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东北大学硕士学位论文摘要 动压下硐室群底鼓控制技术研究 摘要 底鼓是煤矿巷道( 硐室) 中经常发生的动力现象，底鼓造成巷道断面缩小， 阻碍运输，影响通风和人员行走。随着矿井开采深度延深，矿压显现越来越严 重，加上采动压力的影响，巷道底鼓已成为目前井巷维护的主要问题，尤其对 于深部水平的大型硐室，控制难度更大。大型硐室空间跨度大，支护强度不足， 室内安装有大型固定设各，设备的基础浇筑及安装质量都有较高要求。硐室如 出现底鼓，将造成固定设备基础倾斜、变形破坏，影响设备的使用安全，给矿 井安全生产带来严重威胁。为控制巷道底鼓，国内外对软岩的物理、水理、力 学性质、巷道变形与底鼓的力学机制及控制底鼓的技术措施开展了大量的研究 工作，取得了一大批理论和技术应用成果。国内外为控制底鼓进行巷道底鼓的 机理研究，各种控制措施的探索工作显得十分活跃，试验成功了许多控制底鼓 的方法。 本文详细调查研究了国内外在治理底鼓方面的研究成果，分析了这些方法 的适用条件，在此基础上，针对蒋庄煤矿南翼二部强力皮带机头硐室群的围岩 特点及开采条件，提出了解决该硐室群底鼓的方法，即提高围岩强度和降低围 岩应力相结合的途径。利用理论研究的方法，提出：增大应力降低区范围、人 为使高应力区向巷道围岩深部转移、降低应力集中系数、提高围岩强度可以显 著降低巷道底鼓量。分析研究了采用高强度螺纹钢锚杆提高硐室围岩强度的实 质和技术关键。利用数值数值计算的方法，研究了蒋庄煤矿3 上煤层开采后及 3 下煤层开采时皮带机头硐室群周围的应力分布状况，及该应力分布对皮带机 头硐室群的影响破坏程度。提出维护硐室应充分考虑围岩应力、围岩特性及赋 存状态对硐室稳定性的影响，针对蒋庄煤矿南翼二部强力皮带机头硐室群的地 质条件、维护特点和赋存状况，结合数值计算研究结果，提出并设计了硐室群 锚杆支护设计和硐室底板的加强支护技术方案。并对几种可行的卸压方案进行 了计算围岩变形比较，在现场可操作的前提下，提出了适合该条件下的硐室卸 i i 东北大学硕士学位论文摘要 压方法：在硐室顶部位于硐室与3 ，煤层之间的岩体中硐室底板中开掘小卸压 巷，并在卸压巷中进行松动爆破以防止底鼓。 本文的理论研究成果和数值计算成果应用于工程实践，结果表明：该类硐 室只要锚杆支护参数、卸压巷位置、断面及松动爆破方案设计科学合理，可以 保证硐室在受采动影响时，不会造成较大底鼓，满足生产的要求。该成果在现 场的成功实践，既为矿上解决了实际难题，为安全生产创造了条件，又取得了 显著的经济效益和社会效益。可见，基于研究成果形成的现场施工方案是控制 硐室群底鼓的合理有效方法，并具有显著的技术经济效果。 关键词：硐室群动压底鼓锚杆支护卸压 1 1 1 东北大学硕士学位论文摘要 s t u d y o fc o n t r o l t e c h n i q u e o ff l o o rh e a v eo f c h a m b e r g r o u p u n d e r d y n a m i c p r e s s u r e a b s t r a e t f l o o rh e a v ei sad y n a m i cp h e n o m e n o nt h a to f t e nh a p p e n si nc o a l m i n er o a d w a y s o rc h a m b e r s i tc a u s e st h es e c t i o no fr o a d w a yt ob e n a r r o w , h i n d e r st h ec o n v e y a n c e ，h a m p e r sv e n t i l a t i o na n dm a nw a l k i n g w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e m i n i n gd e p t h o fs h a f t ，t h e a p p e a r a n c eo f m i n i n gp r e s s u r eb e c o m e sm o r ea n dm o r eh i g h w i t ha n o t h e ri n f l u e n c e o f m i n i n gp r e s s u r e ，f l o o rh e a v e h a sb e c o m eam a i n p r o b l e m i nr o a d w a y m a i n t e n a n c e e s p e c i a l l y i nb i gs i z ec h a m b e r t h e b i gs i z ec h a m b e r s p a n i sl a r g e ，a n di t ss u p p o r t i n gs t r e n g t hi si n a d e q u a t e f i x e de q u i p m e n t sa r e