（矿业工程专业论文）兴隆庄煤矿特厚破碎煤层综放大断面回采巷道锚杆支护技术研究与试验.pdf

查些苎堂兰堡翌主鱼墨 ! i 兰l 摘要 随着锚杆支护技术的发展，目前锚杆支护己成为世界主要产煤国家煤矿支护 的主要形式。从使用条件看，我国煤巷锚杆支护主要使用在煤质中硬、围岩稳定 程度较高的i 、i i 、i i i 类回采巷道，软岩回采巷道、深井巷道、沿空掘巷等复杂 条件下的锚杆支护正在进行试验性研究。综采放顶煤开采技术在我国有了很大发 展，并带来了巨大的技术经济效益，随着采深的加大，综放两道大断面巷道的维 护技术成为制约放顶煤开采技术发展的关键问题之，因此，开发研究厚煤层综 放面沿空巷道的锚杆支护问题已迫在眉睫。本文研究了特厚破碎煤层综放回采巷 道围岩结构稳定性分析、锚固体强度强化理论、特厚破碎煤层综放大断面回采巷 道锚杆支护设计、高强度锚杆成套支护材料。从试验的结果看，这次研究取得了 很大的经济和社会效益，具有很高的推广应用价值。 关键词：锚固体强度强化理论，回采巷道锚杆支护设计，高强锚杆成套支护材料 i i 查! ! 垄堂三堡翌主笙圭 塑墨 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f b o l t i n g n o wb o l t i n gh a sb e c a m et h em a i nf o i t no fs u p p o r t i nt h em o s tc o u n t r i e sw h i c h p r o d u c tc o a l i n t h ew o r l d w h e ni tc o m e st os i t u a t i o ni d0 1 1 1 n a t i o n b o l t i n g w a sm a i n l yu s e di ns o m ea c t u a l m i n i n gr o a d w a yi n w h i c hc o a li s m e d i u m + h a r da n dt h es u r r o u n d i n gr o c ki ss t e a d y h o w e v e rb o l t i n gs u i t i n gf o rm i n i n g r o a d w a yo w n i n gs o f t r o c k d e e ps h a f tr o a d w a y , e x c a v a t i n gr o a d w a ya l o n g w i t 1t h eg o b i su n d e re x p e r i m e n t a lr e s e a r c h f u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gm e t h o dh a sb e e nd e v e l o p e d r a p i d l ya n db r i n g se n o r m o u st e c h n i c a la n de c o n o m i cb e n e f i t w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e d e e p ，t h em a i n t e n a n c et e c h n o l o g yo ft h el a r g e - s i z er o a d w a yi s o n eo ft h ek e yp o i n t s w h i c hl i m i t e dt h ed e v e l o p m e n to f c a v i n gm e t h o d s od e v e l o p i n gt h eb o l t i n gm e t h o d s u i t i n gf o rt h i c ks e a mb e i n ge x c a v a t e da l o n gw i t hg o bi sv e r yi m p o r t a n ta n dn e c e s s a r y t h i st h e s i sm a i n l ya i m sa t1 1 1 es t r u c t u r a ls t a b i l i t ya n a l y s i so fi n 也em e c h a n i z e da c t u a l m i n i n gr o a d w a ya b o u tv e r yt h i c kb r o k e ns e a m ，r e i n