井田应力状态与大采高工作面巷道支护技术研究项目中期研究报告.doc

长长平煤平煤业业有限有限责责任公司任公司 井田井田应应力状力状态态与大采高工作与大采高工作 面巷道支面巷道支护护技技术术研究研究 项项 目目 研研 究究 报报 告告 晋煤集团长平煤业有限责任公司晋煤集团长平煤业有限责任公司 辽辽 宁宁 工工 程程 技技 术术 大大 学学 20122012 年年 7 7 月月 i 目 录 1 1 项目的提出及研究的必要性项目的提出及研究的必要性1 1 1.1 项目背景1 1.1.1 长平井田概况 .1 1.1.2 区域地层及地质构造 .2 1.1.3 煤层及顶底板赋存条件 .5 1.2 项目研究内容及方法7 1.2.1 项目主要研究内容 .7 1.2.2 项目研究步骤和方法 .7 1.3 项目研究的必要性9 2 2 地应力分布及与巷道稳定性的关系地应力分布及与巷道稳定性的关系 1010 2.1 构造应力场.10 2.1.1 构造应力场的含义及研究意义 10 2.1.2 构造应力的成因 12 2.1.3 地应力场研究的内容及方法 14 2.1.4 中国矿区地应力的分布特征 16 2.2 水平应力集中造成巷道破坏的机理.20 2.2.1 水平应力集中破坏巷道顶板的状况 20 2.2.2 应力方向与巷道掘进方向的夹角与巷道破坏 22 2.2.3 巷道锚杆支护机理最大水平应力理论 27 2.3 高应力条件下巷道变形与锚杆的支护作用.29 2.3.1 高应力条件下巷道顶板变形破坏模式 29 2.3.2 高应力条件下顶板锚杆的作用 31 2.4 长平井田原岩应力测试结果及分析.33 2.4.1 4205 巷原岩应力实测结果33 2.4.2 1102 巷原岩应力实测结果34 2.4.3 2204 巷原岩应力实测结果35 2.4.4 原岩应力测试结果研究 36 2.5 小结.38 ii 3 3 地质动力区划原理和方法地质动力区划原理和方法 4040 3.1 地质动力区划的理论基础.41 3.1.1 地球动力学基础 41 3.1.2 板块构造学说 42 3.1.3 地质动力区划的哲学基础与知识体系 44 3.2 地质动力区划原理与工作原则.46 3.2.1 地质动力区划的原理 46 3.2.2 地质动力区划的工作原则 47 3.3 活动断裂的特征与识别.48 3.3.1 活动断裂的类型 49 3.3.2 活动断裂的基本特征 49 3.3.3 活动断裂的运动方式 50 3.3.4 活动断裂的识别 51 3.4 活动断裂的研究方法.51 3.4.1 绘图法 51 3.4.2 遥感图像分析法 56 3.4.3 活动断裂及其活动性调查 60 3.5 岩体应力状态分析.65 3.5.1 区域构造模型确定 65 3.5.2 边界条件与力学参数确定 70 3.5.3 岩体应力状态计算 72 3.6 小结.75 4 4 长平井田活动断裂构造研究及断块划分长平井田活动断裂构造研究及断块划分 7676 4.1 长平井田区域新构造运动情况.76 4.1.1 长平井田新构造运动特征 76 4.1.2 长平井田新构造运动 80 4.2 长平井田区域地震活动性.81 4.2.1 区域地震环境 81 4.2.2 区域地震基本情况 82 4.2.3 地震的时间序列与应变能积累释放 85 4.3 长平井田及周围区域活动断裂构造划分.87 4.3.1 研究区域块体构造特点 87 4.3.2 长平井田各级断块的划分 88 iii 4.4 小结101 5 5 43134313 工作面顺槽锚网索耦合支护研究工作面顺槽锚网索耦合支护研究102102 5.1 锚杆支护设计方法102 5.1.1 煤巷锚杆支护概况 .102 5.1.2 巷道锚杆支护作用机理 .103 5.1.3 锚索支护作用机理 .105 5.1.4 金属网的支护作用 .106 5.1.5 钢带的支护作用 .106 5.1.6 巷道围岩分类方法 .107 5.1.7 巷道锚杆支护设计方法 .108 5.2 4313 工作面顺槽支护设计 .111 5.2.1 工程概况 .111 5.2.2 锚杆支护参数的确定 .114 5.2.3 锚索支护参数的确定 .118 5.2.4 梯形钢带的特点及应用 .120 5.2.5 4313 工作面顺槽初始设计.123 5.3 4313 工作面顺槽支护数值模拟 .125 5.3.1 支护效果数值模拟方法概述 .125 5.3.2 建立数值模拟模型 .126 5.3.3 数值模拟及结果分析 .127 5.4 4313 工作面顺槽锚杆（索）支护效果监测设计 .129 5.4.1 巷道支护效果监测原则 .130 5.4.2 巷道支护效果监测方案 .131 5.5 小结136 6 6 研究结论及下一步工作安排研究结论及下一步工作安排 137137 6.1 研究结论137 6.2 下一步研究工作安排138 井田井田应应力状力状态态与大采高工作面巷道支与大采高工作面巷道支护护技技术术研究研究 中期研究中期研究报报告告 1 1 项目的提出及项目的提出及研究背景研究背景 1.1 项目背景项目背景 1.1.1 1.1.1 长平井田概况长平井田概况 长平矿井位于沁水煤田高平勘探区赵庄详查区南部，隶属高平市寺庄镇管辖，在 山西省高平市寺庄镇境内，东南距高平市17km，北距长治市45km，距王台铺矿53km。 