1、2022-3-31l技術背景技術背景l冒頂現象及原因冒頂現象及原因l離層控制理論離層控制理論l支護基本原理支護基本原理2022-3-32l與其它巖土工程相比，煤礦頂板控制及巷道支與其它巖土工程相比，煤礦頂板控制及巷道支護更困難護更困難u 圍巖賦存不均質：圍巖賦存不均質：巷道必須布置在煤層中，兩幫為煤體，頂巷道必須布置在煤層中，兩幫為煤體，頂底板為軟弱的層狀巖體；底板為軟弱的層狀巖體；u 圍巖條件變化頻繁：圍巖條件變化頻繁：同一煤層不同塊段、同一塊段不同位置同一煤層不同塊段、同一塊段不同位置頂板賦存條件往往都有區別；地質構造出現頻度大，尚難以頂板賦存條件往往都有區別；地質構造出現頻度大，尚難以高

2、精度預測；高精度預測；u 圍巖強度低圍巖強度低: 圍巖松軟破碎，單軸抗壓強度小于圍巖松軟破碎，單軸抗壓強度小于20MPa；u 原巖應力大原巖應力大: 埋藏深，原巖應力大；地質構造產生的附加水平埋藏深，原巖應力大；地質構造產生的附加水平應力強烈；應力強烈；u 動壓影響強烈：動壓影響強烈：受強烈的采動影響，應力提高受強烈的采動影響，應力提高35倍；倍；u 存在大量特殊的安全技術問題存在大量特殊的安全技術問題: 瓦斯、煤塵、煤體自燃發火、瓦斯、煤塵、煤體自燃發火、地下水、構造等災害嚴重。地下水、構造等災害嚴重。2022-3-33煤礦頂板類別及劃分煤礦頂板類別及劃分煤礦煤礦、類頂板煤巷類頂板煤巷控制技

3、術屬于國際性難題控制技術屬于國際性難題u國內外國內外、 類頂板控制技術已經成熟類頂板控制技術已經成熟u 基本思想是建立支護構件（錨桿）和頂板堅硬巖層之間的聯系；基本思想是建立支護構件（錨桿）和頂板堅硬巖層之間的聯系；u 美、澳煤層條件類似于我國美、澳煤層條件類似于我國、 類，全部采用錨桿支護技術；類，全部采用錨桿支護技術；u 我國我國“九五九五”攻關形成了高強螺紋鋼樹脂錨桿成套技術，正在推廣。攻關形成了高強螺紋鋼樹脂錨桿成套技術，正在推廣。u、類頂板類頂板(極易離層破碎型極易離層破碎型)控制難度極大控制難度極大u 現有控制技術不能及時對頂板起作用，不能有效控制冒頂；現有控制技術不能及時對頂板起

4、作用，不能有效控制冒頂；u 現有控制技術不適應采動影響，支護結構易失穩；現有控制技術不適應采動影響，支護結構易失穩；u 控制理論建立在依賴堅硬巖層的基礎上，不適應厚層松散破碎頂板條件。控制理論建立在依賴堅硬巖層的基礎上，不適應厚層松散破碎頂板條件。u 頂板結構復雜，松散破碎層一頂板結構復雜，松散破碎層一般超過般超過6 68m8m；u 結構穩定性差，空頂自穩時間結構穩定性差，空頂自穩時間十幾分鐘，隨掘隨冒；十幾分鐘，隨掘隨冒；u 采深大，水平構造應力對巖層采深大，水平構造應力對巖層弱面的破壞作用顯著，層間錯弱面的破壞作用顯著，層間錯動和離層礦壓顯現強烈；動和離層礦壓顯現強烈；u 地下水和瓦斯賦存

5、進一步消弱地下水和瓦斯賦存進一步消弱圍巖強度和穩定性；圍巖強度和穩定性；u 采用采用U U型鋼可縮支架支護時有型鋼可縮支架支護時有效斷面最小只有效斷面最小只有1.0m1.0m2 2 。主 采 煤 層4 .2 00 .7 42 .8 0煤砂 質 泥 巖砂 質 泥 巖1 .0 20 .8 7 0 .8 20 .7 73 .3 84 .9 0泥 巖煤泥 巖泥 質 頁 巖煤綜 合 柱 狀厚 度 (m)巖 性 描 述煤1 .9 60 .8 8砂 質 頁 巖兩淮礦區煤層頂板典型綜合柱狀圖兩淮礦區煤層頂板典型綜合柱狀圖示例：兩淮礦區煤炭資源量約示例：兩淮礦區煤炭資源量約800800億噸，其中億噸，其中80%