f o r c e m e n tt h e o r yf o rt h ei n t e n s i t y o fa n c h o rb o d y , b o l t i n gd e s i g no fb i gc r o s s s e c t i o n m i n i n gr o a d w a yf o rv e r yt h i c k b r o k e nc o a ls e a mm e c h a n i z e dc a v i n ga n d u n i t - s u p p o r tm a t e r i a l so f h i g hs t r e n g t h e nb o l t a sar e s u l to ft h ee x p e r i m e n t ，t h i sr e s e a r c hh a s b r o u g h te n o r m o u se c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t ，a n di tw a sw o r t h yo fb e i n gp o p u l a r i z e da n da p p l i e d k e y w o r d s ：r e i n f o r c e m e n tt h e o r yf o rt h ei n t e n s i t yo fa n c h o rb o d y , b o l t i n gd e s i g no f m i n i n gr o a d w a y , u n i t - s u p p o r tm a t e r i a l so f h i g hs t r e n g t h e nb o l t i i l 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 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 确的说明并表示谢意。 本人签名：考伙 1 日 期：五埠7 月彦h 垄! ! 垄堂兰墨堑主堡查一三查鱼 1 绪论 1 1 国内外研究概况 自本世纪4 0 年代至今，锚杆支护发展迅速，已成为世界主要产煤国家煤矿 支护的主要形式。美国、澳大利亚因煤层赋存条件好，巷道普遍采用锚杆支护， 其支护比例已接近1 0 0 ，处于世界领先地位。而英、法、德、俄罗斯等国煤 巷过去以金属支架为主，煤巷锚杆支护经历了一波三折的反复过程，到8 0 年代 以后才陆续得到推广。国外锚杆支护迅速发展的主要原因是矿井开采深度日益 增加，巷道断面不断扩大、压力增大、围岩变形严重、巷道维护条件困难，原 来用金属支架的矿井型钢重量不断增加，棚距日益减小，仍难以满足巷道维护 的要求。不但巷道支护费用增高，而且施工、运输更加困难复杂。在这种情况 下，各国纷纷寻求成本较低、运输、施工简单方便、控制围岩变形效果较好的 锚杆支护。目前煤巷锚杆支护在这些国家已很普遍，例如法国、英国煤巷锚杆 支护的比例分别站5 0 、8 0 以上。我国煤矿锚杆支护1 9 9 7 年在岩巷中的比 例为5 9 7 5 ，而在煤巷中仅占1 9 ，4 2 ，和世界先进水平相比存在较大差距， 因此在煤巷中发展锚杆支护有很大潜力。 综合世界主要产煤国家煤巷锚杆支护发展经验，其主要特点是：在支护 设计上，以巷道围岩地质力学评估及井下实测数据为基础，强调最大水平应力 在巷道布置与支护参数设计上的应用，形成一套比较科学的设计方法。有比 较可靠的配套机具。采用掘锚一体化联合掘进机或性能良好的单体锚杆钻机， 满足施工要求，并能保证掘巷速度。采用高强度、超高强度材料制造锚杆， 加工精细，将锚杆作为产品而不是简单的支护材料，并形成适用于不同条件的 系列化产品。采用可靠的监测手段，大力推广应用顶板离层指示仪、围岩深 部多点位移计、测力锚杆等盗测仪器。坚持科学管理，严格质量监测，形成 了理论到实践完善的锚杆支护技术体系。 从使用条件看，国外煤巷锚杆支护均使用在煤质中硬以上的煤层中。我国 煤巷锚杆支护主要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的i 、i i 、i l l 类回采巷 道，软岩回采巷道、深井巷道、沿空掘巷等复杂困难条件下的锚杆支护正在进 行试验性研究，近两年取得较大突破，邢台，新汶等矿区在三软、深井、综采 沿空巷道等复杂困难条件下采用锚杆支护取得成功。特别值得一提的是煤炭部 重点科技攻关项目邢台矿务局煤巷锚杆支护成套技术研究，包括1 5 个子专 题，对锚杆支护配套技术进行了系统的研究，并取得丰硕成果。 