煤矿顶板管理技术培训课件

煤矿顶板管理技术二金属支架支护原理与技术一三锚杆（索）支护理论与技术煤矿顶板支护基本情况（一）煤矿顶板灾害形势严峻一、煤矿顶板支护基本情况巷道是井工煤矿开采的必要通道，巷道围岩的稳定与否直接影响着煤矿的安全高效生产；我国煤矿新掘巷道长度约12000公里/年，其中90%以上为采动巷道，规模巨大，居世界第一位。巷道主井副井工作面井工煤矿开采示意图顶板事故占煤矿事故总数的56%顶板事故造成的死亡人数占38%在顶板事故中局部失稳灾害占81%（一）煤矿顶板灾害形势严峻近10年煤矿各类事故起数占比三类顶板事故死亡人数比例近10年煤矿各类事故死亡人数占比一、煤矿顶板支护基本情况（二）煤矿顶板事故类型——顶板岩体局部破碎失稳灾害顶板岩体局部失稳灾害占顶板事故总数的81%贵州安利来煤矿掘进头后方49m、86m处发生局部冒顶，先后困住工人56人。事故2同煤塔山矿辅运巷顶板局部冒顶。冒顶高度10余米，长度达47米，死亡11人。事故1新疆焦煤2130煤矿主斜井顶板大块岩体滑落冒顶，造成10人死亡。事故3顶板事故类型1一、煤矿顶板支护基本情况顶板大岩块局部滑落掘进头局部冒顶顶板局部失稳灾害支架顶梁局部漏顶巷道顶板局部冒落（最多）(二)顶板事故类型——顶板岩体局部破碎失稳灾害一、煤矿顶板支护基本情况（二）煤矿顶板事故类型——坚硬顶板大面积破断失稳灾害事故2陕西榆林后柳塔煤矿井下大面积采空区煤柱失稳，并发生顶板大面积破断冒顶，致4人死亡、5人受伤。事故1同煤集团安平煤业公司采空区强制放顶，引起采空区大面积悬顶突然垮落，造成20名矿工遇难。坚硬顶板破断失稳灾害事故占事故总数的13%。一、煤矿顶板支护基本情况（二）煤矿顶板事故类型——坚硬顶板大面积破断失稳冲击灾害事故22017年辽宁沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿发生冲击地压事故，造成10人死亡，6人被困。事故12012年同煤忻州窑矿坚硬顶板条件下冲击地压(震级3.2级)，冲击长度60余米。冲出煤量达500余吨，巷道底臌达1.2m，两座风桥损坏，巷内的木排柱被冲飞和折断。坚硬顶板大面积破断失稳冲击灾害占事故总数的6%。一、煤矿顶板支护基本情况煤系地层结构复杂岩体在自然状态下经历了漫长的地质作用过程，其中存在着各种地质构造和弱面，如不整合、褶皱、断层、节理、裂隙等。岩石遇水膨胀，强度劣化巷道围岩物理化学性质对围岩变形破坏具有显著的影响。例如：含有膨胀性矿物围岩，遇水膨胀，围岩强度大打折扣。采动应力叠加回采巷道靠近扰动源，采动影响明显，围岩大变形比重高。

锚索破断（1）煤矿巷道及其围岩条件的复杂性（三）煤矿顶板支护存在的问题一、煤矿顶板支护基本情况巷道围岩变形严重几种典型困难条件巷道：高应力巷道、软岩巷道、受多次采动巷道及小煤柱回采巷道及沿空留巷巷道。局部支护强度不足高密度锚杆支护锚杆支护设计固化、参数过于保守同一煤层锚杆支护参数基本相同，且60%以上区域支护密度过大，支护材料浪费。局部区域锚杆支护强度不足

