地下采煤顶板控制对策.pdf

1 [ 仫 发 片 言 孙学毅① 地下采煤顶板控 制对策 ， 是美国矿务局丹佛研 究中 主任 威廉 c．史密斯撰 写的专题报 告， 集 中系统地介绍 了近 几年来美 国煤矿采用锚杆支护采矿场 巷道顶板 的成就。 文中提 到的支护方法 不光对我国煤矿生产有指导意义 ， 且对其它矿山乃至地 面岩土I程 ． 都有可贵的借鉴作用。 文中强调锚杆支护设计、 施工蕾颊考盎地质条件和生产I 艺， 且应建立监控 系统 来指导施I ， 修正初始设计。这种动态的设计思想不仅对矿山 系统 实用， 而且对 目前 在海南乃至垒 国所从事的地基 、 辑路等岩土I程． 也具有同样的指导意义 。 此文献详尽地介绍锚杆支护 的几种实用理论 ， 同时也指 出了I程实际应用的现 状 。在I程实例中介绍 7锚杆桁架， 未架角钢、 锚杆、 扁钢锚杆 。方法虽然简单 ． 但I 程上非常奏效 ， 这 些结构深含着对锚杆作用机理的理解 ， 它表现 了精 巧的艺术方法 。 地 下 采 煤 顶 板 控 制 对 策 ／／ 1 9 3 a 美 m m c． S mi t h ‘ 1 提要 顶板支护是地表控制的一个重要手 段， 其内容包含维持顶板稳定及安全的采 矿环境 。 非均质的岩体和采动引起的应力重新 分布。 要求直接顶板支护设计时有一个满 意、 明确的 目标 。 地下煤矿开采顶板发生冒 落是必然的， 以往直接顶板支护的成功， 归 因于保 守的顶板锚杆工程实践。 本文就 美国矿务局应用顶栓 锚杆 支 护顶板方法予 以介绍， 文内给 出劣质顶板 失稳的理论 探测方法 、 监控手段 以及锚杆 设计参数， 从而解决了不同条件顶板选 用 不同型号 的锚杆 ， 以及锚杆的安装工艺。 2 概论 顶板 围岩 稳定性取决 于岩体性质 、 地 质构造和采动引起的应力重分布。 司广 采动引起 的应力重分布往往缺乏稳定 性判别数据 ， 而岩性 、 地质构造对特定矿 区 相对保持不变。 顶板的失稳往往与岩性 、 地 质构造变动以及生产工艺有关 。矿区地压 与矿井设计有关 ， 通过改变矿井设计 、 开采 次序和开采速度可以对地压进行控制 控制顶板岩体破坏有两种途径 1 减少地压 ； 2 支护顶板以维持稳定 。 本文就顶板支护进行讨论 。荧国矿务 局提倡使用悬 浮式顶板支护 ， 即加固岩体 。 4 0 年代以来就开始应用这项技术， 成功地 减少 了冒顶事故 顶栓是 1 9 4 3年 由韦格尔 We i g e 1 提 出的作 为支护系统 ， 如图 1所 。 示 。 韦格尔给 出以下要点 零黎 拳 芏 妄 漂 室 喾 雾 嚣 尊 器 嚣 型 醯 学 ’上 海 同 济 大 学 客 座 教 授 ● { ＼ 维普资讯 ．4 2 ． 1 9 9 7 年第1 期 海南矿冶 译 文 1 支护范围 自然冒落拱架结构 以内岩石 i 2 预先对顶板进行加固f 3 锚杆作用机理是将薄层顶板加固 成组合梁。以上要点至今仍然有效 。 美国地 下采煤报告指 出， 应用锚杆支 护顶板已超过 7 1 43 43 天 ， 1 9 g O年～1 9 9 O年 有 2 9 8起死亡事件 ， 该数字小 于预佶顶板 冒落 事故 。上述生产实践检验了顶挂支护 方法作为顶板支护对策的有效性。目前顶 拴支护已由临时性发展成永久支护。 J ＼ 上 ‘ 卢． ． ’ ⋯ } ／r 鬣 孽 图 I 由韦格尔提供的顶栓对策 3 顶栓 锚杆 3 ． 1综 述 虽然有许 多种类的顶栓锚杆 ， 但有 四 种类型在 美国地下煤矿 占主导地位 机械 式胀 圈锚杆 ， 树脂端锚杆 ， 全长树 脂锚固锚 杆 ， 全长砂浆锚固锚杆 美国材料试验学会 As TM 列出了各 种杆体材料准用长度和 延伸率 ， 可作 为锚 杆造型的依据。 通常端锚锚杆 包括机械式、 树脂胶结 型和组合型 采用螺纹 扳手加预应力 并达 到设计值。经验表 明， 扭矩按荷重 比率估 计 ， 通常荷重 为 4 0 5 O ． 1 6 。影响扭矩 、 荷 重 比率的因素有锚体延伸率 、 摩擦力和螺 纹形式等条件 在软岩中使用预应力应考 虑松弛效应 。必须再拉紧锚杆的工艺 。