（矿业工程专业论文）近距离煤层群巷道锚杆支护优化设计.pdf

摘要 钱家营矿属于近距离煤层群开采，为减少资源损失，提高回采 率，一般采用5 m 小煤柱护巷。采用锚杆支护后在一定程度上提高了 安全性和工作效率；但由于锚杆支护巷道遭受多次采动影响，使得 巷道围岩变形严重，断面收敛率高，严重制约了矿井的高产高效建 设。 本文针对钱家营矿近距离煤层群开采和小煤柱巷道锚杆支护变 形的特点，紧密结合工程实际，采用理论分析、数值模拟、和现场 实践等多种技术手段，开展了受多次动压影响的小煤柱巷道锚杆支 护技术研究，获得了邻近工作面开采、本工作面开采和上覆煤层工 作面开采对5 m 小煤拄变形的影响规律；采用f l a c 数值分析，再现 了5 m 小煤柱及锚杆支护巷道的变形破坏过程，获得了5 m 小煤柱锚 杆支护巷道在多次动压影响下的变形量、应力分布和破坏范围；采 用悬吊理论和组合梁理论，对小煤柱锚杆支护巷道的支护形式和支 护参数进行了设计，提出了小煤柱锚杆支护巷道的优化设计方案。 在此基础上，选取典型巷道开展了小煤柱锚杆支护巷道的现场实践， 监测结果表明，实验巷道段锚杆支护参数设计合理，布置得当，支 护效果良好。 关键词：锚杆支护、优化设计、小煤柱、煤层群、近距离 a b s t r a c t q i a n j i a y i n gi s ac o a lm i n ew i t hm u l t i c o a ls e a m sa n dl i t t l e i n t e r v a l s i no r d e rt or e d u c et h er e s o u r c e sl o s s ，5 mw i d ec o a lp i l l a ri s a d o p t e dt op r o t e c tt h ec o a lr o a d w a y w i t ht h ea p p l i c a t i o no fb o l t i n g s u p p o r t ，t h em i n i n gs a f e t ya n de f f i c i e n c ya r ei m p r o v e d b e c a u s eo ft h e i n f l u e n c eo fm u l t i - m i n i n g ，t h e r ee x i s tl a r g ed e f o r m a t i o no fa d j o i n i n g r o c ka n dl a r g ec o n v e r g e n c er a t eb e t w e e nr o o fa n df l o o r t h e h i g h e f f i c i e n c ya n do u t p u ti sd e c i d e db yt h es t a b i l i t yo fb o l t i n gr o a d w a y i nt h i st h e s e s ，i nt h es i g h to fd i s t i n g u i s h i n gf e a t u r e so fm u l t i c o a l s e a m sa n ds m a l li n t e r v a l sa n dt h ed e f o r m a t i o no fn a r r o wc o a l p i l l a r r o a d - w a yw i t hb o l t i n g ，as t u d yo fn a r r o wc o a lp i l l a rr o a d w a yb o l t i n g i n f l u e n c i n gb ym u l t i - m i n i n gi sd e v e l o p e d t h ed e f o r m a t i o nl a wo f5 m c o a lp i l l a rb o l t i n gr o a d w a yh a sb e e na c