1、掘進工作面頂板支護技術,掘進工作面頂板管理規(guī)定,課件重點內容 一、掘進工作面頂板管理基本知識 二、 錨桿、錨索支護原理 三、高預應力錨桿支護理念及核心,一、掘進工作面頂板管理基本知識,礦山壓力的概念：地下巖體受到人類工程活動影響前稱為原巖體，原巖體在地殼內處于平衡狀態(tài)。當開掘巷道或進行采礦工作時破壞了原來的平衡狀態(tài)，引起巖體內部的應力重新分布，重新分布的應力超過煤巖的極限強度時，使巷道周圍的煤巖發(fā)生破壞，并向已采空間移動。采動后作用于圍巖中和支護物上的力稱為礦山壓力。礦山壓力來源于以下三個方面： 1.上覆巖層重量（自重應力） 2.構造運動的作用力（構造應力） 3.采動影響的作用力（采動應力）,

2、平面應力模型實驗臺,一、掘進工作面頂板管理基本知識,煤及巖層采動后，在礦山壓力作用下表現出來的圍巖運動與支護物受力現象，稱為礦山壓力顯現。 影響礦山壓力顯現的因素： 1.深度 開采深度越大，巷道越難維護，淺部巷道的礦壓主要表現在巷道頂板，深部巷道的礦壓來自巷道四周。 2.巖層性質 巖層強度較小、節(jié)理發(fā)育的巖層礦壓顯現明顯，反之不明顯。,一、掘進工作面頂板管理基本知識,3.地質構造 在向斜、背斜軸部、斷層、陷落柱周邊等都存在較大應力。 4.巷道的尺寸 巷道的礦山壓力與巷道的尺寸成正比。 5.時間 礦山壓力將隨時間而增加，如果維護得當，強度較大的巖體將在短時間內趨于穩(wěn)定，軟弱巖體將持續(xù)較長時間。

3、6.采動：采動影響范圍巷道的礦壓顯現加劇。,一、掘進工作面頂板管理基本知識,礦山壓力與礦壓顯現之間存在一定的對應關系，可以通過礦山壓力顯現來推斷礦山壓力情況，為巷道布置和支護提供依據。如： 巷道頂板在錨桿錨索受力不大（托板、墊片沒有變形）的情況下出現頂板下沉嚴重現象，說明錨索沒有錨固到穩(wěn)定巖層中，需加長錨索。要探明穩(wěn)定巖層的位置。 巷道頂板出現裂隙、下沉，兩幫和底板鼓，錨桿錨索受力較大（托板、墊片嚴重變形、錨桿或錨索被拉斷等），說明礦壓很大，需加強支護。根據礦壓顯現程度確定支護強度。,一、掘進工作面頂板管理基本知識,1、常見巖層的性質 泥巖（頁巖）：抗剪（拉）強度1.06Mpa，容重2.56k

4、g/m2，堅固性系數f=34。 砂質泥巖：抗剪（拉）強度1.47Mpa，容重2.69kg/m2，堅固性系數f=45。 細砂巖：抗剪（拉）強度4.08Mpa，容重2.74kg/m2，堅固性系數f=56。 中砂巖：抗剪（拉）強度3.14Mpa，容重2.65kg/m2，堅固性系數f=45。,一、掘進工作面頂板管理基本知識,石灰?guī)r：抗剪（拉）強度6.08Mpa，容重2.6kg/m2，堅固性系數f=68。 15#煤：抗剪（拉）強度0.8Mpa，容重1.43kg/m2，堅固性系數f=0.51。 穩(wěn)定巖層：指巷道頂板上方巖性堅硬穩(wěn)定不易冒落的較厚巖層，是錨索起到懸吊作用的根基。一般是厚度超過2米的堅硬巖層如

5、細砂巖、石灰?guī)r等，或厚度較大節(jié)理不發(fā)育、高度超過自然平衡拱2米的不很堅硬巖層如砂質泥巖、中砂巖等。對于頂板上方巖層如果節(jié)理十分發(fā)育、破碎難以施工錨桿或錨索的，不應采用錨桿或錨索支護形式，應采用支棚的形式。,巷道支護變形破壞現象 主要有三種： 1.頂板下沉，冒頂； 2.兩幫收斂位移，片幫（內移）； 3.底臌。 以下顯示巷道變形的實物圖片,一、掘進工作面頂板管理基本知識,掘進工作面頂板管理基本知識,冒頂(鋼架支護),掘進工作面頂板管理基本知識,尖頂(鋼架支護),掘進工作面頂板管理基本知識,鋼架支護嚴重變形,掘進工作面頂板管理基本知識,鋼架支護圍巖大變形流變,掘進工作面頂板管理基本知識,掘進工作面頂

