矿井围岩控制与灾害防治

矿井围岩控制灾害防治 主讲人 张国华教授电话 0451 88036483E mail zgh710828131 第16讲巷道围岩控制方法 与 安全工程 一 采区巷道变形破坏形式及其影响因素 1 采区巷道围岩变形和破坏形式 顶板规则冒落 顶板不规则冒落 顶板危岩局部冒落 顶板弯曲下沉 底板塑性膨胀 底板鼓裂 巷道鼓帮 巷帮开裂破坏 一 采区巷道变形破坏形式及其影响因素 巷帮小块危岩滑落或片帮 巷道大型冒顶及片帮 巷道鼓帮和鼓底 巷道断面全面收缩和闭合 一 采区巷道变形破坏形式及其影响因素 2 采区巷道变形的影响因素 1 自然因素 岩石性质及其构造特征 开采深度 煤层倾角 地质构造因素 水的影响 时间因素的影响 2 开采技术因素 1 巷道与开采工作的关系 2 巷道的保护方法 3 巷道本身采用的支架类型和支护方式 二 巷道围岩支护方式 1 巷内基本支护 支护材料 1 木支护 2 金属支架 3 石材支护 作用类型 巷内基本支护 巷内加强支护 巷旁支护 非单一支护形式 二 巷道围岩支护方式 金属支架 平顶型可缩性金属支架 a 全U型钢双向可缩支架 b 工梁U腿双向可缩支架 c 全工字钢双向可缩支架梯形可缩性金属支架的基本结构类型 二 巷道围岩支护方式 拱形可缩性金属支架 拱形可缩性金属支架的基本结构类型a 三节式 b 四节式 c 五节式 d 曲腿式 e 非对称式 f 封闭式 二 巷道围岩支护方式 2 巷内加强支护 1 巷内永久性加强支护 在原来棚子的断面范围内以增加构件的方式加强原有的基本支架 其常见的形式有加中心柱 偏心柱或二者并用 永久加强支护的安设时间可在巷道掘进后不久安设 也可在巷道开始受采动影响前安设 在原有棚子之间增加一些立柱或棚子 当顶板完整性较好时一般增加一些立柱 而当顶板完整性较差时则在原棚子之间增加安设棚子 二 巷道围岩支护方式 a 加中柱 b 加偏柱 c 中柱与偏柱并用增设中柱和偏柱的永久性加强支护 a 棚间加中柱 b 棚间一侧加密集支柱 c 棚间增加棚子 d 棚梁下加纵向抬棚增设立柱和棚子的永久性加强支护 二 巷道围岩支护方式 2 巷内临时性加强支护 回采工作面前后方临时加强支护布置方式l1 工作面前方加强段 l2 工作面后方加强段 a b c d 巷内临时加强支护架设方式 二 巷道围岩支护方式 3 巷旁支护 1 木垛 木垛作为巷旁支护的优点是与顶底板接触面积大 比较稳定 挡矸性能好 适合于围岩比较松软和煤层倾角较大的情况 而且木垛架设比较方便灵活 当煤层厚度不大或巷旁无砌矸石带的材料来源时 常以木垛作为巷旁支护 由于木垛作为巷旁支护要消耗大量木材 对于煤层厚度较大时表现更加突出 因此木垛不是理想的巷旁支护形式 除了少数特殊情况外一般不宜采用 二 巷道围岩支护方式 2 密集支柱 作为巷旁支护的密集支柱 是指架设在巷道断面以外靠近采空区一侧的密排支柱 根据情况可架设成单排或双排 所用的支柱多为金属支柱 密集支柱巷旁支护类型a 单排和双排木材密集支柱 b双排金属密集支柱 二 巷道围岩支护方式 3 矸石带 c 巷旁垒袋装矸石方式矸石带巷旁支护类型 a 普通矸石带 b 石墙进巷方式 二 巷道围岩支护方式 4 人工砌块巷旁支护带 人工砌块巷旁支护带类型a 料石砌垛 b 料石砌带 c 混凝土块砌垛 d 轻质砌块墙 二 巷道围岩支护方式 5 刚性充填带 这种方式是利用水或风作为动力源 将遇水能凝固的某种材料充填至巷旁 