太（原）焦（作）铁路和太（原）洛（阳）公路（207国道）由井田东侧南北 穿过，公路和铁路基本平行，间距约400m。现有矿井工业场地位于太洛公路西侧约 500m，北距太焦线赵庄车站3.3km，南距西阳村车站4.7km。井田内各乡镇公路四通八 达，均与干线公路相连，交通极为方便。交通位置图见图1-1。 图图 1-1 长平井田交通位置图长平井田交通位置图 1 项项目的提出及研究的必要性目的提出及研究的必要性 2 本井田位于太行山西缘南段，沁水煤田盆地之东缘，地貌属丹河流域侵蚀低山 丘陵区，井田东部为开阔的丹河河床，中西部为低山和黄土梁峁，总的地势为西高东 低，地形最高点位于西南部山顶，标高+1310.66m，最低点为东部丹河河床，标高 +878.0m，最大相对高差432.66m。 井田附近河流主要为丹河，在井田东部边界处由北向南流过，属沁河支流，黄河 水系。该河水量受季节性影响，旱季水量较小，雨季水量增大。据观测资料，其流量 为0.004151.4088m3/s，历史最高洪水位标高为+890.3m。 1.1.2 1.1.2 区域地区域地层及地质构造层及地质构造 井田位于沁水煤田南部，区域地层自下而上为：太古界、元古界、古生界（寒武 系、奥陶系、石炭系、二迭系） 、中生界（三迭系） 、新生界（第三系、第四系） ，见区 域地层简表（详见表1-1） 。 表表 1-1 长平井田区域地层简表长平井田区域地层简表 界 系 统（群） 组段符号 厚度 （m） （最小-最大） 一般 岩性描述 第四系 q0-330 砾石，黄土及砂层，左权县羊角一带有玄武 岩。 n5-263 棕红色粘土，底部为底砾岩。在榆社、武乡 一带，粉砂土，粘土夹薄层泥灰岩。 新生界 第三系 e485-576 砂红色长石石英砂岩夹透镜状砾岩，下部为 巨砾岩。 白垩系 k249 鲜红色泥岩，暗紫红色薄层长石石英砂岩， 夹薄层砂质灰岩，底为砾岩。 侏罗系 中统 黑峰组 j230-254 上部灰绿、黄绿、灰黄色砂质页岩、页岩，下 部灰黄、黄白、灰白色厚一巨厚层含砾中粗粒 硬砂质石英砂岩。 上统 延长组 t3yn 30-138 50 浅肉红、灰绿色中厚中细粒石英砂岩、粉砂 岩、页岩夹淡水灰岩。 二段 t2t2272-433 上部紫色砂质泥岩、泥岩夹中细粒长石砂岩， 中部浅肉红色、灰紫色、灰红色厚层中细粒 长石砂岩，下部灰紫、灰绿色砂质泥岩、页 岩夹砂岩。 中生界 三 叠 系 中 统 铜川组 一段 t2t1 124-158 浅肉红、灰黄色斑状厚层中粒长石砂岩，局 部夹灰绿、灰紫色砂质泥岩。 井田井田应应力状力状态态与大采高工作面巷道支与大采高工作面巷道支护护技技术术研究研究 中期研究中期研究报报告告 3 界 系 统（群） 组段符号 厚度 （m） （最小-最大） 一般 岩性描述 三段 t2er394-196 上部紫红色泥岩，砂质泥岩夹白色斑状中细 粒长石砂岩，下部灰绿色中细粒长石砂岩夹 紫红色泥岩。 二段 t2er2180-388 上部紫红色砂质泥岩夹浅灰绿、灰绿色中薄层 斑状中粗粒长石砂岩，下部浅灰绿中细粒长石 砂岩夹紫红色泥岩。 二马营组 一段 t2er1193-327 灰绿色厚-中薄层中细粒长石砂岩夹紫红色 泥岩及灰绿色泥岩。 和尚沟 组 t1h 131-474 250 灰紫色薄中层状细粒长石砂岩夹紫红色泥 岩。 下 统 刘家沟组 t1l 115-595 400 浅灰、紫红色薄中层细粒长石砂岩，夹紫 红色页岩、细砂岩及砾岩，在细砂岩中夹磁 铁矿条带。 石千峰组 p2sh 22-217 150 黄绿色厚层状长石砂岩与紫红色泥岩互层， 顶部有淡水灰岩。 三段 p2s3 17-236 140 黄绿、灰紫色砂岩，粉砂岩互层、夹遂石层。 二段 p2s2 18-216 160 灰绿色薄层状中粗石英砂岩与黄绿紫红色粉 砂岩互层。 上统 上石盒子组 一段 p2s1 88-224 140 杏黄色中粗粒石英砂岩，夹紫色粉砂岩。 下石盒子组 p1x 44-100 65 黄绿、杏黄色泥岩、粉砂岩及砂岩，近顶部 有透镜状锰铁矿，底部有薄煤。 二 叠 系 下统 山西组 p1s 35-72 60 灰白、灰绿色石英砂岩、粉砂岩、泥岩、煤 层。 上统 太原组 c3t 82-142 90 灰白、灰色薄层状中细粒石英砂岩粉砂岩、 页岩及灰岩煤层。 石 炭 系 中统 本溪组 c2b 0-35 20 杂色铁铝岩、灰白、灰色粘土岩，底部有山 西式铁矿。 古生界 奥 陶 系 中统 峰峰组 o2f 0-176 120 中层状豹皮状灰岩，灰白、灰黄色薄层状白 云质灰岩，夹灰黑色中层状灰岩。 1 项项目的提出及研究的必要性目的提出及研究的必要性 4 界 系 统（群） 组段符号 厚度 （m） （最小-最大） 一般 岩性描述 上马家沟组 o2s 170-308 230 顶部为白云泥灰岩夹泥质灰岩夹泥质灰，中 上部灰黑色中厚状豹皮状灰岩夹泥岩，下部 为泥灰岩，角砾状泥灰岩。 下马家沟组 o2x 37-213 120 青灰色中厚巨厚灰岩，下部为角砾关泥灰 岩，底部为浅灰、黄绿色钙质页岩。 