锚 杆安装时应满足杆体强度和岩层不被挤压 破坏 完善的全锚或端锚锚杆支护体系， 可 以提供一个更大的安全作业条件。 全长锚固的砂 浆锚 杆或树脂锚 杆， 在 软弱顶板岩石中应用 ， 比端锚锚杆更有效 。 层理发育的页 岩或其它软岩 中， 非预应力 锚杆在美国许多地下煤矿 已获得广泛的认 可， 且有许多成功的实例 。 预应力端锚树脂 砂浆锚杆与全长锚固砂浆锚杆 各有其优越 性 。预应力端锚树脂砂浆锚杆 用于顶板有 初始下垂的条件 ， 能很好地形成组合桨 。 预 张力 一般为 1 4 t ， 由一台专门机具安装 。 这项技术在欧洲与澳大利亚已应用多年。 当前通 过美国矿物局进行 研究， 在美国煤 矿系统迅速得到应用 在美国煤矿实践中， 已发展成全长灌浆预应力锚杆。这种锚杆 分两个阶段安装， 第一个阶段用全脂端锚， 第二个阶段全长灌树脂， 在树脂未硬化前 扭转锚杆加预应九 。 曩因 U 1 童 ． 囊鋈超 』 J 塑 蠢 因 舞 慰 舅 舅舅 量 f i ⋯。 f J 。。 J 粕 引 j 图 2 关于 安装 顶板锚杆的 不同对策 全长锚固锚杆靠薄层浆把杆体与岩石 粘结在一起共 同作用。美国详细地研究了 这种作用。树脂锚杆锚固能力已迭到了超 维普资讯 ． 译 文． 海南矿 冶 1 9 9 7 年第1 期 ． 4 3 过杆体材料的强度值 。全长锚固砂浆锚杆 的 另外优越性是抗剪 力强 ， 在岩 石中起到 键的作用 ， 形成很好的组合 梁。 3 ． 2锚 定 失灵 锚 定失灵通常发生在锚固能力不足的 场合， 特别是在软岩中如煤与油页岩 比在 硬岩 中更难 锚定 。锚定失灵表现在岩石松 动破坏或锚杆锚 固力丧 失， 导致组 合梁或 悬吊作用全部失效 。非预应力树脂锚杆锚 定失灵导致减弱组合梁作用 ， 降低 了承 载 能力 ， 减弱了对水平应 力的抗剪能力 锚定 的失效 ， 增加了岩石的松驰 ， 最终导致顶板 失稳 。 不 良锚 定的原因 ， 通常是不适 当的安 装所致。 从锚杆来讲 ， 可能是不适当的扭矩 或使用错误的量值 ， 或锚 定型号与岩石特 性不符引起 。关于非张力树脂砂浆锚杆不 良安装实践 ， 包括锚杆孔过大 ， 以及未遵循 所推荐的掩压比率等 因素。 正确的安装 工艺应进行 拉伸试验 、 扭 力试验 ， 以用来校验锚定效果 。 因为岩栓锚 定能力在不同种类的岩石中， 甚至在同一 种类的岩石中变化都很大 。 锚杆作 用机理在软岩 中可揭示 为 在 锚杆周围 出现岩石压碎 ， 这 种破坏从锚 定 部位呈锥形 向岩体 中扩散 剪切形变在薄 煤层 中使其增加了整体性 ， 井产 生一种共 同变形效果 。这是 因为拉紧锚杆会大大改 变剪切阻力， 剪切阻力变化的量值， 决定于 拉紧力的大 小。 在没有水泥浆锚固的锚杆 中 ， 这种剪 应变影响效果会丧失 ， 抗剪强度下降。 费尔 赫斯特 F a i r h u r s t 指 出， 当一单独砂浆锚 杆在岩层中失灵的时候 ， 对相邻锚相 会产 生残余效应 ， 使其剪切力有所增加。 鉴于以上所述 ， 当预期 在顶板岩石中 存 在一个有益的剪切变形 时， 研究人 员提 倡使用全长锚 固砂浆锚杆。 3 ． 3 锚杆长度 与问距 锚杆 长度的 确 定基 于不稳 定顶 板高 度， 锚杆长度至少达到第一个主要软弱面。 另外， 锚杆 长度应考 虑巷道 高度 因素， 如 2 4 f t高巷道 ， 一般用 4 f t 以上的锚杆 ， 当使 用挠性锚杆时 ， 可稍长一些。 如果按悬吊理 论设计锚杆， 锚杆在稳定岩层中应有足够 长度， 以保证强劲地锚固作用 采矿规程规定， 若使用锚杆支护 ， 锚固 在稳定岩石内长度不少于 l f t ， 如悬吊作用 无效， 树脂锚杆应有足够长度 ， 以保证形成 可靠的组合浆结构。当不清楚是采用树脂 摩擦锚杆还是采用悬吊锚杆 时， 一般说在 设计时两种情况都考虑 ， 这样较 可靠。 在许 多煤矿 ， 4 6 h长锚杆将 可满足要求。 