煤矿掘进顶板管理课件

掘进顶板管理授课人：高雷南屯煤矿生产技术科南屯煤矿掘进班组长强化培训目录•一、矿山岩石基本性质•二、顶、底板有关概念•三、巷道支护技术•四、巷道顶板事故及防治技术•五、煤矿顶板事故案例分析1.岩石——是矿物的凝聚体（由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而成）按成因：岩浆岩、沉积岩、变质岩按固体矿物颗粒间的结合特征：固结性、粘结性、散粒状按力学强度和坚实性：坚硬岩石、松软岩石煤矿中常见：砂岩、石灰岩、砂质页岩、泥质页岩、粉砂岩等一、矿山岩石基本性质2.岩石的强度：在载荷作用下岩石变形，达到一定程度就会破坏。（1）抗压强度——岩石试件在压缩时所能承受的最大压应力值。分单向、双向、三向抗压强度。（2）抗拉强度——岩石试件在拉伸时所能承受的最大拉应力值。（3）抗剪强度——岩石抵抗剪切的极限强度。实验研究结论：•岩石在不同受力状态下的各种强度值、一般符合下列由大到小的顺序：三向等压抗压强度＞三向不等压抗压强度＞双向抗压强度＞单向抗压强度＞抗剪强度＞抗拉强度•岩石的强度越高、其抵抗外力使其变形、破坏的能力越强、则巷道越稳定。有的巷道可以利用围岩本身的强度而不支护、就可以维持巷道的稳定。3.岩石的破坏类型研究表明：不论加载方式如何，岩石总是被拉坏或剪坏。拉坏（岩石断裂面明显离开，断裂面间没有错动）剪坏（岩石断裂不离开，断裂面一定发生错动）岩石被压坏的原因是因为与压应力不垂直的平面上出现剪应力，当剪应力达到极限时被剪切破坏。4.岩石的硬度（坚固性）岩石的硬度、一般理解为岩石抵抗其他较硬物体侵入的能力。硬度与抗压强度有联系又有区别。对于凿岩、岩石的硬度比单向抗压强度更具有实际意义、因为钻具对孔底岩石的破碎方式多数情况下是局部压碎。所以，硬度指标更接近反映钻凿岩石的实质和难易程度。坚固性系数的基本概念•岩石的坚固性是指岩石的爆破和凿岩的难易程度。分级指标f称普氏岩石坚固性系数。•这个分法将岩石按坚固性分为10级15种，在现场使用不方便。为了简化，我国煤炭系统按坚固性将煤、岩分类为：•软煤f=1-1.5•硬煤f=2-3•软岩f=2-3•中硬岩f=4-6•硬岩f=8-10•坚硬岩石f=12-14•最坚硬岩石f=15-205.围岩的分类•根据成因的不同、岩石分为岩浆岩、沉积岩、变质岩。对于采掘工程来说、还要对岩石进行定量的区分、以便能正确地进行工程设计、合理地选用施工方法、施工设备、机具与器材。•工程实践与理论研究得出、围岩的稳定性主要取决于岩体的结构和岩体强度、煤矿部门根据锚喷支护与施工的需要、根据煤矿岩层的特点、制定了围岩分类表。围岩分类围岩分类岩层描述巷道开掘后围岩的稳定状态岩种举例类别名称Ⅰ稳定岩层1.岩层完整坚硬、不易风化2.层状岩层层间胶结好、无软弱夹层围岩长期不支护无碎块掉落现象完整的玄武岩Ⅱ稳定性较好的岩层1.完整比较坚硬2.层状岩层层间胶结好3.坚硬块状岩层、裂隙面闭合、无泥质充填物围岩较长时间不支护会出现小块掉落现象胶结好的砂岩、砾岩Ⅲ中等稳定岩层1.岩层完整中硬2.层状岩层以坚硬岩层为主，夹有少数的软岩层3.比较坚硬的块状岩层能维持一个月以上的稳定、会产生局部岩块掉落砂岩、砂质页岩Ⅳ稳定性较差的岩层1.较软的完整岩层2.中硬的层状岩层3.中硬的块状岩层围岩的稳定时间仅有几天页岩、泥岩Ⅴ不稳定岩层1.易风化潮解剥落的松软岩层2.各类破碎岩层围岩很容易产生冒顶片帮炭质页岩、煤二、顶、底板有关概念位于煤层上面的岩层叫顶板，位于煤层下面的岩石叫底板。1.顶板（1）伪顶——紧贴煤层，随采随落，厚度一般0.3m～0.5m。（2）直接顶——位于伪顶或煤层（无伪顶时）之上，由一层或几层岩层组成，一般能随回柱放顶及时垮落。（3）基本顶——位于直接顶之上（有时直接位于煤层之上）厚而坚硬的岩层。能维持很大的悬露面积而不随直接顶垮落。2.底板（1）直接底——位于煤层之下、厚度较小（约0.2m～0.4m），常由泥岩、页岩、粘土岩组成。（2）老底——位于直接底或煤层（无直接底时）之下，一般由砂岩或石灰岩等坚固的岩层组成。支护的作用在于改善围岩稳定状况和控制围岩运动的发展速度、以维护安全的工作空间。