顶板支护

巷道支护——锚杆支护原理
（1）悬吊理论


机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在稳定岩层上，增强较 软弱岩层的稳定性。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。 适用条件：锚固范围内具有稳定岩层的巷道顶板。
巷道支护——锚杆支护原理
（2）组合梁理论


机理：将锚固范围内的岩层挤紧，增加岩层间的摩擦力，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。将几层薄岩 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；在顶板较破碎、连续性受 到破坏时，难以形成组合梁。
巷道支护
——巷道支护的类型

1、直接支撑岩体的支护方式 棚式支护：木棚子、金属棚子、装配式钢筋混凝土支架 石材整体支护。 2、补强岩体，利用岩体本身维护巷道 锚杆支护、喷射混凝土支护、喷浆支护、锚喷支护。 我国煤巷锚杆支护技术发展历程大体分为三个阶段： 1）起步阶段 20世纪60年代中期至80年代初期，以水泥砂浆锚杆和 水泥锚固剂端头锚固锚杆为代表，锚杆间无托梁，相互间无联系。 2）普通锚杆支护阶段 20世纪80年代中期至90年代中期，出现了锚 网和锚网梁的组合支护技术，以树脂锚固剂端头锚固为主。支护比 重约占15.15%。 3）高强锚杆支护阶段 锚杆支护从支护设计、材料选择、施工工艺、 工程检测到质量要求的一整套技术。锚杆材质提高，全长锚固、W 钢带、小孔径预应力锚索加强支护得到推广。目前，支护比重约占 30%。

锚杆与围岩相互作用，形成 锚杆—围岩的共同承载结构， 改善锚固体力学性能，提高 锚固体峰值强度和残余强度， 特别是残余强度的提高，有 效提高围岩的自承能力，控 制围岩塑性区、破碎区发展， 促使巷道围岩由不稳定状态 向稳定状态转变。
煤层
岩层
破碎区、塑性区
巷道支护——目前我国锚杆支护体系及要求

巷道支护——目前我国锚杆支护体系及要求



（5）施工机具 机载锚杆钻机 钻机 顶板：风动锚杆钻机、液压钻机、凿岩机 两帮：强力煤电钻、帮锚杆钻机 钻头：合金钢钻头、金刚石钻头 钻杆：B19、B22六方中空合金钢钻杆 安装器：顶板锚杆采用锚杆钻机，帮锚杆采用风炮 联接器：快速联接器
巷道支护
——巷道支护的基本原理




巷道未开掘以前，地下岩体处于相对平衡的原始盈 利状态。巷道开掘出后，就破坏了这种原岩应力，打破 了原有的平衡，应力重新分布，形成了应力集中。如果 集中应力大于围岩的强度，岩体就会破坏，集中应力要 向围岩内部转移。在转移过程中集中应力降低，围岩承 载能力加强，直到重新平衡为止。 如何利用和提高围岩强度？ 1、合理选择巷道位置，巷道应力布置在岩石比较坚硬、 不受地质构造影响的地带。 2、减少对巷道围岩的震动与破坏，采用光面爆破，推广 机械破岩。 3、及时支护。特别是进行锚喷支护或注浆，以提高围岩 强度，充分发挥围岩本身的支撑能力。
巷道支护及顶板灾害预防 主讲：吕卫军
主要内容
一、巷道支护 （一）巷道支护的基本原理 （二）巷道支护的类型 （三）锚杆支护原理 （四）目前我国锚杆支护体系及要求 （五）锚杆支护冒顶分析 （六）锚杆支护施工及检测 二、顶板灾害防治 （一）煤层顶板的构成及分类 （二）顶板压力的一般规律 （三）掘进工作面冒顶事故的原因及防治
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
巷道支护——锚杆支护原理
（4）最大水平应力理论
机理：矿井岩层的水平是垂直应力的1.3-2.0倍，水平应力具有明显的方向性，最大 水平应力是最小水平应力的1.5-2.5倍。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。
煤体 螺母
锚杆
中速树脂药卷
快速树脂药卷
巷道支护——目前我国锚杆支护体系及要求



（3）三径匹配 钻孔直径比锚杆直径大 6～10mm 钻孔直径比树脂药卷大 6mm左右 一般钻孔直径29mm，锚 杆直径20、22mm，树脂 药卷直径23mm。
70 60 50 40 30 20 10 0 25 30 钻孔直径 /mm
Φ Φ
巷道支护——锚杆支护冒顶分析
7、应力突变

