（工程力学专业论文）阳泉矿区采场巷道锚固支护型式及参数优化研究.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 巷道支护技术是煤炭开采中的一项关键技术。安全、合理、有效的巷道支护是保证 矿井高产高效的必要条件。锚固支护在提高支护效果，减轻劳动强度，提高巷道断面利 用率，简化回采面端头区维护工艺等方面具有突出的优越性。 本论文在阳泉矿区广泛推广应用锚固支护技术的基础上，针对该矿区不同工程地质 条件下不同位置的巷道，分别对二次动压尾巷、极松散综放面巷道、大断面综放面巷道 及靠采空区综放面巷道进行不同支护形式的数值模拟分析与稳定性评价。针对阳泉1 5 # 煤层一次动压巷道和实体煤巷道进行正交数值分析与支护参数优化，由此确定所研究巷 道锚固支护参数，并进行综合评价和优化决策。它不仅可以进一步节省支护的费用，提 高矿区的经济效益，更重要的是使阳泉矿区对应用锚固支护技术进一步建立信心，巩固 和发展锚固支护技术。 参数优化设计步骤：首先，针对不同巷道和支护参数，选定设计因素进行正交实验 设计，该方法通过少量的实验就可以根据对结果的比较、分析求得最优解。其次，以数 值分析作为主要的研究手段，即采用f l a c 对所有实验进行数值模拟，并分别得出相应 的巷道稳定安全系数、顶底板变形相对收敛率、两帮变形收敛率作为评价准则。再次， 针对不同的评价准则，利用正交实验的优化分析，得到相应准则下的最优方案。最后， 再利用灰色理论中的关联度分析，综合分析根据不同评价准则所得到的优化方案，考虑 支护费用的因素，进行支护方案的最优化决策，以达到全局优化。 关键词：锚固支护，数值分析，稳定性评价，正交实验，优化决策 北京科技大学硕士学位论文 t h e s u p p o r t i n gt y p e sa n do p t i m i z a t i o no fs u p p o r t i n g p a r a m e t e r sf o rc o a lm i n e t u n n e li ny a n gq u a r tc o a lf i e l d a b s t r a c t t h es u p p o r t i n gt e e h n i g u eo fc o a lm i n et u n n e li sm o s ti m p o r t a n ti nc o a lm i n i n g as a f e , r e a s o n a b l ea n de f f e c t i v es u p p o r t i n gf o r mi st h en e c e s s a r yc o n d i t i o nt om a k es u r eh i 曲 p r o d u c t i v ea n de f f e c t i v em i n i n g t h e r e f o r e , t h eb o l t i n gt e c h n i q u eh a v em o r ep r o m i n e n t a d v a n t a g ei ns u c ha s p e c t s 鹪i n c r e a s i n gt h ee f f e c to fs u p p o r t i n g , r e d u c i n gt h ei n t e n s i t yo f l a b o r i n g , i m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o nr a t i o no fc o a l t u n n e lb r o k e nf a c ea n ds i m p l i f y i n gt h e m a i n t e n a n c eo f t h ee n do f m i n ef a c e i nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h ew i d eu t i l i z a t i o no ft h eb o l t i n gt e c h n i q u ei ny a n g q u a nm i n i n g a r e a , a e e o r c l i n gt ot h ed i f f e r e n tl o c a t i o no fc o a lm i n i n gt u n n e lu n d e rd i f f e r e n c ee n g i n e e r i n g g e o l o g i c a lc o n d i t i o n , t h ea n a l y s i so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hd i f f e m l tf o r m so f b o l t i n ga n d a p p r a i s a lo fs t a b i l i t ya l l 。