顶板失稳规律及离层控制机理

1、2022-3-31l技术背景技术背景l冒顶现象及原因冒顶现象及原因l离层控制理论离层控制理论l支护基本原理支护基本原理2022-3-32l与其它岩土工程相比，煤矿顶板控制及巷道支与其它岩土工程相比，煤矿顶板控制及巷道支护更困难护更困难u 围岩赋存不均质：围岩赋存不均质：巷道必须布置在煤层中，两帮为煤体，顶巷道必须布置在煤层中，两帮为煤体，顶底板为软弱的层状岩体；底板为软弱的层状岩体；u 围岩条件变化频繁：围岩条件变化频繁：同一煤层不同块段、同一块段不同位置同一煤层不同块段、同一块段不同位置顶板赋存条件往往都有区别；地质构造出现频度大，尚难以顶板赋存条件往往都有区别；地质构造出现频度大，尚难以高

2、精度预测；高精度预测；u 围岩强度低围岩强度低: 围岩松软破碎，单轴抗压强度小于围岩松软破碎，单轴抗压强度小于20MPa；u 原岩应力大原岩应力大: 埋藏深，原岩应力大；地质构造产生的附加水平埋藏深，原岩应力大；地质构造产生的附加水平应力强烈；应力强烈；u 动压影响强烈：动压影响强烈：受强烈的采动影响，应力提高受强烈的采动影响，应力提高35倍；倍；u 存在大量特殊的安全技术问题存在大量特殊的安全技术问题: 瓦斯、煤尘、煤体自燃发火、瓦斯、煤尘、煤体自燃发火、地下水、构造等灾害严重。地下水、构造等灾害严重。2022-3-33煤矿顶板类别及划分煤矿顶板类别及划分煤矿煤矿、类顶板煤巷类顶板煤巷控制技

3、术属于国际性难题控制技术属于国际性难题u国内外国内外、 类顶板控制技术已经成熟类顶板控制技术已经成熟u 基本思想是建立支护构件（锚杆）和顶板坚硬岩层之间的联系；基本思想是建立支护构件（锚杆）和顶板坚硬岩层之间的联系；u 美、澳煤层条件类似于我国美、澳煤层条件类似于我国、 类，全部采用锚杆支护技术；类，全部采用锚杆支护技术；u 我国我国“九五九五”攻关形成了高强螺纹钢树脂锚杆成套技术，正在推广。攻关形成了高强螺纹钢树脂锚杆成套技术，正在推广。u、类顶板类顶板(极易离层破碎型极易离层破碎型)控制难度极大控制难度极大u 现有控制技术不能及时对顶板起作用，不能有效控制冒顶；现有控制技术不能及时对顶板起

4、作用，不能有效控制冒顶；u 现有控制技术不适应采动影响，支护结构易失稳；现有控制技术不适应采动影响，支护结构易失稳；u 控制理论建立在依赖坚硬岩层的基础上，不适应厚层松散破碎顶板条件。控制理论建立在依赖坚硬岩层的基础上，不适应厚层松散破碎顶板条件。u 顶板结构复杂，松散破碎层一顶板结构复杂，松散破碎层一般超过般超过6 68m8m；u 结构稳定性差，空顶自稳时间结构稳定性差，空顶自稳时间十几分钟，随掘随冒；十几分钟，随掘随冒；u 采深大，水平构造应力对岩层采深大，水平构造应力对岩层弱面的破坏作用显著，层间错弱面的破坏作用显著，层间错动和离层矿压显现强烈；动和离层矿压显现强烈；u 地下水和瓦斯赋存

5、进一步消弱地下水和瓦斯赋存进一步消弱围岩强度和稳定性；围岩强度和稳定性；u 采用采用U U型钢可缩支架支护时有型钢可缩支架支护时有效断面最小只有效断面最小只有1.0m1.0m2 2 。主 采 煤 层4 .2 00 .7 42 .8 0煤砂 质 泥 岩砂 质 泥 岩1 .0 20 .8 7 0 .8 20 .7 73 .3 84 .9 0泥 岩煤泥 岩泥 质 页 岩煤综 合 柱 状厚 度 (m)岩 性 描 述煤1 .9 60 .8 8砂 质 页 岩两淮矿区煤层顶板典型综合柱状图两淮矿区煤层顶板典型综合柱状图示例：两淮矿区煤炭资源量约示例：两淮矿区煤炭资源量约800800亿吨，其中亿吨，其中80%

