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太原理l 大学硕十研究生学位论文 七岭煤矿坚硬顶板条件下巷道支护及合理煤柱留设研究 摘要 目前我国一些地方煤矿对巷道支护及其煤柱尺寸的留设还处在一种摸索阶段，未 能真正掌握各种技术参数，造成了资源的极大浪费，同时也影响了煤矿的正常采掘接 替。本文通过现场调研、勘察、取样、岩石力学实验，建立力学模型，利用a n s y s 分析等手段就七岭煤矿1 5 号煤层坚硬顶板条件下的大巷和顺槽支护形式和参数以及 合理煤柱尺寸留设进行了研究，得到以下成果： 1 、通过建模和计算得到大巷和顺槽顶板无需支护。 2 、由于巷帮为不稳定岩层，通过有限元分析计算得支护参数均为：锚杆间距为 l m ，排距为l m ，采用树脂锚杆，锚杆直径为q o = 1 6 m m ，长度取1 8 m 。由于大巷服务 年限较长，应挂金属网并喷射混凝土封闭顶帮围岩。必要时，可在顶排锚杆加装钢带 以保证巷帮的稳定性。 3 、通过对顺槽煤柱宽度为1 0 m 、1 5 m 和2 0 m 三种情况下巷道围岩应力分布特征 及巷道围岩移动规律的数值模拟计算认为：煤柱宽度在1 2 1 5 m 时巷道围岩位移量 较小，而最大垂直应力与水平应力的差较小，巷道受剪破坏的可能性较小，此时煤柱 宽度较为合理。 通过对该课题的研究，对于该矿来说以较低的支护成本得到了较好的支护效果， 提高了巷道掘进速度和资源回收率，并保证了矿井的安全生产，具有重大的现实意义 和巨大的经济效益。 关键词：坚硬顶板，支护，数值模拟，煤柱留设 原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nt h et u n n e l s u p p o r i n ga n dp r o p r i a t ec o a l w e d r ep r e s e r n gu n d e rt h ep r o v i d eo ft h eu p p e r p l a t eo fq i l i n gc o a lm i n e a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ec o a lm i n e si no u rc o u n t r ya r er e m a i n i n gi na s e a r c hs t a g e t ot u n n e ls u p p o r t i n ga n dp r e s e r v i n gt h es i z eo ft h ec o a lw e d g e ，a r es t i l l w o n d e r i n ga b o u ta l lk i n d so ft h et e c h n i q u ep a r a m e t e r t h e s eh a v em a d ea h u g ew a s t ef o rt h er e s o u r c e ，a n d t h es a m et i m e i n f l u e n c et h ed i g g i n g r e p l a c eo f t h ec o o lm i n e s t h ea u t h o rh a sb u i l tm e c h a n i c a lm o d e la c c o r d i n g t o s p o ts u r v e y 、i n v e s t i g a t i o n 、s a m p l i n g 、r o c km e c h a n i c se x p e r i m e n t 、a n a l y z i n g s t o p p i n ga n s y sa n du s em a n ym e t h o d st o s t u d yt h es u p p o r t i n g f o r ma n d t u n n e lo ft h eh a r dr o o ft u n n e lp a r a m e t e ra n dp r o p e rp r e s e r v i n gt ot h es i z eo f t h ec o a lw e d g e ，m a k et h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t ： 1 n ou s eo ft h es u p p o r t i n gt ot h et u n n e la n da r ka c c o r d i n gt om o d e lb u i l d i n g a n dc a l c u l a t i o n 2 a st h et u n n e lw a l li sa s f a b l er o c ks t r a f u m ，t h es u p p o r t i n gp a r a m e t e r a c c o r d i n gt of i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o