下统 o1 64-209 130 浅灰色中厚巨厚层状白云岩，含燧石条带 及结核白云岩，含燧石条带及结核白云岩， 下部泥质白云岩夹竹叶状白云岩 风山组 3f 38-109 90 厚层状结晶白云岩，竹叶状白云岩，鲕状白 云岩偶尔含燧石。 长山组 3e 6-35 20 灰色中层我行我素 叶状灰岩夹薄绿色页岩、 泥质白云岩，竹叶状白云岩。 上统 崮山组 3g 15-42 35 薄层泥质条带灰岩、竹叶状灰岩、黄绿色页 岩互层，泥质条带白云质灰岩，鲕状灰岩。 中统 张夏组 2z 65-244 160 灰青色中厚层状鲕状灰岩，白云质鲕状灰岩， 底部薄层灰岩、泥质条带灰岩、页岩。 中统 徐庄组 2x 32-169 130 鲕状灰岩、泥质条带灰岩，灰岩互层、中下 部猪肝色页岩夹薄层细砂岩、灰岩。 毛庄组 1mz 4.8-92 60 紫红色页岩夹薄层灰岩、泥岩、顶部青色鲕 状灰岩。 馒头组 1m 35-86 60 黄绿色页岩、泥灰岩、底部为黄色含砾砂岩。 （长治幅、左权幅） 。 寒 武 系 下 统 辛集组 1x 29-54 40 上部为灰白色厚层白云财夹致密灰岩，下部 红色石英砂岩。 井田区域构造位置处在我国东部新华夏系构造体系第三隆起带的中段，即太行山 隆起褶带。太行山隆起褶带系西缓东陡的大型复背斜隆起。北段逐渐往北变曲，南段 往南西乃至往西扭转，总体延伸方向为北2030东。它与其它隆起带和沉降带彼此 平行，并呈雁行排列，而且这种排列关系不仅表现在一级构造带各段落主轴的排列方 位上，其二、三、四级的隆起与拗陷、褶皱与断裂也往往形成这种雁行式的多字型排 列。 长平井田处于晋获褶断带南部西侧，沁水盆地南缘东西北东向断裂带的北东部。 井田井田应应力状力状态态与大采高工作面巷道支与大采高工作面巷道支护护技技术术研究研究 中期研究中期研究报报告告 5 井田中的构造形态与区域构造密切相关。井田地层东部受晋获褶断带影响总体走向北 北东，倾向北西西，倾角5-12，在倾向上发育次一级的向背斜及断裂构造；井田西 部受沁水盆地南缘东西向构造影响变为东西向，局部受局部构造应力作用变得弯曲 （图1-2）。 图图 1-2 长平井田构造纲要图长平井田构造纲要图 1.1.3 1.1.3 煤层及顶底板赋存条件煤层及顶底板赋存条件 井田内主要含煤地层为上石炭统太原组与下二叠统山西组，（二者厚 135.97171.13m，一般140.82m）含煤多达19层，主要煤层情况见表1-2。 本井田内主要可采煤层有山西组3号煤层及太原组15号煤层。局部可采煤层有山西 组2号煤层及太原组8号煤层。 井田现主采3号煤层，其位于山西组下部，上距k8砂岩30.30-46.07m，平均 38.86m；下距k7砂岩5.63-11.81m，平均8.97m；层位稳定、全区可采煤层。煤层厚 4.60-6.35m，平均厚5.58m；含泥岩、炭质泥岩夹矸0-2层，以距顶板约0.50m左右和距 底板约1.00m左右的两层较为稳定（厚度0.10-0.30m）。 1 项项目的提出及研究的必要性目的提出及研究的必要性 6 顶板主要是泥岩、砂质泥岩、次为粉砂岩，局部为中、细粒砂岩或粉砂岩。底板 为黑色泥岩、砂质泥岩，深灰色粉砂岩。 表表 1-2 煤层情况一览表煤层情况一览表 厚度(m)层间距(m)层位稳定性厚度稳定性 组段 煤 层 号 见煤 点数 可采 点数 最小-最大 平 均 最小-最大 平 均 层 位 比 稳定性 变异 系数 结构稳定性 可 采 系 数 可 采 性 130 0.00-0.45 0.03 9 极不 稳定 3.38简单 极不 稳定 0 不可 采 14.53-19.16 17.00 23221 0.30-3.02 0.94 100稳定0.49简单 较稳 定 63 局部 可采 9.40-25.69 20.68 山西组 33232 4.60-6.35 5.58 100稳定0.08简单稳定100 全区 可采 15.98-18.11 17.06 550 0.00-0.40 0.13 54 较稳 定 1.33简单 极不 稳定 0 不可 采9.80-12.66 11.26 740 0.00-0.40 0.10 77 较稳 定 1.58简单 极不 稳定 0 不可 采4.75-10.30 8.81 8127 0.00-2.85 1.22 92稳定0.72简单 不稳 定 54 局部 可采3.95-12.40 6.66 991 0.00-0.80 0.35 77 较稳 定 0.80简单 极不 稳定 8 不可 采4.75-11.20 7.49 三 段 1072 0.00-1.00 0.30 69 较稳 定 1.22简单 极不 稳定 15 不可 采1.30-2.75 1.67 11120 0.00-0.75 0.41 92稳定0.49简单 较稳 定 0 不可 采11.25-21.55 14.42 二 段 13121 0.00-0.83 0.41 100稳定0.53简单 不稳 定 8 不可 采17.00-20.99 18.84 1442 0.00-0.85 0.22 31 不稳 定 1.61简单 极不 稳定 15 不可 采0.67-1.90 1.24 151313 2.20-5.75 4.18 100稳定0.24简单稳定100 全区 可采2.24-14.68 7.83 太 原 组 一 段 1632 0.00-1.91 0.29 23 极不 稳定 2.09简单 极不 稳定 15 不 可采 注：层位比=(见煤点数+泥炭点数)/总点数100%；85 稳定；85-50 较稳定；50-30 不稳定；0.75 极不稳定。 