p e r f o r m e do i lt h es e c o n d a r yd y m m i ep r e s s u r ec o a lt u n n e l ，v e r y i n c o m p a c tm e c h a n i z e dc o a lt u n n e l , m e c h a n i z e dt o p - c o a lc o v i n gt u n n e lw i t hl a g e rb r o k e nf a c e s e c t i o na n dm e c h a n i z e dc o a lt u n n e ln e f l l t h es e c t i o no f m i n e de m p t y , a sf o rt h en o1 5p r i m a r y c l y m m i ep r e s s u r ec o a lt u n n e la n ds o l i dc o a lt u n n e l t h eo r t h o g o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d o p t i n l i z 撕o no f s u p p o r t i n gp a r a a r i e t e 侣撇c a r r i e do u tt od e t e r m i n et h es u p p o r t i n gp a r a m e t e r so f c o a lm i n i n gt u n n e l sa n dt og i v ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 锄df i n a lo p t i m i z i n gd e c i s i o n a st h e r e s u l t s , t h er e 蹦t r e hm a yn o to n l yr e d u c et h ec o s to fs u p p o r t i n ga a di m p r o v et h ee c o n o m i c b e n e f i t so ft h em i n i n ga r e a , b u t , w h a tm o s ti m p o r t a n ti st h a tt h e c o n f i d e n c et ou s et h eb o l t i n g t e c h n i q u ei nt h i sm i n i n ga l r e ai sf l l l t h e rs t r e n g t h e n e ds ot h a tt h et e c h n i q u e 伽1b ec o n s o l i d a t e d a n dd e v e l o p e d t h es t e p so f p a r a m e t e r so p t i m t m ad e s i g n 狮a sf o l l o w s ：f i r s t l y , a c c o r d i n gt od i f f e r e n to f c o a lt u n n e l sa n ds u p p o r t i n gp a r a m e t e r s , t h ef a c t o r sa n dl e v e l s 黜c h o s e nt om a k et h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t s , w h i c hc a l la n a l y z et h er e s u l t sa n dg e tt h eo p t i m a ls e h e r n e j u s tb ys m a l l a m o t m to fe x p e r i m e n t s s e c o n d l y , t h en t m a e r i e a ls i m u l a t i o ni sc o n s i d e r e da st h em a i nm e t h o d , t h a ti s , f l a ci sa d o p t e dt os i m u l a t ea l lt h ee x p e r i m e n t sm e n t i o n e da b o v e , a n dt h e nt h es a f e t y f a c t o r so f c o r r e s p o n d i n gt u n n e l ，t h er e l a l i v ec o n v e r g e n c er a t i oo f r o o f - t o - f l o o ra n dt w ot i d e so f t u n n e l sa n dt h el a r g e s td i s p l a c e m e n tv e