6、80%煤層為煤層為極易離層破碎型頂板，屬于典型的極易離層破碎型頂板，屬于典型的、類頂板條件類頂板條件2022-3-35首先研究煤層頂板賦存特征及與技術難點首先研究煤層頂板賦存特征及與技術難點u頂板頂板46m范圍內通常沒有堅硬巖層，這一依賴堅硬巖范圍內通常沒有堅硬巖層，這一依賴堅硬巖層的頂板控制思想受到限制；層的頂板控制思想受到限制；u通常巷道只能采用棚式支護形式，但高密度重型金屬通常巷道只能采用棚式支護形式，但高密度重型金屬支架的強度根本不能滿足支架的強度根本不能滿足、類巷道強烈的礦壓顯類巷道強烈的礦壓顯現；現；u國內外一致認為，隨采深加大煤礦地下開采只有發展國內外一致認為，隨采深加大煤礦地下

7、開采只有發展錨桿類支護。錨桿類支護。如何在沒有堅硬巖層的厚層松軟頂板條件下應用錨桿支護技術，保證頂板的穩定性，實現頂板的安全控制是、類頂板支護的技術難點和關鍵所在。2022-3-36復雜條件煤巷使用錨桿支護存在的現象 l錨桿使用密度很大，但支護效果很不理想變形量大：10002000mm以上采動狀態下變形失控l不能有效控制頂板離層，惡性冒頂事故時有發生冒頂率：萬分之三五事故率：五萬十萬分之一金屬支架類被動支護使用抬頭2022-3-37l1)1)松散變形的持續發展松散變形的持續發展大部分軟弱煤層巷道在錨桿支護起作用前，都有大部分軟弱煤層巷道在錨桿支護起作用前，都有100100200 mm200 m

8、m的圍巖變形量的圍巖變形量l2)2)錨桿支護的承載狀態不好，工作載荷很低錨桿支護的承載狀態不好，工作載荷很低錨桿實際工作載荷可分三種情況：錨桿實際工作載荷可分三種情況：l安裝時沒有初錨力，工作載荷始終為零；安裝時沒有初錨力，工作載荷始終為零；l安裝時初錨力很小，低于安裝時初錨力很小，低于15 kN15 kN，工作載荷增長緩慢，工作載荷增長緩慢，穩定段載荷值較低；穩定段載荷值較低；l安裝時提供超過安裝時提供超過20kN20kN的預緊力，工作載荷增長快，的預緊力，工作載荷增長快，穩定段載荷值高。穩定段載荷值高。2022-3-383)3)大變形后錨固力衰減，錨固失效大變形后錨固力衰減，錨固失效 端錨

9、時在圍巖變形量達到端錨時在圍巖變形量達到100 mm100 mm時即開始失效，時即開始失效，全長錨固時錨桿的可靠性雖大大提高，但圍巖全長錨固時錨桿的可靠性雖大大提高，但圍巖變形達到變形達到200200300 mm300 mm時錨固力也開始降低，時錨固力也開始降低，達到達到500 mm500 mm時即完全喪失。時即完全喪失。 4) 4) 四周的不協調變形，結構性失穩四周的不協調變形，結構性失穩 1 1）通過綜合研究發現此類頂板巖體具有兩種垮冒型式）通過綜合研究發現此類頂板巖體具有兩種垮冒型式u松脫型垮冒松脫型垮冒：垮冒范圍一般在0.51.5m內，負荷1525 kN/m2 。松脫型垮冒松脫型垮冒u