可采性=可采点/见煤点100%；90 全区可采，45-90 局部可采；20r0。 根据弹性力学解得巷道周边任意一点的切向应力和径向应力为： 2cos)341)(1 ( 2 1 )1)(1 ( 2 1 4 0 4 2 0 2 2 0 2 r r r r r r vvr 4-9 2cos)31)(1 ( 2 1 )1)(1 ( 2 1 4 0 4 2 0 2 r r r r vv 4-10 2sin)321)(1 ( 2 1 4 0 4 2 0 2 r r r r vr 4-11 式中：v 垂直应力； r 径向应力； 切向应力； h开采深度； 分析巷道周边的应力，令 r0=r， （1） （2） （3）式简化为： r =r=0 2cos)1 (2)1 ( vv 4-12 令 分别等于 1/3、1、2 时，巷道周边的切向应力 分别为： =1/3 v )2cos1 ( 3 4 4-13 =1 v 2 4-14 =2 v )2cos23( 4-15 以（4-13） （4-14） （4-15）三式绘出相应的曲线（图 4-14） 。 从图 4-13 中可知，当 =1 时，切向应力集中分布在巷道周边；当 1 时，切 向应力集中在巷道两帮；当 1 时，切向应力集中在巷道顶底板。 在原岩应力作用下开挖巷道，引起巷道应力重新分布，垂直应力向两帮转移，水 5 4313 工作面工作面顺顺槽槽锚锚网索耦合支网索耦合支护护研究研究 98 平应力向顶、底板中转移，因而垂直应力的影响主要显现于两帮煤体，而水平应力的 影响则主要显现于顶、底板岩层。 方向呈正交关系的最大水平主应力 hmax 和最小水平主应力 hmin 在量值上通 常相差较大，这使得水平应力对巷道顶、底板影响具有明显的方向性。 图图 4-14 巷道周边切向应力分布巷道周边切向应力分布 井田井田应应力状力状态态与大采高工作面巷道支与大采高工作面巷道支护护技技术术研究研究 中期研究中期研究报报告告 99 一 采 区 十采区 3 3 0 2 n 测点5 4324 测点2 15.25mpa 11.0mpa 测点1 最大水平应力集中严重 14.2mpa 测点3 测点4 13.63mpa 最大水平应力集中 最大水平应力集中严重 最大水平应力集中轻微 掘进方向 最大水平应力方向 9.43mpa 图图 4-15 实测得到的不同掘进方向巷道状况的差异实测得到的不同掘进方向巷道状况的差异 从矿井实际生产中揭示的情况与上述相同，观测表明，最大水平应力与巷道不同 夹角造成巷道破坏的程度不同。从图 4-15 中可以看出，最大水平应力与巷道夹角愈大， 应力集中严重，巷道变形亦严重，巷道稳定性差；而与最大水平应力夹角较小的巷道 则应力集中轻微。某矿工作面顺槽掘进方向与最大水平应力方向几近垂直，掘进期间 巷道变形严重，并在此期间发生了冒顶事故，造成了人员伤亡，而与之形成鲜明对比 的是随后切眼掘进过程中巷道维护容易，巷道稳定性较好。 在最大水平应力足以造成围岩破坏的矿区，巷道掘进方向对于最大程度地保持巷 道的稳定性具有重要意义。根据对大量实测数据和巷道破坏程度的评价，分析最大水 平应力与巷道成不同角度的情况下，巷道破坏的情况。图 4-16 为与最大水平应力成不 同角度时的巷道顶板破坏情况。 5 4313 工作面工作面顺顺槽槽锚锚网索耦合支网索耦合支护护研究研究 100 0 0 的剪切破坏百分比 地点 1 地点 2 巷道与最大水平应力夹角 102030405060708090 20 40 60 80 100 巷道掘进期间出现 11 图图 4-16 与最大水平应力成不同角度时的顶板破坏情况与最大水平应力成不同角度时的顶板破坏情况 按与最大水平主应力成不同角度掘进的巷道将经受不同程度的应力集中的影响， 相应地巷道状况也会有显著的差别（如图 4-17 所示） 。 （1）当巷道掘进方向与最大水平主应力平行时，受水平应力影响最小，对顶 底板的稳定最有利； （2）当巷道掘进方向与最大水平主应力垂直时，受水平应力影响最大，对顶 底板的稳定最为不利； （3）与最大水平主应力以一定角度斜交的巷道，巷道一侧出现应力集中而另一侧 应力释放，因而顶底板的变形破坏会偏向巷道的某一侧。 井田井田应应力状力状态态与大采高工作面巷道支与大采高工作面巷道支护护技技术术研究研究 中期研究中期研究报报告告 101 掘进方向 最大水平 应力集中 掘进方向 a) 巷道状况好 b) 巷道状况差 c) 巷道左侧发生变形 最大水平 最大水平主应力最大水平主应力 掘进方向 应力集中 掘进方向 d) 巷道右侧发生变形 主应力 主应力 主应力 最大水平 最大水平 主应力 图图 4-17 不同掘进方向巷道状况的差异（平面图）不同掘进方向巷道状况的差异（平面图） 如果已知矿井所在位置的地应力较高，并且已经掌握了最大水平主应力的方向， 那么，在矿井开拓布置规划阶段就应当将多数巷道布置成沿最有利的方向掘进，从而 主动避开高水平应力对巷道的不利影响，避免以后疲于应付因盲目布置巷道而带来的 巷道状况恶化问题。这应当作为巷道布置与支护设计首先考虑的问题。