综采放顶煤开采技术在我国有了很大发展，并带来巨大的技术经济效益， 随着采深的加大，综放两道断面巷道的维护技术成为制约放顶煤开采技术发展 查! ! 叁芏三垦堡主笙查l ! ! 鱼 的关键问题之一。目前两道常采用工字钢梯形支架支护，受采动影响后，巷道 变形量大、维护困难，严重影响综放面两道畅通，煤炭的运输，泵站的铺设与 移动；两道复杂的超前维护及管理方式要求大量的人工劳动，与综放机械化采 煤技术很不相称，且影响工作面的快速推进。因此综放开采技术的迅速发展对 两道支护技术改革提出了迫切的要求，但无论国内还是国外，在深井地应力、 构造应力或强采动影响条件下的综放大断面煤巷均未见采用单一的锚杆支护技 术的公开报导，特别是留小煤柱综放沿空巷道锚杆支护在理论及实践上都具有 首创意义，因而该项技术的研究具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 锚杆支护技术的发展概况 1 2 1 国外煤巷锚杆支护技术发展概况 自从1 9 世纪末期英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡起，锚杆 支护方法逐渐被广泛应用于水利、交通、矿山等岩土工程领域，此后锚杆支护 技术得以改进和提高，锚杆支护理论也不断得到完善和发展。1 9 1 2 年，德国谢 列兹矿最先将锚杆支护技术应用于地下巷道的围岩控制。2 0 世纪4 0 年代以后， 锚杆支护技术发展迅速，现已成为世界主要产煤国家煤矿的主要支护形式，美 国，澳大利亚因煤层赋存条件好，巷道全部采用锚杆支护，处于世界领先水平。 而英、德、俄罗斯等另外一些产煤国家的锚杆支护则经历了一波三折的过程， 特别是煤巷锚杆支护直到8 0 年代以后才得到陆续推广。 锚杆支护技术经济优越性主要表现在：初期投资低、直接成本低；技术上 表现在：由被动支护变主动支护：劳动强度低，施工方便；辅助运输简单，可 大幅提高工作面的生产效率；在保持相同安全间隙的条件下，减小了巷道尺寸； 为悬挂管道、电缆等提供了自然的支撑。 从世界范围来看，煤巷锚杆支护技术的主要发展历程是： ( 1 ) 1 9 4 5 1 9 5 0 ：机械式锚杆的研究与应用阶段： ( 2 ) 1 9 5 0 1 9 6 0 ：采矿业广泛应用机械式锚杆，并开始对锚杆进行系统的 研究； ( 3 ) 1 9 6 0 1 9 7 0 ：发明了树脂药卷，引发了锚杆支护技术的一次革命，树 脂锚杆在矿山得到广泛应用； ( 4 ) 1 9 7 0 1 9 8 0 ：发明管缝式锚杆、涨壳式锚杆并应用，开始研究锚杆的 设计方法，长锚索产生； ( 5 ) 1 9 8 0 1 9 9 0 ：混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆及各种特种锚杆得 到应用，树脂锚固材料得到改进。 由于各国经济状况及煤层地质条件的不同，世界上各国的锚杆支护的发展 东北走学工程硕士论文 1 绪论 水平也所不同，呈现出各自的特点。 澳大利亚主要推广全长树脂锚固锚杆，强调锚杆强度要高，其锚杆参数设 计方法有其独到之处，将地质调研、设计、施工、监测、信息反馈等相互关联、 相互制约的各部分作为一个系统工程进行考察，使他们形成一个有机的整体， 形成了锚杆支护设计的系统设计方法。其设计步骤主要包括以下5 个部分： ( 1 ) 地质力学评估，地应力状况和围岩力学性质是地质力学评估的主要内 容： ( 2 ) 锚杆支护参数设计，在巷道围岩力学评估的基础上，应用有限差分数 值模拟分析并辅以工程类比和理论计算进行锚杆支护参数设计； ( 3 ) 初始设计选定的方案进行围岩稳定性分析； ( 4 ) 现场施工： ( 5 ) 现场监测，监测内容包括：巷道围岩表面位移、巷道围岩深部位移、 全长锚杆的受力分布、端锚锚杆的荷载分布、锚杆锚固区内、外的离层值等等。 1 3 我国煤巷锚杆支护技术发展概况 由于锚杆支护具有使用方便、节省钢材、价格便宜、易于实现机械化操作、 可与传统支护形式联合使用，适用于多种地质条件的诸多优点，我国1 9 5 6 年开 始在煤矿岩巷中使用锚杆，至今已有4 0 多年的历史，6 0 年代锚杆支护开始进 入采区，但由于煤层巷道围岩松软，受采动影响后围岩变形量很大，对支护技 术要求很高，加之锚杆支护理论、设计方法、锚杆材料、施工机具、监测手段 等还不够完善，因而发展缓慢；8 0 年代开始在煤巷中使用锚杆，以后锚杆开始 在我国得到了广泛的应用，特别是进入9 0 年代以来，锚杆支护更逐渐在各大煤 矿得到全面的推广和应用，锚杆支护在煤矿的支护比例逐渐提高，但在煤巷掘 进中锚杆的支护比例仅2 0 1 4 ，和世界先进水平相比存在较大差距。因此在煤 巷中发展锚杆支护有很大潜力。 1 3 1 我国煤巷锚杆支护技术的发展阶段 ( 1 ) 1 9 5 6 8 0 年代中后期的起步阶段。