c t o l 勰o b t a i n e da n dr e g a r d e da st h ee v a l u a t i o n c r i t e r i o n s f u r t h e r m o r e , a c c o r d i n gt ot t a ed i f f e r e n te v a l u a t i o ne r i t e r i o m , b ym e a n so ft h e o p t i m i z i n ga n a l y s i sr e s u l t so f o r t h o g o n a le x p e r i m a a t s , t h eo p t i m u ms c h e m e so f c o r r e s p o n d i n g 2 北京科技大学硕士学位论文 c r i t e r i o n s 躺a c h i e v e d f i n a l l y , t h ea s s o c i a t e da n a l y s i so fg r a yt h e o r y i s a d o p t e dt o c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z et h eo p t i m i z e ds c h e m eo b t a i n e db yt h ed i f f e r e n te v a l u a t i o nc r i t e r i o n s , c o n s i d e n n gt h ef a c t o ro fs u p p o r te x p e f l s e , t h eo p t i m i z i n gd e c i s i o no fs u p p o r t i n gs c h e m ei s m a d e t o a c h i e v e t h e g l o b a l o p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：b o l t i n gs u p p o r t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , s t a b i l i t ya p p r a i s a l , o r t h o g o n a e x p e r i m e n t , o p t i m i z i n gd e c i s i o n 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：箍缒日期：竺! ! ：堑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 躲丛导师虢盥日期：幽立矿 北京科技大学硕士学位论文 引言 锚固支护技术在阳泉矿区的广泛应用，为矿区的安全生产和经济效益的提高起到了 极其重要的作用。在使用和推广锚固支护技术的过程中，通过大量的生产实践，不断地 总结经验和统计分析，矿区已经积累了丰富的工程经验。正是锚固支护技术的应用与推 广，不仅使阳泉矿区摆脱了采场巷道大范围破坏，严重影响矿区正常生产的不利局面， 而且，也为矿山节约了大量的支护材料和维修费用，解决了由于巷道支护强度低、变形 大，严重制约回采工作面生产能力的问题，给企业产生巨大的经济效益。 尽管锚固支护技术在阳泉矿区已经得到应用和发展，但如何根据巷道所处的应力环 境、使用时间和要求，准确地确定巷道的支护类型，合理地评价正在实施的锚固支护参 数，在此基础上进行锚固参数优化，对于阳泉矿区锚固支护技术的应用和推广不仅是必 要的，而且也势在必行。因此，深化和理解锚固支护作用机理，提高锚固支护设计水 平和巷道支护施工技术是必要的。它不仅可以进一步节省支护费用，提高矿区的经济效 益，更重要的是能够建立矿区对锚索支护技术的应用进一步建立信心，巩固和发展锚索 支护技术。 基于上述考虑，本课题试图在阳泉矿区广泛地推广应用锚固支护技术的基础上，以 数值分析手段作为主要的研究手段，并考虑矿山的工程地质条件和巷道类型，针对不同 类型巷道和支护参数进行数值模拟分析，并进行正交实验分析，在此基础上，研究锚固 支护参数与巷道变形及稳定性之间的关系，从而为不同类型巷道的支护参数优化与稳定 性评价奠定基础，并进行巷道锚固参数优化设计。 北京科技大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 地下工程的历史发展 多少世纪以来，采矿工作人员在不断探寻矿物的过程中，一直在从事地下采掘。起 初，地下作业只是单纯从开采地表所形成的小硐往下延伸。随着各种探矿方法的日益成 熟，促进了许多深部大矿体的发现。于是各种地下采矿方法得到了发展，于是通过艰苦 实践经验总结出来许多新的采矿方法i l 】。 不论过去和现在，大多数地下巷道均具有临时性的特点。只要他们能作为安全通道 保留到完成任务，而硐室的后续变化并不会危及矿山任何其他地方的作业就可以了，经 过一段时间，这些采矿硐室就宣告废弃。