f i x e di n i t ，a n dt h es t a n d a r do fp o u r i n ga n df i x i n go fe q u i p m e n t si s h i g h e r i ft h ef l o o rh e a v ea p p e a r si nr o a d w a y , t h ef o u n d a t i o no f f i x e d e q u i p m e n tw i l li n c l i n e ，b ed e f o r m e dt od e s t r o y , w h i c hi n f l u e n c e st h e o p e r a t i o ns a f e t ya n db r i n g ss e r i o u sm e n a c ef o rs a f e t ym i n i n g i no r d e r t oc o n t r o lf l o o r h e a v e ，t n u c hs t u d y h a sb e e nd o n ef o rs o f tr o c k c h a r a c t e ro fp h y s i c s ，h y d r a u l i c s ，m e c h a n i c sa n dt h em e c h a n i s mo f r o a d w a y d e f o r m a t i o na n d t h ec o n t r o lf o rt h ef l o o rh e a v ei nt h ew o r l d a1 0 to ft h e o r i e sa n d t e c h n o l o g y h a sa c h i e v e d t h em e c h a n i c a l s t u d y i n gt o c o n t r o lf l o o rh e a v ea n ds e a r c h i n go fc o n t r o lm e a s u r ei s v e r ya c t i v e l y s o m em e t h o d s h a v ea c h i e v e d b ye x p e r i m e n t t h ea c h i e v e m e n t so fh a r n e s s i n gf l o o rh e a v ei nt h ew o r l da r e i n v e s t i g a t e d a n dt h e i rs u i t a b l ec o n d i t i o ni s a n a l y s e d i n t h i s p a p e r 查些垄堂壁主兰堡垒查塑墨 b a s e do nt h a t ，c o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a lc o n d i t i o no fc h a m b e r g r o u p i nj i a n g z h u a n gc o a lm i n e ，i ti s p u tf o r w a r dt h a tt h ew a yt os o l v i n g f l o o rh e a v ei sb o t hs t r e n g t h e n i n gt h er o c km a s sa n d r e d u c i n gr o a d w a y s t r e s s b yt h em e t h o d o ft h e o r e t i c a ls t u d y , i ti sp r o p o s e dt h a te x t e n d i n g t h ea r e ao fs t r e s s r e d u c i n g ，d i v e r t i n gh i g h s t r e s sa r e at o d e p t h o f r o a d w a y r o c km a s s ，l o w e r i n gt h e c o e f f i c i e n to fs t r e s s c o n s t r i c t i o n ， s t r e n g t h e n i n gr o c km a s sc a no b v i o u s l yr e d u c et h ef l o o rh e a v e u s i n g s t r e n g t h e n t w i s t e ds t e e lb o l ti st h ee s s e n c ea n dk e y t e c h n i q u e t h r o u g h n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o ns u r r o u n d i n gt h eg e a rh e a d c h a m b e r g r o u p i nj i a n g z h u a n gc o a lm i n ea f t e rm i n i n g u p p e r 3 - t hc o a l a n dd u r i n gm i n i n gl o w e r3 - t hc o a li ss t u d i e d t h ei n f l u e n c eo ft h a to n t h i sc h a m b e rg r o u pi ss t u d i e da l s o 。