煤礦頂板管理技術(shù)培訓(xùn)課件

煤礦頂板管理技術(shù)二金屬支架支護(hù)原理與技術(shù)一三錨桿（索）支護(hù)理論與技術(shù)煤礦頂板支護(hù)基本情況（一）煤礦頂板災(zāi)害形勢(shì)嚴(yán)峻一、煤礦頂板支護(hù)基本情況巷道是井工煤礦開采的必要通道，巷道圍巖的穩(wěn)定與否直接影響著煤礦的安全高效生產(chǎn)；我國煤礦新掘巷道長度約12000公里/年，其中90%以上為采動(dòng)巷道，規(guī)模巨大，居世界第一位。巷道主井副井工作面井工煤礦開采示意圖頂板事故占煤礦事故總數(shù)的56%頂板事故造成的死亡人數(shù)占38%在頂板事故中局部失穩(wěn)災(zāi)害占81%（一）煤礦頂板災(zāi)害形勢(shì)嚴(yán)峻近10年煤礦各類事故起數(shù)占比三類頂板事故死亡人數(shù)比例近10年煤礦各類事故死亡人數(shù)占比一、煤礦頂板支護(hù)基本情況（二）煤礦頂板事故類型——頂板巖體局部破碎失穩(wěn)災(zāi)害頂板巖體局部失穩(wěn)災(zāi)害占頂板事故總數(shù)的81%貴州安利來煤礦掘進(jìn)頭后方49m、86m處發(fā)生局部冒頂，先后困住工人56人。事故2同煤塔山礦輔運(yùn)巷頂板局部冒頂。冒頂高度10余米，長度達(dá)47米，死亡11人。事故1新疆焦煤2130煤礦主斜井頂板大塊巖體滑落冒頂，造成10人死亡。事故3頂板事故類型1一、煤礦頂板支護(hù)基本情況頂板大巖塊局部滑落掘進(jìn)頭局部冒頂頂板局部失穩(wěn)災(zāi)害支架頂梁局部漏頂巷道頂板局部冒落（最多）(二)頂板事故類型——頂板巖體局部破碎失穩(wěn)災(zāi)害一、煤礦頂板支護(hù)基本情況（二）煤礦頂板事故類型——堅(jiān)硬頂板大面積破斷失穩(wěn)災(zāi)害事故2陜西榆林后柳塔煤礦井下大面積采空區(qū)煤柱失穩(wěn)，并發(fā)生頂板大面積破斷冒頂，致4人死亡、5人受傷。事故1同煤集團(tuán)安平煤業(yè)公司采空區(qū)強(qiáng)制放頂，引起采空區(qū)大面積懸頂突然垮落，造成20名礦工遇難。堅(jiān)硬頂板破斷失穩(wěn)災(zāi)害事故占事故總數(shù)的13%。一、煤礦頂板支護(hù)基本情況（二）煤礦頂板事故類型——堅(jiān)硬頂板大面積破斷失穩(wěn)沖擊災(zāi)害事故22017年遼寧沈陽焦煤股份有限公司紅陽三礦發(fā)生沖擊地壓事故，造成10人死亡，6人被困。事故12012年同煤忻州窯礦堅(jiān)硬頂板條件下沖擊地壓(震級(jí)3.2級(jí))，沖擊長度60余米。沖出煤量達(dá)500余噸，巷道底臌達(dá)1.2m，兩座風(fēng)橋損壞，巷內(nèi)的木排柱被沖飛和折斷。堅(jiān)硬頂板大面積破斷失穩(wěn)沖擊災(zāi)害占事故總數(shù)的6%。一、煤礦頂板支護(hù)基本情況煤系地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜巖體在自然狀態(tài)下經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)作用過程，其中存在著各種地質(zhì)構(gòu)造和弱面，如不整合、褶皺、斷層、節(jié)理、裂隙等。巖石遇水膨脹，強(qiáng)度劣化巷道圍巖物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)圍巖變形破壞具有顯著的影響。例如：含有膨脹性礦物圍巖，遇水膨脹，圍巖強(qiáng)度大打折扣。采動(dòng)應(yīng)力疊加回采巷道靠近擾動(dòng)源，采動(dòng)影響明顯，圍巖大變形比重高。