ni s ：a n c h o ra r n as e p a r a t i o n ：1 m ，a r r a y p i t c h ：1m u s i n g r e s i na n c h o ra r l n ，d i a m e t e r ：巾= 16 m ma n dt h el e n g t hi s 1 8 m j u s tb e c a u s et h el o n gu s a g eo ft h et u n n e l ，w em u s th s em e t a l l i cn e t i i 原理工大学硕士研究生学位论文 a n ds p r a yc o n c r e t ei no r d e rt oc l o s ea d j a c e n tr o c ko ft h er o o fw a l l i f n e c e s s a r y ，w ec a nf i xs t e l lb a n di nt h ef r o n ta n c h o ra r m ，t om a k es u r eo f t h es t a b i l i t yo ft h et u n n e l 3 t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nt os l o tc o a lw e d g eo ft h eb r e a d t h ：1 0 m ，15 ma n d 2 0 mu n d e rt h et h r e es i t u a t i o n d i s t r i b u t i n g d i s t i n c t i o na n d m o v i n g r e g u l a r i t y ，t h eo f f s e tv a r i a b l et u n n e la d j a c e n tr o c ki ss m a l lw h e nt h e b r e a d t ho ft h ec o a lw e d g ei sb e t w e e n12 15 m ，b u tl i t t l ed i f f e r e n c eo ft h e m o s tv e r t i c a ls t r e s sa n dh o r i z o n t a ls t r e s s ，t h el e s sp o s s i b i l i t yo ft h ed e s t r o y o ft u n n e ls h e a rs t r e s s ，t h i st i m et h eb r e a d t ho fc o a l w e d g ei s m o r e a p p r o p r i a t e t h r o u g ht h es t u d yo ft h ea s s i g n m e n t ，t h ec o a lm i n ew i l lg e tb e t t e r s u p p o r t i n gs u f f i c i e n tw i t hal o wc o s t ，a n dp r o m o t et h es p e e do ft u n n e l d i g g i n ga n dr e c o v e r yr a t eo ft h er e s o u r c e ，h a st h em a g a n i f i c e n tr e a l i z e d m e a n i n g a n d h u g e e c o n o m i c p e r f o r m a n c e a n da s s u r et h e s e c u r i t y p r o d u c t i v i t yo f t h ec o a lm i n e k e yw o r d ：n a r du p p e rp l a t e ，p r o p p i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， t h ec o a lw e d g e p r e s e r v i n g ，d o r a c h a r t i i i 太原理i 大学硕七研究生学位论文 1 1 选题的意义 第一章绪论 煤炭是我国的主要能源，也是重要的化工原料。建国以来，在我国的一次性能源 结构中煤炭所占的比重一直在7 0 以上。火力发电、金属冶炼、交通运输、化工生 产乃至人民生活的方方面面，无一不与煤炭生产密切相关。煤炭被誉为工业的食粮 煤炭工业在我国国民经济中占有举足轻重的作用。然而，我国的煤炭生产多采用井工 开采，巷道总量长达约3 万公里，是一项浩大的地下工程。由于巷道所处地层条件 复杂多样，围岩性质千差万别，且多数巷道在服务年限内还要经受采动的强烈影响 所以，煤矿巷道的掘进与维护存在着难度大、安全性差、成本高等问题，而其中的支 护费用往往高达巷道工程总费用的5 0 以上。