从这个意义上 说，掌握最大水平主应力的大小和方向是非常重要的。 通过原岩应力实测，表明矿区的地应力以水平应力为主，而非垂直应力为主时， 这就意味着影响井下巷道的稳定性主要为水平应力。方向呈正交关系的最大水平主应 力分量 hmax和最小水平主应力分量 hmin在量值上通常相差较大（hmax=2.17hmin） ， 这使得水平应力对巷道顶、底板影响具有明显的方向性。当巷道轴向与最大水平主应 力平行时，受水平应力影响最小，对顶底板的稳定最有利。当巷道轴向与最大水平主 应力垂直时，受水平应力影响最大，对顶底板的稳定最为不利。与最大水平主应力以 一定角度斜交的巷道，巷道一侧出现应力集中而另一侧应力释放，因而顶底板的变形 破坏会偏向巷道的某一侧。 某煤矿的四采区，工作面顺槽布置的方向为 ne30，实测的最大水平主应力方向 为 115，两者的夹角为 85，近乎垂直，巷道布置为最不利的情况。在实际生产中， 5 4313 工作面工作面顺顺槽槽锚锚网索耦合支网索耦合支护护研究研究 102 顺槽的支护尤为困难，巷道的变形严重，而与之垂直的切眼尽管跨度比顺槽大，但支 护难度变小。五采区工作面顺槽的布置方向为 130，最大水平应力为 117，两者的 夹角为 13，近乎平行，顺槽的变形较小。巷道掘进期间实测的顶板变形量表明，四 采区工作面顺槽的顶板下沉量平均为 62.3mm，三采区和五采区工作面顺槽的顶板下沉 量平均为 37.4mm，三采区和五采区工作面顺槽顶板下沉量明显小于四采区工作面顺槽 顶板下沉量。 在某煤矿七采区和九采区分别进行了原岩应力的实测，七采区最大水平主应力的 方向为 244，九采区最大水平主应力的方向为 97。7317 工作面顺槽和 9301 工作面 顺槽的方向分别为 265和 23，7317 工作面顺槽掘进的方向与最大水平应力的夹角 为 26，而 9301 工作面顺槽掘进方向与最大水平应力的夹角为 74，其结果造成 9301 工作面顺槽破坏严重，支护困难，7317 工作面顺槽破坏轻微。 另一煤矿西翼采区工作面顺槽的布置方向与实测的最大水平应力近乎垂直，巷道 变形严重，维护困难，四采区总回风巷测量表明，巷道顶底板的移近量约为两帮移近 量的 1.41.7 倍，充分说明水平应力在其作用；而东翼采区工作面顺槽的掘进方向与 最大水平主应力平行，水平应力对巷道的影响较小，巷道变形较小。 在采区已经布置完成的情况下，巷道掘进方向无法改变，当最大水平应力大方向 与巷道掘进方向垂直时，最大水平应力对巷道影响最大，应加强巷道的支护，以保证 生产的安全。在未开采区，则应尽量使主要巷道的掘进方向与最大水平应力的方向一 致，以减少水平应力对巷道的影响。 4.2.3 4.2.3 巷道锚杆支护机理巷道锚杆支护机理最大水平应力理论最大水平应力理论 锚杆支护作为一种主动支护形式，能及时加固围岩，提高围岩强度及其承载能力， 支护效果好，支护成本低，有利于工作面端头维护，便于实现综放面高产高效。近年 来我国煤巷锚杆支护得到迅速发展，在一般煤巷中得到了成功地应用。但目前在长平 矿区的大采深条件下，大采高综采巷道中采用锚杆支护技术尚具有较大难度，实际应 用中面临许多技术问题急待解决。 锚杆支护是一项系统工程，它涉及到设计、施工、支护材料、实测技术手段等各 个方面，但都依赖于对锚杆支护机理有一个正确的认识。譬如，以前国内煤巷锚杆支 护设计方法主要采用工程类比法和经验法。这两种设计方法在实际应用中均暴露出各 自存在的一些固有的缺点或局限性，设计者的主观随意性对设计结果影响很大。要从 井田井田应应力状力状态态与大采高工作面巷道支与大采高工作面巷道支护护技技术术研究研究 中期研究中期研究报报告告 103 根本上扭转目前巷道锚杆支护安全可靠性差的被动局面，使煤巷锚杆支护设计和应用 有充分的科学依据，必须对锚杆支护机理有正确地认识，并以系统、完善的锚杆支护 理论来指导锚杆支护的设计和施工。 最大水平应力理论由澳大利亚学者 w. j. gale 博士于上世纪八十年代后期提出， 其学术观点是以大量的工程实测结果为基础的，同时也被大量的工程实测与监测结果 所证实。该理论认为：围岩层状特性比较突出的回采巷道开挖引起应力重新分布时， 垂直应力向两帮转移，而水平应力向顶、底板中转移。所以，垂直应力的影响主要显 现于两帮，而水平应力的影响则主要显现于顶、底板岩层。由于在水平面上，地应力 可分解成最大水平主应力hmax和最小水平主应力hmin，二者在方向上是正交关系，在 量值上通常相差较大，最大水平应力 hmax一般为最小水平应力hmin的 2.5 倍，这使 得水平应力具有明显的方向性。因此，它对巷道在顶底板岩层的影响表现出以下特点 （如图 4-17 所示）： （1）当巷道轴向与最大水平主应力方向平行时，受水平应力影响最小，对巷道顶、 底板的稳定最为有利； （2）当巷道轴向与最大水平主应力方向垂直时，受水平应力影响最大，对预。底 板的稳定最为不利； （3）与最大水平主应力以一定角度斜交的巷道，巷道一侧出现应力集中而另一侧 出现应力释放，因而顶、底板的变形破坏会偏向巷道的某一侧。 当水平应力较高时，巷道顶底板岩层会发生剪切破坏，出现剪切膨胀（松动） ，造 成围岩变形。