h i e v e du n d e rt h ei n f l u e n c e so f m i n i n gi t s e l fw o r k i n gf a c e ，n e i g h b o u rw o r k i n gf a c ea n do v e r b u r d e n c o a ls e a mm i n i n g t h ed e f o r m a t i o na n dd a m a g ep r o c e s sa r er e a p p e a r e d u s i n gf 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 ) s o f t w a r e ，a n dt h e f i x e dq u a n t i t i e so fd e f o r m a t i o n ，s t r e s sd i s t r i b u t i o na n d d a m a g ed o m a i n s a r e d e t e r m i n e d a d o p t i n gb o l t i n gs u s p e n d i n gt h e o r ya n db o l t i n g c o m b i n e dp l a t et h e o r y ，t h e s u p p o r t i n gp a t t e r n s a n d p a r a m e t e r s a r e d e s i g n e d ，a n dt h eo p t i m i z a t i o no fn a r r o wc o a lp i l l a rb o l t i n gr o a d - w a yi s p r o p o s e d o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a la n a l y s i s ，at y p i c a l b o l t i n gr o a d w a yi s s e l e c t e da n de x p e r i e n c e d t h em o n i t o r i n gr e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a tt h ed e s i g n e dp a r a m e t e r si sr e a s o n a b l e k e y w o r d s ：b o l t i n gs u p p o r t ，o p t i m i z i n gd e s i g n ，s m a l lc o a lp i l l a r ， m u l t i - c o a ls e a m 1 i t t l ei n t e r v a l 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 课题的提出与意义 开滦钱家营矿业公司是一座近距离煤层群开采、设计年生产能力为4 0 0 万吨的特大型矿井，1 9 7 8 年开始建设，1 9 8 8 年1 2 月建成投产，1 9 9 9 年达到 设计生产能力。目前该矿井的采掘机械化程度达1 0 0 ，2 0 0 4 年的原煤产量 已达5 5 0 万吨。 钱家营矿业公司位于河北省唐山市丰南区钱家营镇，京山铁路在井田西 北经过，矿井至京山铁路线唐山南站和古冶站的直线距离分别是1 4 5 k m 和 1 6 k m ，有矿区支线铁路与古吕和古范线相接，生产的煤炭一般经古冶站外运； 区内还有公路唐线、唐吕线通过，煤炭也可由唐钱公路经唐港高速公路至唐 山港外运。 井田东部以范各庄、吕家坨两矿技术边界为界，西部以x x 号地质剖面 线为界，南部以1 2 煤层露头为界，北部以各煤层1 2 0 0 m 等高线为界，井田 面积6 0 2 k m 2 走向长1 7 2 k m ，倾斜长3 5 k m 。