主要进行一些起步性研究和试验， 锚杆支护的应用主要集中在少数几个矿区，如徐州、新汶、淮南、西山等。 ( 2 ) 1 9 9 1 1 9 9 5 年的攻关阶段。煤巷锚杆支护技术作为国家“八五”期间 的重点项目进行攻关，取得了一大批科研成果，锚杆支护应用范围明显扩大。 ( 3 ) 1 9 9 6 1 9 9 7 年的引进和消化阶段。在引进、吸收、和消化的基础上， 结合我国的具体国情，集中现场、科研院所及大中专院校的优势，经过两年大 规模研究和试验，初步形成了适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护成套技术。 ( 4 ) 1 9 9 8 至今的推广和提高阶段。国内各大矿区广泛推广应用，取得了显 查韭查堂三堡堡主焦查j ! ! 鱼 著的技术经济效益，煤巷锚杆支护的比例已达到2 0 以上，少数矿区超过5 0 ， 全国每年约有2 6 0 k i n 的煤巷采用锚杆支护。 1 3 2 我国煤矿使用的锚杆种类 由于我国的地质条件的复杂性与多样性，我国现已使用的锚杆种类也有多 种样式。目前，我国的锚杆类型主要有以下几种：楔缝式锚杆，涨圈式锚杆， 倒楔式锚杆，倒刺式锚杆，螺纹钢锚杆，开缝钢管式锚杆，砂浆锚杆，木锚杆， 竹锚杆，可拉伸式锚杆，树脂锚杆，桁架式锚杆等等。锚杆支护的类型有：单 一锚杆支护，锚杆与喷射混凝土支护，锚杆与钢筋( 网) 喷射混凝土支护，锚 杆、钢筋网、喷射混凝土和钢架联合支护等种类。 1 3 3 我国煤巷锚杆支护设计取得的成果 锚杆支护的大量应用，使人们在锚杆的结构性能、锚固方式、支护设计方 法等各方面积累了大量的实践经验。主要体现在： ( 1 ) 锚杆研制方面积累了丰富的经验。能采用多种材料制作各种形式的 适用于不同条件的锚杆。目前使用的锚杆主要有木锚杆、竹锚杆、金属锚杆、 钢筋混凝土锚杆以及螺纹钢树脂锚杆等；锚杆的结构主要有机械式、粘结式及 摩擦式等三大类：有适用于小变形的刚性锚杆，也有适用于大变形的柔性( 增阻 型及恒阻型) 可伸长锚杆。所有这些成果都为扩大锚杆支护的适用范围提供了必 要的条件。 ( 2 ) 研究出了适用于不同围岩条件的锚固方式，如端头锚固、全长锚固、 无预应力的被动承载型锚固以及有预应力的主动施力型锚固等。 ( 3 ) 摸索出了多种实用的锚杆支护结构形式。在稳定围岩条件下分别成 功运用了单体锚杆支护形式，在裂隙体围岩条件下采用了组合锚杆( 锚网、锚梁 等) 支护形式，在复杂围岩条件下采用了联合( 锚杆与喷射混凝土、锚杆与棚子 支架、锚杆与注浆等) 支护，在大断面条件下采用了锚杆桁架支护等。 ( 4 ) 锚杆施工机具不断改进。实行机械化施工是提高锚杆支护效果和普及 应用程度的重要因素之一，是提高施工速度、保证工程质量、减轻劳动强度以 及改善劳动条件等的有效途径，因此，锚杆机具的改进一直受到重视，高新科 技不断得到应用。近几年我国已从国外引进了掘进机和锚杆机两机一体的新式 掘、装设备，使支护时间进一步缩短，支护效果进一步提高。 ( 5 ) 锚杆支护工程监测手段更加丰富。目前，可利用测力锚杆、及单点和 多点位移计等等对巷道锚杆支护结构的表面及内部一定深处进行位移测量；利 用锚杆拉力计、托盘式压力盒、传感器及空芯锚杆等可对锚杆的锚固力及轴向 查韭叁堂三堡堡主垒叁 ! 竺堕 力进行量测，用顶板离层指示仪进行顶板离层的监测等，为巷道锚杆支护设计 提供了必要的事实依据。 1 4 论文主要内容 1 4 1 简介 兴隆庄煤矿是个年设计能力3 0 0 万吨，实际生产能力5 0 0 多万吨的特大 型矿井，主采3 号煤层，厚度为8 9 m ，煤层节理裂隙发育，单轴抗压强度为 i o 2 0 m p a ，属特厚高应力条件下的破碎煤层。采用综采放顶煤一次采全厚开采 技术，综放面区段运输平巷宽度4 5 m ，高度3 m ，断面积1 3 5 m 2 ；综放面区段回 风平巷宽度3 7 m ，高度3 m ，断面积2 2 ，5 m 2 ，属大断面回采巷道。该矿1 9 9 7 年 前综放回采巷道一直采用工字钢对焊棚支护方式，带来的主要问题是掘进冒顶 严重、巷道变形大、支架折损严重、回撤支架需大量的人力、劳动强度大、施 工困难、机械化程度很低，不能适应回采工作面的快速推进，特别是靠采空区 侧巷道维护极其困难，是制约综放工作面高产高效的严重障碍。采取高强度锚 杆支护系统解决特厚破碎煤层综放回采巷道的维护问题是当前的技术发展方向 和重要的技术途径。 5 3 1 8 工作面位于兴隆庄煤矿东北翼五采区下部深处，该区煤层产状平缓， 总体表现为平斜构造，煤厚8 2 8 m ，倾斜2 1 6 。，一般3 7 ，煤层倾向一 般为n e ，局部走向变化造成采区次一级宽缓波状起伏。巷道沿煤层底板掘进， 巷道平均埋深5 0 0 m 。 