10、擠壓型垮冒擠壓型垮冒： 在水平應力和自重應力雙重作用下，薄層狀巖體發生彎曲變形，導致弱面離層，變形持續發展，漸次向上垮冒。擠壓型垮冒擠壓型垮冒2022-3-311頂板的穩定性取決于錨固區內外的離層狀況頂板的穩定性取決于錨固區內外的離層狀況u 錨固區內離層：錨固區內離層：松脫型垮冒得不到控制，錨固區產生裂隙，錨固強度衰減，進而導致錨固區整體穩定性的削弱或破壞；l附件強度低、整體性差l預拉力偏小u 錨固區外離層：錨固區外離層：錨固區的完整性較好，但整體變形過大，不能阻止外層巖體的漸進破壞，導致外層弱面離層。錨固區外離層的持續發展將導致錨固區整體垮冒。 l錨固層的厚度偏小l預拉力偏小2022-3-3

11、12錨桿載荷實測曲線2022-3-313 0.5m處頂板裂縫1.18m處頂板離層巖層錯位情況 完整巖體狀態巖層鉆孔探測儀光導纖維鉆孔窺視儀2022-3-314測點位置重力場主應力大小垂直水平y maxmin潘三1542(3)運輸巷172.111.8912.951.244潘三1452(3)運輸巷17.634.148.0313.5025.352謝橋1151(3)運輸巷16.655.8511.19611.046.439淮南礦區水平應力是垂直應力的淮南礦區水平應力是垂直應力的1.11.7倍倍2022-3-315 (a) 1205步時 (b) 1210步時 (c)1220步時 (d) 1230步時 (e

12、) 1260 步時 (f) 1280 步時 (g) 1300步時 (h) 1350步時 (i) 1400步時 (j) 1500步時 (k) 1600步時 (l) 1700步時 (m) 1900步時 (n) 2100步時 (o) 3500步時2022-3-3161)控制圍巖弱化區的發展，消除松散變形 提供的高張拉力不僅完全克服了松動巖體的自重，并將該部巖體和更上部擠壓在一起，阻止了圍巖的進一步松動，消除巖體松散變形。2)改善錨桿受力狀況，提高錨桿的支護能效 式中：s為巷道變形量，單位，mm；F(s)為錨桿的工作載荷，單位，kN假設，F0為設計工作載荷，S0為巷道允許變形量，則設計支護效能W0=

13、F0* S0 一種支護是否起作用，其狀態是否合理則可以采用能效系數(C)描述，C=W/ W0，高預拉力支護C值可達到0.7-0.9，初錨力較低的普通錨桿支護C值僅為0.2-0.3 dssfw)(2022-3-3173) 消弱水平應力對頂板的破壞作用 在富含軟弱夾層的薄層狀頂板中，由于弱面和夾層強度很低，自重應力就可導致破壞，表現為隨掘隨冒，高地應力區的強水平應力必然作用于更大范圍內頂板巖層，產生剪切破壞，誘發頂板離層。 加錨裂隙巖體的研究表明，錨桿的強度和對裂隙面產生的徑向作用力可以極大的提高裂隙弱面的強度，增加錨桿布置密度、提高錨固力，可以有效地提高錨固體的E、C、值，提高錨固體的強度和殘余

14、強度，從而在根本上改善裂隙巖體的承載性能，促使巷道頂板由不穩定向穩定轉化。2022-3-3184) 形成預應力承載結構 高強預應力支護改善頂板的應力狀態，消除頂板中部的拉應力區，同時減弱兩個頂角的剪切應力集中程度。通過強化頂板弱面，消除拉伸破壞，控制圍巖弱化區的發展，使錨固區載荷趨于均勻并實現連續傳遞，從而形成預應力承載結構。當關鍵層距離巷道頂板較近時可以按關鍵巖梁結構模型分析，當關鍵層距離巷道頂板較遠時可按頂板松散煤巖體的強化承載拱結構模型分析。u提高支護效能，及時提高支護效能，及時主動有效加固頂板，主動有效加固頂板，消除松脫型冒頂消除松脫型冒頂u增大錨固范圍，增大錨固范圍，消弱消弱層狀頂板沿弱面的漸層狀頂板沿弱面的漸次離層和垮冒次離層和垮冒u建立建立“楔形楔形”的強化的強化承載結構，承載結構，防止錨固防止錨固區外離層和擠壓型冒區外離層和擠壓型冒頂頂巷道層狀巷道層狀頂板的離