6、板管理基本知識,鋼架支護，底角扭曲破壞,掘進工作面頂板管理基本知識,掘進工作面頂板管理基本知識,料石碹支護頂板塌方,掘進工作面頂板管理基本知識,料石碹支護頂板塌方,掘進工作面頂板管理基本知識,料石碹支護嚴重底臌,掘進工作面頂板管理基本知識,錨網支護，大變形尖頂,掘進工作面頂板管理基本知識,錨網鋼架料石碹 復合支護變形底臌,巷道布置的原則 1.空間上盡量避免支承壓力的強烈影響、疊加影響和多次影響；時間上盡量縮短支承壓力影響時間。 2.巷道布置在應力降低區(qū)或原巖應力區(qū)。 3.采用無煤柱開采，必須留煤柱時在保證煤柱穩(wěn)定的條件盡可能小。 4.如果需要留煤柱保護巷道，所留護巷煤柱尺寸應使巷道不受支承壓力

7、影響或影響較小。 5.避免在煤柱上、下方布置巷道。合理選擇巷道與煤柱邊緣的水平距離和與煤層的垂直距離。 6.在圍巖受采動影響穩(wěn)定后再掘巷道。 7.巷道軸線方向盡量與最大水平主應力方向平行，避免與之垂直。,一、掘進工作面頂板管理基本知識,二、錨桿、錨索支護原理,陽煤集團1989年開始應用錨索加固巖石巷道 1999年大面積進行小錨索支護技術的研究、試驗和推廣工作 是國內較早試驗應用錨索支護技術的煤礦之一 錨索支護應用到井下所有巷道 提高了巷道的支護質量，改善了巷道頂板力學狀況 而且節(jié)約了大量的支護材料和維修費用 使回采工作面生產能力得到充分發(fā)揮 經濟效益顯著,二、錨桿、錨索支護原理,錨桿的錨固力

8、錨固力定義為錨桿對圍巖的約束力 ,錨桿支護是兼有支護和加固兩種作用的較完美的支護形式,徑向錨固力顯著地提高了圍巖的殘余強度，發(fā)揮了錨桿的支護作用,切向錨固力提高圍巖中弱面的抗剪強度，發(fā)揮了錨桿的加固作用。,（1）懸吊理論 將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在穩(wěn)定巖層上，以避免較 軟弱巖層的破壞、失穩(wěn)和塌落，錨桿所受的拉力來自被懸吊的巖層重量。 缺點：沒有考慮圍巖的自承能力，而且將被錨固體與原巖體分開。,1、 錨桿支護理論評述,二、錨桿、錨索支護原理,按“松動圈”分類,（2）組合梁理論 將錨固范圍內的巖層擠緊，增加巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現離層現象，提高其自撐能力。將幾層薄巖層鎖緊

9、成一個較厚的巖層（組合梁）。在上覆巖層載荷的作用下，這種組合厚巖層內的最大彎曲應變和應力都將大大減小，組合梁的撓度亦減小。 缺點：將錨桿作用與圍巖的自穩(wěn)作 用分開；在頂板較破碎、連 續(xù)性受到破壞時，難以形成 組合梁。,二、錨桿、錨索支護原理,（3）組合拱理論,在破碎區(qū)安裝預應力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要鋪桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應力圓錐體將相互交錯，在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即承壓拱，這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。在承壓拱內的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應力狀態(tài)，其圍巖強度得到提高，支撐能力也相應加大。 缺點：一般不

10、能作為準確的定量設計。,二、錨桿、錨索支護原理,（4）最大水平應力理論,礦井巖層的水平應力通常大于垂直應力，水平應力具有明顯的方向性。在最大水平應力作用下，頂底板巖層易于發(fā)生剪切破壞，出現錯動與松動而膨脹造成圍巖變形，錨桿的作用即是約束其沿軸向巖層膨脹和垂直于軸向的巖層剪切錯動。,二、錨桿、錨索支護原理,錨桿的作用是約束圍巖的徑向膨脹和橫向剪切,由中國礦業(yè)大學侯朝炯教授提出，理論要點為： 錨桿支護的實質是錨桿與錨固區(qū)域巖體相互作用組成錨固體 ，形成統一的承載結構； 錨桿支護可提高錨固體的力學參數，（E、黏聚力、內摩擦角），改善被錨巖體的力學性能； 錨固區(qū)巖體的峰值強度、峰后強度及殘余強度均得到