井田内地形为冲积平原，有 8 2 7 7 5 7 m 厚的第四系冲积层覆盖，地形呈东北高，西北低，标高介于 + 7 0 + 2 4 6 m ，地形坡度为0 1 ，地势平坦。 由于钱家营矿业公司是近距离煤层群开采的矿井，受断层等地质构造的 制约，采煤工作面的走向长度较短，为了保障采掘衔接，待采煤层的待采工 作面巷道需要预先掘出，预掘的巷道不可避免的遭受近距离煤层群开采多次 采动影响；同时钱家营矿业公司为了提高回采率，预掘巷道一般采用了小煤 柱护巷的方式。因此，开滦钱家营矿业公司近距离煤层群开采具有下列技术 难度与复杂性： ( 1 ) 近距离煤层群开采：在钱家营井田的煤系地层中，由上至下赋存着 5 群、7 # 、9 # 和1 2 撑主要可采煤层，不仅难采与易采煤层并存，而且由于层间 距较小，各煤层开采活动相互影响大。 ( 2 ) 断层密度大：例如9 煤层的断层密度可达1 8 条k m ，从而制约了 综采设备效能的发挥。 ( 3 ) 工作面走向长度较短，受地质构造的影响，钱家营矿采煤工作面的 走向长度一般为6 0 0 8 0 0 m ，造成了采煤设备搬迁频繁，既增加了生产成本， 又增添了高效集约化生产难度。 ( 4 ) 煤岩体的强度较低，在主采煤层中，煤体和顶底板岩体的强度较低， 片帮和冒顶已经成了影响巷道掘进和采面生产的一个因素。 ( 5 ) 复合顶板占有一定比率，从煤层顶板的结构组合上看，复合顶板的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 比率可达3 0 以上，从而给采掘工作面的顶板管理带来了相应难度。 ( 6 ) 井田内存在着较大的构造应力，地应力测量表明，钱家营井田的最 大水平应力与自重应力的比值为2 ，无疑这种构造应力对巷道的稳定性也造 成了不利影响。 上世纪9 0 年代，钱家营矿业公司在各主采煤层中，大范围推广应用了 锚杆支护技术。采用锚杆支护后，在一定程度上提高了安全性和工作效率； 但由于矿井复杂的地质和工程条件，锚杆支护巷道仍然遭受多次采动影响， 使得巷道围岩变形严重，断面收敛率高，不得不多次套修。有的巷道在本工 作面回采时，因巷道变形严重，已不能满足运输、行人的需要，只得另选地 点重新掘巷，严重制约了矿井的高产高效现代化矿井建设。 因此，为了在钱家营矿井大范围推广煤巷锚杆支护技术，开展受多次动 压影响的小煤柱巷道稳定性研究十分必要，同时也是该矿高产高效矿井建设 亟待解决的技术难题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外煤巷锚杆支护发展概况 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，现己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。 8 0 年代以后，国外锚杆支护技术迅速发展的主要原因是矿井开采深度日 益增加，巷道断面不断增大、压力增大、围岩变形严重、巷道维护困难，原 来用金属支架的矿井型钢重量不断增加，棚距不断减小，但仍难以满足巷道 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，掘进 速度降低，严重影响了煤炭企业的生产经营。在这种情况下，各国纷纷寻求 成本低、施工简单方便、控制围岩变形效果较好的锚杆支护。 锚杆支护技术经济优越性主要表现在经济上初期成本低、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 辽宁工程技拳大学鹾圭学谴论文 3 锚杆支护技术的主要发展历程魑： ( 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 ：采矿业广泛威用机械式锚杆，搿始对锚秆进行系统研究： ( 3 ) 1 9 6 0 ，1 9 7 0 ：发弱了糖疆药卷，弓| 发了锤抒支护技本豹一次荤余，耱鼹 锚杆在矿出褥到广泛应雳； ( 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 ：混合锚头锚杼、组合锚秆各种特张锚秆得到应用，树脂锚 溷耪辩缮刭改遴。 