t h ei n f l u e n c eo ft h es t r e s sa n d c h a r a c t e ra n de x i s t i n gs t a t eo fr o c km a s so nc h a m b e r s t a b i l i t ys h o u l d b ec o n s i d e r e dw h e nm a i n t a i n i n gt h ec h a m b e r a i m e da tt h eg e o l o g y c o n d i t i o n ，m a i n t a i n i n g c h a r a c t e ra n de x i s ts t a t eo ft h e g e a r h e a d c h a m b e rg r o u po ft h en o 2h e a v yb e l t si n j i a n g z h u a n gc o a lm i n e ， c o m b i n e dw i t ht h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，b o l ts u p p o r ts c h e m e f o rc h a m b e rg r o u pa n ds t r e n g t hf l o o rs c h e m eo fc h a m b e ra r ep r o p o s e d a n d d e s i g n e d s e v e r a lp o s s i b l eu n l o a d i n g s c h e m e sa r e c o m p a r e d t h r o u g hc a l c u l a t i n g t h ed e f o r m a t i o no fr o c km a s s c o n s i d e r i n gt h e f e a s i b i l i t y o fo p e r a t i o no ns i t e ，t h eu n l o a d i n gs c h e m es h o u l db et h a t d i g g i n gs m a l lu n l o a d i n gr o a d w a yo nt h et o p r o c km a s sb e t w e e nt h e c h a m b e ra n dt h el o w e r3 - t hc o a la n dm a k i n gc o n c u s s i o nc i r c l eb l a s ti n i t v a p p l i c a t i o n o ft h er e s u l t so ft h e o r e t i c a l s t u d y a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni np r a c t i c es t a t e st h a ti ft h eb o l t i n gs u p p o r t i n gp a r a m e t e r s ， u n l o a d i n gr o a d w a y p o s i t i o n ，s e c t i o n a n dc o n c u s s i o nc i r c l eb l a s t i n g s c h e m ea r er e a s o n a b l e ，t h ec h a m b e rc a nb es u r en o tt oh a v em u c h f l o o r h e a v ed u r i n gm i n i n g ，w h i c hc a nm e e tt h en e e do fp r o d u c t i o n t h e s u c c e s sp r a c t i c i n go ft h i s a c h i e v e m e n tn o to n l ys o l v e st h ed i f f i c u l t p r o b l e mi nj i a n g z h u a n gc o a lm i n e ，g u a r a n t e e st h es a f e t yp r o d