在美国 ， 联邦规章条例第 3 0条 ， 要求 煤矿遵循一条锚杆系统模式， 如 4 I t 4 I t 或 5 f t 5 h的空 间锚杆长度 ， 与问距 比率 为 ll 或更大 锚杆与岩层之 间相互作用 系数与岩层厚度、 软弱面结构有关， 也与预 应力、 锚杆特性有关 ， 如安装工艺、 长度 、 直 径等。 费尔赫斯特与辛格 S i n g h 指 出， 遵循 所规 定的系统锚杆模式， 对具体 地点 是很 难确定的。 有时 ， 设计的锚杆系统非常令人 满意， 但在支护层 以外构 顶板会发生整体 塌 落。托 马 斯 Th o ma s 与 乔 斯 塔 德 J o r s t a d 观察 到这 种由锚 杆末端 处发 生 的典 型破坏 。研究表明 ， 由于锚 杆问距减 小 ， 破坏更可能扩展。 4 顶板崩落与控制 开采引起应力增加， 将会导致顶板崩 落 ， 当控制应力水平 时， 通常会改善顶板的 稳定性 开采期间， 影响顶板应力分布与量 值参数为 1 顶板与矿柱变形情况 ； 2 顶板与矿柱变形伴随着 时问而变 的特性 ； 维普资讯 ． 4 4 ． 1 9 9 7 年第1 期 海 南矿 冶 ． 译 文． 3 采动前应力水平 4 顶、 底板及矿柱刚度特性 ； 5 作用周期及煤层性质。 另一种影响应力重分 布的因素是支护 操作时间， 迟后安装锚杆会导致顶板 岩石 因变形而破坏 。 一项研究表明， 当空顶时间 超过半年 上时， 必须优先安装顶板锚杆。 研究 逐表明一些有名矿井应力重分布与时 间无关 。 分析认为 ， 这种差异是 由于不同矿 井顶板之稳固性不同。 在煤矿中支护的顶板 可测到顶板的位 移， 而冒落是没有可能发生的。 在这种情况 下 ， 顶板犹如一个耐久的构件压在一个软 的可让性 矿柱上， 顶板移动自然会发生 ， 既 然如此 ， 加大矿柱尺寸是必要的。 顶板移动在增加 ， 而矿柱却没有被挤 压 ， 表明将有大的危 险发 生， 即矿井岩层正 在缓慢降落， 顶板受力可能达到最大值。 这 种情况会使底板向上移动 底板 凸起 。这 就是说在高应力作用下 ， 常常使巷道 的有 效高度减小。 作为长壁法采煤 ， 高应力使靠 近采煤工 作面形成一个支承压力带 ， 它将 诱 发 更 大 的 负 荷 儿1 日 鹾 髓趣 煤柱 、 埠 柱 C 图3 锚杆的三种基本顶板支护理论 A， 悬挂式 f B ， 粱式锚 杆支 护法 ； c， 键控 效应 顶板水平应力增加， 将导致顶板变形 尤其当顶板岩石是薄层时 ， 会 引起顶板岩 石破坏而塌落。 变形得不到有效控制 ， 会导 致拱架结构 冒落 。 当拱架结构冒落时 ， 锚轩 支护理论有 下三种情况 ， 如图 3所示 将直接顶板锚于老顶之上 ， 称悬 吊理 论 ； 直接顶板 为层层状 石可用锚杆加固， 称组合梁理论； 直接顶板较破碎， 可用锚杆 锚固 ， 称键控效应理论 。 组合梁理论 主要是 用锚杆将直接顶板锚 固在一起 ， 增加抵抗 弯曲变形的能力 。键控效应理论是通过锚 杆将破碎的岩体串连在一起， 增加抵抗滑 动、 转 动能 力 。 图 4 在孔道上面， 锚杆可提供支承拱架结构 A， 压缩 区B， 支承拱架 结构 图 4表 明了锚杆支护的作用机理 。锚 杆的预应力提高了岩层之间摩擦力， 从而 增强了岩层间的抗剪强度。 图中还表明， 悬 吊作用是将下部顶板的重量通过锚头传给 上部岩体。 锚杆补强作用主要靠摩擦力 。 帕 内克 P a n e k 研制的计算表展示于图5 。 机 械式锚杆可通过锚杆张力增加摩擦力 全 长灌浆非张力锚 杆， 靠锚 杆与岩石间粘结 力起作用 。其它组合式锚杆具有机械式与 砂浆锚杆两种作用。 5 璜板支护湿度作用 维普资讯 ．译 文． 海 南矿 冶 1 9 9 7 年 第1 期 4 5 虽然湿度 不是直接 由地 面控制引起的 问题 ， 但 矿务局的研 究已把气候视 为同一 最有意义的现象 ， 对顶板发生降落有影响。 煤层顶板岩石的湿度作用 已预先在试验室 中证实 。 矿务局现场研究结果 ． 建立了与湿 度有关的统 计学， 确定季 节间涉及顶板 塌 落的发生率 。短期湿度作用对于顶板塌落 的发生难以掌握， 但应注意 矿山中显 著地 高湿度状态。 某些研究 已实测 出春 、 夏季节 顶板 的下垂量 ， 它远大于一年中其它季 节 的下垂量 。 