锚杆的作用即是约束沿其轴向的岩层剪切膨胀以及沿层面的剪切错动， 因此要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩变形的作用。 最大水平应力理论论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所 起的作用。在设计方法上，借助于计算机数值模拟不同支护情况下锚杆对围岩的控制 效果，进行优化设计，在使用中强调监测的重要性，并根据监测结果修改完善初始设 计。这一理论已经在澳大利亚、英国得到广泛应用并陆续在波兰、德国、乌克兰等国 得到采矿界的普遍接受。 最大水平主应力理论关于巷道稳定性与水平应力的方向性、以及水平应力向巷道 顶板转移而垂直应力向两帮转移等论点已经为大量的现场实测与观测结果以及生产实 践中观察到的工程现象所充分证实，其对于生产的指导意义也得到了充分的肯定。这 5 4313 工作面工作面顺顺槽槽锚锚网索耦合支网索耦合支护护研究研究 104 些对于巷道锚杆支护有很强的指导意义。 根据长平井田的原岩应力实测结果，最大水平应力普遍大于垂直应力，最大水平 主应力为垂直应力的 1.80-2.53 倍，使得水平应力的影响具有明显的方向性，所以长 平井田的锚杆支护设计以最大水平主应力理论为基础。 4.3 高应力条件下巷道变形与锚杆的支护作用高应力条件下巷道变形与锚杆的支护作用 在几乎所有的情况下，巷道围岩中总是存在一定的水平压应力，这种水平压应力 能够对直接位于巷道上方的顶板岩层产生夹持作用，有助于使顶板岩层平衡其垂直载 荷而保持在原位而不至于发生冒落。但过高的水平应力会引起巷道顶板岩层的破坏， 容易导致顶板失稳。 4.3.1 4.3.1 高应力条件下巷道顶板变形破坏模式高应力条件下巷道顶板变形破坏模式 当水平应力较高时，巷道顶板岩层的破坏通常是按一个可以事先预测的过程发展， 这个过程称为破坏路径。破坏路径取决于巷道周围的应力重新分布以及不同岩层能够 传递这种重新分布后的应力的方式。 这里所谓水平力较大也是相对的，有些地方顶板比较松软或较为破碎，譬如巷道 上方为煤顶或是破碎带，虽然水平应力的绝对值并不是特别高（与垂直应力相比） ，但 巷道顶板传递水平应力的能力很低，仍很容易造成巷道顶板破坏。 结合图 4-18 来进一步说明在高水平应力作用下（水平应力足以引起顶板破坏的情 况） ，煤巷顶板岩层的典型破坏路径： （1）巷道开挖后，原来由煤体传递的水平应力的一部分向顶板中转移，顶板下部 层中的水平应力增大；与此同时，巷道顶板的垂直应力减小到零； （2）由于水平应力(相当于载荷)增大而垂直方向应力（相当于约束围压）减小， 巷道顶板中部分较弱的岩层首先发生岩石材料本身或沿层面的破坏，从而形成一定范 围的破坏区（仍具有一定的残余强度） ； 井田井田应应力状力状态态与大采高工作面巷道支与大采高工作面巷道支护护技技术术研究研究 中期研究中期研究报报告告 105 图图 4-18 高水平应力作用下煤巷顶板岩层的典型破坏路径高水平应力作用下煤巷顶板岩层的典型破坏路径 （3）岩石受压破坏时会破裂成楔形块体。在岩层逐步丧失其强度的过程中，楔形 块体之间会发生相对位置变化，在受压方向会逐渐收缩，而在正交方向会逐渐膨胀。 这种膨胀正是造成顶板变形（松动膨胀）的动力； （4）当岩层膨胀达到一定程度时，其松动程度如此之大以至于无法再承受任何额 外的载荷，原来由该岩层承受的载荷将转嫁到其上部相邻岩层，由相邻岩层承担。也 就是说，由于已出现破坏的岩层传递水平应力的能力明显降低，从而导致水平应力进 一步向顶板深部转移，这意味着其上部岩层将要更高的应力； （5）如果重新分布后的应力高于上部岩层强度，就会在顶板深部形成新的破坏区， 并且可能依次进入破坏状态，水平应力会进一步向上转移，使岩层破坏范围进一步向 上扩展。破坏区的岩石剪切膨胀对自身以及对下位岩层形成向下的载荷（因为无法向 上变形膨胀） ，造成顶板岩层弯曲下沉。这个过程会继续下去直至遇到强度足够高的岩 层，或者被有效的支护系统所阻止； （6）由于破坏区内岩石传递水平应力的能力很低，相应地，受水平应力的夹持作 用就很低，当破坏范围达到一定程度，便可能在自重产生的垂直载荷作用下发生冒落。 以上六个步骤是高水平应力作用下顶板岩层的典型破坏过程。这里需要特别指出 的是，如果在遇到强度足够高的岩层，或者被有效的支护系统所阻止之前，已出现破 坏的顶板的松动或弯曲下沉达到一定程度，则因其传递水平应力的能力降低，所受水 5 4313 工作面工作面顺顺槽槽锚锚网索耦合支网索耦合支护护研究研究 106 平应力的夹持作用会随之降低到无法平衡其垂直载荷的程度，在这种情况下，已经出 现破坏的岩层便会产生与周围岩体分离的趋势，稳定性转为受垂直载荷控制，并且， 随着水平应力向上转移，顶板破坏范围有可能会持续扩展，相应地，支护系统要承受 的载荷也会越来越大。 4.3.2 4.3.2 高应力条件下顶板锚杆的作用高应力条件下顶板锚杆的作用 在围岩出现强度破坏之前，锚杆主要通过提供轴向约束和横向约束对锚固范围内 的顶板岩石产生围压，可以提高锚固范围内的岩层承受水平应力的能力。这一点可以 用岩石试样三轴实验结果作为实例来说明。 