u c t i o n ， b u ta l s o g e t s n o t a b l ee c o n o m i ce f f e c ta n ds o c i a le f f e c t t h e n ，t h e p r a c t i c a lc o n s t r u c t i o np r o g r a m b a s e do nt h i sa c h i e v e m e n ti sae f f e c t i v e m e t h o dt oc o n t r o lt h ef l o o rh e a v ei nc h a m b e rg r o u p ，a n di th a sn o t a b l e t e c h n o e c o n o m i cb e n e f i t k e y w o r d s ：c h a m b e rg r o u p ，d y n a m i cp r e s s u r e ，f l o o rh e a v e ， b o l ts u p p o r t ，u n l o a d i n g v i 声明 本人声明所呈交的论文是在导师的指导下完成的。文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使 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 已在论文中作了明确的说明，并表示感谢。 一名：弓侈刻 v f f tj 日 期：加乡夕，扩 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及选题的意义 1 1 1 问题的提出 底鼓是煤矿巷道( 硐室) 中经常发生的动力现象，底鼓造成巷道断面缩小， 阻碍运输，影响通风和人员行走。随着矿井开采深度延深，矿压显现越来越严重【“ 2 1 ，加上采动压力的影响，巷道底鼓已成为目前井巷维护的主要问题，尤其对于深 部水平的大型硐室，控制难度更大【3 】o 大型硐室空间跨度大，支护强度不足，室内 安装有大型固定设备，如大型矿用提升绞车房、泵房、皮带机头硐室等，设备的 基础浇筑及安装质量都有较高要求。硐室如出现底鼓，将造成固定设备基础倾斜、 变形破坏，影响设备的使用安全，给矿井安全生产带来严重威胁。 蒋庄煤矿设计生产能力为1 5 0 万讹，是枣庄矿业( 集团) 公司的骨干生产矿 井。该矿自1 9 8 9 年6 月投产以来，至今已生产原煤2 0 0 0 多万吨，由于生产强度 的不断加大，造成生产接续紧张。 南翼二部强力皮带机巷是蒋庄煤矿南翼采区的主要运输巷道，南翼二部强力 皮带机头硐室群水平标高为3 0 2 8m ，埋深约3 2 0m 。南翼二部强力皮带机头硐室 群与3t 3 0 7 、3t 3 0 7 工作面平面位置对照图及南翼二部强力皮带机头硐室群平面 图分别如图1 1 、1 2 所示。从9 0 4 号钻孔揭露情况看，3 煤层底板标高一2 4 4 6 1m ， 厚度1 1 6m ，3t 煤层底板标高2 7 8 6 1m ，厚度4 6 9m 。3 煤层与3t 煤层层间距 为2 9 3 l m 。 目前，3 。煤层已开采完毕，但3 ，煤层仍未开采，这样，南翼二部强力皮带机 头硐室群必将受到3 ，煤层的采动影响，在这种状况下，如果不采取必要的技术措 施，硐室群将不可避免地产生较大的底鼓和围岩变形，这将严重影响皮带的运输 能力，甚至可能造成蒋庄煤矿南翼采区的停产。因此，对该硐室群的合理保护进 行研究是十分必要的。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 3 t 3 0 7 运输巷 图1 1南翼二部强力皮带机头硐室群与3 3 0 7 、3 f 3 0 7 工作面平面位置对照图 f i g 1 1 t h e p l a c ep o s i t i o na m o n g 3 l 3 0 7c o a lf a c e ，3f 3 0 7c o a lf a c ea n d t h eg e a rh e a dc h a m b e rg r o u po f t b en o 2h e a v yb e l t s 南大巷 图1 2 南翼二部强力皮带机头硐室群平面图 f i g 1 2 t h e p l a c es k e t c ho f t h e g e a r h e a dc h a m b e r g r o u p o f t h e n o 2h e a v y b e r s 1 1 2 选题的意义 开展本项目的研究，其一：可以有效的降低3 下煤层开采对硐室群的动压影 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 响，保证硐室群的底鼓不会对生产造成影响，达到缓解蒋庄煤矿生产接续紧张的 目的，具有极大的现实意义；其二：硐室群保护的研究成果必将会对类似条件下 硐室的保护提供可借鉴之处，具有一定的理论意义。 