煤巷層狀軟巖頂板支護課件

1、鄧廣哲 教授煤巷層狀軟巖頂板支護主要內容1 國內外研究現狀2 煤巷頂板巖體結構類型及軟化破壞特征3層狀軟巖頂板錨桿支護作用機理及支護設計 1 國內外研究現狀1.1 問題的提出及意義 隨著煤炭開采的需要，每年都要在煤層中開掘大量不同類型的巷道，而這些煤巷頂板多數是巖體強度較低的沉積巖，層狀巖體結構是沉積巖的主要特征之一。煤巷頂板穩(wěn)定性是確保安全、高效生產的基本條件，能否解決好這個問題，是影響我國煤炭開采向縱深發(fā)展和安全生產的關鍵問題之一。煤巷頂板穩(wěn)定性主要由頂板巖體結構、巖體性質及其巖體中應力分布規(guī)律所決定的。處于沉積地層中的煤巷，絕大多數頂板具有層狀結構，因此對煤巷層狀軟巖頂板進行支護研究，具

2、有非常重要工程應用價值。1.2 軟巖巷道支護理論 二十多年來，國內外巖石力學界對軟巖工程問題進行了廣泛而深入的研究工作。自1982年東京召開了第一屆軟巖國際研討會以來，軟巖方面的國際性會議已經多次召開。中國巖石力學與工程學會于1995年專門成立了軟巖工程專業(yè)委員會，經許多學者的共同努力，如對甘肅金川礦區(qū)軟巖問題的全國性科技攻關等，使得我國在軟巖支護技術和軟巖支護理論研究方面取得了較大的進展。 目前，國內外軟巖支護理論有兩大類，一類是用定性的原則表述的支護理論;另一類是用定量的力學模型研究的支護理論。 （2）松動圈支護理論 圍巖分類圍巖松動圈(cm)分類名稱支護方式備 注040穩(wěn)定圍巖噴混凝土支

3、護圍巖整體性好，不易風化的可不支護40100較穩(wěn)定圍巖短錨桿噴混凝土料石碹可以支護100150一般圍巖一般錨噴支護剛性支護局部破壞150200軟巖錨噴網支護剛性支護大面積破壞200300較軟圍巖錨噴網支護圍巖變形有穩(wěn)定期300極軟圍巖待定圍巖變形無穩(wěn)定期(3) 聯合支護理論 聯合支護理論是在軟巖支護對新奧法的發(fā)展。其觀點可以概括為:對于軟巖支護，一味地追求加強剛度是難以湊效的，要先柔后剛，先讓后抗，柔讓適度，穩(wěn)定支護。由此發(fā)展起來的支護型式有錨噴網技術、錨噴網架技術、錨帶噴架等聯合支護技術。(4) 錨噴弧板支護理論 該理論實際是聯合支護理論的新進展。該理論的要點是:對軟巖總是強調放壓是不行的，

4、放壓到一定程度，要堅決頂住，堅決限制和頂住圍巖向空中位移。 （5）關鍵部耦合組合支護理論該理論認為：巷道支護破壞大多是由于支護體與圍巖體在強度、剛度和結構等方面存在不耦合造成的。要采取適當的支護轉化技術，使其相互耦合，復雜巷道支護要分為兩次支護，第一次是柔性的面支護，第二次是關鍵部位的點支護。1.3 軟巖巷道支護技術現狀1.3.1 錨桿支護 在巷道支護中，錨桿支護與傳統的棚式支護相比，具有顯著的技術、經濟優(yōu)越性，現已發(fā)展成為世界各國礦井巷道以及其它地下工程支護的幾種主要形式之一。錨桿支護有多種組合形式，如錨桿支護、錨噴支護、錨噴網支護等。 國外自40年代井下使用錨桿支護以來，發(fā)展迅速。美國、澳

5、大利亞的礦井煤巷支護中，錨桿支護占90%以上，處于世界領先地位。目前，在美國煤礦中幾乎全部采用了錨桿作為其主要的或輔助的頂板支護措施，而且，美國已研究出經驗類比法、客觀實際法以及二者相結合的錨桿設計方法。 我國1956年開始在煤礦中使用錨桿，至今已經有快50年的歷史了，經歷了試驗摸索階段和全面推廣階段。1975年煤炭工業(yè)部召開了全國錨桿及錨噴支護會議，正式把錨桿支護確定為煤礦井巷支護的技術的發(fā)展方向，并作為重大技術項目在全國煤礦推廣。 錨桿支護的發(fā)展，主要經歷了以下的發(fā)展階段： 1945-1950年，機械式錨桿研究與應用。1950-1960年，采礦業(yè)廣泛采用機械式錨桿，并開始對錨桿支護進行系統