要 z 力学理论解决顶板支护。工程上常把两种 方法结合使用 ， 支护方法往往 涉及到 不可 靠性 ， 其原因在于锚杆类型的选择 、 规格和 间距的确定等因素 。兹将 几种不同的支护 设计指南简介如下 6 ． 1 以经验 为基础 的顶板锚杆 系统设计 1 指导一项广泛 的、 系统 的、 长期的 检验计划 ； 2 汇编支护与岩体参数的经验法则 目录， 以过去的经验 为基础 ， 提供特有的或 相似的矿山， 如 图 5 机械顶板 锚轩 帕内克 设计 图 在潮湿条件下维 持顶板的稳定， 锚杆 的防腐是个问题 ， 应子注意 。 高水位状态下 会影响到锚杆的安装效果 。 6 设计步骤有利于顶板锚杆加固 几种设 计步骤 业 已开发 ， 以利于顶板 支护的加固 。 通常， 总的步骤应阐明岩体特 性 、 应 力条 件、 节理状 态和对 支护的要求 。 顶板支护 的设计方法， 为建立顶板支护系 统提供一般性指南 。 设计方法可分 为两类 ①以经验为依据的系统 ， 即类比法 。 ②以客 观为基础 的系统， 它依靠顶板岩石性 质和 a 、 试验了什么型号的锚杆 b 、 在什 么支护 条件 下进 行 这样的试验 c 、 什 么“ 经 验 ” 用 于 支护 选 择 d 、 什么式样与尺寸的锚杆工 作得更好 e 、 正遭遇到 的那种低劣顶板 有什 么迹象 3 在过去相似条件下 ， 在特 定的或相似 已开采的矿 山， 开 发 一 种设 计图或 E l 期， 基于叙述 不 同的地面条件与支护解决办法。 这个设 计 圈用来 解决 类似 的难 题， 当这些难题 发生的时候 ， 细 心 记 录并选 出支 护过程 中成功和 失败的 事 例 ， 适时修正使用过的信息。 矿山应设有一个试验不同支护 的战略 思想 ， 作为不同的地面条件。 当地面控制 出 现难题时 ， 需要采用其它相似矿山条件 ， 比 如一个矿山开始经历顶板横切塌落 ， 可考 虑 使用桁构件和长锚杆 ， 基于 成功 的桁 构 件 ， 完成了在其它矿山类似的难题 。 经验方法较少依靠工程力学和岩石力 学理论 ． 它处理 系统数据上考虑过去顶板 不稳定性与支护难题 ， 以及伴 随着解决 的 尝试， 记录下成功的次数 。目前许多“ 经验 法则” 来 自经验研究， 其结果 i 起一套规章 维普资讯 ． 4 6 ． 1 9 9 7 年 第1 期 海南矿冶 ． 译 文． 制度的建立 详述锚杆设计准则 ， 注意锚杆 长度、 间距及式样的选 定。 如限定强度和锚 定能力， 选择最小尺寸 ， 在此基础上增加 6 O 储备量。 经验方法主要缺点在于对顶板控制程 度缺乏了解 ， 从而产生了不稳定的潜在因 索。 比如长壁采煤法开采之后 顶板岩受到 扰动 ， 比以前需要更长 、 更强大的锚杆 。下 面介绍使用更多的技术程序设 计顶板支护 方法 。 6 ． 2以客观 为基础的顶板锚杆 系统设计 客观方法总的要求是通过平衡或 比率 系统参效测定来实现的。用数字来表示顶 板岩石特性、 支护参数和地压条件。 这种方 法 利用兰一 比肖夫 L a n g a n d B i s e h o f f 的 岩体指标 R R U ， 计算晟小沉降张力用于 锚杆 。 6 ． 2 、 1 兰一 比肖夫的增强岩石蛆样 品 1 求解最小锚杆张力下 ． 满足比肖夫 增强岩石组的“ 极限平衡” ， 即 ． K O ／ R T a [ 隶 h f* ] ， 。 l 卜 一 J ， T晟小锚杆张力， 一 比率 ， 取决于开挖后锚杆安装时间 O ． 5 作为活动的加强 ， 1 、 5为被动加强 ， 7 岩石单位重 量， ． g - 一 岩石内摩擦角， k --s i n ⑦ ／ 1 s i n ， h 一岩石质量水平应力 ． 1 一锚杆长度 ， A加固 区域 As s ， 这里 s 锚 杆间距 ， R岩柱剪切半径 s ／ 4 ． D一正压力 1 s 。 2 基于板梁理论和老顶是稳定的假 设条件 ， 求得 的 T值能确保顶板 岩层的稳 定。 值得提出的是， 这种方法的主要缺点在 于地质与岩石条件仅考虑了 C ． 值 。