1 2 国内外研究现状 为控制巷道底鼓，国内外对软岩的物理、水理、力学性质、巷道变形与底鼓 的力学机制及控制底鼓的技术措施开展了大量的研究工作，取得了一大批理论和 技术应用成果。 到目前为止，国内外在底鼓机理研究方面取得的成果主要有【卜6 l ： ( 1 ) 开巷后围岩应力变化造成巷道底板岩层卸载产生弹塑性变形向巷道内鼓 起； ( 2 ) 巷道两帮在垂直应力作用下挤压底板，使底板受水平应力作用向巷道内 鼓起； ( 3 ) 在上述应力作用下底板破碎后产生的体积扩大； ( 4 ) 底板岩层的流变性导致底鼓量随时间延长而增加； ( 5 ) 巷道底板出现拉应变和两帮下沉导致底鼓； ( 6 ) 水对底板的作用，底板中某些粘土矿物如蒙脱石等遇水后体积膨胀，并 使围岩强度降低，结构松散，易崩解、破碎。 研究巷道底鼓的机理的目的在于为控制底鼓，国内外各种控制底鼓的措施的 探索工作显得十分活跃，试验成功了许多控制底鼓的方法。根据巷道围岩控制的 原理与方法，可以分为加固法、卸压法及联合法p 9 1 。 ( 1 ) 加固法 目前常采用的加固法有底板注浆、底板锚杆、封闭式支架及混凝土反拱等。 这些传统的加固法都是围绕巷道底板进行的，虽然可以起到一定的控制底鼓 的作用，但在有强烈底鼓趋势的巷道中不仅材料消耗量大，支护费用高，而且并 不能真正起到控制底鼓的作用。原因在于这些加固法只不过被动地维护底板，在 高应力、松软底板条件下，封闭式支架底梁往往无法充分发挥其承载能力，致使 东北大学硕士学位论文第一章绪论 底梁向巷道内撅起，失去控制底鼓的能力；底板锚杆施工困难，往往因锚固力不 足及锚杆延伸量与巷道底鼓量不匹配而失效：底板注浆则因注浆达不到底板破坏 深度而被下部岩层顶起，失去阻止底板位移的能力。 随着锚杆支护理论的发展，以及锚杆材质、设计方法、旌工工艺的提高，锚 杆支护作为一种主动支护方式在煤矿巷道支护中的应用越来越广泛。中国矿业大 学侯朝炯教授、王卫军博士等根据锚杆支护围岩强度强化理论提出了加固巷道两 帮、底角控制底鼓的新技术。认为控制底鼓要有系统的思想，控制措旄不能只注 重于底板岩层，加固巷道任何一个部位均能在一定程度上减小底鼓，而加固巷道 两帮、底角效果最好。 ( 2 ) 卸压法 卸压法与加固法控制底鼓的机理不同，它的特点在于设法改变巷道底板受力 状况使其处于应力降低区，达到保持巷道底板稳定的目的。前苏联、波兰、日 本、美国、中国等国家曾采用切缝、打钻孔、松动爆破、卸压煤柱及在被保护巷 道( i n 室) 上方开掘卸压槽( 巷) 等卸压法控制底鼓，并取德了一定的效果1 2 1 。 上述几种方法控制底鼓的机理均在于将高应力向深部围岩转移，在底板形成 应力降低区，从而减小底板的破坏范围，阻止底板向巷道内移动，它们都有各自 的适用范围。切缝或打钻法在巷道围岩变形小的情况下效果比较明显，随着围岩 变形量的增大，切缝或钻孔有可能闭合，起不到卸压作用。卸压煤柱适用于回采 巷道。松动爆破工序比较复杂，有时还影响生产，所以在很多情况下不能采用。 而并下许多重要硐室( 如皮带机头硐室等) ，要求所采取的措施既不影响生产，又 能有效控制底鼓。开掘卸压巷能起到控制底鼓的效果而又不影响正常生产。 1 3 课题研究内容 ( 1 ) 通过理论和数值计算方法，研究蒋庄煤矿3 上煤层开采后及3 下煤层开 采时皮带机头硐室群周围的应力分布状况，及该应力分布对皮带机头硐室群的影 响破坏程度。 ( 2 ) 研究硐室群合理的支护方法及支护效果。 ( 3 ) 研究对硐室群进行卸压的方法，计算、分析不同方法的经济实用性、减 东北大学硕士学位论文第一章绪论 少围岩应力的状况及对围岩控制的效果。 ( 4 ) 在以上研究的基础上，最终确定硐室群合理的支护方式、卸压方法，进 行工业性试验，通过分析矿压观测资料，论证其效果。 1 4 课题研究采用的方法和技术路线 课题研究拟采用理论研究、数值模拟分析结合现场观测研究的方法进行。 技术路线如下： 通过现场调研，分析掌握蒋庄煤矿3 上煤层、3 下煤层的开采条件，皮带机头 硐室群围岩的赋存情况等。在此基础上，进行数值模拟及理论分析，进行硐室群 的支护方法及卸压方法研究，根据以上研究得到的有关成果，提出详细的现场实 施方案并进行现场应用研究，最终总结形成课题研究成果。 东北大学硕士学位论文第二章巷道底鼓力学分析 第二章巷道底鼓力学分析 巷道底鼓除了与底板岩层自身的物理、力学性质以外，主要取决于底板的受 力状况，底板受力状况又决定了底板岩层的应力应变分布，而底板岩层中的应力 应变分布又决定了底鼓的强烈程度与底鼓的形式阶3 3 36 1 。因此，建立底板力学模 型分析底板岩层的应力分布及变形规律对研究巷道底鼓的力学原理具有重要意 义，掌握底鼓的力学原理后才能根据实际条件提出控制底鼓的有效技术措施。 2 1 底板力学模型 根据巷道的受力状态，建立如图2 1 所示的力学模型进行底板应立场与位移场 的计算。 图2 1 底板力学模型 f i g 2 1 m e c h a n i c a lm o d e lo f f l o o r 模型中：f _ 一巷道宽度的一半jl j 一应力集中系数；) 博一原岩应力。 