煤矿顶板管理技术培训课件
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一
煤矿顶板支护基本情况
二
金属支架支护原理与技术
三
锚杆（索）支护理论与技术
一、煤矿顶板支护基本情况
（一）煤矿顶板灾害形势严峻
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
，其中
，规模巨大，居世界第一位。
井工煤矿开采示意图
巷 道
一、煤矿顶板支护基本情况
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
巷道冒顶隐患分级指标体系和分级方法
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。
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a
图b
三、锚杆（索）支护理论与技术
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。
巷道跨度为5m时锚杆支护参数（无锚索支护）
三、锚杆（索）支护理论与技术
底臌的处理方式
底臌成因复杂，找到根源，实施对策，一般原则： “强帮固顶治底臌”
底臌处理常用技术手段。（1）可采用注浆锚杆（索），或注浆锚杆与注浆锚索联合支 护，能有效地提高底板强度，防止底臌或减小底臌量；（2）采用加长底角锚杆及底角注 浆锚杆（扎角锚杆），也能有效地控制巷道底臌；（3）遇水泥化或无法在巷道底板打注 浆孔时，采用封闭型可缩性U型钢支架控制底臌。
（二）煤矿顶板事故类型——坚硬顶板大面积破断失稳灾害
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。 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。
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1 2012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。
事故2 2017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。
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
“纳鞋底”
三、锚杆（索）支护理论与技术 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。
二、金属支架支护原理与技术
(一) 巷道支架支护原理 “支架-围岩”相互作用原理的应用
1. 实行二次支护
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。
2.采用柔性支护 3.强调主动支护
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。
二、金属支架支护原理与技术
(二) 巷道金属支架类型
1. U型刚拱形可缩性支架
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。
三节式
四节式
五节式
曲腿式
非对称式
封闭式
拱形可缩性金属支架基本结构类型
一
煤矿顶板支护基本情况
二
金属支架支护原理与技术
事故3
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。
顶板岩体局部失稳灾害占顶板事故总数的81%
一、煤矿顶板支护基本情况
(二)顶板事故类型——顶板岩体局部破碎失稳灾害
支架顶梁局部漏顶
顶板局部 失稳灾害
顶板大岩块局部滑落
巷道顶板局部冒落（最多）
掘进头局部冒顶
一、煤矿顶板支护基本情况
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。
高密度锚杆支护 局部支护强度不足
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
巷道围岩变形严重
锚索破断
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
一、煤矿顶板支护基本情况
（2）煤矿顶板支护设计存在问题
➢ 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
坚硬顶板大面积破断失稳
冲击灾害占事故总数的
一、煤矿顶板支护基本情况
（三）煤矿顶板支护存在的问题
（1）煤矿巷道及其围岩条件的复杂性
➢ 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。
近10年煤矿各类事故死亡人数占比
三类顶板事故死亡人数比例
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
事故1
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。
顶板事故 类型1
事故2
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。
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
三、锚杆（索）支护理论与技术
巷道冒顶隐患分级指标体系和分级方法 巷道顶板锚杆（索）支护参数
性 能 我国主要的U型
刚型号：U18、 U25、U29、U36
好、平稳滑移
更多采用U型钢可缩性支架支护
二、金属支架支护原理与技术
(二) 巷道金属支架类型
U 型
上限位块
（1）螺栓连接件
刚
可
缩
下限位块
性
上限位连接件
中间连接件
下限位连接件
支
架
的
连
接 件
（2）楔式连接件
通过楔子或具有斜面的构件挤压型钢提供锁紧力
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。
二、金属支架支护原理与技术
巷道金属支架
一.巷道支架支护原理
金 属
U型可缩性支架
二.巷道金属支架类型
支 架
三.金属支架的拉杆和背板
类 型
矿用工字钢支架
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。
断层破碎带
围岩劣化区
重大隐患区
重大隐患区
掘进方向
锚杆锚索
巷道顶板潜藏有冒顶隐患区域
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
① 普通锚杆长度、强度不足，无法有效控制围岩变形； ② 常规锚索延伸率小，无法与围岩协同变形； ③ 支架为被动支护，存在强度或可缩性能缺陷，或无法耦合； ④ 喷、注不能从根本上控制冒顶；