在大 多数情 况下完整岩体较 为适合 ， 对于软弱 岩体 T值会估计得过低。另一个根据客观 设计支护的方法 ， 是帕 内克顶 板锚杆 设计 图 方法考虑到顶板与支 护的相互作用 ， 以锚杆连接 顶板 系统 的加固系数 C RF 进 行设计 。 6 ． 2 、 2 帕 内克摩擦作用锚秆设计 图 1 如果可能 ， 对试验 区中顶板 冒落高 度和宽 度进行测定 ， 或利用岩心记录 ， 即利 用钻孔 自动记录仪探 出岩层潜在 的破坏区 域 。 z 进行 拉伸试验 ， 测定锚固力 。 3 选定一个合格的安装好的锚杆。 4 挑选间距试用值 ， 一般为 3 5 f t 。 5 利用帕 内克设计 图， 计算 加 固系 数。 ． 6 利用任意选择的加固系数 ， 实施试 验锚杆安装 为改善锚杆性 能， 试 用不同的 锚杆参数 ． 由帕 内克设计图求解更高 的加 固系数 。 图中 自左至右 a b c d e f g各点描述 了设 计过程。根据直接顶板厚度 a选 择锚杆长 度 b ， 锚杆拉力 c ， 每一支 架 d的锚杆数 目， 支架 e的空间， 顶板 ， 晟后测定多少 才能 限制顶梁变 曲， 并通过移动地平 ， 横过 y 一 轴心联结加固系数要素。例 中顶板平均厚 度为 2 i n ， 宽度 2 0 f t 长的巷道 ， 用 5 f t 的锚 杆拉 紧 力 为 8 0 0 0 I b ， 3个 锚 杆 每 排 间距 4 f t ， 加固系 数为 2 ． 0 ， 岩层 弯 曲度降 低到 5 2 。 在图中改变任何参数， 都将导致不同 的加固系数。许多煤矿的加固系数一般 为 2 3 。 为了具有更大的稳定性 ， 纽曼 Ne w ma n 指 出， 应采用 3或更 高的加 固系 数。 此时顶板支持的时间 自几个月延长到 5年 以上 。 6 ． 3岩块表征作 为顶板支护设计 许 多顶 板支护方法类似 ， 例如兰一 比 肖夫与帕 内克的设 计图， 避免 了在煤矿 中 顶板支护任何细部设计表征。这是由于缺 维普资讯 ． 译 文． 海 南矿 冶 1 9 9 7 年 第1 期 ． 4 7 ． 乏统一的标准检验和对标准化参数的了 解。因而 ， 应在簏工现场测定岩石质量 。 试 验室得到的标准作为物理强度特征 包含 小的岩石样本， 很少是总体岩块的典型， 主 要起因于不适当的采样程序与不太明白的 比例关系。 不过 ， 某些客观岩石表征规律的 类型 ， 需要更充分地 测定顶板岩石与支护 的相互作用。 别尼柯斯基 B i e n l a ws k i 发展了地 质 力学岩石分类法体系， 他制定出一套工艺 规程 ， 更精密地确 定顶扳岩体强度 。 通过配 合关键参数 ， 用数学方法测定岩石质量 例 如单轴抗压强度 ， 岩石质量标识 岩心采收 率 ； 节理间距和走向等必要条件 纽曼建议 减少基性 岩块额定值体 制， 要求修改方法适合煤系岩石 。他推荐调整 水平应力， 反常地质条件． 到时候锚杆负荷 可能有较大的、 更高于所期望的正常值 非 寻常高负荷条件可能导致更太的较低岩块 额定值 ， 在岩块额 定值 体系中 ， 岩石质量 排 列 如 下 8 0 9 0非 常好 ， 6 O 一7 0较 好 ， 4 O 一5 0还算可 以， 而 2 O 一3 O就差了 获得 岩块额定值作 为特殊顶板岩 石是 有用 的， 为测 定岩 石负荷高度 顶板 拱顶 提供依 据， 可最大限度地使用负荷顶板锚杆。 6 ． 4 树脂锚 固锚杆体 系使用的两种设计 接近三分之一的顶板支护是用以试验 为根据的信息组合， 包括客观的支护分析 与地质条件 。 比如 ， 那些制定于设计指南作 为树脂锚固锚杆体系， 允许经验信息输入． 利用岩块额定值， 平均顶板降落高度取代 计算顶板负荷高度 。 通常就安全而论 ， 选择 最大的保守值 ， 作为精选 的适 当参数是有 效的。 这一工艺规程表 明， 下面计算的加固 系数 ， 有助于规范顶板的稳定性 。 1 根据盖尔狄恩 Ge r d e e n 利用岩石 抗 压强度测定粘着系数 。 2 测定主体岩层密度与厚度， 顶板面 积与锚杆配置 。 