2 2 底板力学模型力学计算 根据弹性力学理论【3 2 1 ，半平面体在边界上受法向集中力p 作用时( 如图2 2 所示) ，半平面体内任意一点的应力为： 2 px 2 v 7 旷一i 虿j 可 2 p一 吒- r t - 虿i y 可 1 ( x 2 +) 2 2 px k 2 o y i 孑专可 6 东北大学硕士学位论文第二章巷道底鼓力学分析 位移为： 尸 o， ， ， r i o y ) j 图2 2 集中力作用的半平面体 f i g 2 2h a l f p l a n eb o d y u n d e rc o n c e n t r a t e df o r c e “：鲨l i l 曼c o s 臼一! ! 二盥! 曰s i f l 口 翘rn e v ；一竺i n 兰s i n 0 一( 1 - a ) p 0 c o s 0 + 里羔兰s i n 口 翘r疵一晓 式中s 满足 ) ，。= 0 。 目o 边界上任意一点的相对沉陷值为： 2 p s 打= l n 一 魁r 2 2 1 应力场计算 为了求出半平葫体内( 巷道底板) 任一点肘“力的_ 匾力，取坐杯如图2 1 所 示，在距坐标原点0 为喜处，取微小长度d 6 其上所受的力廿t g 必看作一微小的 集中力，则点姆力的应力为： 帆一半，志 拈，一半端 相椐图21 。在( 一。o ，+ 。) 匕积分，载荷作用下底板内任意一点的应力为： 查! ! 查堂墅主芏堡堡查 堑三主查堕塞垫生兰坌堑 仃i =塑 石+ 堡尘堑型塑 石c + ，训唁1 + 吾) 毗 培 a + b + l + y + ( 口+ ，+ y ) z 一( 七一1 ) ( 口+ b 掣一1 ) a r c t g ! 型兰 da z + y + ，a r e t g i + 、y + ( y f 一日) ( 旱一1 ) a r c t 9 2 兰兰+ y - 1a r c t g y - i qx扫 ax口x 一( k - 1 ) ( y - a 6 一f ) 0 + 马a f c t g cd 。r c t g 生尘 x y a b 一， 。堡二1 2 ：q 二! = ! 二鱼二1 2 c o y ，7 h x k - 1 ( ；十i 1 n 口2 + ( y + ，+ 口+ 6 ) 2 】i x 2 + ( y z 一口一6 ) 2 一百k - 1 7 zcd 2 c i n 工：+ ( y + ，+ 口+ 6 + c ) z 】i x ：+ ( y - ，- a - 6 一c ) z 】+ 昙( 三一掣) l n i x ：+ ( y 2 口d + ，+ 口) 2 i x 2 + ( _ y - 1 一口) 2 卜一1 n 【x 2 + ( ) ，+ ，) 2 】i x 2 + ( y z ) 2 】 z a + r h t 石+ 生a r c t g 坐+ 石ax ( k 一1 ) ( a + b + c + ，+ y ) 一( k - 1 ) ( 口+ b + ，+ y ) ( _ 1 + 1 ) a r c t g oc 删c 等一a r c 蟾半一 f a + b + l + y + 。口+ b + c + ，+ y a r c t g ( k 1 ) ( 口+ 6 + , 2 - - ，一j ，) c a r c t g 旦曼生二型 + ( y - a - f ) - ( 早一1 ) a r c t 9 2 型兰+ ( ) ( 口+ 6 + ，一y ) ( i 1 + 三) daxdc 。r c t g 上上坐】 2 2 2 位移场计算 根据边界上任意点的相对沉陷值叩：2 p ( 1 - , u 2 ) 1 n s ( 平面应变模型) ，微小 用巴， 集中力d p 邓所产生的相对于。叩：垄堕字垒l i l 童d 孝，根据图2 一 魁， i ，在( 一m ，+ 。) 上积分，可得载荷作用下巷道底角a 、b 相对于巷道底板中点 d 的沉陷为： 一8 东北大学硕士学位论文第二章巷道底鼓力学分析 珂= 掣砂等a ) l n ( 川卜乓21 n ，+ 等l n 2 一昙2 1 n 口+ 船巳d口 生箬1 n 小( 女_ 1 ) ( 口+ 6 + c ) ( t a + l + 竺堕型) l n ( 口+ 6 + f ) + 二ddc 掣i a + 半) l n ( m ) + 型等半盟l n ( + 州) 一坠娑兰丝l 巾+ 6 + c ) + 譬娑( ! 一书l n ( 口+ 2 0 c 2口口 + ( k - 1 ) ( a 芋b + 2 1 ) ( 掣十盟生竺丝) l n ( 日+ b + 2 7 ) 一! 生二1 2 1 1 垒! ! ! ! ：1 n ( 口+ 6 + 。+ 2 z ) ， 式中 】一岩石容重，k n m 3 ； 1 巷道埋深，m ： 卜岩石弹性模量，p a ； 俨一岩石泊松比。 值即为巷道底板中点0 相对于底角的底鼓值。 2 3 底板力学模型计算结果分析 2 3 1 底鼓与应力降低区范围及应力集中系数的关系 根据底鼓量”的计算表达式，通过计算机计算及绘图，图2 _ 3 、2 4 给出了底 鼓值”与应力降低区范围口、底鼓值日与应力集中系数k 的关系曲线。 