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
1 巷道金属支架工作特性 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
(一) 巷道金属支架支护原理
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。 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。
谢谢大家！
不清楚，无法准确评估围岩稳定性；
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：
➢ 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。
一
煤矿顶板支护基本情况
二
金属支架支护原理与技术
三
锚杆（索）支护理论及技术
四
工程应用及展望
二、金属支架支护原理与技术
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
高密度帮锚杆支护失效
分析不足，导致“三场”分布特征及相互作用关系
棚腿折损
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
棚腿弯曲
属支架或其他支护构件与其联合支护方 式。
二、金属支架支护原理与技术
巷道金属支架
煤矿顶板支护方式发展历程
➢ 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。
锚杆锚索支护
木棚架支护
工字钢棚架支护
U型钢可缩性支架 金属支架
二、金属支架支护原理与技术
巷道金属支架
直腿拱形棚架 梯形棚架
曲腿拱形棚架
二、金属支架支护原理与技术
(二) 巷道金属支架类型
矿用工字钢特点：
主要性能：抗拉、 抗压、抗剪和韧性
高宽比减小，腹板 加厚，翼缘厚且斜 矿 度大
用 主要几何参数：抗 金
矿用工字钢
弯截面模量，两个 属
方向抗弯截面模量 支
Wx、Wy尽可能接近
架 矿用U型钢
合理几何形状的要 求：搭接处接触面 积大、受力状况良
（一）煤矿顶板灾害形势严峻 ➢ 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%
40% 38%
死 30%
亡
人 20% 数
比 例 10%
30%
11%
13%
8%
运输 15%
其他 13%
水害
3%
瓦斯
顶板
13%
56%
近10年煤矿各类事故起数占比
0%
顶板 瓦斯 运输 水害 其他
顶板级别 Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅲ级
冒顶控制难易程度 容易 较困难 困难
最大冒顶高度 ≤1.5m ≤3.5m ≤5.5m
稳定岩层位置 ≤2.0m
2.0～4.0m 4.0～6.0m
Ⅳ级
极困难
不确定
≥6.0m
三、锚杆（索）支护理论与技术
巷道冒顶隐患分级指标体系和分级方法 对具有不同冒顶隐患分级的巷道采用支护对策
三
锚杆（索）支护理论及技术
三、锚杆（索）支护理论与技术
锚杆（索）支护理论 传统锚杆（索）支护理论
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
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。
煤矿顶板支护基本情况
二
金属支架支护原理与技术
三
锚杆（索）支护理论与技术
一、煤矿顶板支护基本情况
（一）煤矿顶板灾害形势严峻
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
，其中
，规模巨大，居世界第一位。
井工煤矿开采示意图
巷 道
一、煤矿顶板支护基本情况
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
巷道冒顶隐患分级指标体系和分级方法
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。
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a
图b
三、锚杆（索）支护理论与技术
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。
巷道跨度为5m时锚杆支护参数（无锚索支护）
三、锚杆（索）支护理论与技术
底臌的处理方式
底臌成因复杂，找到根源，实施对策，一般原则： “强帮固顶治底臌”
底臌处理常用技术手段。（1）可采用注浆锚杆（索），或注浆锚杆与注浆锚索联合支 护，能有效地提高底板强度，防止底臌或减小底臌量；（2）采用加长底角锚杆及底角注 浆锚杆（扎角锚杆），也能有效地控制巷道底臌；（3）遇水泥化或无法在巷道底板打注 浆孔时，采用封闭型可缩性U型钢支架控制底臌。
（二）煤矿顶板事故类型——坚硬顶板大面积破断失稳灾害
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。 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。
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1 2012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。
事故2 2017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。
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
“纳鞋底”
三、锚杆（索）支护理论与技术 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。
二、金属支架支护原理与技术
(一) 巷道支架支护原理 “支架-围岩”相互作用原理的应用
1. 实行二次支护
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。
2.采用柔性支护 3.强调主动支护
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。
二、金属支架支护原理与技术
(二) 巷道金属支架类型
1. U型刚拱形可缩性支架
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。
三节式
四节式
五节式
曲腿式
非对称式
封闭式
拱形可缩性金属支架基本结构类型
一
煤矿顶板支护基本情况
二
金属支架支护原理与技术
事故3