所以为研究这类硐室的稳定性所要投入的人 力、物力以及所需的支护质量和数量，应根据要求保持稳定的时间长短而定口翔。 近几十年来，由于地下工程规模的日益增大，出现了永久性地下开挖工程。这类工 程几乎都需要有几十年的服务年限，而且除了规模大以外，有些这类地下工程还需安装 重要设备，并按正规编制配备操作人员，因此，务必确保这类硐室不致发生冒落或其他 形式的失稳事故【4 】。 由于隧道、地下电站硐室、以及储油库和储气库等地下开挖工程都要求有2 0 年以 上的稳定期，而且不允许出现任何形式的失稳，因此，在设计和安设支护系统时总要投 入足够的人力物力，有时甚至还要留有余地【5 舸。 设计地下开挖工程，不仅设计其支护系统，而且还要确定合理开挖顺序，以确保在 施工过程中工程的稳定。支护设计所涉及的范围甚广，从坚固岩层中无需支护的i | 缶时性 矿山坑道到采用全面注浆，配有金属网的预拉锚杆或预拉锚索，以及喷射混凝土支撑永 久性的大兴土木工程开挖体【刀。 1 2 地下巷道工程的特点 地下巷道工程也称为井巷工程或巷道工程。巷道工程是为勘探、开拓和有计划地进 行矿床开采或为了达到某种目的，在矿体或围岩中开凿的进入矿体的通道。 地下巷道工程的特点主要表现在以下几个方面嘲； o ) i 程位置的不可选择性 巷道工程是为矿山采矿服务的，一般处于工程地质条件较为复杂的矿山工程岩体 中。其位置的选择余地相对较小，有些巷道( 如采场巷道) 根本没有可选择的余地。 ( 2 ) 应力环境的复杂多变性 北京科技大学硕士学位论文 由于巷道工程一般位于采场附近，不仅受采空区和相临巷道的影响，而且还不同程 度地受开采过程交替变化的采动应力和生产爆破的影响。同时，巷道工程围岩应力和状 态随采矿活动的变化而变化，随开采顺序和回采强度的不同而不同。 ( 3 ) 使用目的和稳定要求上的差异性 开拓工程一般服务于整个矿体采矿或服务于一个或几个中段的采矿：采准工程仅服 务于矿块或进路的回采。因此，无论是在工程使用时间上，还是在稳定性要求上都与其 它永久地下工程存在较大差异。 ( 4 ) 分析与设计信息或资料的不完备性 由于巷道工程面广、量大，且多为一般永久性或临时性工程。因此，无论是工程地 质勘察，还是矿岩力学实验相对做得较少。尤其是采准巷道，工程地质研究工作就更 少，这与进行详细的工程勘察和大量室内外物理力学试验研究的水电、军工等地下工程 形成鲜明的对比即。 1 3 巷道工程研究的内容 巷道工程设计的任务就在于以最经济的代价、最安全的方式和最大限度地回收矿产 资源。地下巷道工程研究主要包括以下两个方面【i o 】： ( 1 ) 采矿方法和开采工艺的优化。寻求最佳采场地压控制措施与技术，使巷道工程处 于有利的应力环境中，这是提高巷道稳定性的主动方法。 ( 2 ) 在地质条件较差的环境中，巷道难以维持稳定，必须进行支护。支护类型与支护 参数的优化设计是降低巷道维护费用，提高采矿经济效益必不可少的研究内容。 1 4 地下巷道工程设计中的不确定性 巷道工程设计是建立在信息的基础上。设计信息一部分来自于现场工程地质勘察、 专家经验以及工程类比，但更多的来源于对资料的加工、外延以及相应的理论分析和数 值计算。由于矿岩是经历了构造作用的地质体，无论是现场实测的资料、数据，还是内 插或外延所获得的信息，都是在特定条件和特殊场合下获得的，受时间或空间的影响。 影响信息的因素具有随机特征。因此，需要探讨巷道工程定量分析中随机因素的分布规 律以及影响程度【1 1 , 1 2 。 ( 1 矿山岩体物理力学性质的不确定性 固有的可变性 由于矿山岩体属于地质体，其性质在点与点之间是变化的，其可变性一般在水平方 向缓慢，而在垂直方向剧烈。同样，对于一定范围的岩体性质而言，岩体的空间均值也 北京科技大学硕士学位论文 存在不确定性，尽管空间均值的可变性通过平均效应后比“点”的可变性有所减小。 统计的不确定性 由于一般室内或现场实验均存在试验误差，加之上述岩体固有的可变性，所以一点 的岩体统计量( 均值、方差) 不可能依据有限数量的样本完全确定。 系统的不确定性 指岩体参数测试条件与实际状况有出入而引起的误差。由于取样扰动、试件尺寸效 应、应力条件差别、剪切速率的大小、取值标准的差异等因素所产生的不确定性。 ( 2 ) 围岩破坏模式的不确定性 矿山岩体破坏机理与破坏模式取决于工程所处的应力环境与矿山岩体性质。在工程 使用过程中，由于随机因素或工程环境的变化影响，可能导致围岩应力状态或岩体性质 的改变而造成破坏模式的不确定性。 ( 3 ) 围岩稳定准则的不确定性 传统的地下工程围岩稳定性评价是建立在安全系数的基础上。安全系数的定义随着 破坏模式的不同而不同。不同的破坏模式，其安全系数的定义也不同，而且对于服务于 不同目的的地下工程，其“安全”的涵义也存在着显著差异。对于地下巷道工程，由于 受随机因素的影响，服务于不同生产目的巷道工程，其围岩稳定性破坏准则不可能是单 一的，而是随着破坏模式、工程使用要求的不同而不同【1 3 1 。 1 5 本课题的研究思路 本文研究的巷道的类型分别是二次动压尾巷、极松散综放面巷道、大断面综放面巷 道、靠采空区综放面巷道、实体煤巷道及一次动压巷道。 7 论文研究的方法是采用f l a e - 2 d 程序进行数值模拟分析，由此进行巷道稳定性评价 以及通过灰色理论进行锚固参数优化的研究。 