围岩是承受地压的主要结构、设置人工支护只是为了改善和提高围岩自身支持能力。围岩不仅是施载物体、又是承载结构体、围岩承载圈和支护体是组构巷道的统一体、是一个力学体系、是同时承受铅垂与水平作用力的厚壁圆筒、巷道的开掘与支护都要为保持与改善围岩的自持能力服务。三、巷道支护技术（一）支架的形式巷道支护的支架形式有：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；锚杆喷浆等支护方法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的巷道、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。（二）金属支架金属支架主要有梯形、拱形、封闭曲线形支架。1.金属梯形支架主要有梯形刚性和梯形可缩性支架两种、其力学特征和适用条件见下表。梯形支架的力学特征及适用条件序号支架架型主要力学特征使用条件1梯形刚性支架不可缩承载能力较小围岩较稳定、变形量较小、在200mm左右、多用于巷道净端面小于10m2的炮采工作面两巷及综采工作面的回风平巷2梯形可缩性支架垂直可缩承载能力小围岩较稳定、顶压较大、侧压较小、多用于巷道净端面小于10m2的炮采工作面回风平巷。其顶底板相对移近率在10%～35%之间2.拱形金属支架主要有半圆拱可缩性支架、三心拱直腿可缩性支架、三心拱曲腿可缩性支架三种、其力学特性和适用条件见下表。U型钢可缩性支架的力学性能及适用条件序号支架类型主要力学特征适用条件1半圆拱可缩性支架承载能力较大、特别是在均匀受压时回采巷道和与集中胶带机道连通的石门、围岩压力较大、较均匀或有一定侧压、顶底板相对移近率在10%-35%之间2三心拱直腿可缩性支架承载能力较大、特别是在顶压较大时回采巷道和与集中胶带机道连通的石门、围岩压力较大、特别是顶压较大、顶底板相对移近率在10%-35%之间3三心拱曲腿可缩性支架承载能力较大、抗侧压能力较大回采巷道和与集中胶带机道连通的石门、围岩压力较大、压力较均匀、顶压和侧压均较大、顶底板相对移近率在10%-35%之间3.封闭曲线形可缩性金属支架主要有圆形金属可缩性支架和方环形可缩性金属支架两种、其力学特性和适用条件见下表。封闭曲线形可缩性支架的力学特性及适用条件表序号支架架型主要力学特征使用条件1圆形可缩性支架承载能力大、抗底臌和两帮移近量的能力大、特别是在均压时围岩松软、移近量大、底臌和两帮移近量较严重、在使用非封闭支架时、围岩移近率≥30%～35%、在压力较均匀、并在回风平巷使用时更为有利2方环形可缩性支架承载能力大、抗底臌和两帮移进量的能力大、特别是肩压大、压力不太均匀时围岩松软、移近量大、底臌和两帮移近量较严重、在使用非封闭支架时、围岩移近率≥30%～35%、其压力不太较均匀、并在回风平巷使用时更为有利（三）锚杆支护•从支护机理上看，锚杆支护属于“主动”支护，可以充分利用围岩的自承能力，提高巷道围岩的稳定性，将载荷体变为承载体。在相同生产地质条件下，锚杆支护的巷道围岩变形量比棚式支护减少一半以上。•从技术经济上对比，锚杆支护可以节约大量钢材，减少材料运输工作量，减轻工人的劳动强度和改善作业环境；•保持采煤工作面上下两道和开切眼的畅通，为回采工作面快速推进和高产高效低成本生产创造有利条件；也提高了巷道的有效利用断面。•锚杆支护巷道施工简单，机械化程度高，可大幅度降低巷道支护成本，提高掘进速度和生产效率。1.煤巷锚杆支护作用机理•（1）悬吊理论•（2）组合梁理论•（3）组合拱（压缩拱）理论•（4）最大水平应力理论（1）悬吊理论•机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，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。•缺点：没有考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开。