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。
顶板岩体局部失稳灾害占顶板事故总数的81%
一、煤矿顶板支护基本情况
(二)顶板事故类型——顶板岩体局部破碎失稳灾害
支架顶梁局部漏顶
顶板局部 失稳灾害
顶板大岩块局部滑落
巷道顶板局部冒落（最多）
掘进头局部冒顶
一、煤矿顶板支护基本情况
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。
高密度锚杆支护 局部支护强度不足
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
巷道围岩变形严重
锚索破断
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
一、煤矿顶板支护基本情况
（2）煤矿顶板支护设计存在问题
➢ 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
坚硬顶板大面积破断失稳
冲击灾害占事故总数的
一、煤矿顶板支护基本情况
（三）煤矿顶板支护存在的问题
（1）煤矿巷道及其围岩条件的复杂性
➢ 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。
近10年煤矿各类事故死亡人数占比
三类顶板事故死亡人数比例
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
事故1
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。
顶板事故 类型1
事故2
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。
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
三、锚杆（索）支护理论与技术
巷道冒顶隐患分级指标体系和分级方法 巷道顶板锚杆（索）支护参数
性 能 我国主要的U型
刚型号：U18、 U25、U29、U36
好、平稳滑移
更多采用U型钢可缩性支架支护
二、金属支架支护原理与技术
(二) 巷道金属支架类型
U 型
上限位块
（1）螺栓连接件
刚
可
缩
下限位块
性
上限位连接件
中间连接件
下限位连接件
支
架
的
连
接 件
（2）楔式连接件
通过楔子或具有斜面的构件挤压型钢提供锁紧力
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。
二、金属支架支护原理与技术
巷道金属支架
一.巷道支架支护原理
金 属
U型可缩性支架
二.巷道金属支架类型
支 架
三.金属支架的拉杆和背板
类 型
矿用工字钢支架
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。
断层破碎带
围岩劣化区
重大隐患区
重大隐患区
掘进方向
锚杆锚索
巷道顶板潜藏有冒顶隐患区域
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
① 普通锚杆长度、强度不足，无法有效控制围岩变形； ② 常规锚索延伸率小，无法与围岩协同变形； ③ 支架为被动支护，存在强度或可缩性能缺陷，或无法耦合； ④ 喷、注不能从根本上控制冒顶；
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
1 巷道金属支架工作特性 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
(一) 巷道金属支架支护原理
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。 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。
谢谢大家！
不清楚，无法准确评估围岩稳定性；
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：
➢ 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。
一
煤矿顶板支护基本情况
二
金属支架支护原理与技术
三
锚杆（索）支护理论及技术
四
工程应用及展望
二、金属支架支护原理与技术
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
高密度帮锚杆支护失效
分析不足，导致“三场”分布特征及相互作用关系
棚腿折损
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
棚腿弯曲
属支架或其他支护构件与其联合支护方 式。
二、金属支架支护原理与技术
巷道金属支架
煤矿顶板支护方式发展历程
➢ 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。
锚杆锚索支护
木棚架支护
工字钢棚架支护
U型钢可缩性支架 金属支架
二、金属支架支护原理与技术
巷道金属支架
直腿拱形棚架 梯形棚架
曲腿拱形棚架
二、金属支架支护原理与技术
(二) 巷道金属支架类型
矿用工字钢特点：
主要性能：抗拉、 抗压、抗剪和韧性
高宽比减小，腹板 加厚，翼缘厚且斜 矿 度大
用 主要几何参数：抗 金
矿用工字钢
弯截面模量，两个 属
方向抗弯截面模量 支
Wx、Wy尽可能接近
架 矿用U型钢
合理几何形状的要 求：搭接处接触面 积大、受力状况良
（一）煤矿顶板灾害形势严峻 ➢ 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%
40% 38%
死 30%
亡
人 20% 数
比 例 10%
30%
11%
13%
8%
运输 15%
其他 13%
水害
3%
瓦斯
顶板
13%
56%
近10年煤矿各类事故起数占比
0%
顶板 瓦斯 运输 水害 其他
顶板级别 Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅲ级
冒顶控制难易程度 容易 较困难 困难
最大冒顶高度 ≤1.5m ≤3.5m ≤5.5m
稳定岩层位置 ≤2.0m
2.0～4.0m 4.0～6.0m
Ⅳ级
极困难
不确定
≥6.0m
三、锚杆（索）支护理论与技术
巷道冒顶隐患分级指标体系和分级方法 对具有不同冒顶隐患分级的巷道采用支护对策
三
锚杆（索）支护理论及技术
三、锚杆（索）支护理论与技术
锚杆（索）支护理论 传统锚杆（索）支护理论
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
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。