煤矿顶板管理课件第二部分

煤矿顶板管理,周财宝2017年5月,第一部分煤矿顶板管理基本知识第二部分顶板支护技术与相关理论第三部分顶板检测技术与装备第四部分顶板事故预防及案例分析,课程大纲,第二部分顶板支护技术与相关理论,第一节、巷道支护技术及相关理论一、巷道断面形状的选择二、巷道支护方式的选择三、相关支护理论第二节、壁式采煤工作面支护技术及相关理论一、壁式采煤支护技术二、采煤工作面支护相关理论,第一节、巷道支护技术及相关理论,矩形断面,梯形断面,一、巷道断面形状的选择巷道断面形状按其轮廓线可分为折边形和曲边形两大类。前者如矩形、梯形；后者如半圆拱形、圆弧拱形、三心拱形、马蹄形、椭圆形和圆形等。,第一节、巷道支护技术及相关理论,马蹄形断面,半圆拱形断面,第一节、巷道支护技术及相关理论,椭圆形断面,圆形断面,第一节、巷道支护技术及相关理论,1、巷道断面形状的选择，主要取决于下列因素：（1）巷道穿过岩层的性质，矿压的大小和方向。（2）巷道的服务年限和用途。（3）支护方式和支护材料。在稳定或中等稳定、地压较大的岩层中，开掘断面小、服务年限不长的巷道，选用木支架，或服务年限较长，用工字钢或行支架支护的巷道，多采用梯形或矩形断面。在不稳定、地压大的岩层中，过服务年限长而用混凝土、砖或金属支架支护时巷道多采用拱形断面；当围岩特别松软、底鼓严重时，则常采用带底拱形的封闭拱形、椭圆形或圆形断面。,第一节、巷道支护技术及相关理论,二、巷道的支护方式巷道支护方式有木支架、金属支架、锚杆支护、锚喷支护和料石混凝土砌碹等。支架、砌碹等支护方式，是着重改善围岩运动状况;锚杆支护侧重于提高围岩本身强度;锚杆喷浆支护方式，是将提高围岩本身强度和改善围岩运动状况这二者结合起来。支护方式的选择，决定于围岩稳定状况。对受工作面采动影响小得巷道，可采用沉缩量小的刚性支护。对受工作面采动影响大的不稳定巷道，应选用可缩性支护。,（一）棚式支架棚式支架包括木支架、金属支架和装配式钢筋混凝土支架等，主要用于服务期不长的采区巷道。1、木支架,第一节、巷道支护技术及相关理论,2、金属支架矿用工字支架,第一节、巷道支护技术及相关理论,U型钢支架,第一节、巷道支护技术及相关理论,3、装配式钢筋混凝土支架普通钢筋混凝土支架预应力钢筋混凝土支架,第一节、巷道支护技术及相关理论,4、钢管混凝土支架在钢管内充满混凝土就制成了钢管混凝土，钢管混凝土既有钢材的高强度和延性，同时还具有混凝土耐压和造价低廉的优点，是一种介于钢材和混凝土之间的复合材料。,第一节、巷道支护技术及相关理论,（二）石材整体支架石材整体支护是指用料石、混凝土或钢筋混凝土砌筑成的整体支护。这种支护的主要形式是直墙拱顶式，它由拱、墙和基础构成，拱的作用是承受顶压，并将它传给侧墙和两帮。墙的作用是支承拱和抵抗侧压，一般为直墙。基础的作用是将墙的力可分为竖压力和横推力。,第一节、巷道支护技术及相关理论,（三）锚杆支护锚杆支护是通过锚入围岩内部的锚杆改变围岩本身力的力学状态，在巷道周围形成一个整体而又稳定的岩石带，利用锚杆与围岩的共同作用，达到维护巷道稳定的目的。,第一节、巷道支护技术及相关理论,1、锚杆支护使用范围、类全面推广，、类得到推广应用综放沿空掘巷锚杆支护软弱、破碎煤巷锚杆支护三软煤巷锚杆支护深井煤巷锚杆支护,第一节、巷道支护技术及相关理论,2、锚杆支护与架棚支护相比，其优越性表现在：属于主动支护将巷道围岩变成承载体对巷道不规则断面适应性强巷道围岩变形量显著减小，有利于安全生产简化巷道布置，减少岩石工程锚杆支护具有巨大的技术经济效益和社会效益，是我国煤炭行业继综合机械化之后的第二次支护技术革命,第一节、巷道支护技术及相关理论,3、锚杆支护理论锚杆支护理论有：悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论、最大水平应力理论、围岩强度强化理论等。4、锚杆支护体系（1）锚杆的种类,第一节、巷道支护技术及相关理论,（2）目前我国锚杆支护体系及要求锚杆高强度、大直径。破断载荷一般在200300kN以上，近年应用破断载荷400kN以上的锚杆。