适用条件：•锚杆可以锚固到顶板坚硬稳定岩层（2）组合梁理论•机理：将锚固范围内的岩层挤紧，增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其自撑能力。•将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。在上覆岩层载荷的作用下，这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。•缺点：将锚杆作用与围岩的自稳作用分开；随着围岩条件的变化，在顶板较破碎、连续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。适用条件：•层状地层•顶板在相当距离内不存在稳定岩层，悬吊作用处于次要地位。（3）组合拱（压缩拱）理论•机理：在破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要铺杆间距足够小，各个错杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，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。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。•缺点：一般不能作为准确的定量设计。适用条件：•顶板无稳定岩层（4）最大水平应力理论•机理：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。•缺点：直观性较差。•锚杆分类–材质：木质锚杆、塑料或是玻璃钢锚杆、金属锚杆–锚固：机械锚固、粘结锚固–锚固长度：局部锚固、全长锚固目前90％以上的锚固为金属树脂局部锚固锚杆※锚杆支护－主动支护－通过锚杆的预应力加固松动围岩，提高围岩的自承载能力※实现主动支护的两个关键因素－第一时间施打－第一时间施加预应力※锚杆选型－尽可能选用预应力锚杆－以最小的扭矩产生最大的预应力。※三力匹配问题和三径匹配问题•金属锚杆–左旋细丝锚杆（Q335、Q500）。–右旋全螺纹钢锚杆（Q500）。–圆钢麻花锚杆（Q215、Q335）2.锚杆形式与锚杆结构•左旋预应力阻尼锚杆–是一种预应力锚杆。阻尼有树脂或塑料阻尼、销式阻尼、金属盖片式阻尼三种。–初期锚固力（或预应力）靠树脂粘结力实现。–锚杆搅拌完毕后需要等待40－60秒时间，然后打开阻尼实现锚杆的预应力（初锚力）–锚杆的预应力产生范围只在非锚固范围实现。–该锚杆安装口诀是：“一推”、“二转”、“三停”、“四紧”。随着矿井开采深度加大和巷道断面的扩大，该类锚杆应该是今后发展应用的主流锚杆。②左旋细丝预应力锚杆该锚杆的缺点：加工过程多了压圆、滚丝两个工艺。该锚杆的优点是：（Ⅰ）锚杆预应力大。由于该锚杆螺纹是国标螺纹，螺纹螺距2.5mm，螺纹自锁效果好，通过特制的阻尼螺母，很容易达到设计的预应力。120型气动锚索钻机既可实现4吨的预应力。（Ⅱ）锚杆锚固力高。因该锚杆杆体设计的螺纹方向为左旋方向和锚杆的搅拌树脂方向（右旋）相反，在搅拌树脂的过程中会对树脂产生一个轴向挤压力，大量测试表明，同样杆体直径和同样树脂的情况下，左旋细丝预应力锚杆的锚固力比右旋等强全螺纹钢锚杆锚杆，锚杆力可提高20％以上。（Ⅲ）杆体的有效断面大，锚杆强度高。大量试验表明，同直径同材质的左旋细丝预应力锚杆的破断力比右旋等强全螺纹钢锚杆的破断力高出20％以上。（Ⅳ）左旋细丝预应锚杆因采用了合理的阻尼螺母，螺母材质为球墨铸铁，球墨铸铁和锚杆杆体的摩擦力是最小的，另外采用了减阻特制塑料垫圈，使锚杆的扭矩应力比大大提高。A六方螺母预应力锚杆B四方螺母预应力锚杆上图左旋细丝预应力锚杆示意图②左旋细丝预应力锚杆•右旋无阻尼等强螺纹钢锚杆该锚杆的优点：加工制造简单。该锚杆的缺点是：（Ⅰ）杆体螺距大。螺距通常在10－12mm左右，大螺距螺母与杆体咬合力低，摩擦力大，时常出现锚杆退丝现象，而且锚杆的安装应力低，很难达到2吨以上的预应力。（Ⅱ）锚杆锚固力低。因该锚杆杆体设计的螺纹方向（右旋）和锚杆的搅拌树脂方向（右旋搅拌）旋向相