论文研究的目的是在针对不同位置的巷道的支护形式的数值模拟分析，合理的评价 在阳泉矿区正在实施的锚固支护技术的应用，深化和理解锚固支护作用机理，提高锚固 支护设计水平和巷道支护施工技术，有利于增加阳泉矿区进一步应用锚固支护技术的 信心，并且通过针对同种巷道不同支护参数的分析，利用正交实验和灰色理论来研究 锚固支护参数与巷道变形及稳定性之间的关系，为巷道的锚固支护参数优化与稳定性评 价奠定理论基础。 北京科技大学硕士学位论文 2 锚固支护设计原理与设计要素 2 1 锚固支护作用原理 锚固作用原理是指导锚固设计和理论计算的基础。根据不同的锚固原理，可能得到 不同的分析结果。目前，已经提出多种锚固机理，但以下几种锚固机理是得到工程界和 理论界的普遍认同【。 2 1 1 悬吊作用原理 悬吊作用理论认为，锚杆支护是通过锚杆将软弱、松动或不稳定的岩土体悬吊在深 层稳定的岩土体上，以防止其离层滑脱【l s l 。 2 1 2 组合粱作用原理 组合粱作用原理是对层状介质的锚固体提出的。这种原理认为，锚杆的作用是将 层状岩体锚固在一起，形成一种组合粱( 简支粱或悬臂粱) 。如果没有锚固作用，层状岩 体只是简单地叠合在一起。由于层问抗剪力不足，在荷载的作用下，单个粱均产生各自 的弯曲变形，上、下缘分别处于受压和受拉状态。若用锚杆将它们紧固成组合粱，各层 板便相互挤压，层问摩擦阻力大为增大，内应力和挠度大为减小，于是，就增加了组合 粱的抗弯刚度。当把锚杆埋入岩土体一定深度，相当于将简单叠合数层粱变成组合粱， 从而提高了地层的承载能力。锚杆提供的锚固力越大，各岩土层间的摩擦阻力越大，组 合粱整体化程度越高，其强度也越犬1 6 1 7 】。 2 1 3 挤压加固作用原理 兰格f r a l a n g ) 通过光弹试验，验证了锚杆的挤压加固作用。当在弹性体内安装具 有预应力的锚杆时，弹性体内便形成以锚杆两头为顶点的锥形压缩区；若将锚杆以适当 的日j 距排列，使相邻锚杆的锥形体压缩区重叠，便形成一定厚度的连续压缩带【瑚。 2 1 a 围岩强度强化理论 几年来，煤炭系统的科研院所开展了锚杆支护围岩强度强化机理研究，提出了围岩 强化理论。如中国矿业大学通过实验室相似材料模拟试验和理论分析，深化7 锚杆支护 的作用原理：认为锚杆支护作用实质就是改善锚固区岩体力学参数，强化锚固区围岩强 度，特别是强化围岩破裂后的强度，从而保持地下工程的围岩稳定【1 9 1 。 2 2 地下工程特点及设计要点 地下工程是为特定工程的使用要求和目的，在岩石或土体中开挖形成的结构。最常 见的结构如水电站地下厂房、地下商场、地铁车站、铁路和公路隧道、矿山巷道等。 北京科技大学硕士学位论文 2 2 1 地下工程锚固设计要点 ( 1 ) 与结构工程不同，地下工程是在岩土体内形成的承载结构，岩土体既是工程结构 的组成部分，又是荷载的施加者。因此，支护结构不完全是荷载的承载体，而是与围岩 的相互作用，形成一个共同承担围岩压力的复合结构体系阢2 ”。 ( 2 ) 地下工程的围岩压力p ，随着围岩位移“，的增加而减小；但当围岩变形发展到 一定程度时，围岩压力类型将发生改变，由变形地压转变为散体地压，其值将急剧增 大。围岩的松动塌落与支护提供的抗力有关，也即与支护的时间有关。因此，从理论上 讲，围岩压力存在一个最小值。所以，锚固支护设计不仅在于提供的支护型式与支护参 数，而且，更重要的还需要确定最佳支护时间。 ( 3 ) 在设计洞室时，必须考虑以下四个因素：洞室的位置、尺寸、形状和支护形式。 通常，设计洞室时必须首先根据其用途选择比较理想的位置、尺寸和形状。然后，再从 岩石力学的观点来审查初步设计，以了解在施工中是否会遇到困难。如果会，就得重新 设计，以期在理想和现实设计之间找出最佳的折衷方案。 ( 4 ) 从岩石力学的观点进行评估，做出以下初步判断圈： 如果作用的总应力比岩石强度小，且岩石整体性好、节理不发育，则不会出现岩 层控制问题。 虽然总应力不超过岩石强度，但岩石呈片状、或节理发育和破碎的，则可能出现 岩石松动而引起岩石冒落或折断。 岩石的物理一化学性质可能促使产生风化和膨胀。 岩石强度低于总应力，以致岩石破坏，并产生大的位移。 2 2 2 地下工程锚固设计准则 ( 1 ) 围岩极限剪应变控制准则 在三维的复杂应力状态下，围岩松动圈的范围建议逐个单元地计算出等效塑性剪应 变( 八面体剪应变) 尹。c r 的值，以是否超过由试验得出的极限剪应变( 临界值) 【y 】值作为围 岩变形破坏准则，即认为当 肠= 孚k 。埘如埘+ 瓴甜阳，】 时，该单元将剪切破坏( 岩石产生松动) 。 ( 2 1 ) 北京科技大学硕士学位论文 此处，【，】值可由单轴或三轴试验得出。从以往对一般软岩的测试资料统计，单轴 试验的【，】_ 岛( 岛为极限应变尸捌。 三轴试验时，如以最大剪应变，一来度量极限应变，则 一 c j 。篙- - - - - 1 - - - 兰- - - 0 3 = ，一= 旦葡蜀生 ( 2 2 ) 式中，c 、伊分别为岩体的粘聚力和内摩擦角；0 3 为侧向应力；破坏比r ，= l 一! 旦_ 可采 。 s f 用单轴试验的值；对层状岩体，g 可取平行与垂直于层面剪切模量的平均值。 