本课题包括5 3 1 8 工作面上下两道及切眼全部回采巷道，其中区段运输平巷 1 6 5 0 m ，区段回风平巷1 5 1 0 m ，切眼2 0 0 m 。共计3 3 6 0 m 。 1 4 2 试验巷道特点 5 3 1 8 回采巷道具有以下特征： ( 1 ) 巷道顶板松散破碎层厚度大 巷道3 号煤底板掘进，项部尚有5 m 多厚煤层。另外3 号煤层直接顶尚有 2 m 多的破碎易冒落的泥岩及粉砂岩，因而其巷道顶部不稳定煤岩层累厚约8 0 m 左右。 该区域综放回采巷道原采用工字钢对焊棚支护，掘进头顶煤冒顶很频繁， 严重影响施工。 ( 2 ) 巷道围岩赋存状态复杂 区段迸风巷道( 上顺槽) 位于相邻工作面采空侧，由于综放面两端有2 架 查! ! 垄芏三堡堡主垒墨 上兰茎鱼 不放顶煤，因而采空侧顶煤及顶板的冒放情况比较复杂，而它们对留小煤柱沿 空掘巷位置的确定影响很大，也是影响该巷道围岩稳定性及采动影响程度的主 要因素之一。 另外综放开采造成的采场周围支承压力分布也很复杂，开采强度明显增加， 较大范围内采空侧煤岩体将受到采动影响，采空侧巷道围岩受到不同程度的破 坏，并处于一个相对复杂的应力状态之中。 ( 3 ) 围岩应力大、采动影响强烈 3 号煤层单轴抗压强度i o 2 0 m p a ，埋深5 0 0 m 形成的垂直应力为1 5 m p a ， 因而由于巷道掘进、工作面回采造成的任何应力集中都将产生较大范围的松动 破坏。 已有的支护实践表明，综放开采两道采动影响强烈，尤其是沿空巷道维护 十分困难，采用工字钢对棚支护难以有效控制采动期间的剧烈围岩变形。而5 3 1 8 工作面两道是配合九五攻关项目“双高”工作面配套设备研究的，属大断面、 顶板破碎易冒落、采动影响强烈的一类很难维护回采巷道。采用矿工钢支护必 然产生强烈的围岩移进，支架严重变形，端头超前维护困难并制约工作面的推 进速度，支护改革势在必行。 1 4 3 研究内容 高强度树脂锚固螺纹钢锚杆支护系统在煤巷中的应用促进了理论和实践的 较大进步，在深井、三软、复合顶板、中厚煤层沿空巷道等复杂困难条件下单 独采用锚杆支护也取得了成功。多种复杂困难条件下煤巷锚杆支护的成功应用， 加深了对高强树脂锚杆控制受采动影响巷道围岩大变形能力的认识，因此针对 综放工作面两道的维护特点单独采用新型锚杆支护在理论和技术上都有坚实的 基础。实践也证明，采用锚杆( 锚索) 支护技术可克服架棚支护的缺点，根本解 决综放两道的维护问题。 主要研究内容如下： ( 1 ) 厚破碎煤层沿空巷道围岩结构分析； ( 2 ) 特破碎煤层侧向煤体变形特点分析； ( 3 ) 特厚破碎顶煤条件下的综放沿空巷道合理位置研究； ( 4 ) 特厚破碎顶煤条件下的综放工作面两道的锚杆支护技术； ( 5 ) 特厚破碎顶煤条件下的超大跨度切眼的锚杆( 锚索) 支护技术； ( 6 ) 特厚破碎顶煤条件下的锚杆施工工艺及快速施工技术。 垄韭叁茎三堡塑主堕叁 ! 丛壁! 堑兰鲞墨笪塾里查查堕璺兰兰型坚墅堂! ! 坌堕 2 特厚破碎煤层综放回采巷道囤岩结构稳定性分析 特厚破碎煤层综放回采巷道沿煤层底板掘进，支护的对象是煤体，巷道的 围岩应力分布和围岩变形规律与其它回采巷道不尽相同，特别是综放留小煤柱 的沿空巷道。该巷道在上工作面采空区侧已垮落稳定岩层下的煤体中掘进，煤 体本身变形后岩性较差，在该工作面回采时，沿空巷道上覆岩体结构的稳定状 态将被打破，造成巷道压力加大，变形剧烈。研究综放面采空区侧岩层的断裂 规律是认识沿空巷道支护结构载荷从小到大转化，导致巷道变形的基础。 2 1 特厚破碎煤层综放沿空巷道上覆岩体的破断结构 2 1 1 特厚破碎煤层综放采场关键顶板的确定 综放开采一次采出厚度大，相应地波及岩层的范围很大，但大量的实测资 料显示：沿空巷道掘进及稳定阶段围岩移近量较小，但在本工作面回采时巷道 的围岩变形剧烈。这表明，综放沿空巷道的稳定性与顶板岩层中一层或几层力 学性能好的坚硬岩层断裂后结构的稳定性密切相关，故而识别和研究这类顶板 的断裂规律对认识巷道在服务期内支承压力变化、确定合理的沿空巷道位置( 合 理煤柱尺寸) 、优化沿空巷道支护参数及各阶段的支护对策是必要的。 在煤层顶板中，由于成岩矿物成份及成岩环境等因素的不同，造成顶板各 岩层的厚度和力学特性等方面存在着较大的差别，而其中一些较为坚硬的具有 一定厚度的岩层起着主要的控制作用，它们破断后形成的结构直接影响着采场 的矿压显现和岩层活动，将此类顶板定义为关键顶板。关键顶板具有以下特征： 几何特征：相对于其它岩层厚度较大。 岩性特征：相对于其它岩层较为坚硬，即弹性模量较大、厚度较大。 变形特征：在关键顶板下沉变形时，其上覆全部岩层的下沉量与它是同 步协的。 