8、未及时支护 在施工遇到构造带或巷道两帮片帮严重时，由于种种原因未及时 采取措施，而导致顶板事故。此类原因造成的顶板事故收集到3 起。 9、三径匹配不合理
锚杆（索）直径、孔径、锚固剂直径匹配不合理，尤其是孔径远大于 锚索直径时，锚固剂未送至眼底，多半在孔深的一半处锚固，张拉 事达到要求，但深锚悬吊作用已打折扣。
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。
巷道支护——锚杆支护原理
（3）组合拱理论

机理：在破碎区安装预应力锚杆时，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，各个锚杆形 成的压应力圆锥体将相互交错，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。
巷道支护——锚杆支护冒顶分析
6、顶板一定范围内出现软弱夹层
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此类事故共发生32起，占总事故 数的19.75%。 冒顶原因:软弱夹层层厚一般在几 毫米至十几毫米之间，普通锚杆 无法将其纳入锚固范围。巷道宽 *高4.2*2.8m,顶板采用20*2200 螺纹钢锚杆，间排距700*700， 直接顶板泥岩与基本顶砂岩间突 然出现50mm厚的一层煤线。冒 顶范围长9.4m，宽4.2m，高 2.35m


（1）锚杆 高强度、大直径。破断载荷一般在200~ 300kN 以上，近年应用破断载荷400kN以上的锚杆。 延伸率均大于15% 锚杆直径20~22mm 稳定性较高、维护要求低、服务时间短的巷道可 以采用Q235圆钢制造。
巷道支护——目前我国锚杆支护体系及要求


采用左旋、无纵筋高强度 螺纹钢锚杆，等强（锚杆 尾部螺纹部分采用墩粗或 热处理、滚丝） 锚杆成套：杆体、托盘 （钢板轧制，厚度根据矿 压确定）、球形垫圈（铸 钢）、减摩垫圈（1个聚 氨酯、1个铝合金）、螺 母（高强度、快速安装螺 帽）
18mm无纵筋 20mm无纵筋 22mm无纵筋
锚固力
/kN
35
锚固力与钻孔直径、 锚杆直径的关系
巷道支护——目前我国锚杆支护体系及要求


4）网及钢带 网：采用金属网、塑料网。严禁将最前排 锚杆螺帽松开或等待后压网。 钢带：钢筋梯子梁、M型钢带、W型钢带 等。要求钢筋梯子梁采用高强度焊条焊接， 防止开焊。钢带的厚度或钢筋直径根据矿 压确定。
因应力突变导致冒顶事故共有10起，占调查事故总数的6.2％
10、施工中“偷工减料” 少装药卷或使用短锚杆。 11、锚固剂失效
巷道支护——锚杆支护冒顶分析
多发地点
断层、褶曲等地质构造破坏带 层理裂隙发育的岩层中 掘进工作面无支护巷道过长
巷道支护——锚杆支护冒顶分析
CD1型（非稳定岩层变厚） -48起，29.63% CD2型（稳定岩层变薄 ）-19起，11.73% CD型（岩层组合劣化型） （107起，66.4%） CD3型（锚固范围外的岩层间出现软弱夹层）-32起，19.75% CD4型（与水分有关） CD4.1型（地下水）-6起， 4.93% CD4.2型（潮湿空气）-2起，


巷道支护——锚杆支护冒顶分析
1、非稳定岩层变厚超过锚杆（索）长 度 非稳定岩层指对顶板岩层变形破坏 起控制作用的软岩（煤）及中硬岩 层


冒顶原因:巷宽3.6m，高 2.4m,20*2200高强锚杆，间排距 800*800,15.24*5.5m锚索间距 3.6m.直接顶板泥岩厚度由设计时 的4.4m变为冒顶时的6.3m, 超过 了设计的 锚索长度(5m) 共发生48起，占总事故数的 29.63%。
巷道支护——目前我国锚杆支护体系及要求