由于各霞舆体经济状况及煤朦逢质条俸静不潜，整界上各国静镟稃支护 的发展水平也所不同，呈现出释自的特点。 1 2 。1 1 美国锚杆支护的发展概况 美国是擞界上产煤大国之一，垒年煤炭产量线l o 亿t 左右，仅次予中国， 攘嚣整界第二。蒎蕹其霉天独黪豹遣覆条箨塞先逡瓣麓菝、经济实力，美莺 在锚秆支护技术方面一直处于谶赛领先水平，美阑是世界上较早使耀锚秆并 以锚杆作为唯一的煤矿顶板支护方式的国家，也怒目前世界上锚杆支护技术 最先进、最成熟、锚杆使用数擞最多的国家。美阑每年锚杆使用嫩在8 0 0 0 万 根以上，每年肖2 5 0 0 0 k m 的煤巷使爝锚杆支护【l l 。 由予援矮镶释套效途控割骥密懿稳定佳，美鬻掰骞劳工巷邋郗零嚣在潆 层中。全年融予顶板冒顶造成的死亡人数不到l o a 。并认为不能采用锚秆支 护的煤层，开采是不经济的。麓国的锚杆的使用概况如下： ( 1 ) 美国最早开创性的使用锚杆可以追溯到上世纪3 0 年代初，到1 9 4 3 年开 始舂计划有系统靛使矮锚秆； 犯) 1 9 4 7 年瓷美国矿务屠磅究中心蓦在减少袋投攀馥鳃努力下，镶释警速 受到欢迎。在不到两年的时间臻，锚杼在采矿工渡中得到普及； ( 3 ) 5 0 年代初，美国发明了世界上第一个涨壳式锚头，由此带来了美国采 矿工业的一场革命； ( 4 ) 6 0 年代零，由于搪强锚嘲潮静发明，锾轷使塌的相当一部分比例都是 滋挺疆罐露全妖锫霞静形式应弱戆； ( 5 ) 7 0 年代朱，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，使得锚杆 有很强的预挝力成为可能，锚枰的高预拉力达到锚杆本身强度的5 0 7 5 。 美国的主要经验是将锚杆的加工产业化，锚秆支护作为一门技术而非材 料消耗、废菇捌瑁；形残了镄移产燕的多样化、系列弛，以适应各转不弱静 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 地质条件；锚杆设计、制造、服务一体化，将高新技术应用于锚杆设计；强 调锚杆的高强度、高预拉力，并将锚杆的预拉力作为锚杆支护的主要参数进 行设计，形成了其独有的锚杆设计方法。 1 2 1 2 澳大利亚锚杆支护发展概况 澳大利亚能源结构以煤炭为主，煤炭占澳大利亚能源产量的7 0 ，占一 次能源消费量的4 4 1 ，1 9 8 3 1 9 8 4 年度，澳大利亚煤炭出口量超过美国，成 为世界最大煤炭出口国，至今仍保持这一地位。1 9 9 5 1 9 9 6 年度，澳大利亚生 产煤炭2 9 l 亿t ，是世界第6 大煤炭生产国。澳大利亚煤炭资源极其丰富，可 采煤炭储量9 0 9 4 亿t ，占世界可采煤炭总储量的8 8 ，位居美国、中国之后 排世界第三位。其中使用量最多的是树脂锚杆，占锚杆使用量的9 8 ，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 ) 对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 2 1 3 英国锚杆支护发展概况 1 9 5 2 年开始大规模使用机械式锚杆，但最终证明英国较软弱的煤系地层 不适宜用机械式锚杆；6 0 年代中期，英国逐渐开始不使用锚杆支护技术：由 于煤矿亏损，矿井大量倒闭，工人失业，并因此诱发了工潮。英国煤矿由国 有化改为私有化以后，经过考察，决定引进澳大利亚的锚杆支护技术，在典 型矿井试验成功后，在全国迅速推广开来。英国在全国煤矿推广煤巷锚杆支 护后，取得了伤亡事故率下降、减人提效、工作面实现高产高效等显著效果。 同时他们还总结了一套成功经验： ( 1 ) 利用监测数据进行锚杆支护设计，并验证设计的合理性； ( 2 ) 重视原始应力，特别是水平构造应力的大小和方向： ( 3 ) 锚杆支护的作用是提高了顶板的抗剪能力，锚杆强度越大，其抗剪能 力也越大； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( 4 ) 把锚索作为辅助技术，经常采用锚杆和锚索联合支护方式； ( 5 ) 应用常规矿压仪器，加强日常观测； ( 6 ) 讲究综合经济效益，不是只看掘巷时的支护费用。 