11、強化； 增加圍壓、改善應力狀態(tài) 圍巖錨固體強度的提高，減小破碎區(qū)等，并控制其發(fā)展，從而利于巷道的穩(wěn)定。,（5）圍巖強度強化理論,二、錨桿、錨索支護原理,問題2：錨桿支護后，軟弱頂板巷道為何能像巖石巷道般維持穩(wěn)定？,破碎體擠壓加固試驗圖1,破碎體擠壓加固試驗圖2,碎石,破碎體擠壓加固試驗圖2,破碎體擠壓加固試驗圖2,錨桿錨固力意義,錨固試驗,錨桿,安裝一個底板,安裝錨桿,錨桿安裝完畢,放入碎石,搗實,錨桿預緊力,去掉底板,碎石成為整體結構穩(wěn)定,站上一個人的荷載,2、錨桿約束原理,錨桿支護的基本原理是運用錨桿抗拉強度遠遠高于圍巖體抗壓強度的優(yōu)勢來克服巖體內應力分布過程中產生的拉應力,（1）一根具有

12、一定抗拉強度的桿體 （2）具有足夠的錨固力和錨固結構 （3）具有足夠的預緊初錨力,巖體錨固系統,巖體錨固系統由四個要素組成：圍巖體（錨固長度范圍內）、錨桿、內部固定物質（粘結劑、摩擦）、外部固定物如托盤、螺母等。這四個要素之間相互作用，共同完成加固圍巖的功能并與周圍如外部或深部圍巖體環(huán)境進行力傳遞作用。這四個要素構成巖體錨固系統的結構，隨系統結構的不同匹配組合，系統相應產生不同的支護效果。圍巖的支護效果體現四個要素之間相互作用匹配耦合的結果上。,二、錨桿、錨索支護原理,(4)錨桿鉆孔直徑與桿體直徑的匹配關系,國內外試驗表明，錨桿錨固力與粘結體環(huán)向厚度有關，當粘結劑環(huán)向厚度4.55mm時，錨固劑

13、的平均粘結強度約為4.8MPa。考慮錨固段巖性、環(huán)境溫度、濕度及施工質量等因素，錨桿鉆孔直徑與桿體直徑一般相差610mm。,三、高預應力錨桿支護理念及核心,錨桿支護的應用情況 巷道支護首選的支護方式 如何用好錨桿支護，最大限度地發(fā)揮錨桿支護的作用？ 錨桿支護精細化研究程度如何？ 如何在不同條件選擇合適的支護方式？,三、高預應力錨桿支護理念及核心,在巷道淺層通過錨桿加固形成穩(wěn)定的承載結構 錨固加固結構保持整體完整性 具有足夠的主動承載能力 在內部煤巖體變形時能適當讓壓,三、高預應力錨桿支護理念及核心,掘進工作面附近錨桿支護應力場分布,三、高預應力錨桿支護理念及核心,保持整體完整性 錨固加固結構整

14、體完整性是對錨桿支護的基本要求。 錨桿支護系統局部出現破壞（如錨桿破斷、支護構件失效、頂幫出現網兜等）會導致加固結構喪失整體完整性，將引起連鎖反應，加速錨桿支護巷道的破壞。 據統計絕大多數巷道的破壞均是由局部開始，進而發(fā)展成全斷面的變形破壞，導致巷道片幫、冒頂，甚至引發(fā)事故。 因此，在軟巖巷道支護中，不應盲目放大錨桿間排距，同時增大護表構件的護表強度和面積，防止錨桿間煤巖體“鼓包”、錨桿失效等現象。,三、高預應力錨桿支護理念及核心,三、高預應力錨桿支護理念及核心,足夠的主動承載能力 針對不同地質和生產條件的巷道，所需的主動承載力差異很大。 一般回采巷道和不受動壓影響的大巷要求的主動承載力較小。

15、 深井高應力巷道、小煤柱護巷、多次動壓影響巷道、煤柱下掘進的巷道等要求的主動承載力較大。 應根據不同生產和地質條件，選擇不同的錨桿強度、錨桿直徑、錨桿長度、錨固方式、預緊力等。,三、高預應力錨桿支護理念及核心,讓壓性能 錨桿支護本身是一種柔性支護，具有很強的讓壓性能。 讓壓性能包括兩方面：一是錨桿支護材料本身的讓壓性能，要求錨桿桿體材料具有足夠的延伸性能；二是支護結構的讓壓性能，對于錨桿支護的巷道，支護結構為錨桿和被加固的圍巖的組合體。 不同的地質和生產條件下的巷道，對錨桿支護系統的讓壓性能要求不同。 如靜壓巷道對錨桿支護系統的讓壓性能要求不高 深井高應力軟巖巷道、強膨脹性軟巖巷道、留巷巷道、