由于顶板结构变化，存在0.05%左右的区域锚杆支护强度不足。因此，经常出现巷道局部冒顶事故，说明巷道关键部位设计支护强度不足。（2）煤矿顶板支护设计存在问题一、煤矿顶板支护基本情况（3）“冒顶判别准则尚未建立，冒顶隐患难以定位无法及时发现断层破碎带、围岩劣化区等重大隐患区域，使巷道冒顶具有隐蔽性、偶然性和突发性，造成无法预知冒顶的时间、地点和范围，带来了巨大的精神压力和心理恐惧，不得不采用过度支护来预防冒顶事故，造成大量支护浪费。巷道顶板潜藏有冒顶隐患区域围岩劣化区掘进方向锚杆锚索断层破碎带重大隐患区重大隐患区巷道轴向一、煤矿顶板支护基本情况（4）现有支护结构难以满足复杂困难条件下巷道顶板支护普通锚杆长度、强度不足，无法有效控制围岩变形；常规锚索延伸率小，无法与围岩协同变形；支架为被动支护，存在强度或可缩性能缺陷，或无法耦合；喷、注不能从根本上控制冒顶；锚索破断导致冒顶现场锚索破断现场锚索失效一、煤矿顶板支护基本情况（5）其他问题施工管理不严，施工质量差

施工管理不到位，支护设计与现场施工差距大，锚杆安装后没有进行有效的锚固质量检测；现场围岩变形监测不到位，信息反馈不及时

原岩应力场、采动应力场与支护应力场测试与分析不足，导致“三场”分布特征及相互作用关系不清楚，无法准确评估围岩稳定性；

一是造成大部分巷道支护过剩，支护浪费巨大。二是巷道冒顶高风险区域支护不足，冒顶事故频发。由于存在上述原因，导致目前煤矿顶板支护存在如下突出矛盾：高密度帮锚杆支护失效一、煤矿顶板支护基本情况一煤矿顶板支护基本情况二三锚杆（索）支护理论及技术四工程应用及展望金属支架支护原理与技术我国煤矿巷道支护先后经历了最初的木棚架支护、工字钢棚架支护、U型钢可缩性支架支护。发展至今，以锚杆/锚索支护为主导，其他支护为辅的支护方式。

煤矿顶板支护方式发展历程木棚架支护U型钢可缩性支架工字钢棚架支护锚杆锚索支护二、金属支架支护原理与技术金属支架巷道金属支架直腿拱形棚架曲腿拱形棚架梯形棚架棚腿弯曲棚腿折损二、金属支架支护原理与技术20世纪70、80年代，金属支架发展迅速并成为国内外煤矿巷道支护的主要形式，由刚开始的刚性金属支架向可缩性金属支架发展，进入21世纪后虽然大多数矿井采用锚杆支护，但对于部分条件不适宜锚杆支护的矿井，仍需要采用金属支架或其他支护构件与其联合支护方式。1巷道金属支架工作特性一.巷道支架支护原理二.巷道金属支架类型三.金属支架的拉杆和背板巷道金属支架2“支架-围岩”相互作用状态3“支架-围岩”相互作用原理4.“支架-围岩”相互作用原理的应用二、金属支架支护原理与技术因此，把“支架-围岩”看作是一个相互作用和共同承载的力学体系，正确处理“支架-围岩”关系是金属支架支护的理论基础。巷道金属支架工作特性工作特征：巷道金属支架受载大小不仅取决于支架的力学特性（承载能力、刚度和结构特征），而且与其支护对象—围岩的力学性质和结构有密切关系，也就是“支架-围岩”相互作用关系。(一)巷道金属支架支护原理二、金属支架支护原理与技术“支架-围岩”相互作用原理的应用采用具有一定初始工作阻力的金属支架，不仅可增加围岩围压，提高围岩强度，在减轻支架自身承受载荷的同时，又能提高围岩自身的承载能力，发挥主动支护的作用。金属可缩性支架不仅对围岩的变形产生一定的阻力，本身还具有可缩性，能避免支架严重变形和损坏。支架在允许围岩有限变形继续释放能量的同时，仍具有足够的工作阻力，既能适应围岩的变形，又能控制围岩的变形，充分发挥其支护效果。巷道开挖后，由于围岩变形量较大且持续时间较长，需进行一次支护，一次支护期间允许围岩产生一定的变形，在围岩变形和能量释放到一定程度后，进行支架二次支护。3.强调主动支护1.实行二次支护2.采用柔性支护(一)巷道支架支护原理二、金属支架支护原理与技术金属支架类型一.巷道支架支护原理二.巷道金属支架类型三.金属支架的拉杆和背板巷道金属支架U型可缩性支架矿用工字钢支架二、金属支架支护原理与技术主要性能：抗拉、抗压、抗剪和韧性矿用金属支架性能主要几何参数：抗弯截面模量，两个方向抗弯截面模量Wx、Wy尽可能接近合理几何形状的要求：搭接处接触面积大、受力状况良好、平稳滑移矿用工字钢矿用U型钢矿用工字钢特点：高宽比减小，腹板加厚，翼缘厚且斜度大我国主要的U型刚型号：U18、U25、U29、U36(二)巷道金属支架类型二、金属支架支护原理与技术更多采用U型钢可缩性支架支护U型刚可缩性支架的连接件（1）螺栓连接件（2）楔式连接件上限位块下限位块上限位连接件中间连接件下限位连接件通过楔子或具有斜面的构件挤压型钢提供锁紧力(二)巷道金属支架类型二、金属支架支护原理与技术