尽管增加围压可以提高岩石的强度进而提高其承受水平应力的能力，但要显著地 提高顶板岩层的强度极限从而防止岩层屈服破坏，需要锚杆提供的支护阻力太高，多 数情况下，这会超出任何锚杆支护体系所具有的支护能力范围，所以锚杆支护在设计 上并不着眼于阻止岩石的强度破坏。实际上，井下实际遇到的顶板岩石多数都是不同 程度的破裂甚至破碎的岩石。锚杆支护更主要的是针对已经出现破坏的围岩，或者说， 锚杆支护的作用效果主要体现在顶板岩石的后破坏阶段。 而对于已经达到强度极限进入屈服状态以后的岩石，只要对其提供很小的约束作用， 就可以使其残余强度得到很大提高，从而使岩层能够继续承受相当大的载荷，大量的 试验已经充分证明了这一点。通常，每提供 1mpa 的围压，可以使出现应变软化岩层 的强度提高 4mpa。如果允许直接顶岩层完全软化，那么，除非对其提供一定的围压， 其强度将降低为零。由于直接位于巷道上方的顶板处的垂直应力为零，巷道顶板岩层 所受的围压只能由锚杆来提供。直接位于巷道上方的岩层传递水平应力的能力反映了 顶板强度的大小。实际上，如果岩层已进入软化状态，则水平应力恰恰等于顶板岩层 的强度。 澳大利亚通过对相同条件下安装锚杆和未安装锚杆的顶板岩层中的水平应力的大 量现场实测，充分证实了锚杆支护后对于提高和保持岩层传递水平应力能力的作用效 果（图 4-19） 。这说明，通过提供约束，可以显著地提高煤岩体的残余强度。法国学者 研究结果表明，对已出现破坏的煤体提供约束后，可以使其残余强度以 7.5 倍的比例 增大。 从图 4-19 中锚杆上部所在层位水平应力达到 57mpa，显然较高水平应力有利于 锚杆上段保持锚固力，这一点是非常有意义的。不难想象，如果锚杆锚固端所在位置 井田井田应应力状力状态态与大采高工作面巷道支与大采高工作面巷道支护护技技术术研究研究 中期研究中期研究报报告告 107 的水平应力很低，或者说为零，锚杆的锚固性能就会出现问题。这从另一个角度说明， 高水平应力情况下保持巷道顶板传递水平应力的能力是非常关键的。锚杆支护发挥正 常时，锚杆长度范围内岩石的水平应力是否还是这么低？显然不是，锚杆的约束作用 提高了岩层传递水平应力的能力，而岩层中的水平应力的提高（与无支护时相比）又 有利于保证锚杆的锚固性能，形成了相辅相成的关系。这是锚杆支护所特有的一种优 势。 图图 4-19 锚杆提高顶板传递水平应力的能力锚杆提高顶板传递水平应力的能力 图图 4-20 水平应力对顶板潜在冒落区的夹持作用水平应力对顶板潜在冒落区的夹持作用 由于锚固范围内的岩层残余强度（较无锚杆时）显著增大，这部分岩石承受（传 递）水平应力的能力相应地显著提高，也就是说，由于锚杆的作用，尽管锚固范围内 的顶板岩石已经出现材料破坏，但仍以其所保持的较高的残余强度传递（或者说承受） 着大部分水平应力，从而遏制水平应力继续向上部转移，避免在锚固范围以上的顶板 岩石再形成新的材料破坏区即应力超过岩石材料强度极限，表现为顶板“弱化高 度”得到控制。也就是说，由于锚杆支护的作用，巷道顶板岩体破坏路径在这一环节 发生变化，由破坏范围持续扩大逐步趋向失稳转化为新的平衡状态。 控制弱化高度是锚杆支护的第一出发点，作不到这一点，意味着单纯用普通锚杆 支护无法满足支护要求，在实际观测时则表现出“弱化高度”持续增大，出现这种情 况就必须考虑在普通锚杆支护的基础上增加锚索或其它补强加固措施。 锚杆锚固范围内顶板岩石的稳定条件会得到显著改善，这是因为，一方面，锚固 范围以上的岩层对锚固范围以内岩层的变形膨胀压力相应减小；另一方面，随着锚固 范围内岩石传递水平应力能力的提高，这部分岩石受其两侧母岩的夹持力（这是水平 5 4313 工作面工作面顺顺槽槽锚锚网索耦合支网索耦合支护护研究研究 108 应力有利于巷道顶板稳定的一面）将显著增大（参见图 4-10） 。这两方面综合作用的结 果便是：这部分岩石获得了足以平衡其所受的垂直载荷 w 的夹持力，从而防止顶板冒 落失稳。同时，巷道顶板的变形位移也将得到有效控制，反映在支护效果上，就是不 仅保证顶板不发生冒落的同时，将顶板下沉量控制在要求的范围内，从而保证巷道的 正常使用。这种夹持力对于保持顶板岩层的稳定是非常重要的，它所起到的作用也是 非常显著的。 4.4 小结小结 （1）地应力分布是进行巷道支护设计，合理进行开采活动，防治动力灾害的前提， 本项目研究了地应力场成因、特征及分布规律。 （2）中国东部及中西部矿区地应力分布规律为：最大主应力倾角近水平，中间主 应力倾角大多数接近于垂直，而最小主应力倾角也近于水平，中间主应力为垂直应力， 因此矿区的应力场为大地动力型（逆断层应力类型）。 （3）揭示了水平应力集中对巷道顶板破坏的机理，最大主应力方向与巷道破坏的 关系，以及巷道锚杆支护的最大水平主应力理论。 （4）研究了高应力条件下巷道顶板变形破坏模式以及高应力条件下顶板锚杆的支 护作用。 （5）长平井田总体属水平构造应力场，最大主应力方向为近东西向，且量值为垂 直应力的 2 倍左右，总体上构造应力集中程度中等。 5 4313 工作面顺槽锚网索耦合支护研究工作面顺槽锚网索耦合支护研究 5.1 锚杆支护设计方法锚杆支护设计方法 5.1.1 5.1.1 煤巷锚杆支护概况煤巷锚杆支护概况 在煤矿生产矿井中，煤巷（包括煤岩巷）的数量占巷道总进尺的 7080， 而且大多数是回采巷道。