16、小煤柱護巷等對讓壓性要求較高。 沖擊礦壓巷道除要求靜載下的延伸性能外，對瞬時延伸和吸能要求很高 在巷道經受高應力或強烈動壓轉移的過程中支護結構應在保持高承載能力和整體結構完整性的同時適當讓壓。承載結構應像一堵墻，可以被整體推動，但仍具有較強承載能力。,三、高預應力錨桿支護理念及核心,掘進工作面前后頂板應力變化曲線,三、高預應力錨桿支護理念及核心,掘進工作面前后圍巖位移曲線,三、高預應力錨桿支護理念及核心,頂板離層指示儀與安裝時間和距離掌頭的變化規(guī)律,三、高預應力錨桿支護理念及核心,靠近掘進工作面位置一定范圍內，頂板內仍有一定垂直壓應力，在這個范圍內安裝錨桿，可維持或減小垂直壓應力降低，減小偏應

17、力。從改善圍巖應力狀態(tài)考慮，錨桿安設位置離工作面位置越近越好。 掘進工作面周圍拉應力區(qū)與剪切破壞區(qū)隨工作面推進而發(fā)展。顯然在圍巖還沒有出現拉、剪破壞或范圍小時，安設錨桿對控制圍巖進一步破壞有利。從控制圍巖破壞考慮，錨桿安設位置離工作面位置越近越好。,三、高預應力錨桿支護理念及核心,掘進工作面位置已經發(fā)生一定位移，只有及時安設錨桿才能有效控制圍巖進一步位移和離層。從控制位移考慮，錨桿安設位置離工作面位置越近越好。 在時間上，一開挖就應立即打錨桿，并施加足夠預應力。不僅對改善圍巖應力狀態(tài)、控制圍巖位移與破壞有利，而且對圍巖風化、軟化及空頂區(qū)破壞有很好的控制作用。 錨桿作用控制錨固區(qū)圍巖離層、滑動、

18、裂隙張開、新裂紋產生等擴容、不連續(xù)變形破壞，使圍巖處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞，保持錨固區(qū)圍巖完整性，減小強度降低。,三、高預應力錨桿支護理念及核心,兩大基本原則： 及時、主動 預應力及預應力有效擴散,三、高預應力錨桿支護理念及核心,錨桿支護究竟對哪些變形有明顯的控制作用？ 錨桿支護對巖石的彈性變形、峰值強度之前的塑性變形控制作用不明顯； 錨桿支護可有效控制巖石峰值強度后由于新裂紋形成與張開引起的擴容變形與巖石碎脹； 錨桿支護可有效控制圍巖內結構面的變形，包括結構面的滑動、張開和離層，阻止節(jié)理化煤巖體的變形與松散。,三、高預應力錨桿支護理念及核心,錨桿支護設計要點： 重視頂幫

19、支護強度的協調； 對幫部煤巖體相對較軟的巷道和超高幫巷道在保證頂板安全的前提下重點加強幫部支護； 對應力型底鼓的巷道應加強幫下角的支護強度，對控制底鼓有明顯的效果； 對煤巖體酥軟的巷道應選擇護表面積、強度大的構件； 酥軟破碎煤巖體巷道盡量采用自穩(wěn)性較好的拱形斷面； 對圍巖有膨脹性的巷道應采取有效的控水措施。,三、高預應力錨桿支護理念及核心,錨桿預應力傳遞分布特征 預應力臨界值及其確定方法 錨桿設計角度的選取 錨桿預應力在裂隙巖體中的傳遞特征 不同桿體外形錨桿錨固與安裝性能 錨桿尾部螺紋破斷問題,錨索預應力損失問題 錨索的破斷問題 錨桿預緊力施加 護表鋼帶的選取 錨桿托盤的設計 金屬網的選取和使