024681 01 21 41 61 82 02 22 4 a m 图2 3 口一a 曲线 f i g 2 3 t h er 一口c u r v e 彻鲫姗栅姗瑚m o 口叫葛、奇 东北大学硕士学位论文 第二章巷道底鼓力学分析 6 0 0 5 0 0 4 0 0 重3 0 0 2 0 0 1 0 0 o 2456 k 图2 4 ”一6 曲线 、 f i g 2 4 t h e r 一b c u r v e 图2 3 中，计算参数为：巷道宽度2 1 = 6 m ，b = 4 m ，c - - - - - 2 0 m ，k = 3 ，h = 3 0 0 m ，e = g x 0 8p a ，= 0 3 ，7 = 2 5k n m 3 。 图2 4 中，计算参数为：巷道宽度2 l = 6m ，a = 3m ，b - - - - 4n l ，c - - - 2 0m ，h = 3 0 0m ，e = 8 x 1 0 8p a ，u = 0 _ 3 ，7 = 2 5k n m 3 。 2 3 2 计算结果的有益结论 由图2 3 、2 4 可知，随着a 的增大，口值显著减小；随着应力集中系数k 的增 大，口值直线增加。可见增大a 值，降低应力集中系数k 可以有效降低巷道底鼓量。 另外由底鼓量玎的计算表达式可知，提高e 值也可以降低巷道底鼓量。 围岩应力、围岩强度及巷道支护是决定巷道围岩稳定性的三大要素。如何降 低围岩应力，提高围岩强度，并正确选择合理的支护方式是保证巷道围岩稳定性 的关键。根据理论计算结果，增大a 值即使高应力区向巷道围岩深部转移，降低 应力集中系数k ，提高e 值即提高围岩强度可以显著降低巷道底鼓量。因此选择合 理的支护方式并强化巷道围岩强度和采取一定的卸压技术可以控制巷道的底鼓。 东北大学硕士学位论文第三章硐室群锚杆支护原理及参数研究 第三章硐室群锚杆支护原理及参数研究 巷道支护是巷道围岩控制的一个重要方面，因此，硐室群合理的支护方法及 其支护参数研究是硐室群动压下围岩控制研究的主要内容之一。 3 1 硐室群生产地质条件 影响南翼皮带机头硐室群的3t 煤层属于二迭系地层，该地层从上而下分为石 盒子组和山西组，整合于石炭系之上。石盒子组主要岩性为灰白色粗、中、细粒 砂岩，灰黑杂色、砂质泥岩、泥岩、粘土岩、柴煤等组成，底部以一层绿灰色中、 粗粒砂岩与山西组分界。山西组主要岩性为砂质泥岩、泥岩、中细粒砂岩，含可 采煤层二层，即3t 煤和3 ，煤。南翼皮带机头硐室群位于3t 煤层之下1 5m ，其附 近典型的岩层柱状如图3 1 所示，岩层力学性质如表3 1 所示。 岩层埋深m厚度，m岩层描述 灰白色，石英为主。含少量碎片，层理发育 中砂岩2 3 6 4 5 1 2 0 0 坚硬，较完整。 泥岩2 3 8 9 02 4 5黑色，含炭质较高，半坚硬，破碎。 灰黑色，砂泥质结构，中部破碎，上下部较完 砂泥岩2 4 4 8 0 5 9 0 整。 灰色，以石英为主，夹煤线，裂隙发育，坚硬， 细砂岩2 7 2 8 42 8 0 4 较完整。 黑色，主要由镜煤、亮煤组成，似玻璃光泽， 3t 煤2 7 7 7 04 9 0 煤质较好。 泥岩 2 8 i 5 0 3 8 0灰黑色，局部含化石碎片，半坚硬，较完整。 砂泥岩2 8 4 9 0 3 4 0灰黑色砂泥质结构，半坚硬，较完接。 深灰色，以石英为主，含少量白云母碎片，坚 细砂岩 2 8 8 8 03 9 0 硬，完整。 砂泥岩2 9 8 2 0 9 4 0深灰色砂泥质结构，半坚硬，较完整。 石灰岩 2 9 8 6 00 4 0灰色，坚硬完整，含少量动物化石。 泥岩3 0 0 0 5 1 4 5深灰色，泥质结构，半坚硬，较完整。 终孔位置，泥岩。3 0 8 1 5 m 。 图3 1 硐室群岩层柱状图 f i g 3 1 c o l u m n a rs e c t i o no f r o c ks t r a t ao f c h a m b e r g r o u p 东北大学硕士学位论文第三章硐室群锚杆支护原理及参数研究 表3 1硐室群附近岩层的力学性质 t a b l e 3 1m e c h a l l i c a lc h a r a c t e ro f r o c ks 订a t ac l o s i n gt oc h a i l l b e rg r o u p 细砂岩砂泥岩中砂岩砂泥岩细砂岩砂泥岩 2 4 6 2 -2 3 9 4 -2 2 5 0 -2 2 0 ；o 2 1 3 0 -2 0 2 8 深度m 2 7 0 02 4 0 82 3 6 32 2 3 92 1 5 22 0 9 2 1 2 2 34 9 71 2 2 38 1 _ 31 2 1 26 6 7 抗压强度m p a5 2 09 5 34 6 31 2 6 36 0 o 6 5 66 7 85 0 17 2 25 2 4 9 4 14 1 16 5 72 8 96 1 20 7 8 抗拉强度蹦p a 9 ，2 62 。9 77 。2 83 。8 25 7 6l ，4 1 1 1 1 48 5 82 7 76 6 40 8 9 2 5 4 72 6 3 l2 5 6 22 5 8 32 5 0 52 6 2 l 密度l ( g ，m 3 2 5 5 22 5 3 02 5 3 72 4 7 42 5 3 2 2 6 3 4 2 6 0 42 5 7 22 5 6 l2 4 9 82 9 8 72 5 8 4 切线模量g p a 2 94 90 40 40 3 6 泊松比 0 1 40 20 1 40 1 30 1 2o ，1 2 p 内聚力m p a 6 81 81 2 42 82 82 4 内摩擦角。 