破断特征：关键顶板的破断将导致全部或局部上覆岩层的破断，引起较 大范围内的岩层移动， 支承特征：关键顶板破断前以板( 或梁) 的结构形式，作为全部或局部 岩层的承载主体。 一般地，关键顶板主要通过是否符合刚度条件和强度条件这两个准则来 判别。 根据5 3 1 8 综放工作面煤层地质条件，确定其关键顶板的步骤如下： 此处所指关键顶板是指采场顶板垮落后形成主结构的岩层。为此采用以下判别 准则： 查坐垄堂三堡塑主笙查 ! 壁堡堕堡鉴墨堕! 塑i 生堕里圭丝塑壁苎型! ! ：塑 ( 1 ) 垮落特征 煤层采出后采空区实际高度h 的计算公式为： h = ( m + r ) 【1 一k 。( 1 一，7 ) 其中： 玎= 工作面回采率，8 0 ； t = 顶煤厚度，5 2 8 m ； m = 采高，3 m ； 世。= 顶煤的碎胀系数，i 3 。 根据以上计算，得出h = 6 1 3 m 。 假设危( i = l ，2 ，n ) 为综放面自下而上各层顶板厚度，若有m ( m n ) 层岩层属于不规则垮落，则第n 层岩层不规则垮落至少应满足下式： 型 k h + 囊( 1 一t ) l 其中第h 。以上的岩层为规则垮落。 将5 3 1 8 综放面各层顶板带入计算可得：顶煤以上0 2 m 厚的泥岩、2 0 6 m 厚的粉砂岩均为不规则垮落岩层，而2 2 0 2 m 厚的中砂岩及以上岩层属于规则垮 落，即认为对采场影响明显的关键顶板位于粉砂岩之上。 ( 2 ) 关键顶板判别的刚度条件( 变形条件) 假设有k 层顶板同步协调变形，则其下部岩层为关键顶板，其支承特征是： g l ( x ) k 吼( 工) k 其中( i = 2 ，3 ，k ) ：q ，、q ，一岩层上的分布载荷。 如果第k + l 层岩层的变形小于第k 层，第k + l 层以上岩层已不再需要其下 部的岩层去承担它所承受的任何载荷。同时假设顶板各岩层的密度为p ；、弹性 模量为e 、惯性矩为i ；( i = l ，2 ，n ) ，其中l = b h ，3 1 2 ，( b 为截面宽度) 并规定第一层岩层为中砂岩，则必定有： 目i ( 曲k + l l ，关键顶板初次破断的模式为横“o x ”、周期破断模式为横半“o x ”、 即关键顶板的破裂模式只与综放工作面尺寸有关。 关键顶板破裂在煤壁内的，其断裂位置除与其所处的力学环境、板本身的 力学性质有关外，与板的下位煤岩也密切相关。 关键顶板的初次断裂模式示意图如2 1 所示。 图2 1 初次断裂模型示意图 f i g 2 1f r i s tr u p t u r em o d e l 关键顶板的侧向跨度，即顶板显著运动完成后在工作面两侧或一侧的悬跨 度。随工作面推进，当达到极限跨度a 时，在关键顶板自重及其上部岩层的作 用下将产生屈服，其侧向跨度分别为d 和d 。，对一定尺寸的板，通过极限载荷 的最小值可确定d ，和d 。，其计算模型如图2 2 所示。 查! ! 垄茎三堡塑主笙奎 ! 鲎璺堕壁堡墨堡茎垦墨查堕旦生丝塑壁查丝坌堑 l 竺乓l 爿 l ， 图2 。2 关键顶板侧向跨度极限分析 f i g 2 2u l t i m a t ea n a l y s i so f t h ek e yr o o f l a t e r a ls p a n 2 2 数值模拟分析 2 2 1 概述 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，在解析饵存 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 t l a g a n g i a na n a l y s i so f c o n t i n u a ) 是一种用于工程力学计算的显 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 3 3 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，库仑一摩尔模型、应变软化硬化模型、节理模型及双屈模型等，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，特别适合于岩士类材料的破坏分析。 ( 1 ) 数值模拟条件 数值模拟内容为5 3 1 8 综放两道掘进及采动影响过程中关键顶板侧向破断 过程及模式、侧向煤体变形特点、沿空巷道煤柱留设、以及锚杆支护巷道的设 计和变形规律。5 3 1 8 综放面基本的地质条件为：地面标高为+ 4 9 8 0 m ，巷道标 高为一4 0 9 一4 7 5 5 m ，平均5 0 0 m ，煤层厚度平均8 2 8 m ，倾角平均7 度；巷道沿 煤层底板掘进，巷道顶板由上往下依次为泥岩、粉细砂岩互层等。其主要的力 学性质见表2 1 。 