因此，探索正确的巷道支护理论、选 择安全可靠的支护方法、确定经济合理的支护参数以及实用高效的施工工艺成了长期 以来人们所致力解决的一个重大理论及技术课题。 受地面结构工程理论的影响，早期巷道围岩控制理论认为，围岩是被维护的对象 支架是承载的结构。巷道挖掘以后，围岩中产生应力重新分布，在此过程中伴随有围 岩变形、破裂及松动等现象的发生，而这种破裂、松动岩体的重量须由支架全部承担 且除此之外，支架还被认为应具有阻止围岩产生变形的功能。这种观点一度促使支架 朝着大刚度、大支护强度的方向发展，加之支架多为巷内支架，致使支架具有结构笨 重、支护迟缓、工程量大、劳动强度高、成本高昂且支护效果难以尽随人愿等不足之 处。 随着人们对巷道围岩受力变形规律认识的逐步深入，近来巷道围岩己不再被认为 太原理j ：人学硕+ 研究生学位论文 是纯粹的施载体。现代支护理论认为，巷道围岩支护结构是一种“支架一围岩”结构 即围岩既是施载体又是承载体，在岩体工程中支架与围岩应形成一个有机的整体并共 同承载。支护结构的刚度也不是越大越好，而是应具有一定的可缩性，允许围岩产生 一定量的变形，以使支承压力向围岩深部转移，从而减轻支护结构所承受的载荷。大 量工程实践证明，这一理论与强度破坏之前的围岩情况极为吻合。然而，回采巷道有 其特殊性，在服务期问围岩大多要发生强度破坏并产生较大的松动变形，但目前尚无 能够涵盖松动变形阶段的巷道围岩控制理论。 为了实现支护与围岩共同承载，锚杆支护技术不断被发展完善，在地下工程围岩 控制中发挥着越来越重要的作用。锚杆支护是通过锚杆的轴向及横向作用改善围岩的 应力状态、提高围岩的整体性以及强度参数，并利用锚杆自身的承载能力对围岩中的 危石起到悬吊、楔固等支护作用。大量工程实践表明，锚杆支护具有用料节省、巷道 断面利用率高、支护及时、劳动强度小、经济效益高以及对巷道围岩变形的适应性好 等许多优越性，因此，受到工程技术人员以及研究工作者的高度重视。近年来锚杆支 护技术日益成熟，在煤矿巷道围岩控制中的应用也越来越广泛，尤其是在澳、美、英 等锚杆支护技术先进国家，锚杆支护在巷道围岩控制中占有极高的比重，几乎己成为 唯一的支护形式。然而，与锚杆支护技术广泛应用的现实极不相称的是人们对很多情 况下锚杆作用的机理尚不明确，锚杆支护结构的力学性能( 如刚度及强度等参数) 还 无法确定，锚杆支护理论也还不够完善。实际工程中锚杆支护技术的应用能否成功 很大程度上依赖于工程设计人员经验的运用是否合理以及对工程条件等因素的主观 判断是否准确。尤其在国内，由于锚杆支护设计尚缺乏完善的理论依据，加之锚杆选 材、施工机具、施工工艺及速度、施工质量及管理等配套设备及手段的相对落后，致 使锚杆支护在回采巷道尤其是在软岩及全煤巷道等困难条件下的应用受到严重制约。 2 太原理t 大学硕士研究生学位论文 可见，锚杆支护是巷道的一种既古老又新兴的支护方式。其古老在于人类应用锚杆支 护的历史已相当久远，且锚杆支护的许多原理及方法已被认识和掌握；其新兴在于锚 杆支护仍有许多未知领域有待人们去探索，包括锚杆支护已有技术及理论的发展和完 善，新技术及新理论的开发与研究以及锚杆支护适用范围的拓宽等。 近年来，随着我国煤矿长壁及放顶煤开采技术的推广应用以及开采深度的不断增 加，全煤巷道及软岩巷道的数量越来越多，围岩产生破坏松动及大变形的现象也越来 越普遍。因此，探索出一种适用于大变形回采巷道的围岩控制理论，并使锚杆支护技 术在全煤及软岩巷道中得到普及应用，势必对实现煤炭生产的安全、高产、高效产生 巨大的促进作用。 1 2 问题的提出 巷道支护设计工作是煤炭开采技术的一项重要基础工作，也是一项复杂的系统工 程。在采深不断增加、地压增大、不同的巷道围岩条件下，如何用较低的支护成本达 到较好的巷道支护效果，保证安全生产，搞好巷道支护设计的研究工作具有重大意义。 目前晋城地区许多中、小型煤矿己延深到开采1 5 号煤层。在开采1 5 号煤时由于 1 5 号煤层顶板为石灰岩，顶板较硬，中、小煤矿一直采用房柱式、刀柱式采煤方法 其主要大巷和回采巷道支护方式采用砌墙钢梁、木棚或工字钢棚等支护形式。推行长 壁开采以来，回采巷道的服务年限大大缩短，在1 5 号煤层的围岩条件下，如果仍沿 用传统的支护方式，不仅浪费了大量的木材和钢材，增加支护成本，同时由于巷道掘 进支护速度慢，造成采掘接替紧张，不得不增加掘进头的数量、人员、设备。降低了 矿井劳动生产效率。因此，针对1 5 号煤层的顶板围岩条件，研究合理的支护方式 降低矿井生产成本势在必行。 3 太原理i 大学硕十研究生学位论文 煤矿巷道支护改革，多年来推广使用预应力混凝土支架、金属支架、锚喷( 杆) 等支护形式来代替木材支护，对降低坑木消耗起了重要作用。特别是锚喷( 杆) 支护 形式的广泛推广应用，具有消耗少、成本低、效益好、速度快等优点，是煤矿巷道支 护改革的重要途径。同时为提高掘进工作面的单产单进，建设高产高效工作面创造了 良好条件。使用锚杆支护时应首先要解决好合理布置巷道，根据不同地质条件及围岩 性质，科学地选择锚杆支护方式和布置形式，正确确定锚杆长度，锚杆直径，锚杆间 距等有关参数晋城1 5 号煤大部分巷道布置在煤层中或在其顶底板岩石中，支护形式 因所在层位不同而各有特点。过去晋城中、小煤矿多数采用房柱式、刀柱式采煤方法 其主要大巷和回采巷道支护方式采用砌墙钢梁、木棚或工字钢棚，有的煤矿巷道甚至 为裸巷。 