延伸率均大于15%。锚杆直径2022mm。稳定性较高、维护要求低、服务时间短的巷道可以采用Q235圆钢制造。采用左旋、无纵筋高强度螺纹钢锚杆，等强（锚杆尾部螺纹部分采用墩粗或热处理、滚丝）。锚杆成套：杆体、托盘（钢板轧制，厚度根据矿压确定）、球形垫圈（铸钢）、减摩垫圈（1个聚氨酯、1个铝合金）、螺母（高强度、快速安装螺帽）。,第一节、巷道支护技术及相关理论,锚固剂及锚固方式锚固剂：树脂药卷，一般采用凝结速度为超快与中速的树脂药卷配合。全长锚固：锚杆中部受力最大；增阻速度快。具有较大的抗剪切能力。增加岩层间的法向力，阻止层间错动，防止离层。在锚固范围内锚杆伸长1mm，可产生1020kN的锚固力，支护刚度大。端头锚固：类。全长或加长锚固：类使用药卷长度一般CK2335、Z2360mm，复合顶板一般采用双速2360和Z2360。三径匹配钻孔直径比锚杆直径大610mm钻孔直径比树脂药卷大6mm左右一般钻孔直径29mm，锚杆直径20、22mm，树脂药卷直径23mm。,第一节、巷道支护技术及相关理论,网及钢带网：采用金属网、塑料网。严禁将最前排锚杆螺帽松开或等待后压网。钢带：钢筋梯子梁、M型钢带、W型钢带等。要求钢筋梯子梁采用高强度焊条焊接，防止开焊。钢带的厚度或钢筋直径根据矿压确定。预应力锚索加强支护是一种主动加强支护以锚杆支护为主，以锚索为辅树脂锚固端加粗锚固在稳定煤岩层中均可以采用直径15.24mm、17.8mm锚索,第一节、巷道支护技术及相关理论,（四）喷射混凝土支护喷射混凝土支护是将一定配合比的水泥、砂、石子和速凝剂的干拌合料，通过混凝土喷射机、输料管送至喷头处与水混合，以较高的速度喷射于岩面上凝结硬化后形成混凝土结构的支护方式。,第一节、巷道支护技术及相关理论,第一节、巷道支护技术及相关理论,三、相关锚杆支护理论（一）悬吊理论（二）组合梁理论（三）组合拱理论（四）最大水平应力理论（五）围岩强化理论（六）围岩松动圈理论,第一节、巷道支护技术及相关理论,三、相关支护理论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。,由于锚杆长度一般都在1.6-2.5m之间，当破碎带较大超过其锚杆长度时，采用悬吊理论无法设计支护参数。实践证明，即使巷道上部没有稳固的岩层，锚杆也能发挥其作用。由于锚杆支护的主要对象不仅是破碎带内岩石的重量(自重)，而且还有破碎带产生和发展过程中的碎胀变形力，而后者碎胀变形力远大于前者破碎带内岩石的自重。软弱围岩中，锚杆的作用是将直接顶板的破碎岩石悬吊在其上部的自然平衡拱上，拱高可采用普氏压力拱理论估算。,第一节、巷道支护技术及相关理论,锚杆悬吊载荷确定与分析假设锚杆间排距为1m1m，长2.5m，悬吊岩层厚度2.5m，岩层容重为2.3103Kg/m3则单根锚杆悬吊岩层，承受的总重力为：,锚杆杆体所能承受的拉断载荷为：,第一节、巷道支护技术及相关理论,第一节、巷道支护技术及相关理论,2、组合梁理论,为了解决悬吊理论的局限性，1952年德国Jacobio等在层状地层中提出了组合梁理论。该理论认为：在没有稳固岩层提供悬吊支点的薄层状岩层，可利用锚杆的拉力将层状地层组合起来，形成组合梁结构进行支护，这就是所谓的锚杆组合梁作用。,组合梁形成的力学条件：1、锚杆密度，锚杆抗剪切；2、锚杆预紧力，层面摩擦力；,锚杆的组合梁作用,第一节、巷道支护技术及相关理论,3、组合拱理论,力学机理各个锚杆形成的压应力“橄榄形椭球体”相互交错，并在岩体中形成一个“拱形”的连续压缩带，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。前提条件是：巷道断面为拱形,组合拱理论示意图,第一节、巷道支护技术及相关理论,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。,5、围岩强化理论,第一节、巷道支护技术及相关理论,巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的围岩相互作用而形成锚固体，形成统一的承载结构。