3 利用两种方法之一， 计算岩石负荷 高度 Ht 。 a 、 H t [ 1 o o R MR ／ 1 0 0 ] W。公 式中 R MR是岩块额定值， 与地质力学岩 石分类体系相一致 ， w 是顶板宽度。 b 、 H t 一被估计的顶板降落高度， 这可 以从观测顶板降落趋势得到 。 4 计算锚杆长度， L 选择最大的 L Ht ／ 2 ； 或 LW／ 3 。 5 测定锚杆 负载量， B C 选择最低 的 B CL ／ B F； 即 P C屈服强度 。 6 计算锚杆负荷 ， B L B L G T W R L ／ [ NB R1 NB P R4 - 1 ] ． 公 式 中 G；顶板岩石密 度 I T顶板岩石厚 度； R L 顶板长度； N B R ；锚杆排列数日。 NB P R每排锚杆数 日 7 测定 R F ， 利用系数 B c ／ B L 。 8 求 R F的值 ； 通过 减少 空间 ， 改善 加固系数 R F 或利用锚杆具有更高的屈 服强度 大直径或更高 的强度钢 两者任何 一 种 。 样品的管理 输入如下参数 BF；2 ． 5 i n ／ t 。 G1 2 0 I b ／ ／ t 。 T 5 f t W 2 o f t RL； 4 0 f t B c 8 t ， NBR一 9 ． NB P R 4 RMR 5 0 得 出一块岩石的负载高度 Ht 1 O f t ， 推荐锚杆长度一6 f t ， 锚杆窑量 8 t ， 锚杆 负荷4 ． 8 t ． 包括 4 f t 锚杆空间在内， 凭 4 f t 与 R F1 ． 6 7 。利 用一支更高屈 服强度的 锚杆 ， 1 0 t 作为 8 t 的函数， 可以供给一个更 能接受的 R F2 ． 0 8 。 6 - 5 其它设计供推荐选择锚抨型号 ． 在煤矿中有了测定支护的必要条件之 后， 一个顶板体系锚杆的选择树脂制 品或是机械的 ， 拉紧或未 拉紧的锚杆 ， 应以 如下的建议 为根据 。 霸 刀 霆 面 盯 殍 ’匕 慨 毋 坝 戗 石 T J 趴 T 证 硼 甘 _工 ～ 维普资讯 ． 4 8 ． 1 9 9 7 年 第1 期 海南矿冶 ． 译 文 1 被推荐的机械锚杆 ， 供下列情况下 使用 。 更硬的岩石条件 ， 其岩石特性 ， 将对铰 钉夹持力没有不 良的影响 } 场地远离爆破地点， 在这里 ， 可能就失 去了锚杆拉力； 暂时的加固系统 } 场地接 近一个前进式工作面 ， 在这个 场合预期的岩石形变 ， 将不会有特殊意义； 在场地现场， 煤的冲击与碎裂将不会 冲突 ； 应用场地锚杆的拉 力， 可以经常性 的 被控制； 岩石将不会经受强烈的剪切力 ， 而且 ， 岩石不会非常强烈地被破裂 。 2 灌浆锚杆 ， 通常被推荐使用于 上面提到 的条件 ， 对机械锚杆不予以 推荐 ； 永久性 的加固系统} 钻孔 没有持续 的水排出的难题 ， 或是 具有持续水排出而不与安装相干扰 ， 而且 岩石没有宽裂缝与废 弃， 将会损 失掉 上述 具有特殊意义的浆量 。 3 对于更多的煤矿 ， 非张力砂浆锚杆 被推荐 在岩石方面 ， 它适应强烈破碎的地 方 ， 只要安装 足够数量的砂浆锚杆就能取 得预定的效果 。 一般来说 ， 好的岩层锚杆可 短一些 ， 较差的岩层锚杆要长一些。 4 张力砂浆锚杆被推荐的场地 接近于前进式 工作面这 一场合 ， 不是 预期 的、 广泛的、 突然发生的岩石形变 。 这个场合煤的碰撞碎块不是很可能地 偶然遇到 ， 而且 ， 这个场合附加力配合砂浆 桂可以提高顶板的稳定性。 理论上 ， 树脂锚杆 能够安装在临界区 内， 可以经历值得考虑的形变 ． 并要求维持 最小量 。例如 ， 在场地要求限制人员进入 。 实际上 ， 在顶板条件更广泛的范围内， 在最 多的煤矿 中发现 ， 砂浆锚杆 比机械锚杆工 作得更好， 逸里假设适当的安装条件 树脂 是混合适 当的并保持其位置 ， 水流入 不是 问题 。 作 为机械式锚杆通常 的准则 ， 是 它们 不能可靠地安装在临界 区中 即场地要 求 永久性地支护 ， 这个场合具有特殊意义的 刚体运动的发生 ， 或者很可能发生。 