6、80%煤层为煤层为极易离层破碎型顶板，属于典型的极易离层破碎型顶板，属于典型的、类顶板条件类顶板条件2022-3-35首先研究煤层顶板赋存特征及与技术难点首先研究煤层顶板赋存特征及与技术难点u顶板顶板46m范围内通常没有坚硬岩层，这一依赖坚硬岩范围内通常没有坚硬岩层，这一依赖坚硬岩层的顶板控制思想受到限制；层的顶板控制思想受到限制；u通常巷道只能采用棚式支护形式，但高密度重型金属通常巷道只能采用棚式支护形式，但高密度重型金属支架的强度根本不能满足支架的强度根本不能满足、类巷道强烈的矿压显类巷道强烈的矿压显现；现；u国内外一致认为，随采深加大煤矿地下开采只有发展国内外一致认为，随采深加大煤矿地下

7、开采只有发展锚杆类支护。锚杆类支护。如何在没有坚硬岩层的厚层松软顶板条件下应用锚杆支护技术，保证顶板的稳定性，实现顶板的安全控制是、类顶板支护的技术难点和关键所在。2022-3-36复杂条件煤巷使用锚杆支护存在的现象 l锚杆使用密度很大，但支护效果很不理想变形量大：10002000mm以上采动状态下变形失控l不能有效控制顶板离层，恶性冒顶事故时有发生冒顶率：万分之三五事故率：五万十万分之一金属支架类被动支护使用抬头2022-3-37l1)1)松散变形的持续发展松散变形的持续发展大部分软弱煤层巷道在锚杆支护起作用前，都有大部分软弱煤层巷道在锚杆支护起作用前，都有100100200 mm200 m

8、m的围岩变形量的围岩变形量l2)2)锚杆支护的承载状态不好，工作载荷很低锚杆支护的承载状态不好，工作载荷很低锚杆实际工作载荷可分三种情况：锚杆实际工作载荷可分三种情况：l安装时没有初锚力，工作载荷始终为零；安装时没有初锚力，工作载荷始终为零；l安装时初锚力很小，低于安装时初锚力很小，低于15 kN15 kN，工作载荷增长缓慢，工作载荷增长缓慢，稳定段载荷值较低；稳定段载荷值较低；l安装时提供超过安装时提供超过20kN20kN的预紧力，工作载荷增长快，的预紧力，工作载荷增长快，稳定段载荷值高。稳定段载荷值高。2022-3-383)3)大变形后锚固力衰减，锚固失效大变形后锚固力衰减，锚固失效 端锚

9、时在围岩变形量达到端锚时在围岩变形量达到100 mm100 mm时即开始失效，时即开始失效，全长锚固时锚杆的可靠性虽大大提高，但围岩全长锚固时锚杆的可靠性虽大大提高，但围岩变形达到变形达到200200300 mm300 mm时锚固力也开始降低，时锚固力也开始降低，达到达到500 mm500 mm时即完全丧失。时即完全丧失。 4) 4) 四周的不协调变形，结构性失稳四周的不协调变形，结构性失稳 1 1）通过综合研究发现此类顶板岩体具有两种垮冒型式）通过综合研究发现此类顶板岩体具有两种垮冒型式u松脱型垮冒松脱型垮冒：垮冒范围一般在0.51.5m内，负荷1525 kN/m2 。松脱型垮冒松脱型垮冒u