在巷道一侧形成一条连续的整体刚性充填带 充填所用材料有硬石膏 用粉煤灰 炉渣 洗选矸石和碎矸石等作为填料的廉价水泥 充填带宽度的选择与采高M及所用充填材料的力学性能有关 刚性充填带具有较好的性能和护巷效果 有利于节约木材和金属支护材料 由于巷旁支护基本上实现了机械化作业 可大大减轻体力劳动 提高工作的安全性 然而应用这种方式要建立一套复杂的充填材料加工 运输和泵送充填系统 并装备相应的一整套设备 这显然会增加生产成本 故目前对大多数矿井还难以推广应用 二 巷道围岩支护方式 4 巷道加固 1 注浆加固围岩 注浆加固是保持巷道稳定性 解决多裂隙和破碎围岩巷道维护问题的一个新途径 其基本原理就是将具有粘固作用的某种浆液通过钻孔注入有裂隙的煤 岩 体内 使之重新粘结成整体 以提高围岩的整体稳定性 对于含水裂隙来说还能起到封堵的作用 目前将锚杆与注浆加固的结合技术锚注加固技术已成为巷道加固的新技术 并且注浆材料的配比有了更多的种类 方法 以适应不同条件的巷道围岩加固 二 巷道围岩支护方式 2 机械加固围岩 机械加固围岩普遍采用的方式是锚杆和锚索加固技术 锚杆本身具有操作简单 成本低 巷道使用断面大 通风阻力小 具有初承力等优点 在煤矿巷道支护中已经得到了普遍的采用 这种方法是先在煤岩体中钻直径不大的钻孔 然后通过机械方法或化学方法将不同材料 金属 木材 竹子 钢丝绳等 的杆件锚固在煤 岩 体中和其悬露面之间 根据围岩性质和结构特征不同 锚杆可起到悬吊 组合梁或拱 挤压加固等作用 当锚杆的安设密度较大时 它能在巷道周围被加固地段形成一定厚度的压缩带 这不仅可以防止受节理裂隙等弱面切割的岩块产生相对滑动 而且锚杆本身也有抗剪和销钉的作用 能有效地防止层间错动 二 巷道围岩支护方式 5 巷道非单一支护 1 联合支护 在巷道同一地段内采用两种以上不同结构的支架进行支护 如 锚杆 棚子 锚杆 喷浆 棚子 巷内临时加强支护 锚杆 棚子 巷旁支护 等 在巷道同一地段内重复使用结构相同而规格或型号不同的支架进行支护 如短与长锚杆配合支护 普通混凝土喷层与贫混凝土喷层配合支护 轻型金属拱与重型金属拱配合支护等 2 复合支护 二 巷道围岩支护方式 3 综合支护 在巷道同一地段内除采用不同结构的支架外 还采用不同原理的围岩加固措施对巷道进行支护 如 棚子 喷层 围岩注浆 锚杆 薄壳支架 壁后注浆 支护等 各种支护类型具有不同的支护特性 同时采用几种类型支护可取长补短 从而最终取得较好的支护效果 联合支护原理 支架的承载能力并非越大越好 增大支架承载力将使支护成本增高 然而却不能按相应比例增大对围岩移动的抑制作用 所以应使支架承载力保持在一个技术上有效 经济上有利的范围内 即求得在一定条件下合理的承载力 二 巷道围岩支护方式 由于不同矿压显现带内顶板动态有显著差别 故不应该在巷道全部长度上或在同一时间内采用同样大小的支护强度 即不同矿压显现带内支架的合理支护强度应是不同的 因此提出在同一巷道的不同矿压显现带内采取非等强度支护的思想 对于需要加大支护强度的某些强矿压显现带 其支护强度可以由同一类型支护通过改变技术参数来实现 因而在进行巷道联合支护时可以提出能保证巷道具有足够支护强度的多种技术方案 以便从中选出技术经济效果最佳的联合支护方案 由于巷道总移近量是在各矿压显现阶段内积累而成的 故对于整个服务期间总移近量很大的巷道 不应由一种类型支架可提供的可缩量满足顶底板总移近量 