6、研究；1960-1970年，樹脂錨桿推出并在礦井得到應用。1970-1980年發(fā)明管縫式錨桿、脹管式錨桿并應用，研究新的設計方法。長錨索產生。1980-1990年，混合錨頭錨桿、桁架錨桿、特種錨桿等得到應用，樹脂錨固材料得到改進；1990-2000年，以螺紋鋼錨桿為代表的錨桿加之長錨索得到了廣泛的應用，煤礦錨桿支護的發(fā)展，使礦井中的噸煤成本和巷道的支護成本顯著降低。 1.2.2可縮性金屬支架支護 金屬支架，也就是鋼鐵支架，是一種現代化支架，它強度高，構件截面小，支撐效率高，承載能力大，以及在結構上的可制造性，可做成各種力學性能的支架，適合于大斷面，大地壓以及動壓巷道使用。由于錨桿在軟巖巷道支護

7、中的局限性，金屬可縮性支架在軟巖支護中仍然具有很大的市場。 我國在軟巖巷道支護中使用較多的是U型鋼可縮支架。 U型鋼具有良好的斷面和幾何參數，且易于實現型鋼搭接后的縮讓，所以成為制造金屬可縮性支架的主要材料。 早在1932年，德國海茨曼公司就研制成U型鋼可縮性支架，近幾年來得到了不斷的完善和發(fā)展，在煤礦巷道支擴中獲得了廣泛的應用。在德國煤礦巷道中，幾乎都采用U型鋼可縮性支架支護，約占巷道總長的95%，且在開采深度達到1400m，地壓很大，年底膨量在1000mm以上，需經常臥底的巷道中，也獲得了非常好的的支護效果 我國在60年代初期，開灤、淮南、徐州、兗州、鐵法、平頂山等礦區(qū)就已使用了U型鋼可縮

8、性支架，用量已占巷道支架總量的40以上，其中，淮南的用量已超過50萬架，而在開灤礦區(qū)已超過100萬架。我國眾多煤礦采用種種形式和結構的可縮性U型鋼支架。盡管如此，在軟巖及動壓巷道中，我國的U型鋼使用還有些不能令人滿意的地方，這表現存兩個方面： 軟巖巷道U型鋼支護失效的關鍵是強度低，而支護強度低的主要原因支架與圍巖間的接觸狀況差，支架空頂與空幫嚴重，從而不能有效控制巷道變形，使軟巖巷道U型鋼支護失效導致支架型鋼、卡纜的變形破壞嚴重，復用率低，許多礦區(qū)把U型鋼可縮性支架基本上作為一次性投入，極大增加了巷道支護的成本。 U型鋼可縮性支架的最大優(yōu)點在于可縮，但在實際應用中，往往因為往往在其壓縮量很小(

9、遠小于巷道斷面的20%)時就破壞，失去了可縮性的意義。 1.3.3高強砼弧板支架支護 煤礦的深部地層中，當遇到有斷層折皺等地質構造，則破碎圍巖處于高地應力圍巖作用下，當巷道掘進在其中，易出現大地壓、大變形、流變、失穩(wěn)和塌冒，錨噴支護往往發(fā)生噴層開裂，錨桿連根整體位移，U型鋼支架則被壓得扭曲失去其支撐力，使得巷道支護十分困難。 比利時在軟巖巷道中利用全斷面掘進機掘進，并使弧板安裝與壁后充填實現了機械化，頗引人注目；這種大弧板支架的成本不到U型鋼可縮性支架的一半，而其承載力可比后者高約2倍。 我國80年代初引進了比利時的大型弧板支護技術，經過改進，使其得到進一步完善與提高。所謂大型鋼筋混凝土弧板，

10、其基木上將煤礦建井工作者所熟知的豎井預制丘賓塊大型化(每截面僅由4-5塊拼裝)，然后應用于軟巖圓形巷道中。東北大學80年代初首先在沈北煤礦軟巖巷道中，試驗用錨噴網作首次支護，再用大型弧板二次支護。每塊弧板中央均留有中心孔，預埋短管，以便安裝通過銷子與安裝機外伸臂連接；每塊間墊有20mm木板，壁后充填低標號混凝土或散沙?！捌呶濉笨萍脊リP時，東北大學在梅河進一步試驗了這種支架?；茨系V院和同濟大學于“七五”期間在淮南礦務局的同一巷道中試驗了兩種類型的大弧板支架。 目前高強砼弧板支架支護存在問題:安裝機械手不配套，壁后充填緩沖層預留大變形層的施工不配套，不能適應軟巖巷道的變形規(guī)律。（3）碎裂結構（4）