1 2 1 4 德国锚杆支护发展概况 1 9 3 2 年发明u 型钢支架以来，主要采用u 型钢支架支护巷道，支护比重 达到9 0 以上；自8 0 年代以来，由于采深加大，u 型钢支架支护费用高，巷 道维护日益困难，开始使用锚杆支护技术；8 0 年代初期，锚杆支护在鲁尔矿 区试验成功。 综合世界主要产煤国煤巷锚杆支护发展的经验，其主要特点是： ( i ) 在支护设计上，以巷道围岩地质力学评估及井下实验数据为依据和基 础，强调最大水平应力在巷道布置和支护参数设计中的应用，形成了一整套 比较科学的锚杆支护设计方法。 ( 2 ) 有比较可靠的配套机具，采用掘锚一体化掘进机和机动性能良好的单 体锚杆钻机，满足施工要求，并实现快速掘进。 ( 3 ) 采用高强度、超高强度材料制造锚杆、加工锚杆，将锚杆作为一种产 品，实现了锚杆的产业化、商品化，而不是简单的支护材料，并形成了适用 于不同地质条件的系列化产品。 ( 4 ) 采用可靠的监测手段，大力推广应用顶板光纤窥测仪、顶板离层指示 仪、围岩深部多点位移计、测力锚杆等监测仪器。 ( 5 ) 坚持科学管理，严格质量监测，形成了从理论到实践的完善的锚杆支 护技术。 目前世界先进采煤国家的煤巷锚杆支护发展趋势是向快速掘进方向发 展，澳大利亚采用掘锚一体化掘进机组，在大断面煤巷中已经突破日进百米 大关。 1 2 2 我国煤矿锚杆支护现状 新中国成立以来，我国的巷道支护改革工作一直没有停止过。初期，巷 道支护以木支护为主；为节省坑木，减少木材消耗，5 0 年代和6 0 年代推广 了混凝土棚式支护；7 0 年代和8 0 年代，随着光爆锚喷技术的成熟、矿用型 钢的研制成功，在岩巷广泛推广光爆锚喷支护以替代砌碹支护，在采准巷道 推广矿用工字钢和u 型钢支护替代混凝土支护，同时对顶板极为完整的采准 巷道开始使用锚梁支护。随着开采深度的增加，棚式支护，无论是刚性工字 钢梯形棚还是u 型钢可缩棚，越来越不适应深井高地压采准巷道的支护要 求。针对这一状况，我国的一批支护专家开始探索新的支护形式。在对美国、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 英国、澳大利亚的锚杆支护进行专题考察、广泛吸取国际上的先进技术和经 验的基础上，结合我国煤矿实际，开展了符合我国国情的锚杆支护研究。我 国煤巷锚杆支护技术的发展大致经历了四个阶段：( 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 内各大矿区广泛推厂应用，取得了显著的技术经济效益，煤巷锚杆支护的比 例己接近2 0 ，少数矿区超过5 0 。 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，锚杆支 护在煤矿的支护比例逐渐提高，例如1 9 9 6 年国有重点煤矿巷道总进尺为 5 4 1 2 2 万m ，其中，锚杆支护进尺达到1 5 7 4 3 万m ，锚杆支护率为2 9 0 9 ，比 1 9 8 0 年的1 4 9 l 提高了1 4 1 s - i 百分点，见表1 1 。煤巷锚杆支护率从1 9 8 0 年 的3 3 8 上升到15 6 9 ，提高了1 2 3 1 个百分点，煤岩巷锚杆支护率从1 9 8 0 年的1 3 1 4 提高到1 9 9 6 年的3 1 8 7 ，提高了1 8 7 3 个百分点，见表1 2 。但煤 巷锚杆的支护比例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。 表1 1 我国历年锚杆支护情况 辽宁工程技术大学矮学整论文 7 煤进尺万m3 2 3 5 32 9 4 5 02 7 0 8 6 2 5 0 。2 62 5 3 9 32 7 1 o o 巷旗 手支护遴足，万m 1 0 + 9 59 8 53 3 。3 53 4 。2 03 5 。