巷道锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前和破坏后的力学参数（E、C、），改善锚固体的力学性能。巷道锚杆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、改善巷道的支护状况。巷道围岩锚固体强度提高后，巷道破碎区、松动圈范围减小，有利于巷道围岩保持稳定。,第一节、巷道支护技术及相关理论,6、围岩松动圈理论,第一节、巷道支护技术及相关理论,围岩松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的。现场实测发现：松动圈的存在是巷道围岩的固有特性；松动圈的范围大小（厚度值），可以用声波仪或者多点位移计等手段进行测定。松动圈理论认为：巷道支护的主要对象是围岩松动圈产生、发展过程中产生的碎胀变形力，锚杆受拉力的来源在于松动圈的发生、发展。根据围岩松动圈厚度值大小的不同将其分为小、中、大三类，松动圈的类别不同，则锚杆支护机理也就不同。,中松动圈（40150cm）,大松动圈（150cm）,小松动圈（40cm）,第一节、巷道支护技术及相关理论,围岩松动圈理论的主要观点：,松动圈理论认为，巷道支护的对象除松动圈围岩自重和巷道深部围岩的部分弹塑性变形力外，还有松动围围岩的变形力。巷道支护的对象主要是围岩松动圈在形成过程中的岩石碎胀力。在现有支护条件下，试图用支护手段阻止围岩松动破坏是很难的。松动圈理论认为，支护的作用是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形。支护对破碎围岩的维护作用：松动圈发展变形过程中维持破碎岩块相互啮合不垮落，通过提供支护阻力限制破裂缝隙过度扩张，从而减少巷道的收敛变形。,第一节、巷道支护技术及相关理论,第二节壁式采煤工作面支护技术及相关理论,一、壁式采煤支护技术1、采煤工作面顶板支护技术发展历程：木支柱金属摩擦支柱液压支护(单体液压支柱、液压支架)2、支架类别及其特性：（1）、木支柱（木柱木梁）木支柱强度受材质影响很大，各支柱承载不均衡，回柱困难、效率低。回柱后复用率低，木材浪费量大。工作面顶板下沉量大，冒顶事故多。,第二节壁式采煤工作面支护技术及相关理论,（2）、金属摩擦支柱金属摩擦支柱使用液压千斤顶提供初撑力，利用金属销和金属杆之间的摩擦提供工作阻力。其初撑力小且不均匀，容易造成工作面顶板不均衡下沉和破碎。进入20世纪90年代以后，逐渐被性能更加可靠的单体液压支柱替代。回采工作面金属摩擦支柱支护2009年底起禁止使用。,第二节壁式采煤工作面支护技术及相关理论,（3）、单体液压支柱单体液压支柱工作阻力恒定，各支柱承受载荷均匀，初撑力大，支设效率高，操作方便，可实现远程卸载，回柱安全。,（4）、液压支架液压支护具有支撑力大，支护性能好，架设移动速度快和安全可靠等优点。使用液压支护可提高采煤工作面的产量、回采率和工效；减轻人工劳动强度、降低成产成本。,第二节壁式采煤工作面支护技术及相关理论,3、单体柱支护壁式工作面布置方式普采或炮采工作面一般均采用单体液压支柱与铰接顶梁组成的悬臂支架。按悬臂顶梁与支柱的关系，可分为正悬臂与倒悬臂两种。,a、正悬梁布置b、倒悬梁布置,第二节壁式采煤工作面支护技术及相关理论,按照梁的排列特点可分为：齐梁式和错梁式。,齐梁式错梁式,第二节壁式采煤工作面支护技术及相关理论,4、综合机械化采煤工作面顶板支护采煤工作面顶板采用液压支架支护，顺槽超前支护采用单体液压支柱或超前支护液压支架。,第二节壁式采煤工作面支护技术及相关理论,二、采煤工作面支护相关理论1、经验估算法（支护强度计算）：按照支架所需承受的顶板载荷与采后近似线形关系确定：P=NMr式中，P工作面所需支护强度，MPa；N支架载荷相当采高岩重，N=48；M煤层采高，m；r顶板岩石容重，KN/m,第二节壁式采煤工作面支护技术及相关理论,2、(浅埋深)顶板结构理论计算方法,第二节壁式采煤工作面支护技术及相关理论,3、采煤工作面支架与围岩相互作用原理支架与围岩相互作用体系：