煤矿掘进顶板管理课件

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
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
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。
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。
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
承载能力较大、 回采巷道和与集中胶带机道连通的 抗侧压能力较大 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
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
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。
硬岩
f=8-10
•
坚硬岩石 f=12-14
•
最坚硬岩石 f=15-20
5.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。
（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
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。
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。
三、巷道支护技术
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。
• 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。
南屯煤矿掘进班组长强化培训
掘进顶板管理
授课人：高 雷 南屯煤矿生产技术科
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
一、 矿山岩石基本性质
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：
U型钢可缩性支架的力学性能及适用条件
序号 1
2 3
支架类型
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
主要力学特征
适用条件
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
承载能力较大、 特别是在顶压较
※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）
• 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。
2 方环形可缩性支架 承载能力大、抗 围岩松软、移近量大、底臌和两帮 底臌和两帮移进 移近量较严重、在使用非封闭支架 量的能力大、特 时、围岩移近率≥30%～35%、其压 别是肩压大、压 力不太较均匀、并在回风平巷使用 力不太均匀时 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。
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
（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 围岩较稳定、变形量较小、在
力较小
200mm左右、多用于巷道净端面
和应力都将大大减小，组合梁的挠 度亦减小。
适用条件：
• 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，
•层状地层
在顶板较破碎、连续性受到破坏时， •顶板在相当距离内不存在
组合梁也就不存在了。
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。
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
•
– 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。
1.较软的完整岩层 2.中硬的层状岩层 3.中硬的块状岩层
围岩长期不支护无碎块掉落现象
围岩较长时间不支护会出现小 块掉落现象
能维持一个月以上的稳定、会产 生局部岩块掉落
围岩的稳定时间仅有几天
岩种举例 完整的玄
武岩
胶结好的砂 岩、砾岩
砂岩、砂质 页岩