目前晋城矿区l5 号煤层巷道采用支护形式多种多样，有金属棚支护、石墙钢梁 支护、金属摩擦支柱加工字钢棚或木棚支护巷道，巷道的宽度为4 m 6 m ，巷道高度 为2 2 m 3 8 m 。推行长壁开采以来，现有支护方式严重制约着煤矿的发展。 对于目前这种支护方式的缺点是：支护工作量大、费用高：若采用木棚支护，由 于1 5 号煤层含硫较高，木材腐烂较快，巷道使用期内往往需替换木棚，使支护成本 增加，影响工作面的正常推进。因此，巷道支护改革是目前矿井所面i 临的一项重要任 务。 晋城1 5 号煤层的顶板为坚硬顶板，针对此种情况，本人对其支护方式进行了专 项研究。 13 国内外研究现状 1 31 支护分类 4 太原理大学硕士研究生学位论文 国内外采准巷道支护分类很多，按支护原理分有被动支护形式( 如棚式支护) 和主动支护形式( 如锚杆支护形式) ；按支护形式分有单一支护形式( 如木棚支护、 铁棚支护、锚杆支护等) 和联合支护形式( 如铁棚锚杆支护、锚杆加网加钢带支护) 按支护材料伸缩性分有刚性支护( 如铁棚支护) 和可伸缩支护( 如拱型可缩性支架、 可伸延锚杆) 。 1 3 2 支护的发展 世界范围内，在采准巷道最早使用的是木支护，如点柱支护、木棚支护，随后是 金属支护，如工字钢支架，木支护和金属支护一直是煤矿采准巷道的主要支护形式。 锚杆支护技术出现已有一百多年的历史“1 ，但其初期的发展速度缓慢，进入上个世纪 七十年代以后，锚杆支护技术在世晁主要产煤国如美国、澳大利亚、英国发展很快， 有的几乎达到了百分之百。我国的锚杆支护技术研究起步较晚，始于1 9 5 6 年，上世 纪九十年代得到了飞速的发展。发展锚杆支护被称作我国继推行综采后的第二次重大 支护技术革命。目前，世界各国都加大了锚杆支护技术的开发与应用研究，锚杆支护 在采准巷道的支护中占有主导地位。 133 国内外锚杆支护技术研究状况 国外在近几十年，国内在最近十多年，锚杆支护技术得到了长足的发展，在锚杆 支护理论和设计方法方面，在锚杆钻具方面，在锚杆强度、性能、锚固方式及监测手 段应用方面都有显著的进步和改进。 锚杆支护理论和设计方法 目前，国内外普遍应用的锚杆支护理论主要有悬吊理论、组合梁理论、压缩拱理 论、最大水平应力理论、松动圈理论等，上述理论因其本身适用范围的局限性和工程 实际条件的差别，还不能形成统一的科学的锚杆支护设计方法，因而经验法和工程类 5 太原理1 大学硕士研究生学位论文 比法仍为国内外锚杆设计中较为广泛的采用。近年来，美、英、澳等先进采煤国家在 锚杆设计方法上，进行了新的尝试与实践。在英国、澳大利亚等国充分考虑水平地应 力，采用”地质力学评价一计算机数值模拟进行初步设计一现场施工检验一信息反 馈一修改完善设计”的程式；美国在现场检测和信息反馈的基础上进行锚杆支护设 计，把顶板特性和锚杆参数结合起来，形成了规范的设计模式用以选择合理的锚杆类 型、支护参数、安装方式。德国和我国常用有限元、有限差分法进行分析计算，如 f l a c 软件的应用。 1 4 本章小结 简要回顾了巷道支护的发展历程，结合晋城1 5 号煤层的埋藏特征，应用计算机 模拟的方式，确定了该煤层埋藏条件下合理的支护方式，重点阐述了锚杆支护在目前 巷道支护中的重要地位，并简要叙述了晋城1 5 # 煤的埋藏特征。本文作者在导师的 指导下采用计算机模拟进行研究，从而得到巷道及围岩支护的合理方案。 6 原理工大学硕士研究生学位论文 第二章顶板结构及岩石力学性质 晋城1 5 号煤直接顶板均为k 2 石灰岩顶板，层厚，不容易自行垮落。通过对晋城 地区城区七岭煤矿、沁水豹凹沟煤矿、高平苏庄煤矿、泽州薛庄煤矿四个矿的现场调 查和钻取岩芯所获取岩样的试验结果来看，1 5 号煤的项板结构和岩石力学性质基本 相似。下面以七岭煤矿为例对1 5 号煤层的顶板结构和力学性质进行详细描述。 根据山西煤田地质勘探1 1 4 队编制的七岭煤矿地质报告，k 2 石灰岩顶板，厚度 为8 9 2 1 4 2 9 m ，平均9 1 6 m ，属极坚硬的完整岩石，局部有炭质泥岩伪顶。为了进 一步掌握顶板岩层结构及物理力学性质，研究人员于2 0 0 5 年9 月1 2 日9 月1 8 日 在七岭煤矿钻取了1 5 号煤层顶板岩芯，钻机型号t x u 7 5 型，使用0 8 9 m m 钻头， 岩芯直径为5 0 m m ，共布置2 个钻孔，钻孔位置见图2 1 。 图2 1 钻孔布置图 f i 9 2 1t r e p h i n a t i o nl a y o u ts e c t i o n 7 太原理1 + 火学硕十研究生学位论文 1 号钻孔：位于1 5 1 0 1 工作面靠近井田边界- - nj l l 员槽中，距开切眼l o o m 。1 号钻 孔钻进深度9 m ，其中，k 2 石灰岩厚度为7 7 m 。 2 号钻孔：位于1 5 号煤层东运输大巷中，距主立井约l o o m 。2 号钻孔钻进深度 8 m ，未钻透k 2 狄岩。 1 号钻孔柱状见图2 ，2 号钻孔柱状见图2 - 2 ，图2 - 3 。 * * * e 7h 8 麟攀蠹季一 太原理1 人学硕十研究生学位论文 图2 - 21 号钻孔柱状图2 - 32 号钻孔柱状 l 号钻孔揭露k 2 灰岩厚7 7m ，其中，最下部3 4 5m 为节理层理不发育完整性较 好的石灰岩层，与上部岩层以2 0 0 t i m 的炭质泥岩分界，再上为两层厚度为1 3 5 1 7 m 厚的完整性中等的石灰岩层夹层1m 厚的层理发育的完整性差的石灰岩层。 2 号钻孔揭露k 2 灰岩厚8 0m ，未钻透。最下部1 8 5m 为节理裂隙不发育完整性 较好的岩层，与上部岩层以1 5 0 m m 厚的炭质泥岩分界，再上为两层厚度分别为3 o m 、 2 o m 厚的完整性中等的岩层，中间夹一层l m 厚的完整性差的岩层。 通过岩芯完整性及颜色深浅的变化可大体判断岩层的软硬程度，将两个钻孔岩芯 的硬度变化与分层厚度的关系对比见图2 - 4 。 。1 号钻孔 段数i”“l 岩性。厚度 第四段较硬1 7 m 笠三剧中照j 1 。o mi 第二琰较硬1 3 5 m ； 一 第一段硬岩3 4 5 m f 。 一一 对比2 号钻孔 f 厚度r 岩性 2 o m 硬岩 j f 而i 中硬 3 o m 平均厚度 1 8 5 m 1 0 m 较硬12 1 8 m i 8 5 m 硬岩 图2 - 4 分层厚度及强度对比图 f i g2 - 4c o n t r a s to fl a m i n a t i o nt h i c k n e s sa n di n t e n s i t y 由图2 - 4 可知，2 个钻孔岩层的分层厚度有一定差异，但总体规律是一致的，即k 2 灰岩最下层( 称为第一段) 为完整性好的坚硬岩层，厚度为1 8 5 3 4 5 m ，平均2 7 m 。 第二段为较硬岩层，厚度1 3 5 3 o m ，平均2 18 m 。第三段为中硬岩层，平均厚度为l m 。 第四段为较硬坚硬岩层，厚度1 7 2 o m ，平均1 8 5 m 。 顶板岩石力学性质由太原理工大学岩土力学与工程实验室通过对钻取的岩芯测定 试验报告见附件，分钻孔整理的岩石物理力学性质结果平均值见表2 1 。 9 太原理l 大学硕十研究生学位论文 袁2 1项板岩石实验室试验成果平均值 采样深度 单轴抗压抗拉强度容重 ( m )强度( m p a )( m p a ) 弹模( g p a )泊松比 ( g c m 3 ) 孔18 9 5 3 8 1 7 4 1 3o 2 22 6 8 o 3 孔2 9 6 0 78 0 44 0 8o 2 22 6 9 平均 9 2 88 1 14 1 0 5o 2 22 6 9 孔11 0 0 1 28 6 l4 3 1o 2 22 6 9 3 6 孔2 1 0 1 3 4 7 6 7 3 8 8o 2 22 7 0 平均 1 0 0 7 3 8 1 4 4 0 9 50 2 22 7 0 孔19 4 5 6 8 1 4 3 6 1o 2 3 2 6 9 6 9 孔2 9 8 9 79 0 33 4 7o 2 4 2 7 平均 9 6 7 78 5 93 5 4o 2 4 2 7 比较实验室测定的岩石力学参数与根据钻孔岩芯完整性确定的分层强度，可以得 出以下结论：第一段岩层在岩芯上层理不发育完整，判断为坚硬岩层，但实验室测定 的抗拉压强度却是最小的，说明第一段岩层的强度不是很高，但层理裂隙少，完整性 好；第二、三段岩层从实验室测定结果看均大于第一段，但岩芯却不同程度破碎，说 明尽管岩块的抗拉压强度高，但层理节理较多，从工程岩体角度判断，其整体强度小 于第一段；第四段可以认为与第一段的工程岩体相同。 归纳以上1 5 号煤层顶板力学性质实验分析成果，本次设计依据的主要顶板岩石 力学参数见表2 2 。 表2 - 2 分层厚度及岩石力学参数 t a b l e 2 2l a m i n a t i o nt h i c k n e s sa n dr o c kg e o m e t r i cp a r a m e t e r 厚度单轴抗压抗拉强度弹模容重 层位 泊松比 ( m )强度( m p a )( m p a )( g p a ) ( g c m 3 ) 第一段 2 79 2 88 1 l4 1 0 5o 2 22 7 第二段 2 1 89 2 88 1 14 1 0 5o 2 22 7 第三段 1 o1 0 0 78 1 44 0 9 5o - 2 22 7 第四段 1 7 3 8 59 6 88 5 9 3 5 4 0 2 3 2 7 l o 太原理1 人学硕十研究生学位论文 3 1 矿区巷道支护现状 第三章巷道支护现状 晋城1 5 号煤大部分巷道布置在煤层中或在其顶底板岩石中，支护形式因所在层 位不同而各有特点。过去晋城中、小煤矿多数采用房柱式、刀柱式采煤方法其主要大 巷和回采巷道支护方式采用砌墙钢梁、木棚或工字钢棚，有的煤矿巷道甚至为裸巷。 1 、大巷支护形式 目前晋城矿区1 5 号煤层巷道采用支护形式多种多样，有金属棚支护、石墙钢粱 支护、金属摩擦支柱加工字钢棚或木棚支护巷道，巷道的宽度为4 m 6 m ，巷道高度 为2 2 m 3 8 m 。 2 、回采巷道支护方式 由于矿井的顶板比较坚硬，大部分矿井采用木棚或工字钢棚进行支护。 3 2 对现有支护形式的评价 推行长壁开采以来，现有支护方式严重制约着煤矿的发展。