11、散體結構圖2.3 碎裂結構頂板示意圖 圖2.4 散體結構頂板示意圖 （5）層狀結構 層狀結構頂板示意圖見圖2.5所示。層狀結構頂板受兩組結構面切割而形成，但層理面是主要控制結構面，節(jié)理面發(fā)育較少，不是主要結構面。層狀結構巖體是構造較為簡單的沉積巖，巖層產狀可以是水平的，也可以是傾斜的。它可以由單一巖性組成，也可由不同巖性互層或夾層組合而成。層面常有層間錯動，層面連接力較弱。該類頂板大量存在，是一種主要的煤巷頂板結構類型，也是本文研究的煤巷頂板類型。層狀結構巖體由許多分層構成，實踐表明，分層厚度往往并不相等。圖2.5 層狀結構頂板示意圖（4）擠壓流動破壞。 （圖2.7）圖2.7 煤巷頂板擠壓流動

12、破壞(a)圍巖應力分布 (b)裂隙發(fā)育 (c)頂板冒落與片幫3層狀軟巖頂板錨桿支護作用機理及支護設計 3.1 煤巷層狀軟巖頂板支護結構選擇 在巷道中無論采用錨桿支護還是框式支護，它們的主要功能和作用都是將支撐荷載作用到巷道周邊，對圍巖施加徑向力，加強巷道圍巖的穩(wěn)定性，保持巖體固有強度，發(fā)揮巖體自承能力，以控制巷道圍巖變形及防止巖塊塌落，巷道支護根據其對圍巖的加固和作用方式可以分為以下四類: (1) 支護力作用在巷道圍巖表面的支護方式。如各種類型的支架、碹砌、控制底鼓和承載能力較大的環(huán)形支架、以及適應圍巖變形的可縮性支架。 (2) 改善支架受力狀況，提高支護力的方式。如框式支架實施壁后充填，及噴

13、漿等，能夠使支架盡早承載并且均勻受力，從而提高承載能力，將支架、充填體和圍巖三者形成共同的承載體系。 (3) 改善巷道圍巖性質，提高圍巖強度的加固方法。如巖體注漿，可明顯可以改善巖體結構，提高巖體的強度和變形模量。 (4) 支護力不但作用在圍巖表面，而且作用在圍巖體內部的支護方式。如錨桿對提高巖體自身承載能力具有重要作用。 層狀軟巖頂板煤巷一般屬于軟巖巷道。軟巖巷道的變形破壞具有自身特點，支護結構只有符合其變形破壞特征，才能維護巷道的穩(wěn)定。要維護軟巖巷道的穩(wěn)定，支護結構必須具備以下特點： （1）強柔性 ；（2）高可縮性 ；（3）邊支邊讓； （4）增阻性；（5）有限的可縮性；（6） 抗彎性；（7

14、）施工方便性 ；（8）經濟性； 在對煤巷層狀軟巖頂板支護結構的選擇上，我們首先要認識支護結構與圍巖的作用關系。錨桿和表面支護（或支架）與巷道頂板的相互作用關系方面的主要區(qū)別為：支架只與頂板圍巖周邊接觸，支架的支護力對頂板深部巖體的變形和破壞不發(fā)生直接影響；而錨桿支護是依靠錨桿和頂板圍巖之間的相互錯動來產生錨固力，所以錨桿支護能夠影響頂板深部圍巖的變形和破壞。 錨桿和表面支護(或支架)相比，除錨桿構件用材量比支架要少的多，輔助運輸量也大為減少，有利于實現支護機械化，及巷道斷面利用率高等優(yōu)點外，主要優(yōu)點是初撐力高，增阻速度快，圍巖自身得到加固，能充分發(fā)揮圍巖的自承能力。 因此對于煤巷層狀軟巖頂板支

15、護結構的選取以錨桿支護較好。3.2 錨桿支護作用機理分析 錨桿的作用應是增加不連續(xù)面間的摩擦力，消除或削減巖層的層面效應，提高其圍巖整體強度。在頂板上安裝錨桿，就相當于增加了支點，減小了頂板的跨度，使頂板巖層的屈曲應力和撓度得到降低，增強了頂板的穩(wěn)定性。 錨桿作用機理可分為以下三個階段進行分析 ： （1）錨桿的早期作用 （2）錨桿的中期作用 （3）錨桿的后期作用圖3.1 巷道圍巖承載結構3.3 煤巷層狀結構頂板錨桿支護設計3.3.1 設計原則（1） 層狀結構類型細分厚分層分層厚度 ；中厚分層分層厚度 m；薄分層分層厚度 m；（2）錨桿參數設計原則圖3.2 設計原則 將第i層穩(wěn)定跨距與離層跨距相比較即可判斷該層的穩(wěn)定性： 第i層穩(wěn)定； 第i層處于臨界狀態(tài)； 第i層失穩(wěn)。 當第