拱形可缩性金属支架基本结构类型三节式四节式五节式曲腿式非对称式封闭式1.U型刚拱形可缩性支架(二)巷道金属支架类型二、金属支架支护原理与技术特点及适用条件：具有良好的受力状况，承载力相对较大，适应巷道围岩体的较大变形，应用最为广泛。一煤矿顶板支护基本情况三二金属支架支护原理与技术锚杆（索）支护理论及技术三、锚杆（索）支护理论与技术悬吊理论组合梁理论组合拱理论最大水平应力理论松动圈理论围岩强度强化理论传统锚杆（索）支护理论

锚杆（索）支护理论三、锚杆（索）支护理论与技术

悬吊理论

锚杆支护的作用是将顶板下部不稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层上。是最早的锚杆支护理论，具有直观、易懂及使用方便等特点。这种支护理论应用最广泛的理论。

在顶板上部有稳定岩层，将破坏区载荷悬吊于稳定岩层(图a)；

在比较软弱的围岩中，巷道开掘后应力重新分布，出现松动破碎区，在其上部形成自然平衡拱，将松动破碎区载荷悬吊于巷道冒落拱上(图b)。图b图a组合梁理论

锚杆作用实质在于锚杆将邻近顶板的若干岩层锚固成一个较厚的组合岩梁，这种组合梁在上覆岩层载荷作用下，最大弯曲应变和应力大大减小，挠度也显著减小。增大岩层各分层间的摩擦力；阻止层间相互错动，使全部锚固层共同变形。无锚杆支护有锚杆支护三、锚杆（索）支护理论与技术“纳鞋底”组合拱理论将锚杆沿巷道周边按照一定的间排距布置，每根锚杆形成的锥形压缩区彼此连接，在围岩中形成一个均匀的连续挤压加固拱，加固拱能够承受压力，阻止围岩松动和变形。在松散体安装锚杆，能够形成以锚头和紧固端为顶点的锥形压缩区，压缩区内松散体由于受挤压而保持稳定；间排距足够小，锥形压缩体重叠连接。锚杆组合拱原理三、锚杆（索）支护理论与技术将巷道冒顶隐患分级分为Ⅳ级将巷道顶板分为四级，其中Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级顶板的最大冒顶高度分别为1.5m、3.5m、5.5m，Ⅳ级顶板最大冒顶高度不确定，冒顶隐患级别最高。顶板级别冒顶控制难易程度最大冒顶高度稳定岩层位置Ⅰ级容易≤1.5m≤2.0mⅡ级较困难≤3.5m2.0～4.0mⅢ级困难≤5.5m4.0～6.0mⅣ级极困难不确定≥6.0m巷道冒顶隐患分级指标体系和分级方法三、锚杆（索）支护理论与技术对具有不同冒顶隐患分级的巷道采用支护对策Ⅰ级、Ⅱ级顶板冒顶隐患较小，宜优化常规锚杆索支护参数控制冒顶，可大幅度降低支护费用，提高掘进速度。Ⅲ级、Ⅳ级顶板冒顶隐患高，传统控制方法留有冒顶隐患，采用适合围岩变形的联合支护技术控制冒顶，消除冒顶隐患，保障顶板安全。冒顶隐患分级区划图

巷道冒顶隐患分级指标体系和分级方法三、锚杆（索）支护理论与技术巷道顶板锚杆（索）支护参数巷道跨度为5m时锚杆支护参数（无锚索支