而应在不同矿压显现带内由不同类型支护先后分别地加以满足 二 巷道围岩支护方式 采区巷道联合支护基本模式示意图 三 巷道锚杆支护 1 锚杆种类和锚固力 1 锚杆的分类 按锚固方式 粘结锚固式包括树脂锚杆 快硬水泥卷锚杆 水泥砂浆锚杆 机械锚固式包括胀壳式锚杆 倒楔式锚杆 楔缝式锚杆 摩擦锚固式包括缝管式锚杆 水胀式管状锚杆等 按杆体锚固段长短 全长锚固 端头锚固 加长锚固 三 巷道锚杆支护 按锚杆杆体的工作特性 按锚杆作用特点 有限可拉伸 刚性锚杆 可拉伸锚杆 主动式锚杆 被动式锚杆 按制造锚杆杆体的材料 聚酯锚杆 木锚杆 竹锚杆 金属锚杆 钢筋 混凝土锚杆 三 巷道锚杆支护 2 锚杆的锚固力 1 根据锚杆对围岩的约束方式定义锚固力 粘锚力 粘结剂将围岩与锚杆粘结成整体 由于围岩深部与浅部变形的差异 锚杆通过粘结剂对围岩施加粘结力来抑制围岩变形 粘锚力就是锚杆杆体的轴力 托锚力 托锚力包括安装锚杆时 通过拧紧螺母产生的锚杆托板对围岩的预紧力 切向锚固力 围岩的变形大多从岩体的弱面开始 在围压作用下围岩沿弱面滑动或张开 锚杆体贯穿弱面 限制围岩沿弱面滑动张开 这种限制力称切向锚固力 三 巷道锚杆支护 2 根据锚杆的锚固作用阶段定义锚固力 工作锚固力 锚杆安设后 围岩变形 锚固剂发挥粘结作用 或者杆体与围岩之间摩擦力制约围岩变形 此时锚杆对围岩的作用力为工作锚固力 初锚力 安设锚杆时 对锚杆进行拉张而使其具有的作用于围岩的力称初锚力 残余锚固力 当围岩表面和深部的相对变形量超过锚固剂的极限变形量以后 锚固剂被破坏 工作锚固力丧失 但由于已破坏的锚固剂仍具有残存粘结强度 钻孔围岩 破坏的锚固剂 锚杆杆体之间存在摩擦力 锚杆对围岩仍具有约束力 称为残余锚固力 三 巷道锚杆支护 2 锚杆支护理论 1 悬吊理论 2 组合梁理论 悬吊理论认为 锚杆支护的作用是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上 增强较软弱岩层的稳定性 对于回采巷道经常遇到的层状岩体 锚杆的悬吊作用如图所示 如果顶板岩层中存在若干分层 组合梁理论认为锚杆的作用是一方面提供锚固力增加各岩层间的摩擦力 防止岩石沿层面继续滑动 避免出现离层现象 锚杆支护悬吊作用 a 坚硬顶板锚杆 b 软弱顶板锚杆 层状顶板锚杆组合作用 三 巷道锚杆支护 3 组合拱 压缩拱 理论 4 最大水平应力理论 组合拱理论认为 在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆 从杆体两端起形成圆锥形分布的压应力区 如果锚杆间距足够小 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 即压缩拱 该理论由澳大利亚学者W J Gale提出 它认为矿井岩层的水平应力通常大于铅直应力 巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响 锚杆组合拱 压缩拱 原理 最大水平应力原理 三 巷道锚杆支护 5 围岩强度强化理论 2 支护可以提高锚固体的力学参数 E C 改善被锚固岩体的力学性能 1 支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用形成统一点承载结构 3 巷道围岩存在破碎区 塑性区和弹性区 锚杆锚固区的岩体则处于破碎区域或处于上述2 3个区域中 