东北大学工程硕士论文2 赞厚破碎鐾墨多塾璺墨鳌兰堕生丝塑整查：竺坌堑 表2 1兴隆庄煤矿3 号煤层及顶底板主要岩石力学性质 t a b l e 2 ，1m e c h a n i c a lc h a r a c t e ro f m a i nr o c ko f n o 3c o a ls ea i l ，r o o f a n df l o o ri nx i n g l o n g z h u a n g c o a lm i n e 菪拦 厚度单向抗压强度密度弹性模量内聚力内磨擦角 岩层 ( m ) ( m p a )( p y c m )( g p a )( m p a ) ( o ) 中砂岩 2 2 0 26 2 425 42 5 27 63 8 粉砂岩 2 0 64 8 32 52 0 i5 83 5 泥岩 o 23 5 52 4 81 5 34 63 0 煤层 8 2 81 8 71 5 60 5 41 22 5 泥岩 1 9 53 5 ，52 4 81 5 3 5 83 0 粉细砂岩 1 3 85 1 62 5 32 3 26 33 4 ( 2 ) 数值模拟模型 模拟范围为长x 高= 2 1 0 r e x l 5 0 m ，网格为2 1 0 x 1 5 0 ，共3 1 5 0 0 个单元，模 型采用的边界条件为：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，左右侧的水平位移固定。 ( 3 ) 模拟研究内容 数值模拟的主要研究内容为： 特厚破碎煤层综放采场关键顶板在采空侧煤壁中的断裂位置。 特厚破碎煤层综放采场侧向顶煤的水平变形特点、垂直变形特点、顶煤 的移动特征、侧向顶煤的应力及顶煤塑性区的分布规律。 特厚破碎煤层综放沿空巷道的合理布置、煤柱尺寸优化设计、煤柱内应 力、应变特征。 以地应力为基础的特厚破碎煤层综放沿空巷道锚杆支护设计方法，包括 锚杆支护参数的优化设计。特厚破碎煤层综放沿空巷道锚杆支护的围岩变形特 点分析和锚固体的变形破坏规律。 2 2 2 综放沿空巷道上覆关键顶板侧向断裂位置的确定 关键顶板与其下位煤岩之间的交界面上存在两种情况：一是有力的传递， 但没有相对位移发生，亦即没有相对运动或张开，这时把下位煤岩与关键顶板 视为不同材料组成的连续体；另一方面，在下位煤岩与关键顶板之间存在着相 对运动或张开，此时将它们视为非连续体。在这两种情况下，用理论求解很困 难，但用数值模拟方法则很方便。根据围岩特点，5 3 1 8 综放面属于后一种情况 ( 在数值模拟中用交界面单元处理) 。f l a c 对5 3 1 8 综放面关键顶板在采空侧断 裂的模拟结果如图2 3 、图2 4 所示。 东北大学工程硕士论文2 特厚破碎煤层缝塾回墨查堕堕生丝塑望塞：生坌堑 图2 ，3 关键顶板在采空侧断裂位置的塑性分布图 f i g 2 3d i s t r i b u t i o no f t h ep l a s t i c a l l yd e f o r m i n ga r e ao f t h ek e yr o o f i nt h eg o bs i d eb r o k e np o s i t i o n 圈2 4 关键顶板在采空侧断裂位置的垂直应力分布 f i g 2 4d i s t r i b u t i o no f t h ev e r t i c a ls r e s so f t h e k e yr o o f i nt h eg o bs i d eb r o k e np o s i t i o n 由上图的f l a c 模拟结果可以明显的看出，5 3 1 8 综放面关键顶板中砂岩在 离采空侧煤壁一定的位置处，垂直应力明显存在一个降低区，此区与塑性区的 分布是一致的。故认为，此即为关键顶板的实际断裂位置。即关键项板断裂在 离煤壁l = 1 2 m 的煤层深处。 另外，数值模拟还发现，关键顶板的侧向断裂位置不但与其自身的力学性 质、厚度等因素有关，而且与关键顶板基础，既下位煤岩的力学性质密切有关。 研究结果显示，随着关键顶板的基础( 部分岩层和顶煤) 由弹性向粘塑性过渡 ( 力学性质变差) ，关键顶板的断裂位置与煤壁间的距离将增加，其关系如图 东北大学工程硕士论文? 壁堡堕堡壁墨鉴塾里叁查堇璺生丝塑整查竺坌堑 2 5 所示。 3 0 2 5 冒2 0 骂1 5 谢 塔1 0 5 0 ? 厂 关键项板基础 ( 注：1 一弹性基础2 一弹塑性基础3 一粘弹性基础4 一粘塑性基础) 图2 5 下位岩层性质与断裂位置关系 f i g 2 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec h a r a c t e ro fk ，p o g y n o u sr o c ks e a n t ib r o k e np o s i t s o n 2 2 3 特厚破碎煤层综放面采空侧下位煤岩变形特点 综放面采空侧煤岩的变形比较复杂，不但与煤岩本身的力学性质有关，而 且与其周围的岩层性质和受力环境有关。