其缺点是上述支护方 式是在坚硬的石灰岩顶板条件实施的，支护工作量大、费用高；若采用木棚支护，由 于1 5 号煤层含硫较高，木材腐烂较快，巷道使用期内往往需替换木棚，使支护成本 增加，影响工作面的正常推进。因此，巷道支护改革是目前矿井所面临的一项重要任 务。 太原理l ：大学硕士研究生学位论文 3 3 巷道支护改革应遵循的原则 1 、安全原则 巷道有效支护是保证开采安全的必要条件，支护改革必须首先满足这一条件。由 于地下作业的特殊条件和不同矿区的不同地质条件，为了保证巷道支护的安全性，必 须使巷道支护改革建立在科学的基础上。即在选择一种新的巷道支护形式时，需要先 进行科学的论证，再根据试验结果进行合理的推广，在试验前按要求需做大量的基础 工作，如对试验巷道围岩条件的研究和测定、科学合理并有一定安全系数的巷道支护 设计，符合设计要求的支护材料、完善的施工工艺、工序及安全技术措施，施工过程 中还要认真进行试验巷道的矿压观测、研究和分析，随时发现有可能造成不安全事故 的问题，及时采取切实有效的措施、保证试验安全进行，试验结束后要认真总结，使 新的巷道支护形式不仅具有技术先进性、而且还具有现场推广使用的安全可靠性。 2 、效益原则 巷道是煤矿中必须的环节，降低巷道掘进率和巷道单位成本是降低原煤成本和提 高企业经济效益的重要手段。巷道支护改革的目的就是要改进现有巷道支护形式，降 低单位成本，解决现有技术能够解决的高矿压、大采深、大断面围岩条件下巷道的有 效支护问题。这就要求新的巷道支护形式要有利于提高单进、降低消耗、减少巷道翻 修量、有利于实现机械化作业和减轻工人劳动的强度。 1 2 太原理t 大学硕士研究生学位论文 第四章巷道围岩数值模拟分析 4 1 有限元法概述及巷道围岩力学。 生质 地下工程开挖前，地下岩层处于自然平稳状态。地下工程的开挖破坏了原有的应 力平稳状态，引起围岩应力重分布，出现应力状态改变和高应力集中区，并产生向开 挖空间的位移甚至破裂的力学现象，在围岩与支护结构的接触过程中，形成对支护的 荷载作用。支护方式的选择取决于巷道地应力的大小和巷道围岩的稳定性。因此首先 应建立巷道围岩的力学模型。 在工程技术领域，常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法和离散元法等。 但就其实用性和应用的广泛性而言，有限单元法较的应用为普遍。有限单元法的基本 思路是：将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠结点连接，单元内部待求 解量可由单元结点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单，易于由平衡 关系或能量关系建立结点量之间的方程式，然后将各个单元方程“组集”在一起而形成 总体代数方程组，计入边界条件后即可对方程组求解。单元划分越细，计算结果越精 确。随着计算机技术的发展，数值模拟技术也得到了越来越广泛的应用，国际上也出 现了很多面向工程的有限无通用程序，其中a n s y s 软件是应用较为普遍，对本课题 所涉及到的工程问题采用a n s y s 较为适用。 4 1 1 本课题所要解决的问题 根据所掌握的相关资料，本课题所要解决的问题有 ( 1 ) 大巷支护方式 ( 2 ) 顺槽支护方式 1 3 太原理l ：大学硕十研究生学位论文 ( 3 ) 条带煤柱的合理宽度 为了合理的建立有限元模型，必须首先掌握所要解决的问题的几何参数及力学性 能。对此，专门从矿井井下采集了1 5 号煤层顶板岩石和煤层的岩样，在实验室进行 了力学试验，结果见表4 - 1 、4 - 2 。 表4 - 13 8 m 高巷道围岩几何参数及力学参数 t a b l e4 - 13 8 mh i g ht u n n e la n da d j o i n i n gr o c kg e o m e t r i cp a r a m e t e ra n dg e o m e t r i cp a r a m e t e r 分层岩性厚度( i t i ) e ( g p a )肛c ( m p a )币( o ) 基本顶砂岩 73 20 2 51 32 9 第四层石灰岩 1 7 3 _ 8 5 3 5 1 53 0 第三层石灰岩 1 o4 01 53 0 直接顶 o 2 2 第二层石灰岩 2 1 84 1 1 53 0 第一层石灰岩 2 74 l1 53 0 煤层煤 0 6 5 o 352 5 夹矸泥岩 1 o 2 00 2 31 03 0 煤层煤 2 _ 250 352 5 直接底灰褐色泥岩 3 52 0o + 2 31 03 0 老底铝土泥岩 3 52 30 21 2 2 8 表4 - 2 2 2 m 高巷道围岩几何参数及力学参数 t a b l e4 - 22 mh i g ht u n n e la n da d j o i n i n gr o c kg e o m e t r i cp a r a m e t e ra n dg e o m e t r i cp a r a m e t e r 分层岩性厚度( m )e ( g p a ) “c ( m p a )( p ( o ) 基本顶 砂岩 7 3 2o 2 51 32 9 第四层石灰岩 3 3 51 53 0 第三层石灰岩 1 1 4 01 53 0 直接顶 o2 2 第二层石灰岩 2 24 l1 53 0 第一层石灰岩 3 o4 11 53 0 煤层煤 ， 5o 352 5 直接底灰褐色泥岩 3 52 00 2 31 03 0 老底铝土泥岩 3 52 3o 21 22 8 412 有限元模型建立 根据顶底板岩性分层情况及煤层结构特征分别建立了大巷和顺槽模型。 