这种锚 杆工作时 ， 在真正地适度 负载条件下， 可以 抗形变 ， 因而减弱 了较小剐体运动可能的 发生 ， 长达 3 O年或更 久。 机械式锚杆， 不被 推荐作 为极端软岩的应用 ， 如油 页岩与粘 土 ， 呈现强烈地塑性状态。 不像树脂灌浆锚 杆， 机械式锚杆要求定张力以正常地工作 在高度地塑性岩石中一顶艰巨任务。 在这样岩石 中， 可能使用短砂浆柱 、 组合锚 杆或可缩性锚杆 。可缩性锚杆指杆体部分 可伸长 ， 特别在外露出部分有伸长装置 。 7 监控支承顶板工况 维持顶板稳定性 ， 需要例行维护监测 ， 在矿坑 临界区 ， 采用直观或借助澳 I 试设备 这两种方法 ， 尤其在矿坑中进入或沿着工 作矩形 采煤 区。即将来临的顶板破坏的最 大迹象 ， 已在图 6中 显示 ， 靠 目视 ， 基于 目 击者的叙述 。 通常一次这样的事故 ， 后果是 广泛地扩散 ， 难以修正。 不严重的顶板破损 的视觉迹象 ， 例如厚平板松动 ， 通过使用一 条清顶铁棍正常地撤换 。另一项技术复杂 的“ 音响” 顶板 ， 是通过轻打顶板岩石倾 听， 感觉到松动 的岩石块 ， 这些 甩机械方 法撤 换 。 美国矿务局已论证 ， 使用一种 电子音响 设备的可行性 ， 听觉测定 顶板 岩石的完整 性， 由一个发出相同的输入信号实施 这套 设备 尚未获得商业上应用 。 安装澳 I 试是另一手段 ， 以事故 前 由视 觉的外显获得信息。顶板监测规划的主要 作用， 可测定初步支承物的效能， 并测定第 二阶段期问支承物是否需要 。测定顶板位 移可 以间接进入 ， 有利于检验支承物 的性 维普资讯 ．译 文． 海南矿 冶 1 9 9 7 年 第1 期． 4 9 能 。顶板与底板的会聚测量 ， 对探测顶板、 底板 ， 即顶板到底 板的移动是一个容 易方 法 。 如顶板是 已知的相对稳定， 而没有起伏 的特性 曲线 ， 那 么简单的顶板至底板 闭合 测量 ， 可在顶板形变方 面作充分地检查。 另 外， 修正的关于顶板隆起应包括在内 插入 伸长计进入钻孔， 可使用铁线、 棒杆或磁 体 ． 根据不同的岩体位置， 在顶板内测量绝 对的或相对的位移 。当延 伸计不很精确的 时候 ， 垂度指示锚杆和无头长锚杆 可以安 装 ， 为了下垂在顶板线处易于探测。 除了位 移 以外 ， 不 同的载荷 ， 也可在顶 板线 处测 量 ， 通过用仪器装备的锚杆头， 拥有压垫与 负载变换器。这种信息可有用地供给测定 危险地高负荷水平， 在采矿条件下， 测定正 常的负载锚杆经历。地下顶板锚杆的负载 历程 ， 已由多方面的研究人员广泛的研究 。 可以预言 ， 这些研究， 证实了当顶板锚杆在 主动采矿的条件 下， 就有典 型的周期性 负 载与卸载模式的发生。 ， 图 6 可 览的顶板崩塌迹象 A， 完全露出的锚 杆 ； B， 接近 胶带 处的顶板崩塌 { C， 接近锚杆处的顶板崩塌； D， 锚杆周围白 寸 顶板崩塌。 8 顶术架 桁架被推荐于 6 O 年代， 作为一种交错 的支承 不稳定顶板的方法 。当传统的顶板 锚杆 由 自身不起作用的时候 ， 例如那时锚 杆之 间沉 降， 结果是截煤机顶板极度地被 碰撞 。在图 7中表明， 桁架是活动的支承 ， 设计 成用来保持顶板在压缩 之中， 但它们 也可随着顶板移动而趋 向没落 。最后的结 果是， 顶板的稳定大大增强 了， 支承 桁架 保持无损的完整。 当供 吊重用时 ， 桁架对顶 板提供悬浮作用， 转移负载离开通道 ， 向外 越过矿柱 已论证桁架作为最初或第二代 的支承作用， 以常规锚杆实地应 用， 来校正 顶板难题的宽量程 。 输入安装桁架系统 ， 有 时用于有 问题 的进 入顶板 反常 的地质特 维普资讯 ． 5 0 ． 1 9 9 7 年 第1 期 海 南矿 冶 译 文． 征 ， 例如断层， 或沙岩河床 。这些桁架系统 用来做校正截煤机顶板， 有时沿着采空区 运输巷道或接近出口。 位于临界区域直接 在长壁工作面之前出现 在临界区域里 ， 顶 板塌落 已预先发生 ， 桁架对稳定新暴露的 拱顶是一种有用的方法 图 7 桁架可改善顶板的稳固 桁架另外的应用， 是 3 或 4 种方法交 顶板地质条件急剧变化的场合， 有时 叉， 在这里张力可达到高水平 。 