兴隆庄矿5 3 1 8 综放面采空侧下位煤岩 ( 指煤体和直接顶岩层) 变形的数值模拟结果如下所示。其中，图2 6 为下位 煤岩位移矢量图，图2 7 为下位煤岩垂直位移图，图2 8 为下位煤岩水平位移 图。 5 3 1 8 综放面采空侧下位煤岩位移的主要特点在于：在煤体中7 米的末放煤 体段，煤体表现出明显的向下垮落倾向，水平位移和垂直位移均较大；在煤体 内，整个煤体呈向采空区倾到的迹象，无论水平位移还是垂直位移均是上部大 于下部：但在同煤层高度位置，靠近煤壁处以垂直位移为主，水平位移相对较 小，所以位移矢量方向指向采空区斜下方，靠近煤体内部，则以水平位移为主， 垂直位移相对较小。下位煤岩中的2 米多厚直接顶的位移与其临近的顶煤移动 趋势是一致的，但在同一水平位置，其垂直位移普遍要大于煤体的垂直位移， 且有向煤壁回转的迹象；直到煤壁中一定的位置，二者的运动达到同步。但由 图中可看出，位移矢量在煤体内一定范围呈水平形式。 由图2 7 可见，采空侧下位煤岩的垂直变形具有两个显著的特征：从采空 区到关键顶板的断裂处，下位煤岩的垂直变形逐渐减小。其中在离采空区3 5 米的范围内垂直位移明显较大，在次范围以外，垂直位移值明显减小；从直接 顶到煤层底板，下位煤岩的垂直变形也逐渐减小。 东北大学工程硕士论文2 特厚破碎煤层综放回采巷道围岩结构稳定性分析 图2 6 下位煤岩位移矢量图 f i g 2 6t h ed i s p l a c e m e mv e c t o ro f h y p o g y n o u sc o a l 囤2 7 下位煤岩垂直位移特征 f i g - 2 7v e r t i c a ld i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r o f h y p o g y n o u sc o a l 图2 8 下位煤岩水平位移特征 f i g 28h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r o f h y p o g y n o u sc o a l - 1 5 垄些垄兰三堡塑主鱼墨 ! 生墨堕堡鉴墨簦垫里叁查堕里生竺塑整查坚! 整生 如图2 8 采空侧下位煤岩的水平位移分布形式与垂直位移分布的形式在煤 岩体纵向基本一致，都是上部大于下部；而在横向，即水平方向，从水平位移 整个展趋势上看，在离采空侧下位煤岩( 即直接顶和煤体) 的运动表现为沿一 斜面向采空区滑落的趋势，此滑移形状见图2 6 所示。 2 2 4 综放回采巷道顶煤对巷道稳定性的影响 综放回采巷道顶煤对巷道稳定性的影响十分显著，为此利用数值计算研究 了软弱项煤厚度h n 与巷道变形量及塑性区范围之间的关系，模拟结果如图2 9 、 2 1 0 所示。 分析上述模拟结果曲线，可以得到以下规律性认识： ( 1 ) 随着软弱顶煤厚度洲增加，顶板变动量及塑性区范围逐渐增大； ( 2 ) 变形的绝大部分是由0 1 5 b ( b 为巷道宽度) 范围的岩层形成的， 当h n 大于2 b 时，h n 变化对末受采动煤巷变形的影响可以忽略； ( 3 ) 在软弱顶煤厚度h n 小于2 b 时，各岩层的膨胀系数以h n 为拐点，明 显地分为两段：在h n 以内，膨胀按负指数规律变化；在h n 以外，各点的膨胀 系数很小且均匀膨胀。数很小且均匀膨胀。 6 0 5 0 4 0 言 e 丽3 0 簿 掣 2 0 1 0 0 # 篡 士- - h a 。4 7 - - e - - h n = o h n = 8h n = 1 33 h n = l 。钫 【日_ 宅o 。4 o !庐 一+ 6 6 + ，+ 3 3 卜 矿 蛰| 纺i 钐l ? 纩 一2 0 一1 7 5 一1 5 - 1 2 。5 一l o 一7 552 50 距巷道周边不同距离( m ) 图2 9 距巷道周边不同距离点位移 f i g 2 9t h e d i f f e r e n td i s p l a c e m e n to f t h ep o i n t sw h i c hh a v ed i f f e r e n td i s t a n tf r o m t h ec i r c l eo f t h e r o a d w a y 查! ! 叁兰三堡堑主垒圭 ! 壁壁堕堡鉴墨堡茎旦墨查堕旦生丝塑堕墨! ! ! ：笪 1 4i 一 i 1 2 1 0 距巷道周边不同距离( m ) 图2 1 0 距巷道周边