1 4 太原理i 人学硕十研究生学位论文 大巷模型：数值模型计算范围取宽高= 4 0 m x 2 5 m ，网格采用四边形单元。边界 条件为模型左右两侧距巷道较远处可认为无水平位移，故在模型两侧均固定水平位 移：巷道底板一定深部下不受巷道影响，因而水平位移和垂直位移均固定。模型顶部 为自由边界，根据现场资料1 5 号煤层的埋藏深度在8 0 1 0 0 m 范围内，故按巷道埋 深l o o m 自重应力加载，上部岩层平均容重取2 5 0 0 k g m 3 ，则荷载集度为2 5 m p a 。开 挖巷道断面宽高分别为4 m x 3 8 m 、3 8 m x 2 2 m 两种形式。 顺槽模型：数值模型计算范围取宽高= 7 3 2 m 2 5 m ，网格采用四边形单元。边 界条件为模型左侧认为无水平位移，右侧为采空区；巷道底板深部不受巷道影响。模 型顶部为自由边界，按巷道埋深l o o m 自重应力加载，上部岩层平均容重取2 5 0 0 k g m 3 ， 则荷载集度为2 5 m p a 。开挖巷道断面宽高为3 2 m x 2 2 m ，分别建立巷道距离采空区 l o m 、1 5 m 、2 0 m 三种模型。 4 2 巷道围岩应力与变形的数值模拟分析 4 2 1 大巷 l 、4 m 3 8 m 断面巷道围岩应力分布 1 5 太原理1 ：人学硕十研究生学位论文 f i 9 4 - 1 图4 - i巷道及围岩力学模型 t u n n e la n da d j o i n i n gr o c kg e o m e t r i cm o d e l 图4 - 2巷道围岩水平应力分布云图 f i g4 - 2 t h el a y o u tm a po f t u n n e la n da d j o i n i n gr o c kh o r i z o n t a ls t r e s s 奎要堡! ! 查堂堡塑壅尘堂堕笙苎 图4 - 3 巷道围岩水平应力等值线图 f i g4 - 3 c o n t o u rc h a r to f t u n n e la n da d j o i n i n gr o c kh o r i z o n t a ls t r e s s 图4 - 4 巷道围岩垂直应力分布云图 f i g4 - 4c o n t o u rc h a r to f t u n n e la n da d j o i n i n gr o c ks h e a rs t r e s s 1 7 太原理i 大学硕十研究生学位论文 图4 - 5 垂直应力分布等值线图 f i g4 - 3c h a r to f t u n n e la n da d j o i n i n gr o c kv e r t i c a ls t r e s s 图4 - 6 巷道邻近岩石剪应力分布图 f i g4 - 6 t h em a po fl a y o u to f t u n n e la n da d j o i n i n gr o c ks h e a rs t r e s s 1 8 太原理t 火学硕士研究生学位论文 图4 7 巷道围岩垂直应力分布云图 f i g4 - 7c o n t o u rc h a r to f t u n n e la n da d j o i n i n gr o c ks h e a rs t r e s s 对数值模拟计算应力结果分析可知，图4 2 和4 - 3 说明了在该条件下巷道围岩的 水平应力分布云图和水平应力分布等值线图，最大水平拉应力为1 7 7 m p a ，位于巷道 顶板中部。最大水平压应力为2 8 9 m p a ，位于巷道底板深处。该水平拉应力远远小于 顶板岩石的抗拉强度，所以顶板不会出现拉破坏。巷道丌挖后应力分布的影响范围为 巷道两帮为1 5 m ，顶板及底板影响范围为1 2 m 。图4 - 4 和4 5 表明了该条件下巷道 围岩的垂直应力分布云图和垂直应力分布等值线图，由于巷道开挖，巷道顶底板为垂 直应力降低区，范围为上下各2 o m 。左右两帮垂直应力几乎不受巷道开挖的影响。 最大垂直应力为t 4 m p a ，位于模型边缘底板岩石接触面处。图4 - 6 和4 7 表明了该条 件下巷道围岩的剪应力分布云图和剪应力分布等值线图，最大剪应力为7 1 m p a ，位 于巷道的四个角部，范围为四个角各向外1 8 5 m 。 太原理l 人学硕+ 研究生学位论文 据此分析认为：巷帮为煤岩互层结构，属不稳定围岩，巷帮应增加锚杆支护。 