10、挤压型垮冒挤压型垮冒： 在水平应力和自重应力双重作用下，薄层状岩体发生弯曲变形，导致弱面离层，变形持续发展，渐次向上垮冒。挤压型垮冒挤压型垮冒2022-3-311顶板的稳定性取决于锚固区内外的离层状况顶板的稳定性取决于锚固区内外的离层状况u 锚固区内离层：锚固区内离层：松脱型垮冒得不到控制，锚固区产生裂隙，锚固强度衰减，进而导致锚固区整体稳定性的削弱或破坏；l附件强度低、整体性差l预拉力偏小u 锚固区外离层：锚固区外离层：锚固区的完整性较好，但整体变形过大，不能阻止外层岩体的渐进破坏，导致外层弱面离层。锚固区外离层的持续发展将导致锚固区整体垮冒。 l锚固层的厚度偏小l预拉力偏小2022-3-3

11、12锚杆载荷实测曲线2022-3-313 0.5m处顶板裂缝1.18m处顶板离层岩层错位情况 完整岩体状态岩层钻孔探测仪光导纤维钻孔窥视仪2022-3-314测点位置重力场主应力大小垂直水平y maxmin潘三1542(3)运输巷172.111.8912.951.244潘三1452(3)运输巷17.634.148.0313.5025.352谢桥1151(3)运输巷16.655.8511.19611.046.439淮南矿区水平应力是垂直应力的淮南矿区水平应力是垂直应力的1.11.7倍倍2022-3-315 (a) 1205步时 (b) 1210步时 (c)1220步时 (d) 1230步时 (e

12、) 1260 步时 (f) 1280 步时 (g) 1300步时 (h) 1350步时 (i) 1400步时 (j) 1500步时 (k) 1600步时 (l) 1700步时 (m) 1900步时 (n) 2100步时 (o) 3500步时2022-3-3161)控制围岩弱化区的发展，消除松散变形 提供的高张拉力不仅完全克服了松动岩体的自重，并将该部岩体和更上部挤压在一起，阻止了围岩的进一步松动，消除岩体松散变形。2)改善锚杆受力状况，提高锚杆的支护能效 式中：s为巷道变形量，单位，mm；F(s)为锚杆的工作载荷，单位，kN假设，F0为设计工作载荷，S0为巷道允许变形量，则设计支护效能W0=

13、F0* S0 一种支护是否起作用，其状态是否合理则可以采用能效系数(C)描述，C=W/ W0，高预拉力支护C值可达到0.7-0.9，初锚力较低的普通锚杆支护C值仅为0.2-0.3 dssfw)(2022-3-3173) 消弱水平应力对顶板的破坏作用 在富含软弱夹层的薄层状顶板中，由于弱面和夹层强度很低，自重应力就可导致破坏，表现为随掘随冒，高地应力区的强水平应力必然作用于更大范围内顶板岩层，产生剪切破坏，诱发顶板离层。 加锚裂隙岩体的研究表明，锚杆的强度和对裂隙面产生的径向作用力可以极大的提高裂隙弱面的强度，增加锚杆布置密度、提高锚固力，可以有效地提高锚固体的E、C、值，提高锚固体的强度和残余

14、强度，从而在根本上改善裂隙岩体的承载性能，促使巷道顶板由不稳定向稳定转化。2022-3-3184) 形成预应力承载结构 高强预应力支护改善顶板的应力状态，消除顶板中部的拉应力区，同时减弱两个顶角的剪切应力集中程度。通过强化顶板弱面，消除拉伸破坏，控制围岩弱化区的发展，使锚固区载荷趋于均匀并实现连续传递，从而形成预应力承载结构。当关键层距离巷道顶板较近时可以按关键岩梁结构模型分析，当关键层距离巷道顶板较远时可按顶板松散煤岩体的强化承载拱结构模型分析。u提高支护效能，及时提高支护效能，及时主动有效加固顶板，主动有效加固顶板，消除松脱型冒顶消除松脱型冒顶u增大锚固范围，增大锚固范围，消弱消弱层状顶板沿弱面的渐层状顶板沿弱面的渐次离层和垮冒次离层和垮冒u建立建立“楔形楔形”的强化的强化承载结构，承载结构，防止锚固防止锚固区外离层和挤压型冒区外离层和挤压型冒顶顶巷道层状巷道层状顶板的离