相应锚固区的岩石强度处于峰后强度或残余强度 4 支护可以改变围岩的受力状态 增加围压 从而提高围岩的承载能力 5 巷道围岩锚固体强度提高以后 可减少巷道周围破碎区 塑性区的范围和巷道的表面位移 控制围岩破碎区 塑性区的发展 从而有利于保持巷道围岩的稳定 三 巷道锚杆支护 3 常用锚杆形式 1 机械式锚杆 2 组合梁理论 机械式锚固锚杆一般是端头锚固式 安装锚杆时需要施加预紧力 属于主动式锚杆 常见的锚头类型包括胀壳式 倒楔式和楔缝式 在机械式锚固锚杆中 木锚杆 竹锚杆及其它人工合成材料锚杆在煤矿中得到了一定的应用 竹 木楔缝式锚杆 a 木楔缝式锚杆 b 竹楔缝式锚杆1 内楔 2 木杆体 3 木托板 4 外楔 5 竹杆体 三 巷道锚杆支护 2 摩擦式锚杆 摩擦式锚杆是通过钢管与孔壁之间的摩擦作用达到锚固的目的 多为全长锚固式 主要包括缝管锚杆和水力膨胀锚杆 水力膨胀锚杆 管缝锚杆 三 巷道锚杆支护 3 粘结式锚杆 1 树脂锚杆 锚固剂 锚固剂将杆体与围岩粘结在一起 在围岩深部与浅部不一致变形过程中 锚固剂将围岩变形传递给杆体 同时将杆体对围岩变形的约束传递给围岩 锚杆杆体 锚杆杆体是锚杆的主体 杆体材质及表面结构直接影响锚固范围内对围岩的支护阻力 高强度螺纹钢锚杆结构1 树脂药卷 2 杆体 3 穹形球体 4 托盘 5 塑料增压垫圈 6 驱动螺母 锚杆托板与螺母 三 巷道锚杆支护 2 快硬水泥卷锚杆 水泥锚固锚杆是以快硬水泥卷代替树脂胶囊 其粘结方式也分端头锚固和全长锚固两种 3 水泥砂浆钢筋锚杆 水泥砂浆钢筋锚杆是一种全长锚固式锚杆 扭矩螺母 a 钢片充填式螺母 1 加厚螺母 2 钢片 b 树脂充填式螺母 1 加厚螺母 2 树脂或尼龙 c 销钉式扭矩螺母 1 螺母 2 销钉 3 杆尾 d 外销钉式扭矩螺母 1 螺母 2 销钉 3 锚杆杆体 三 巷道锚杆支护 4 可延伸和可切割 可回收锚杆 1 可延伸锚杆 可延伸锚杆按其工作原理可分为结构可延伸式和杆体可延伸式两种 2 可切割 可回收锚杆 套管摩擦式可延伸锚杆1 杠杆 2 滑动套管 3 凸形托板 4 套管挡环 5 刚体挡环 6 快硬水泥 7 水泥砂浆 三 巷道锚杆支护 4 组合锚杆 1 锚梁网联合支护 W型钢带 联合支护将锚杆与掩护网 托梁联合使用 组成一个以锚杆为主的整体承载机构 W型钢带形状 钢筋梯子梁 M型钢带 型轻型钢带 钢筋梯子梁形状 M型钢带断面形状 三 巷道锚杆支护 2 桁架锚杆支护 桁架锚杆的主要形式有单式桁架锚杆 复式桁架锚杆 交叉桁架锚杆 连续桁架锚杆等 单式双拉杆桁架锚杆1 锚头 2 锚杆 3 托架 4 水平拉杆 复式桁架锚杆1 锚杆 2 拉杆 3 拉杆器 4 垫木 交叉桁架锚杆 三 巷道锚杆支护 无论采用单式或复式桁架锚杆 在顶板岩层内都会形成水平和铅直方向的挤压应力区 锚杆的锚固力和拉杆的预拉紧力 使顶板的 中性轴 下移 增加了顶板岩层的抗弯能力 减小顶板内部及其表面的张应力 桁架锚杆支护作用力 三 巷道锚杆支护 5 预应力锚索 预应力锚索与普通锚杆相比锚索长度较长 能锚入深部较稳定的岩层中 同时施加较大的预应力 小口径预应力锚索结构比较简单 由内锚固段 钢绞线自由段 外锚固段组成 内锚固段是锚索锚固在岩体内提供预应力的根基 粘结锚固剂有水泥浆 树脂胶泥和树脂药卷 胀壳式钢绞线预应力锚索 砂浆粘结式预应力锚索 小口径预应力锚索结构1 毛刺 2 钢绞线 3 钻孔 4 巷道表面 5 槽钢 6 钢垫板 7