2 、巷道围岩移动规律 图4 - 8 巷道围岩水平位移云图 f i g4 - 8 t h em a po f t u n n e la n da d j o i n i n gr o c kh o r i z o n t a ls h i 矗 2 0 太原理t 大学硕士研究生学位论文 图4 - 9 巷道围岩水平位移等值线图 f i g4 - 9 c o n t o u rc h a r to f t u n n e la n da d j o i n i n gr o c kh o r i z o n t a ls h i f t 图4 - 10 巷道围岩垂直位移云图 f i g4 - 1 0 t h em a po f t u n n e la n da d j o i n i n gr o c kv e r t i c a ls h i f t 太原理1 ，火学硕十研究生学位论文 图4 - 1 1 巷道围岩垂直位移等值线图 f i g4 - 11 c o n t o u rc h a r to f t u n n e la n da d j o i n i n gr o c kv e r t i c a ls h i f t 图4 - 8 4 1 1 反映了1 5 号煤层巷道数值模拟计算位移结果，图4 8 和4 - 9 为水平 位移云图和水平位移等值线图，由图可知，巷道围岩最大水平位移为0 6 5 m m ，位于 巷道两帮煤层处。水平位移影响范围同水平应力影响范围一致，均为距巷帮1 5 m 以 内。图4 1 0 和4 一1 1 表示了该条件下巷道围岩的垂直位移云图和垂直位移等值线图 最大垂直位移为4 4 7m m ( 模型压实所致) ，巷道顶板垂直位移最大为3 4 5 m m 。巷道底 板有轻微的底鼓现象。 3 、锚杆支护3 8 m 宽的巷道数值模拟分析 根据1 5 号煤层条件下无支护巷道围岩应力及位移数值模拟计算结果分析，可知 该条件下巷道顶板不会破坏，因此巷道顶板可不用支护；丽巷帮煤层为不稳定围岩， 巷帮需增加锚杆支护。据无支护巷道围岩应力及位移计算结果，围岩受影响范围为巷 帮左右各1 5 m 深度处，故取巷帮支护锚杆长度为1 8 m ，按锚杆控制角度为4 5 。的纺 太原理f ：大学硕士研究生学位论文 缍体、多根锚杆相互作用形成的压缩墙的宽度为1 o m 计算，锚杆间距为l m 。按该锚 杆支护参数及布置形式设计帮锚杆支护巷道数值模拟计算模型。 图4 - 12 帮锚杆支护巷道数值模拟计算模型 f i g4 - 1 2n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e lo f r i bs u s p e n s i o nr o o f s u p p o r tt u n n e la n da 由o i n i n gr o c k 太原理r 火学硕十研究生学位论文 图4 - 13 帮锚杆支护巷道水平应力分布云图 f i r 4 - 1 3t h e a y o u l m a p o f r i bs u s p e n s i o nr o o f s u p p o r t t u n n e l 图4 - 14 帮锚杆支护巷道水平应力等值线图 g4 - 1 4c o n t o u rc h a r to f h o r i z o n t a ls t r e s so fr i bs u s p e n s i o nr o o f 2 4 太原理i ：大学硕士研究生学位论文 图4 - 15 帮锚杆支护巷道垂直应力分布云图 f i g4 1 5 t h e l a y o u t m a po f v e r t i c a ls t r e s so f r i bs u s p e n s i o nr o o fs u p p o r t t u n n e 图4 - 16 帮锚杆支护巷道垂直应力等值线图 f i g4 - 1 6 c o n t o u rc h a r to f v e r t i c a ls t r e s so fr i bs u s p e n s i o nr o o f s u p p o nt u n n e 2 5 太原理l ? 人学硕十研究生学位论文 图4 - 17 帮锚杆支护巷道剪应力分布云图 f i g4 - 1 7 t h e l a y o u t m a po fs h e a rs i e s so f r i bs u s p e n s i o nr o o f s u p p o r t t u n n e 图4 - 18 帮锚杆支护巷道剪应力等值线图 f i g4 1 8 c o n t o u rc h a r to fs h e a rs t r e s so f r i bs u s p e n s i o nr o o f s u p p o r tt u n n e 2 6 太原理i ：大学硕十研究生学位论文 图4 - 1 9 帮锚杆支护巷道水平位移云图 f i g4 - 1 9t h e m a po f h o r i z o n t a ls h i f t o f r i bs u s p e n s i o nr o o f s u p p o r t t u n n e l 图4 20 帮锚杆支护巷道水平位移等值线图 f i g4 - 2 0 c o n t o u rc h a r to f h o r i z o n t a ls h i f to fr i bs u s p e n s i o nr o o fs