力低 被动支护 受力小 支护不明显 曲线5对应高预应力 锚固区位移差小 受力变化不大 曲线2 3 4 虽然施加一定预应力 但都小于临界值 不能有效控制围岩早期的离层 75 3 2预紧力临界值及其确定方法 以上说明 锚杆支护存在一个临界预应力 临界预应力是使锚固区不产生明显离层和拉应力区所需要的预应力值 预应力小于临界预应力 围岩将长期处于变形与不稳定状态 预应力达到或超过临界预应力 围岩变形得到有效抑制 巷道处于长期稳定状态 实测数据表明 当锚杆预应力达到一定数值后 完全可以有效控制离层 而且锚杆受力变化不大 因此 可将锚杆受力变化不大时的预应力值作为临界值 76 3 2预紧力临界值及其确定方法 临界预应力的确定方法 不同地质和生产条件临界预紧力大小不同 通过现场测试确定临界预紧力值的大小 77 3 3锚杆设计角度的选取 典型的锚杆支护布置图顶角锚杆一般15 30 帮上角锚杆10 20 帮下角锚杆10 45 个别锚索也带角度 78 3 3锚杆设计角度的选取 79 3 3锚杆设计角度的选取 80 3 3锚杆设计角度的选取 81 3 3锚杆设计角度的选取 82 3 3锚杆设计角度的选取 83 3 3锚杆设计角度的选取 84 3 3锚杆设计角度的选取 带角度锚杆有以下缺点 使围岩中压应力区相互分离 大大减弱支护效果 两角锚杆受力偏小 甚至受压 大大减弱了锚杆的支护作用 使锚杆尾部螺纹受力状态恶化 大大增加尾部螺纹破断的机率 综合分析 锚杆垂直岩面施工效果最佳 85 3 4锚杆预应力在裂隙岩体中的传递特征 单根锚杆不同裂纹长度 86 3 4锚杆预应力在裂隙岩体中的传递特征 裂纹在锚固段 裂纹在自有段中部 裂纹在锚杆尾部 单根锚杆不同裂纹位置 87 3 4锚杆预应力在裂隙岩体中的传递特征 单根锚杆不同裂纹宽度 裂纹宽度1mm 裂纹宽度3mm 裂纹宽度5mm 裂纹宽度10mm 裂纹宽度20mm 88 3 4锚杆预应力在裂隙岩体中的传递特征 单根锚杆不同裂纹角度 裂纹倾角20 裂纹倾角30 89 3 4锚杆预应力在裂隙岩体中的传递特征 单根锚杆不同预应力 预应力100kN 预应力130kN 90 3 4锚杆预应力在裂隙岩体中的传递特征 锚杆支护不同裂纹长度 裂纹长度1m 裂纹长度3m 91 3 4锚杆预应力在裂隙岩体中的传递特征 锚杆支护不同裂纹位置 裂纹在锚固段 裂纹在自有段中部 裂纹在锚杆尾部 92 3 4锚杆预应力在裂隙岩体中的传递特征 锚杆支护不同裂纹宽度 裂纹宽度0 5mm 裂纹宽度1mm 裂纹宽度5mm 93 3 4锚杆预应力在裂隙岩体中的传递特征 锚杆支护不同裂纹角度 裂纹倾角20 裂纹倾角30 94 3 4锚杆预应力在裂隙岩体中的传递特征 锚杆支护不同预应力 预应力100kN 预应力130kN 95 3 4锚杆预应力在裂隙岩体中的传递特征 锚杆支护不同孔隙率 无孔隙 孔隙率2 孔隙率10 96 3 5锚索的破断问题 现场破断锚索 97 矿用锚索钢绞线偏斜拉伸性能试验