錨索破斷（1）煤礦巷道及其圍巖條件的復(fù)雜性（三）煤礦頂板支護(hù)存在的問題一、煤礦頂板支護(hù)基本情況巷道圍巖變形嚴(yán)重幾種典型困難條件巷道：高應(yīng)力巷道、軟巖巷道、受多次采動(dòng)巷道及小煤柱回采巷道及沿空留巷巷道。局部支護(hù)強(qiáng)度不足高密度錨桿支護(hù)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)固化、參數(shù)過于保守同一煤層錨桿支護(hù)參數(shù)基本相同，且60%以上區(qū)域支護(hù)密度過大，支護(hù)材料浪費(fèi)。局部區(qū)域錨桿支護(hù)強(qiáng)度不足

由于頂板結(jié)構(gòu)變化，存在0.05%左右的區(qū)域錨桿支護(hù)強(qiáng)度不足。因此，經(jīng)常出現(xiàn)巷道局部冒頂事故，說明巷道關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度不足。（2）煤礦頂板支護(hù)設(shè)計(jì)存在問題一、煤礦頂板支護(hù)基本情況（3）“冒頂判別準(zhǔn)則尚未建立，冒頂隱患難以定位無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷層破碎帶、圍巖劣化區(qū)等重大隱患區(qū)域，使巷道冒頂具有隱蔽性、偶然性和突發(fā)性，造成無法預(yù)知冒頂?shù)臅r(shí)間、地點(diǎn)和范圍，帶來了巨大的精神壓力和心理恐懼，不得不采用過度支護(hù)來預(yù)防冒頂事故，造成大量支護(hù)浪費(fèi)。巷道頂板潛藏有冒頂隱患區(qū)域圍巖劣化區(qū)掘進(jìn)方向錨桿錨索斷層破碎帶重大隱患區(qū)重大隱患區(qū)巷道軸向一、煤礦頂板支護(hù)基本情況（4）現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)難以滿足復(fù)雜困難條件下巷道頂板支護(hù)普通錨桿長度、強(qiáng)度不足，無法有效控制圍巖變形；常規(guī)錨索延伸率小，無法與圍巖協(xié)同變形；支架為被動(dòng)支護(hù)，存在強(qiáng)度或可縮性能缺陷，或無法耦合；噴、注不能從根本上控制冒頂；錨索破斷導(dǎo)致冒頂現(xiàn)場(chǎng)錨索破斷現(xiàn)場(chǎng)錨索失效一、煤礦頂板支護(hù)基本情況（5）其他問題施工管理不嚴(yán)，施工質(zhì)量差

施工管理不到位，支護(hù)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工差距大，錨桿安裝后沒有進(jìn)行有效的錨固質(zhì)量檢測(cè)；現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形監(jiān)測(cè)不到位，信息反饋不及時(shí)

原巖應(yīng)力場(chǎng)、采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)與支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試與分析不足，導(dǎo)致“三場(chǎng)”分布特征及相互作用關(guān)系不清楚，無法準(zhǔn)確評(píng)估圍巖穩(wěn)定性；

一是造成大部分巷道支護(hù)過剩，支護(hù)浪費(fèi)巨大。二是巷道冒頂高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域支護(hù)不足，冒頂事故頻發(fā)。由于存在上述原因，導(dǎo)致目前煤礦頂板支護(hù)存在如下突出矛盾：高密度幫錨桿支護(hù)失效一、煤礦頂板支護(hù)基本情況一煤礦頂板支護(hù)基本情況二三錨桿（索）支護(hù)理論及技術(shù)四工程應(yīng)用及展望金屬支架支護(hù)原理與技術(shù)我國煤礦巷道支護(hù)先后經(jīng)歷了最初的木棚架支護(hù)、工字鋼棚架支護(hù)、U型鋼可縮性支架支護(hù)。發(fā)展至今，以錨桿/錨索支護(hù)為主導(dǎo)，其他支護(hù)為輔的支護(hù)方式。