由有限元数值计算得出洞室周围岩松动圈范围( 分布和进深) ，再从以往设计施工经 验，并结合围岩主应力和洞室周围塑性区的分布情况，按上述已搜集到的实际资料进行 类比和综合评估，作为围岩强度破坏的判据随硐。 ( 2 ) 围岩收敛位移速率控制准则 在进行隧洞围岩流变时效分析时，可得出沿洞周各个控制点( 不只是拱顶) 随时间向 洞内方向位移的增长速度，即位移收敛速率( r 以m m d 计) ，用以衡量围岩的自稳性态 与自稳时间。这比过去只用拱顶一处位移绝对值的大小来度量更为合理。认为型2 瑙】： v o ，位移呈减速收敛趋势，最终将趋于稳定； v = 常数，位移呈匀速增长，在达到一定位移相对收敛值的允许限值之前，需要 施作支护； v o 。位移呈加速增长趋势，这种情况只允许开挖面通过此截面时短暂出现。待 开挖面通过后，围岩将急剧失稳。 ( 3 ) 围岩位移相对收敛值控制准则 收敛位移值既能方便测定，又能比较正确地反映围岩的真实性态。因此，对于洞周 最大允许收敛位移值可以用相对收敛值来控制捌。此处，相对收敛值是以洞周各个控 制点径向收敛位移的绝对值除以洞室半径。对于拱顶，即为“形；对于拱腰和拱趾左 ， 一 右两帮的相对位移收敛值，则除以2 倍的洞室半径，即“量吆，此值也称为“收敛 ，- ， 比” 北京科技大学硕士学位论文 2 2 3 选用锚杆支护参数的原则 锚杆应当采用局部布置与系统布置相结合的原则。为防止危石和局部滑塌，应重点 加固节理面和软弱夹层，重点加固部位放在顶部和侧壁上部。为防止围岩整体失稳，当 原岩的最大主应力位于竖直方向时，应重点加固两侧，但围岩顶部仍应配以相当数量的 锚杆。而当最大主应力位于水平方向时，则应把锚杆重点配置在围岩顶部或顶底。锚杆 数量多少及锚杆间距的选定，一般应以充分发挥围岩自身作用和施工方便为原则。合理 的锚杆数量是恰好使初期支护的喷层刚好达到稳定状态，而复喷厚度就作为支护强度提 高的安全系数。为了防止锚杆之间的岩体发生塌落，通常还要求锚杆纵横向问距不大于 锚杆的一半长度，在不稳定围岩中，还不得大于规定的最大间距。此外，锚杆的纵向间 距最好与一次掘进的长度相应，以便于施工【3 1 捌。 锚杆长度的选取应当是充分发挥锚杆强度作用，并以获得经济合理的锚固效果为原 则。锚杆过长，锚杆的平均应力就会降低，不能充分发挥效用，因此锚杆长度一般不宜 超出塑性区范围。锚杆过短，也难以起到稳定围岩和保护岩体强度的作用，因此锚杆的 最小长度一般不应小于围岩松动区厚度。 2 2 4 锚固设计一般要求 ( 1 ) 锚固设计应在调查、试验、研究的基础上，充分考虑锚固区地层的工程地质、水 文地质条件和工程的特性与重要性。 ( 2 ) 在满足工程使用功能的前提下，应确保锚固设计具有安全性与经济性。 ( 3 ) 确保锚杆施加于结构或地层上的预应力不对结构物本身和相邻结构物产生不利影 响，锚固体产生的位移应控制在允许的范围内。 ( 琳久性锚杆的有效寿命不应小于被加固结构物的服务年限。 ( 5 ) 设计采用的锚杆均应在进行锚固性能试验后才能用于工程加固。 ( 6 ) 锚固设计结果与试验结果有较大差别时，应在调整设计参数后重新试验 3 3 1 。 2 3 煤矿巷道锚杆支护原理 锚杆支护作用机理的研究内容是弄清锚杆、锚索与围岩之间的相互作用关系， 从而为锚杆设计奠定理论基础。目前已有十几种锚杆支护理论在生产实践中起到了 应有的作用，但是各种理论都有其使用条件。 北京科技大学硕士学位论文 2 3 1 锚杆构件的作用 对于锚杆杆体本身来说，由于杆体长度方向的尺寸远大于其它两个方向的尺 寸，力学上属于杆件。这种构件主要可以提供两个方面的作用：第一是抗拉；其次 是抗剪。至于杆体的抗压能力和抗弯能力是非常小的，可以忽略不计f 3 ”匀。 锚固剂的作用是将钻孔孔壁岩石与杆体粘结在一起。对于端部锚固锚杆，锚固 剂的作用在于提供粘结力，使锚杆能承受一定的拉力。锚杆拉力除锚固端外，沿长 度方向是均匀分布的。由于锚杆与钻孔问有较大空隙，所以锚杆的抗剪能力只在岩 层发生较大错动后才能发挥出来。对于全长锚固锚杆，锚固剂的作用比较复杂，主 要有两个方面：将锚杆杆体与钻孔孔壁粘结在一起，使锚杆随着岩层的移动承受拉 力；当岩层发生错动时，与岩体共同起抗剪作用，阻止岩层发生滑动【3 6 0 7 1 。 2 3 2 煤矿巷道锚杆支护原理 国内外学者对锚杆锚固前后岩体力学性能的变化进行了比较全面、系统的研究。指 出岩体锚固后可不同程度地提高其强度、弹性模量、凝聚力和内摩擦角等力学参数网。 而且，锚杆的主要作用是改善破碎区、塑性区内岩石的力学性质，提高其屈服后强度。 煤巷顶板与岩层顶板相比有以下特点 3 9 , 4 0 ： ( 1 ) 一般情况下，煤层强度小于岩层强度，在较低应力状态下就会发生破坏。 ( 2 ) 煤层破坏后一般呈松散状态，不像比较坚硬的岩石破坏后，以块体咬合的方式还 能保持稳定。 ( 3 ) 锚杆的早期作用主要是阻止破碎煤块掉落，并抑制浅部煤体扩容和离层，并能提 高煤层破坏前的强度。 ( 4 ) 煤巷两帮的变形破坏特征主要是扩容、松动和挤出。挤出的主要原因是由于顶板 岩石与煤层交界面的强度一般较小，在水平应力作用下易于产生滑动，挤向巷道空间。 