20、用 錨桿變形特性分析 頂板離層臨界值的確定方法,3.1 錨桿預應力傳遞分布特征,3.1 錨桿預應力傳遞分布特征,軸向應力場,橫向應力場,3.1 錨桿預應力傳遞分布特征,支護應力分為淺部壓應力場、中部壓應力場和尾部拉應力場三部分。 托盤引起自由面應力再次分布，自由面形成以錨桿為中心的矩形壓應力擴散區(qū)域，影響深度約為600mm，橫向影響寬度約為托盤寬的3.54倍。 中部壓應力區(qū)域影響寬度約為托盤寬度的22.5倍。 尾部拉應力場為橢圓形拉應力區(qū)域，并沿軸向向錨固體深部延伸，隨錨桿預緊力增大該區(qū)域逐漸向錨固段中部移動，但其橫向影響范圍逐漸減小。,3.1 錨桿預應力傳遞分布特征,3.2 預緊力臨界值及其

21、確定方法,典型低預緊力錨桿受力,典型高預緊力錨桿受力,3.2 預緊力臨界值及其確定方法,3.2 預緊力臨界值及其確定方法,曲線1對應預應力低，被動支護，受力小，支護不明顯； 曲線5對應高預應力，錨固區(qū)位移差小，受力變化不大； 曲線2、3、4，雖然施加一定預應力，但都小于臨界值，不能有效控制圍巖早期的離層。,3.2 預緊力臨界值及其確定方法,以上說明： 錨桿支護存在一個臨界預應力； 臨界預應力是使錨固區(qū)不產生明顯離層和拉應力區(qū)所需要的預應力值； 預應力小于臨界預應力，圍巖將長期處于變形與不穩(wěn)定狀態(tài)； 預應力達到或超過臨界預應力，圍巖變形得到有效抑制，巷道處于長期穩(wěn)定狀態(tài)； 實測數據表明, 當錨桿

22、預應力達到一定數值后, 完全可以有效控制離層, 而且錨桿受力變化不大。因此，可將錨桿受力變化不大時的預應力值作為臨界值。,3.2 預緊力臨界值及其確定方法,臨界預應力的確定方法： 不同地質和生產條件臨界預緊力大小不同； 通過現場測試確定臨界預緊力值的大小。,3.3 錨桿設計角度的選取,典型的錨桿支護布置圖 頂角錨桿一般15-30 幫上角錨桿10-20 幫下角錨桿10-45 個別錨索也帶角度,3.3 錨桿設計角度的選取,3.3 錨桿設計角度的選取,3.3 錨桿設計角度的選取,3.3 錨桿設計角度的選取,3.3 錨桿設計角度的選取,3.3 錨桿設計角度的選取,3.3 錨桿設計角度的選取,帶角度錨桿

23、有以下缺點： 使圍巖中壓應力區(qū)相互分離，大大減弱支護效果； 兩角錨桿受力偏小，甚至受壓，大大減弱了錨桿的支護作用； 使錨桿尾部螺紋受力狀態(tài)惡化，大大增加尾部螺紋破斷的機率。 綜合分析，錨桿垂直巖面施工效果最佳。,3.4 錨桿預應力在裂隙巖體中的傳遞特征,單根錨桿不同裂紋長度,3.4 錨桿預應力在裂隙巖體中的傳遞特征,裂紋在錨固段,裂紋在自有段中部,裂紋在錨桿尾部,單根錨桿不同裂紋位置,3.4 錨桿預應力在裂隙巖體中的傳遞特征,單根錨桿不同裂紋寬度,裂紋寬度1mm,裂紋寬度3mm,裂紋寬度5mm,裂紋寬度10mm,裂紋寬度20mm,3.4 錨桿預應力在裂隙巖體中的傳遞特征,單根錨桿不同裂紋角度,

24、裂紋傾角20,裂紋傾角30,3.4 錨桿預應力在裂隙巖體中的傳遞特征,單根錨桿不同預應力,預應力100kN,預應力130kN,3.4 錨桿預應力在裂隙巖體中的傳遞特征,錨桿支護不同裂紋長度,裂紋長度1m,裂紋長度3m,3.4 錨桿預應力在裂隙巖體中的傳遞特征,錨桿支護不同裂紋位置,裂紋在錨固段,裂紋在自有段中部,裂紋在錨桿尾部,3.4 錨桿預應力在裂隙巖體中的傳遞特征,錨桿支護不同裂紋寬度,裂紋寬度0.5mm,裂紋寬度1mm,裂紋寬度5mm,3.4 錨桿預應力在裂隙巖體中的傳遞特征,錨桿支護不同裂紋角度,裂紋傾角20,裂紋傾角30,3.4 錨桿預應力在裂隙巖體中的傳遞特征,錨桿支護不同預應力,預應力100kN,預應力130kN,3.4 錨桿預應力在裂隙巖體中的傳遞特征,錨桿支護不同孔隙率,無孔隙,孔隙率2%,孔隙率10%,3.5 錨索的破斷問