煤礦頂板支護(hù)方式發(fā)展歷程木棚架支護(hù)U型鋼可縮性支架工字鋼棚架支護(hù)錨桿錨索支護(hù)二、金屬支架支護(hù)原理與技術(shù)金屬支架巷道金屬支架直腿拱形棚架曲腿拱形棚架梯形棚架棚腿彎曲棚腿折損二、金屬支架支護(hù)原理與技術(shù)20世紀(jì)70、80年代，金屬支架發(fā)展迅速并成為國內(nèi)外煤礦巷道支護(hù)的主要形式，由剛開始的剛性金屬支架向可縮性金屬支架發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)后雖然大多數(shù)礦井采用錨桿支護(hù)，但對(duì)于部分條件不適宜錨桿支護(hù)的礦井，仍需要采用金屬支架或其他支護(hù)構(gòu)件與其聯(lián)合支護(hù)方式。1巷道金屬支架工作特性一.巷道支架支護(hù)原理二.巷道金屬支架類型三.金屬支架的拉桿和背板巷道金屬支架2“支架-圍巖”相互作用狀態(tài)3“支架-圍巖”相互作用原理4.“支架-圍巖”相互作用原理的應(yīng)用二、金屬支架支護(hù)原理與技術(shù)因此，把“支架-圍巖”看作是一個(gè)相互作用和共同承載的力學(xué)體系，正確處理“支架-圍巖”關(guān)系是金屬支架支護(hù)的理論基礎(chǔ)。巷道金屬支架工作特性工作特征：巷道金屬支架受載大小不僅取決于支架的力學(xué)特性（承載能力、剛度和結(jié)構(gòu)特征），而且與其支護(hù)對(duì)象—圍巖的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，也就是“支架-圍巖”相互作用關(guān)系。(一)巷道金屬支架支護(hù)原理二、金屬支架支護(hù)原理與技術(shù)“支架-圍巖”相互作用原理的應(yīng)用采用具有一定初始工作阻力的金屬支架，不僅可增加圍巖圍壓，提高圍巖強(qiáng)度，在減輕支架自身承受載荷的同時(shí)，又能提高圍巖自身的承載能力，發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)的作用。金屬可縮性支架不僅對(duì)圍巖的變形產(chǎn)生一定的阻力，本身還具有可縮性，能避免支架嚴(yán)重變形和損壞。支架在允許圍巖有限變形繼續(xù)釋放能量的同時(shí)，仍具有足夠的工作阻力，既能適應(yīng)圍巖的變形，又能控制圍巖的變形，充分發(fā)揮其支護(hù)效果。巷道開挖后，由于圍巖變形量較大且持續(xù)時(shí)間較長，需進(jìn)行一次支護(hù)，一次支護(hù)期間允許圍巖產(chǎn)生一定的變形，在圍巖變形和能量釋放到一定程度后，進(jìn)行支架二次支護(hù)。3.強(qiáng)調(diào)主動(dòng)支護(hù)1.實(shí)行二次支護(hù)2.采用柔性支護(hù)(一)巷道支架支護(hù)原理二、金屬支架支護(hù)原理與技術(shù)金屬支架類型一.巷道支架支護(hù)原理二.巷道金屬支架類型三.金屬支架的拉桿和背板巷道金屬支架U型可縮性支架礦用工字鋼支架二、金屬支架支護(hù)原理與技術(shù)主要性能：抗拉、抗壓、抗剪和韌性礦用金屬支架性能主要幾何參數(shù)：抗彎截面模量，兩個(gè)方向抗彎截面模量Wx、Wy盡可能接近合理幾何形狀的要求：搭接處接觸面積大、受力狀況良好、平穩(wěn)滑移礦用工字鋼礦用U型鋼礦用工字鋼特點(diǎn)：高寬比減小，腹板加厚，翼緣厚且斜度大我國主要的U型剛型號(hào)：U18、U25、U29、U36(二)巷道金屬支架類型二、金屬支架支護(hù)原理與技術(shù)更多采用U型鋼可縮性支架支護(hù)U型剛可縮性支架的連接件（1）螺栓連接件（2）楔式連接件上限位塊下限位塊上限位連接件中間連接件下限位連接件通過楔子或具有斜面的構(gòu)件擠壓型鋼提供鎖緊力(二)巷道金屬支架類型二、金屬支架支護(hù)原理與技術(shù)