3 94 l3 24 04 24 0 由图3 i 和表3 1 可知，硐室群所在地层的围岩岩性差别虽然较大，但岩性普 遍较好。这对硐室本身的围岩稳定是有利的。 3 2 硐室群合理保护的基本思路 3 。2 。1 硐室群的维护特点 结合图1 1 、图1 2 和图3 1 可见，南翼二部强力皮带机头硐室群具有以下几 个鲜明的特点： 1 ) 硐室群的组成复杂 做为二部强力皮带的交接处，该硐室群的组成十分复杂，主要有三个电机硐 室、一个张紧绞车硐室、一个转载机巷、一个操作间、多个联络巷及几条与硐室 东北大学硕士学位论文 第三章硐室群锚杆支护原理及参数研究 相连通的皮带大巷所组成，整个硐室群的布置范围在长7 0m 、宽3 0m 左右。 由于各个硐室的大小不同，位置相距较近，硐室掘进时相互间的影响很大， 这必将在故硐室周边的岩体中产生范围、程度各异的应力集中，这种表现在3 ，煤 层开采时将会更加强烈，也是对硐室有效维护不利的原因之一。 2 ) 3 煤层开采对硐室群有一定的影响 南翼二部强力皮带机头硐室群与3t 、3t 煤层的赋存关系极为密切。3 。煤层 虽然距离硐室群较远，约4 5m ，但还是对硐室群有一定的影响，该煤层开采后， 因其材料巷的保护煤柱较大，对下部岩层中的应力分布有较大的影响，皮带机巷 的局部破坏就是证明。在这种条件下，其对硐室群的影响有两种可能：其一，硐 室群完全处于卸压区中，此时对硐室群的稳定是极为有利的，相应地，3 ，煤层开 采时产生的应力集中也较小；其二，硐室群局部或完全处于卸压区外，此时将在 硐室群的局部或整体范围内产生应力集中，在3 ，煤层开采时，这种影响将会更加 明显，这对硐室群的维护是极为不利的。 鉴于以上原因，在考虑硐室群的控制方案中，应做进一步的研究。 3 ) 3 ，煤层开采对硐室群影响大 硐室群距离3 ，煤层较近，约1 5m 。当该煤层不采动时，对硐室的稳定性无影 响，但在该煤层采动时，影响极大，目前国内采用的支护方式均不能保证硐室在 受采动影响时无变形，这也是对硐室维护最不利的原因所在，因此，为保持硐室 在该煤层采动影响时能够安全可靠的进行生产，除了必须对硐室采取一定的加强 支护措施外，还应主要考虑如何适当地减小采动造成的应力集中现象，这才是硐 室群安全使用的根本。 4 ) 硐室群的维护效果要求高 由于硐室群主要是为皮带机服务，故对硐室的围岩变形量要求较高，尤其是 对底鼓的控制。因此，还必须在控制技术中考虑对主要硐室的底板进行必要的处 理。 5 ) 主要硐室的断面大 在硐室群中，主要硐室是皮带机头的电机硐室，该硐室的断面较大，这给硐 东北大学硕士学位论文第三章硐室群锚杆支护原理及参数研究 室的维护带来了不小的难度。 3 2 2 硐室群围岩变形特点的数值计算研究 3 2 2 1 概述 正确认识硐室在受采动影响前和影响时围岩的变形特点，对于确定合理的硐 室保护方案是十分必要的，为此进行了数值计算研究【3 5 1 。 数值计算方法作为一种解决采矿与岩土力学问题的有力工具，在解析解存在 困难的时候，它有着突出的优越性，它可以考虑众多的影响因素，进行多方案的 快速比较，在参数敏感性分析中具有明显优势，同时有的软件还具有强大的前处 理和后处理功能，显著提高了输入和输出结果的可视化程度。 f l a c ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a ) 是一种用于岩土工程力学计算的 显式有限差分程序。该程序可模拟土、岩石等材料的力学行为，新版的f l a c m 3 0 程序采用了显式拉格朗日算法及混合离散划分单元技术，内部含有多个力学模型， 如库仑一摩尔模型、应变软化硬化模型、节理模型及双屈服模型等，用于模拟高 度非线性、不可逆等地质材料的变形；f l a c 中含有的界面单元可以模拟岩层中不 连续面，如断层、节理及层理等滑动和离层；f l a c 中含有的梁、锚杆、桩及支柱 单元可以模拟各种支护构件：f l a c 内部还有一种编程语言f i s h ，用户用它以编 制自己的函数、变量，甚至引入自定义的力学模型，使得该程序能够精确地模拟 材料的塑性流动和破坏，特别适合于岩土类材料的破坏分析。 因此，在南翼皮带机头硐室群的控制方案中采用该软件进行相关的计算研究。 3 2 2 2 数值模拟模型 模拟范围为长高= 9 0m x 8 0m ，网格为1 8 0 x 1 4 9 ，共2 6 8 2 0 个单元，模型采 用应力边界条件，模型的上表面施加均匀的垂直压应力，模型两侧面施加随深度 变化的水平压应力，模型下表面垂直位移固定，左右两侧的水平位移固定。 数值计算中的岩石力学参数引用表3 1 中的相关内容，为简化计算，在本次研 究中选择硐室断面最大的电机硐室剖面进行研究。 东北大学硕士学位论文第三章硐室群锚杆支护原理及参数研究 3 2 2 3 硐室围岩的变形特点分析 利用数值计算对硐室变形特点的研究结果如下： 1 ) 硐室掘进完成后 在电机硐室掘进完成后，利用数值计算得出的结果如下图所示( 其中图3 2 为