通过桁架产 附加锚杆或其它补充支护 。当滚动与遭到 生的挤压力 ， 可减少强烈的 中交叉顶板张 断面擦伤时 ． 支护通常包括补充锚杆、 角锚 力。 有时转长、 直径较大或更高等级的锚杆 杆、 扁钢与被限制使用的支桂、 横臂式钢 通过锚式粱杆支护法 ， 支护交叉 口处拱顶 轨 粘土岩脉或粘土脉也预示着是困难的 ， 大面积破坏的地点。 通常需要顶板支护补充锚杆， 由补充锚杆 9 第璜板支护 补充主要的支护常常需要用于大负荷 下或 由地质变化所引起的软弱顶扳条件 。 这种补充支护， 常被安装在所需的基于在 锚轩顶板下连续破坏的场合 补充支护的 实例 ． 包括垛式支架 、 支柱、 砌块 、 木板、 附 加锚杆、 角锚杆、 扁钢。 受长壁式开采引起应力再分布， 采空 区运辖巷道 由于支承 负载较高． 垛式支架 与支柱仍然是最重要的支护结构。如图 8 所示 ， 采用锚杆支护系统之后 ， 在高负载期 闻， 惯常地使甩叠木框 。 柱帽、 木板或扁钢组成。 顶板遭遇到砂岩河 床， 则需要相似的支护。但安装是个难题， 那时很可能使锚杆沿着沙岩河床安装 。 截煤机或顶板 剪切常常用锚杆紧周 ， 一 般采用长度树脂锚杆或角形锚杆， 在几 种情况下． 锚杆不能单独充分地工作 。 桶槊 常常有效地跨越横切、 支柱与横臂式或垛 式支架 ， 必须有效地沿着采空区运输巷道 ， 经过裁煤机顶板。 这项工作的最新取向， 仅 是要做的最后手段， 当然不予鼓励。 1 O 另外的考虑 采矿期问 ， 因压力与地面条件的改变 ， 维普资讯 ．译 文． 海南矿冶 1 9 9 7 年 第1 期 5 1 顶 板支护需求 可能会变化 ， 无需预报就 会 导致顶板塌落。吉文 Gi v e n 指出 ， 最多的 顶板塌落， 是 由于人为的错 误和 疏忽的原 因引起 图 8 叠术框有效地佩护来自 _ 拱架座的荷重 使用暂时可以胜任的支护， 采用可塑的支护设计 ， 检查或鉴定为“ 坏的顶板 ， 或 移动塌落顶板、 采掘面或矿柱。 防备顶板塌落 ， 从适当的矿山设计开 始 。 如可 以胜任的矿柱 以及入 口尺寸作为 已知的局部岩层状况 。 试验表明， 过大的矿 柱势必会冲压顶板 ， 而过小尺寸的矿柱 ， 可 能屈服过度 ； 两个 问题起因于不合理的矿 柱设计 。 一种有效锚杆系统的应用 。 可以用 来补偿不合理的矿山规划与设计所导致的 顶板不稳定。采矿的趋 向将大大影响岩块 的特性 ， 那时 易遭受强烈的水平应力场。 研 究表 明 ， 更好的顶板工况效果 只要采矿方 向与主水平应力方 向相一致。如果正确及 时地记录 集中起来 。 潜在的顶板支护问题 就可以绘制在一幅危险图上。这样的一幅 图， 基于预先采矿 调查 所确定的含煤岩层 附近的地质应力场 。 特殊顶板 问题 ， 需要 配合遭遇 的岩层 状况 。例如 ， 如果截煤机被碰撞 ， 可以试用 并试验桁架、 角形锚杆或更长锚杆作为解 决办法 。另外 ， 其它支护技术应该应用 ， 直 到发现可以采用的支护。 实施现场调查 ， 决 定顶板支护的需求。在反复试验精选支护 的方法中 ， 减少“ 击中” 的数 目。 持续地核定顶板状况与地质的方法之 一 ，是通过顶板锚杆的控制。 训练顶板锚杆 操作者识别与绘制顶板岩性学布局图。在 钻孔的同时， 选择更长锚杆作曲可靠的条 件。 在主要的支护安装中， 可给予支护操作 者更大的消耗量。 这表明， 在一个矿山对提 高操作者信心及改善岩层状况而言， 有着 重要的意义。 其它 的研 究计划 ， 正 由美国矿 物 局开发的“ 灵敏筛选机 ” 进 行研制 ， 它将 自动地获得井报告顶板岩层的信息 。 维普资讯 ． 5 2 ． 1 9 9 7 年 第1 期 海 南矿 冶 ． 译 文． 作为一个特定的矿山， 识别倾向于改 变顶板状况 导致的问题， 可实施 一个以试 验为根据的顶板分类系统。有用的探讨对 研究几何结构， 量值、 定位及在可靠地质与 应力状态下顶板坍落的型式 ， 作为矿山更 老区域对较新区域预报潜在的问