拱形可縮性金屬支架基本結(jié)構(gòu)類型三節(jié)式四節(jié)式五節(jié)式曲腿式非對(duì)稱式封閉式1.U型剛拱形可縮性支架(二)巷道金屬支架類型二、金屬支架支護(hù)原理與技術(shù)特點(diǎn)及適用條件：具有良好的受力狀況，承載力相對(duì)較大，適應(yīng)巷道圍巖體的較大變形，應(yīng)用最為廣泛。一煤礦頂板支護(hù)基本情況三二金屬支架支護(hù)原理與技術(shù)錨桿（索）支護(hù)理論及技術(shù)三、錨桿（索）支護(hù)理論與技術(shù)懸吊理論組合梁理論組合拱理論最大水平應(yīng)力理論松動(dòng)圈理論圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論傳統(tǒng)錨桿（索）支護(hù)理論

錨桿（索）支護(hù)理論三、錨桿（索）支護(hù)理論與技術(shù)

懸吊理論

錨桿支護(hù)的作用是將頂板下部不穩(wěn)定的巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層上。是最早的錨桿支護(hù)理論，具有直觀、易懂及使用方便等特點(diǎn)。這種支護(hù)理論應(yīng)用最廣泛的理論。

在頂板上部有穩(wěn)定巖層，將破壞區(qū)載荷懸吊于穩(wěn)定巖層(圖a)；

在比較軟弱的圍巖中，巷道開掘后應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)松動(dòng)破碎區(qū)，在其上部形成自然平衡拱，將松動(dòng)破碎區(qū)載荷懸吊于巷道冒落拱上(圖b)。圖b圖a組合梁理論

錨桿作用實(shí)質(zhì)在于錨桿將鄰近頂板的若干巖層錨固成一個(gè)較厚的組合巖梁，這種組合梁在上覆巖層載荷作用下，最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力大大減小，撓度也顯著減小。增大巖層各分層間的摩擦力；阻止層間相互錯(cuò)動(dòng)，使全部錨固層共同變形。無錨桿支護(hù)有錨桿支護(hù)三、錨桿（索）支護(hù)理論與技術(shù)“納鞋底”組合拱理論將錨桿沿巷道周邊按照一定的間排距布置，每根錨桿形成的錐形壓縮區(qū)彼此連接，在圍巖中形成一個(gè)均勻的連續(xù)擠壓加固拱，加固拱能夠承受壓力，阻止圍巖松動(dòng)和變形。在松散體安裝錨桿，能夠形成以錨頭和緊固端為頂點(diǎn)的錐形壓縮區(qū)，壓縮區(qū)內(nèi)松散體由于受擠壓而保持穩(wěn)定；間排距足夠小，錐形壓縮體重疊連接。錨桿組合拱原理三、錨桿（索）支護(hù)理論與技術(shù)將巷道冒頂隱患分級(jí)分為Ⅳ級(jí)將巷道頂板分為四級(jí)，其中Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)頂板的最大冒頂高度分別為1.5m、3.5m、5.5m，Ⅳ級(jí)頂板最大冒頂高度不確定，冒頂隱患級(jí)別最高。頂板級(jí)別冒頂控制難易程度最大冒頂高度穩(wěn)定巖層位置Ⅰ級(jí)容易≤1.5m≤2.0mⅡ級(jí)較困難≤3.5m2.0～4.0mⅢ級(jí)困難≤5.5m4.0～6.0mⅣ級(jí)極困難不確定≥6.0m巷道冒頂隱患分級(jí)指標(biāo)體系和分級(jí)方法三、錨桿（索）支護(hù)理論與技術(shù)對(duì)具有不同冒頂隱患分級(jí)的巷道采用支護(hù)對(duì)策Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)頂板冒頂隱患較小，宜優(yōu)化常規(guī)錨桿索支護(hù)參數(shù)控制冒頂，可大幅度降低支護(hù)費(fèi)用，提高掘進(jìn)速度。Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)頂板冒頂隱患高，傳統(tǒng)控制方法留有冒頂隱患，采用適合圍巖變形的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)控制冒頂，消除冒頂隱患，保障頂板安全。冒頂隱患分級(jí)區(qū)劃圖

巷道冒頂隱患分級(jí)指標(biāo)體系和分級(jí)方法三、錨桿（索）支護(hù)理論與技術(shù)巷道頂板錨桿（索）支護(hù)參數(shù)巷道跨度為5m時(shí)錨桿支護(hù)參數(shù)（無錨索支