此处为煤顶巷道，顶板和两帮均为煤层，顶板与两帮问不存在明显的界面，因此，煤顶 巷道两帮变形与破坏规律很多方面同顶板类似，丽且，破坏特征以扩容和松动为主。 ( 5 ) 巷道开掘仞期，煤帮变形和破坏范围较小。锚杆的作用在于控制浅部煤层的扩 容和松动。在巷道开掘的中期，由于煤层的流变效应，导致破坏范围逐渐扩大。如果不 采取支护，煤层导致片帮，巷道跨度增大。 对于帮锚杆来说，若锚杆锚固端处在稳定岩层内，岩层破坏时只是锚杆受力增大， 只要锚杆参数设计合理，能够保证煤帮的稳定性；若锚杆已全部处在破坏煤层中，只要 次生承载层有较大的承载能力，仍可保证煤帮的稳定性，但若次生承载层承载能力丧失 过大，则煤帮将失稳、片落、向巷道内移动 4 1 4 2 1 。 北京科技大学硕士学位论文 在实际巷道中，顶锚杆与帮锚杆是相互影响的，共同作为个支护系统维护巷道。 保持煤帮的稳定性，给顶板支护系统提供了强有力的支点，不会出现煤层片帮而引起巷 道跨度增大，导致煤顶下沉剧烈、失稳或垮落等现象。同样，顶板保持稳定也有利于煤 帮的稳定性与减小变形，两者是相辅相成的，任何一个环节出现问题，都会影响巷道围 岩的整体稳定性 4 3 , 4 4 1 。 2 4 数值分析程j 事f ia c 简介 2 4 1f l a c 程序主要功能 f l a c 程序具有很强的前处理功能和后处理功能。只要设定某些控制点的坐 标，程序就可以自动生成网络，界面美观。用户或根据实际情况通过某些命令修改 网络。f l a c 程序的计算结果同时以数据文件和图形文件两种形式保存在微机磁 盘。其中，图形文件包括各个施工期的大小应力向量图、x 和y 方向应力分量及剪 应力的等值线图、x 和y 方向位移等值线图、锚杆( 锚索) 受力向量图以及塑性区范 围等，并且可用十四种颜色来着色显示。此外，用户可根据需要使程序对关键部位 的应力、位移等跟踪记录，并可绘出应力( 应变) 与时间关系曲绑帖胴。 2 4 2f l a c 程序应用范围 f l a c 程序可用于下列岩土工程问题的研究：边坡稳定和基础设计中的承载能 力及变形分析；隧道、矿山巷道等地下工程的变形与破坏分析；隧道等地下工程衬 砌、岩石锚杆、锚索、土钉等支护结构的分析；隧道及采矿工程中的动力作用与震 动分析；水工结构中流体流动以及水结构相互作用分析；基础与大坝由于振动或变 化的孔隙压力作用发生的液化现象分析；回采巷道锚杆支护影响因素的f l a c 分析 等。 2 4 3 数值分析一般步骤 f l a c 程序的输入和一般的数值分析程序不同，它可以采用互交的方式，从键盘输 入各个命令，也可以写成命令( 集) 文件，类似于批处理，由文件来驱动，尤其是在绘图 时，还可以启动f l a c 用户交互式图形界面。为了建立f l a c 计算模型，必须进行有限 差分网格的划分、本构特征与材料性质分析和边界条件与初始条件确定三方面工作。然 后进行计算，以获得模型的初始平衡状态( 即开挖前的原岩应力状态) ，再进行工程开挖 来进行工程的响应分析。与传统的隐式求解程序不同，f l a c 程序采用一种显示的时间 步来求解代数方程。 北京科技大学硕士学位论文 2 5 优化设计理论与技术 2 5 1 优化设计概念 在生产及科学实验中，为了达到预期的目标就需要找出使该目标达到最优的一些条 件( 因素或变量) 的数值；或者建立目标与变量的关系式，以便确切地了解他们之间的 内在联系。如何又快又好的完成这项工作? 这类问题在数学上称之为最优化问题。 解决最优化问题的方法大致分两类：一类是问接最优化( 解析最优化) 方法；另一 类是直接最优化( 试验最优化) 方法。所谓间接最优化方法就是要求把所研究的对象 ( 如物理或化学过程) 用数学方法描述出来，然后再用数学解析的方法求出最优解。但 是在很多情况写，事先无法用数学方法描述，对有这种情况有一种可供采用的办法，就 是通过大量试验构造一类函数来逼近这些试验数据，从函数类中求最优解，并通过试验 进行验证。然而也有很多实际问题可通过少量试验，根据试验结果的比较、分析求得最 优解，这就是直接最优化方_ j 7 搠。 2 5 2 正交试验 实际问题是错综复杂的，影响某一指标或某几项指标的因素有很多，在新产品试 制，新技术应用和新工艺的研究过程中各因素的主次一时难以分清，有些因素单独起作 用，而有些因素相互制约，需对多个因素优选以期达到预定的指标【蜘。 “正交设计方法”是处理多因素试验的一种科学的试验方法可以利用一种规格化 的表一“正交表”合理安排试验，用这种方法只做较少次试验便可判断出较优的条 件，若再对试验结果进行简单的统计分析，还可以更全面、更系统地掌握试验结果，作 出正确判断【剐。 正交表是合理组织试验，并对试验结果直接进行分析的主要工具，最简单的正交表 是厶1 2 3 ) ，见表1 1 。 表1 1 厶( 2 3 ) 正交表 列号 实验号 123 11ll 2l22 32l2 4 221 北京科技大学硕士学位论文 记号厶1 2 3l 的含意；“l ”代表正交表；“4 ”表示该表有四个横行( 简称为行) ， 即要做四次试验；括号内的指数。3 ”表示有三列，表明最多允许安排的因素个数是3 个；底数“2 ”表示该表的主要部分只有两种数字，即因素有两种水平l 与2 ，分别称 为l 水平与2 水平。