（6）小孔径预应力锚索加强支护 是一种主动加强支护 以锚杆支护为主，以锚索为辅 树脂锚固端加粗，钻孔与锚索直径不匹配 锚固在稳定煤岩层中均可以 高应力巷道可以采用直径18mm的锚索
锚杆在岩体中受力情况
巷道支护——锚杆支护冒顶分析
2005、2006年全国 煤矿死亡事故按事故 死亡率居高不下的原因和条件 2005年全国煤矿死亡事故按事故性质统计所占比例 性质统计顶板事故占 34.66%，巷道顶板 事故占有相当的比例 事故起数，顶板50%、 运输21 %、瓦斯9％； 其它 顶板 28。78% 死亡人数，顶板34％、 34.66% 瓦斯33％、运输13％； 事故严重性，瓦斯最为 严重，平均每起6.2人； 瓦斯 36.56% 水害次之，平均每起4.5 人。
Φ
Φ
Φ
巷道支护——锚杆支护冒顶分析
3、顶板出现小断层

此类事故共发生15起，占总事故数的9.26％ 。
巷道支护——锚杆支护冒顶分析
4、巷道附近出现隐含小断层

事故共发生10起，占总事故数的6.17%
剖面
°
°
°
巷道支护——锚杆支护冒顶分析
5、节理发育


褶曲构造引起顶板局部变化， 斜交节理发育，导致巷道顶 板楔形冒落。长×宽×高为 （20～30）×(2.8～3.2)× （0.8～2.5）m 此类事故共有7起，占总事 故数的4.32％ 。
SF型（岩层结构缺陷型）
（36起，22.22% ）
SF1型（节理）-7起，4.32% SF2.1型（显现）-15起，9.26% SF2型（断层） （25起，15.43% SF2.2型（隐含）-10起，6.17% ） SF3.1型（锅底矸）-2起 SF3型（镶嵌型构造） SF3.2型（古槽）-1起 （4起，2.47% ） SF3.3型（陷落柱）-1起
Φ
Φ
巷道支护——锚杆支护冒顶分析
2、稳定岩层变薄 稳定岩层指对顶板岩层稳定 起控制作用的硬岩层。


冒顶原因:9＃与10＃煤层 间设计时粉砂岩厚7～9m 变为冒落时的4.06m。锚 索锚在了煤层中,锚固能 力大大降低.冒落长40m， 宽6m，高6.5m. 此类事故共发生19起，占 总事故数的11.73%。
锚杆支护效果
锚杆支护与架棚支护相比，其优越性表现在： 属于主动支护 将巷道围岩变成承载体 对巷道不规则断面适应性强 巷道围岩变形量显著减小，安全生产得到保证，大幅度减少 了冒顶、 瓦斯、火灾事故 简化巷道布置，减少岩石工程 实现沿空掘巷，提高煤炭资源采出率，延长矿井寿命 锚杆支护具有巨大的技术经济效益和社会效益，是我国煤炭行 业继综合机械化之后的第二次支护技术革命.
木支护
木支护在井下使用最早也最广泛。它具有重量轻、 加工方便，运输、架设容易以及具有一定强度的优点， 但有易腐、易燃、服务年限短的缺点。承载能力低， 被动支护 很多煤巷不适用，巷道严重变形、支架损 坏严重(见后附图)。
金属棚子
拱型可缩性支架破坏
锚杆支护巷道
巷道支护
——巷道支护的类型


巷道支护——锚杆支护原理
（4）最大水平应力理论 巷道顶底板的稳定性主要受水平应力影响：a与最大水平应 力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板稳定性最好.b与 最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶板变形破坏偏向巷道 一帮。C与最大水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差。
巷道支护——锚杆支护原理
（5）锚杆支护强度强化理论
煤体 螺母
锚杆
中速树脂药卷
快速树脂药卷
巷道支护——目前我国锚杆支护体系及要求


（2）锚固剂及锚固 方式 锚固剂：树脂药卷， 一般采用凝结速度为 超快与中速的树脂药 卷配合。
煤体 螺母
锚杆
中速树脂药卷
快速树脂药卷
巷道支护——目前我国锚杆支护体系及要求


锚固方式 全长锚固：锚杆中部受力最大； 增阻速度快。具有较大的抗剪 切能力。增加岩层间的法向力， 阻止层间错动，防止离层。在 锚固范围内锚杆伸长1mm，可 产生10～20kN的锚固力，支 护刚度大。 端头锚固：Ⅰ～Ⅱ类。全长或 加长锚固：Ⅲ～Ⅴ类 使用药卷长度一般CK2335、 Z2360mm，复合顶板一般采 用双速2360和Z2360。