煤巷与岩巷相比主要的不同点有：（1）位置一般不容选择； （2）截面一般为矩形、梯形或不规则四边形；（3）围岩强度较低；（4）服务年限短， 井田井田应应力状力状态态与大采高工作面巷道支与大采高工作面巷道支护护技技术术研究研究 中期研究中期研究报报告告 109 一般不超过 3 年；（5）受回采工作面的采动影响，地压显现剧烈。 我国煤巷锚杆支护虽然在 20 世纪 50 年代就已起步，但由于各种因素的制约，到 80 年代中期煤巷锚杆支护率仍在 34。因此，原煤炭工业部把推广煤巷锚杆支护 作为巷道支护的改革列入主要的议事日程，并作为“八五” 、 “九五”的科研攻关项目。 从 80 年代末起，我国煤巷锚杆支护在生产单位、科研院所、大专院校和生产制造厂家 的共同努力下，已取得突破性进展。 实践充分证明，在煤巷中应用锚杆支护，和传统的棚式支护相比，具有显著的优 越性。主要表现在以下几个方面。 （1）从根本上改善了支护状况，保证了安全生产； （2）减轻了工人的劳动强度，改善了作业环境； （3）减少了支护物料的运输，改善了生产矿井中辅助运输的紧张状况； （4）提高了掘进单位水平和掘进工效，有利于高速、高效掘进队的建设； （5）大幅度节约支护材料，降低支护成本； （6）提高巷道断面的利用率； （7）简化了综采工作面超前支护，加快了回采速度； （8）锚杆支护巷道维修量少，服务年限相对延长，为优化矿井开拓布置、合理集 中生产创造了条件； （9）能可靠的支护综采大断面的机、风巷和开切眼，为综采工作面设备快速安装 创造了条件； （10）有利于节约资源，改善生态环境。 煤巷锚杆支护技术的理论与实践都已比较成熟，在、类围岩的煤巷可大 面积的推广。、类围岩巷道的锚杆支护在许多矿区都取得了成功，这一切都说明 煤巷锚杆支护不是不可能的事。为了提高煤矿生产效率、降低成本、保证生产安全获 得高额经济效益，所以在煤巷中推广锚杆支护都是势在必行的。积极组织推广以煤巷、 煤岩巷锚杆支护为重点，是煤矿巷道支护的又一项改革。为此，应着重解决好以下 问题： （1）要积极试验，不怕反复，不怕失败，坚持到底，提高成效； （2）要讲究科学，从本矿区、本矿井的实际出发，探索科学合理的锚杆支护形式 和参数，严禁盲目蛮干； 5 4313 工作面工作面顺顺槽槽锚锚网索耦合支网索耦合支护护研究研究 110 （3）积极组织锚杆支护技术培训，全面提高施工队伍素质； （4）加强锚杆支护的技术管理，严把施工质量关，施工质量直接关系到安全生产 和锚杆支护的成败； （5）加强与科研院所、大专院校锚杆支护专家的联系，帮助解决煤巷锚杆支护的 难题，避免走弯路； （6）制定有利于锚杆支护的经济政策，利用经济杠杆，调动职工应用锚杆支护的 积极性； （7）学习外地的先进经验，及时总结本地区、本单位的经验，并进行环境交流， 促进锚杆支护的发展。 5.1.2 5.1.2 巷道锚杆支护作用机理巷道锚杆支护作用机理 锚杆支护的作用机理有悬吊作用、组合梁作用、加固拱作用和楔固作用等。 （a）上部有稳定岩层 （b）上部形成自然平衡拱 1锚杆；2松散破碎岩层；3稳定岩层 图图 5-1 锚杆支护的悬吊作用锚杆支护的悬吊作用 （1）悬吊作用 悬吊作用是指锚杆把将要冒落的松软弱岩层或危岩悬吊于上部坚固稳定的岩体上， 由锚杆来承担危岩或松软弱岩层的重量，如图 5-1 所示。 （2）组合梁作用 在层状岩层的巷道顶板中，通过锚入一系列的锚杆，将锚杆锚固长度以内的薄层 岩石组成岩石组合梁，从而提高其承载能力。可以把平顶巷道的层状岩石顶板看作是 以巷道两帮为支点的叠合梁。在载荷作用下，各层岩石（板）都有各自的单独弯距， 每层岩石（板）的上下边缘分别处在受压和受拉状态。但用锚杆将各层岩石锚固在一 井田井田应应力状力状态态与大采高工作面巷道支与大采高工作面巷道支护护技技术术研究研究 中期研究中期研究报报告告 111 起后，在载荷作用下，各层岩石之间基本上不会发生离层、错动，就如同一块板的弯 曲一样，大大提高了组合梁的抗弯强度和承载能力，如图 5-2 所示。 （a）叠合梁 （b）组合梁 图图 5-2 锚杆支护的组合梁作用锚杆支护的组合梁作用 （3）加固拱作用 对于被纵横交错的弱面所切割的块状或破裂状围岩，如果及时用锚杆加固，就能 提高岩体结构弱面的抗剪强度，在围岩周边一定厚度的范围内形成一个不仅能维持自 身稳定，而且能防止其上部围岩松动和变形的加固拱，从而保持巷道的稳定，如图 5- 3 所示。 图图 5-3 锚杆支护的加固作用锚杆支护的加固作用 （4）楔固作用 锚杆的楔固作用是在围岩中存在一组或几组不同产状的不连续面的情况下，由于 锚杆穿过了这些不连续面，防止或减少了沿不连续面的移动，如图 5-4 所示。 5 4313 工作面工作面顺顺槽槽锚锚网索耦合支网索耦合支护护研究研究 112 图图 5-4 锚杆的楔固作用锚杆的楔固作用 5.1.3 5.1.3 锚索支护作用机理锚索支护作用机理 锚索支护是一种主动支护，是一种传递主体结构的支护应力至深部稳定岩层的主 动支护方式。它可以传递较大的拉应力，这是其它措施无法比拟的最大优点。 图图 5-5 锚索锚杆群联合加固作用原理锚索锚杆群联合加固作用原理 锚索长度，一般是锚杆长度的 35 倍（根据工程需要还可以更长） ，除具