， 表1 1 称为正交表是因为它有以下两个性质： ( 1 ) 每一列中，不同的数字出现的次数相等，这里不同数字只有两个一1 和2 ，它 们各出现两次。 ( 2 ) 任意两列中将同一横行的两个数字看成有序数对( 左边的数在前，右边的数在 后，按这一次序排出的数对) 时，每种数对出现的次数相等。这里有序数对共有四种： ( 1 ，1 ) ；( 1 ，2 ) ；( 2 ，1 ) ；( 2 ，2 ) ；它们各出现一次。 凡满足以上两个性质的表便称为正交表。常用的正交表有：丘【2 3 ) ，厶( 2 7 ) ， 厶。( 2 好) ，厶：( 2 ”) ，厶( 2 4 ) ，上( 2 ”) ，厶。( 2 5 ) ，厶，( 2 6 ) ，等t 5 1 l 。 2 5 3 灰色理论 2 5 3 1 灰色理论的形成 灰色系统理论是邓聚龙教授于1 9 8 2 年提出的。它将研究对象看成一个系统。如果 系统含有已知明确的信息，则称之为白色系统，信息完全不明确的为黑色系统，信息部 分明确，部分不明确的为灰色系统。巷道支护系统显然属于灰色系统圈。 灰色理论的形成有个过程，从思维逻辑的观点看，是由“黑箱”到“灰箱”再到 “灰色系统”。“黑箱”指内部结构、特性、参数全部未知的对象，只从对象外部来研 究它。“灰箱”指对象中有了部分明确的信息，但其框架没有打破，箱的约束依然存 在，因此其研究方法还是从对象外部进行。“灰色系统”不同于“灰箱”，它突破了箱 的约束，主张从事物内部去研究系统，充分利用那部分白色信息。 从系统控制理论的观点看，是由经典控制理论到现代控制理论，再由现代控制理论 到模糊控制理论再到灰色系统理论。经典控制理论和现代控制理均依赖于系统正确、严 密的数学模型。随着社会的发展，研究的对象越来越复杂，人们遇到了得不到精确数学 模型的系统，于是出现了模糊控制理论。尽管以上三种理论各有其特点，各有区别，但 它们都有个共同点，研究的都是白色系统。而实际上，客观世界大量存在的是灰色系 统，这类系统无法用传统的方法建模，这就导致了灰色理论的问世。 2 5 3 2 灰色理论的研究内容 从白化的角度看，灰色理论的研究内容包括下述七个方面【班5 习。 北京科技大学硕士学位论文 ( 1 对不确定的灰数，按白化权函数确定一个值，成为灰数白化。以灰数白化为基础 的方法有灰色统计、灰色骤类。 ( 2 ) 一个系统因素很多，各种因素关系不清，影响不明显，通过灰色系统理论的方法 是关系量化、序化，这是因素关系的白化，相应的方法称为关联度分析方法。 ( 3 ) 抽象的因素、现象，通过对应量( 或称映射量) ，使其数据化、量化，这称为抽 象道数量的白化，灰色系统理论称此为灰映射。 ( 4 ) 系统的行为数据可能杂乱无章，没有直观的规律，通过数据处理，整理出较明显 的规律，这是数字序列的白化，灰色系统理论成为生成。 ( 5 ) 经过处理后的数据列，虽然有了初步的规律，按不一定能够用数学关系做出更为 精确的表达。灰色系统理论将这些加工后的数据列，建立数学关系，这是模型的白化， 相应的模型称为灰色模型，这个建模的过程称为灰色建模。 ( 6 ) 情况不够明确，对策不够完善，在这种情况下做出决策，这是局势的白化，相应 的决策称为灰色决策。 仍对未来发展，通过模型作定量预钡4 ，这是发展的白化。相应预测称为灰色预测。 概括起来，灰色系统理论的研究内容，包括关联分析、生成、灰色建模、灰色预测、灰 色决策和灰色控制等。 北京科技大学硕士学位论文 3 阳泉矿区巷道锚固优化设计理论 3 1 巷道锚固设计优化目标及约束条件 阳泉矿区巷道锚固设计的优化问题，是要满足巷道的使用要求( 约束条 件) ，使锚固工程费用最少或工程量最小。 3 1 1 优化目标 显然，对于阳泉巷道工程锚固设计的优化目标，可以是支护工程量或支护费用。由 于支护费用与支护工程量成正比，因此，其优化目标为支护工程量或支护成本。 3 1 2 约束条件 对于服务于采煤的巷道工程，其巷道既不能发生垮冒或片帮，而且巷道变形量要满 足巷道使用的允许范围。根据实际工程经验，对于此次研究的二次动压巷道，其围岩允 许相对收敛量 “】o 1 b ( 巷道跨度) 对于巷道的允许安全系数【用2 0 。 3 2 巷道稳定眭评价指标 为了定量评价锚固巷道的稳定性，必须从数值分析结果，构造出定量评价巷道工程 稳定性指标，在此采用巷道的稳定安全系数冈。 3 2 1 巷道稳定性安全指标只的确定 数值方法作为一种广泛应用的解法，其计算的准确性与精确度是不用怀疑的。然 而，将数值方法应用于地下工程分析，由于诸如计算模型、岩体参数等所固有的不确定 性，其计算结果往往与实际有一定的差距。尤其是如何根据其计算结果进行巷道的稳定 性计算，目前还没有得到完全解决。目前采用的稳定性判断准则有如下三种1 5 7 - - 5 9 ： ( 1 ) 超载系数法 将外荷载乘以系数k 值，并逐步增大k 值，进行多次反复计算，直至增大的置值 使计算不收敛( 应是物理上的不收敛，而避免数学上的不收敛) ，即认为围岩失稳，此 时的髟值即为巷道的稳定安全系数。 对于地下巷道工程，一般通过增大重力加速度，来实现加载过程的。由此，巷道稳 定性安全系数，只的计算式定义为： f ：堕堑堕堕重垄塑望堕 o 实际重力加速度 ( 3 1 ) 北京科技大学硕士学位论文