1 74 2 5 l 镫秆支护率 3 3 83 3 51 2 3 11 3 6 71 3 8 51 5 6 9 由于我鬻溅震条箨酶复杂後与多样往，我国戮毫镬焉懿锩释秘类龟有多 种样式。目前，我国的锚杆类型主要有以下几种：楔缝式锚杆、涨黼式锚杆、 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、研拉伸式锚杆、树脂锚杆等等。锚杼支护的类型包括单锚杆 支护、喷射漫凝支护、链抒与嚷射、混凝支护、钢簸弼喷封混凝主支护、 锚秆与钢筋溺) 喷射混凝支护戳及锈括、钢麓霹、喷射混凝秘锈粱联合 支护等。 我国煤巷锚杆支护的大量成用，使人们在锚杆的结构性能、锚固方式、 支护设计方法锋备方面积累了大量的实践经验，主要体现在： ( 1 ) 镶抒研麓方嚣积累了事鬻豹经验。戆采用多穰孛才凝割搏各耪形式戆适 瘸子不同条俸瓣锚秆。霞蓠僵薅朗镭秆主要毒本镳杼、竹镶释、衾耩镬秆、 钢筋混凝士锚秆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；有适用予小变形的刚性锚杆，也有适用于大变形的柔性 ( 增阻型及恒隰型) 可伸长锚杆。所有这些成果都为扩大锚杆支护的邋用范围 辽宁工程技术大学硕士学位论文 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 3 国内外煤巷锚杆支护理论 锚杆支护是一种主动支护形式，代表了巷道支护的发展方向。在锚杆支 护设计过程中，锚杆支护理论是设计的基础，是支护设计的关键部分。目前 国外主要采用传统的悬吊、组合梁、组合拱等理论进行锚杆支护参数设计。 1 3 1 国外锚杆支护理论 ( 1 ) 悬吊理论 1 9 5 2 年路易斯阿帕内科 ( l o u i sa p a n e k ) 等发表了悬吊理 论。悬吊理论认为锚杆支护的 作用就是将巷道顶板较软弱岩层 悬吊在上部稳固的岩层上，见图 1 1 。对于回采巷道揭露的层状岩 体，直接顶板均有弯曲下沉变形 霍舀 一一l 芏笙l 戮至邋 糟_ ! ! ! = j 图1 1 悬吊理论 趋势，如果使用锚杆及时将其挤压并悬吊在老顶上，直接顶板就不会与老顶 离层乃至脱落。锚杆的悬吊作用主要取决于所悬吊的岩层的厚度、层数及岩 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 层弯曲时相对的刚度与弹性模量，还受锚杆长度、密度及强度等因素的影响。 这一理论提出的较早，满足其前提条件时，有一定的实用价值。但是大量的 工程实践证明，即使巷道上部没有稳固的岩层，锚杆亦能发挥支护作用。例 如，在全煤巷道中，锚杆就锚固在煤层中也能达到支护的目的，说明这一理 论有局限性。 ( 2 ) 组合梁理论 组合梁理论认为巷道顶板中存在着若干分层的层状项板，可看作是由巷 道两帮作为支点的一种梁，这种岩梁支承其上部的岩层载荷【4 】，见图1 2 。 使用锚杆将 各层“装订”成一 个整体的组合梁， 防止岩石沿层面 滑动，避免各岩层 出现离层现象。在 上覆岩层荷载作 用下，这种较厚的 组合梁比单纯的 图1 2 层状项板锚杆组合梁 图1 3 组合拱理论 迭加梁，其最大弯曲应变和应力将大大减小，挠度亦减小。而且各层间摩擦 阻力愈大，整体强度愈大，补强效果愈好。但是这种理论在处理岩层沿巷道 纵向有裂缝时梁的连续性问题和梁的抗弯强度问题时有一定的局限性。 ( 3 ) 组合拱理论 组合拱理论是由兰氏( t a l a n g ) 和彭德( p e n d e r ) 通过光弹试验提出来 的。组合拱原理认为，在拱形巷道围岩的破裂区中，安装预应力锚杆时，在 杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置的锚杆间距足够 小，各个锚杆的压应力维体相互交错，这样使巷道周围的岩层形成一种连续 的组合带( 拱) ，见图1 3 。 组合拱可承受上部岩石的径向载荷，如同碹体起到岩层补强的作用，承 载外围的压力。组合拱理论的不足是缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一 步探讨，与实际情况有一定差距，在分析过程中没深入探索围岩一支护的相互 作用。 ( 4 ) 最大水平应力理论 奥大利亚学者盖尔( w j g a l e ) 在2 0 世纪9 0 年代初提出了最大水平应力 理论【飘。该理论认为矿井岩层的水平应力一般是垂直应力1 3 2 0 倍。而且 辽宁工程技术大学硕士学位论文 水平应力具有方向性，最大水平应 i 铅直应力铂直应力i 力一般为最小水平应力的1 5 2 5 - 。 f 竺4 。葶掌! 底篓竺稳搴竺专要兰套承萼雪至喜：j j j 士士；娶， 平应力影响，且有三个特点：与措面效应卜攥帮移进+ i 积五 最大水平应力平行的巷道受水平应妄 簧专专孽乏二! _ 专带 力影响最小，顶底板稳定性最好；fi 与最大水平应力呈锐角相交的巷 图1 4 最大水平应力理论 道，其顶板变形破坏偏向巷道某一帮；与最大水平应力垂直的巷道，顶底 板稳定性最差，如图1 4 所示。 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。在最大水平应力作用下，巷道顶底板岩层发生剪切破 坏，因而会出现错动与松动引起层间膨胀，造成围岩变形。锚杆所起的作用 是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，因此要求具备有强 度大、刚度大、抗剪阻力大的高强锚杆支护系统。 1 3 2 国内锚杆支护理论 近十几年来，国内很多学者对锚杆作用机理做了大量的深入研究与探讨， 进一步揭示了锚杆支护的实质，促进了锚杆支护理论研究的发展，扩大了锚 杆支护技术应用的范围。主要观点如下： ( 1 ) 全长锚固中性点理论 m j ：全长锚固中性点理论由东北 大学王明恕教授等提出，该理论 认为在靠近岩石壁面部分( 锚杆 尾部) ，锚杆阻止围岩向壁面变 形，剪力指向壁面。在围岩深处 ( 锚杆头部) 围岩阻止锚杆向壁面 方向移动。锚杆上的剪力指向相 ) 八 中性点 锚杆长度 拉应力 ， 图1 5 中件点坪论 背的分界点，称为中性点，该点处剪应力为零，轴向拉应力为最大。由中性 点向锚杆两端剪应力逐渐增大，轴向拉应力逐渐减少，如图1 5 所示。该理 论近年在国内理论分析中其“中性点”观点被普遍接受，但其理论形式还存 在着一定的争议。因为它难以解释锚杆尾部的断裂机理。有人认为该理论假 设未设托盘之故。 ( 2 ) 松动圈理论【7 】：围岩松动圈巷道支护理论是由中国矿业大学董方 庭教授通过对巷道围岩状态进行深入研究后提出，认为围岩松动圈的存在是 辽宁工程技术大学硕士学位论文 巷道固有的特性，它的范围大小( 厚度值l ) 目前可以用声波仪或者多点位移 计等手段进行测定。巷道支护的主要对象是围岩松动圈产生、发展过程中产 生的碎胀变形力，锚杆承受拉力的来源在于松动圈的发生、发展；并根据围岩 松动圈厚度值的大小，将其分为小、中、大三类。松动圈的类别不同，则锚 杆支护机理不同。i 类小松动圈l = 0 4 0 0 m m ，围岩的碎胀变形量很小， 此类围岩巷道一般无需锚杆，可以裸体或者喷射混凝土单独支护；i i 、h i 类 围岩l = 4 0 0 1 5 0 0 mm ，用悬吊理论设计锚杆支护参数；、v 类围岩l = 1 5 2 0 m 、l = 2 o 3 0 i n ，采用组合拱理论确定锚杆支护参数；类围岩 l 3 0 m ，在没有进一步研究资料之前，应采用以锚喷网为基础的复合支护。 该理论的优点是简单直观，对中小松动圈有很重要的价值，但对大松动圈尤 其是高应力软岩的采准巷道，实践表明该理论有一定的局限性。 ( 3 ) 围岩强度强化理论 8 】：该理论认为：岩体经锚杆锚固后，其峰 值强度和残余强度均得到提高，随着锚杆布置密度的增加，强度强化系数逐 渐增大，锚杆布置密度一定时，锚杆对岩体残余强度的强化程度大于对岩体 的峰值强度的强化程度。利用锚杆支护可以提高锚固区域岩体的强度，可 以有效的减小巷道围岩塑性区、破碎区半径及巷道表面位移，保持巷道围岩 稳定。该理论的分析方法是将锚杆的作用简化为对锚固围岩从锚杆的两端施 加径向约束力，由实验室锚固块体试验确定围岩塑性应变软化本构关系，再 利用弹塑性理论定量分析锚杆的支护效果。 ( 4 ) 锚固力与围岩变形量关系理论 9 1 ：该理论对锚杆锚固力的内涵及 作用进行了深入研究，认为锚杆对围岩的锚固作用是通过锚固力来实现的， 而锚固力是依赖围岩变形而产生和发展的。锚杆支护一般在巷道开挖完成后 实施，此时围岩的弹塑性变形已经完成，使锚杆产生锚固力的是围岩峰后的 剪胀变形，随着剪胀变形的渐进发展，锚杆从径向和切向两个方向上产生限 制剪胀变形的力仃? 和盯。b 。剪胀变形越大，锚杆的径向和切向的锚固力越高。 锚杆的锚固作用使得围岩在较高的应力状态( 能量状态) 下获得稳定平衡。 ( 5 ) 锚固平衡拱理论【1 0 】：该理论认为锚杆加固对于提高围岩自身的最 大承载能力没有明显的效果，但在围岩产生塑性破坏后，对提高围岩的残余 强度及承载能力有显著作用。巷道周围锚杆与其锚固范围内的岩石构成一种 锚固支护体，当这个锚固体中的岩石在围岩集中应力作用下发生破坏时，其 承载能力降低并产生变形，同时围岩的集中应力向深部转移，使锚固体卸载。 在此过程中，锚固体通过锚杆的约束作用和抗剪作用，使塑性破坏后易于松 动的岩石构成具有一定承载能力和适应自身变形卸载的锚固平衡拱。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 陈玉祥等通过对国内外锚杆支护理论研究后，认为锚杆支护理论发展趋 势实质上是对三大支护理论的进一步补充和完善，而且各种作用机理都有它 的适用条件，应根据具体条件研究选择支护机理。在现有的情况下，对锚杆 支护机理还没有统一的认识，缺乏行之有效的、合理的计算方法，理论分析 和数值计算与实际支护情况存在很大的差别 川。所以应从以下几方面研究支 护作用机理： 深入研究围岩松动圈理论。该方法含有专家系统设计法和现场实测设 计法的内涵，简单直观、易为现场工程技术人员所接受，且对岩巷有着良好 的适应性，但对煤巷尤其是动压煤巷的适应性仍有待深入研究，故围岩松动 圈支护理论与设计方法也是今后发展的方向之一。 开发优秀的岩土工程数值模拟软件。数值模拟方法的实质是利用计算 机对通过支护结构系统构造的数学模型，模拟可能遇到的应力场范围内岩层 矿压显现与锚杆支护过程中特性分析，评价所选择的各种锚杆支护系统或支 护结构的可行性与可靠程度。有限差分程序模拟岩土工程问题有很大的优越 性，它不但可以处理一般的大变形问题，而且可以模拟岩体沿某一弱面产生 的滑动变形；还能针对不同材料特性，使用相应的本构方程来比较真实地反 映实际材料的动态行为；它还可考虑锚杆等支护结构与围岩的相互作用。所 以开发适合的有限差分程序可以比较方便的研究锚杆与围岩相互作用机理， 从中发现新的锚杆围岩作用关系。 改进实验设备和支护效果监测仪器。目前进行锚杆与围岩相互作用机 理的研究过程中，实验装置存在一定的缺陷，不能够使模型得到真实的边界 条件，数据采集仪器与模型的耦合也存在一定的问题。对于支护效果的监测， 仪器的精确度不够，不能够准确的反映支护效果，而支护的效果不能验证支 护机理的正确性。所以改进实验装置和发明高精度的监测仪器是研究支护机 理的前提。 1 4 煤层群开采与小煤柱巷道锚杆支护研究进展 煤系地层属于沉积地层，由于沉积条件和沉积环境的变化，形成了单一 煤层和煤层群等不同的地质赋存条件。单一煤层的开拓布置及巷道支护与煤 层群有显著差别。对于开采煤层群矿井，采区巷道布置的合理性与支护的稳 定性不仅影响矿井生产能力，而且直接关系到矿井生产的安全性。 李良林等通过分析安徽淮南复合水体下急倾斜煤层群开采时围岩移动、 应力分布和回采过程中的矿压显现规律后，得出采区巷道应布置在稳定且压 力小的层位中，避开岩层移动和压力高峰区域，以减少巷道压力；同时应根 辽宁工程技术大学硕士学位论文 据不同受压区域采用不同的支护形式，对处于压力高峰区域的巷道应加强支 护【12 1 。 鲁印英通过对煤层群采区巷道布置的调查与研究，认为借助煤柱和煤体 本身的抗压强度来支撑矿井顶板压力，达到长期维护井下巷道的目的是传统 的煤柱护巷理论的指导思想。实际上由于留设煤柱，工作面顺槽处于采空区 的应力集中带内，巷道容易破坏，且上区段下顺槽和下区段上顺槽之间存在 标高差，给区段巷道布置带来困难。针对黑龙江七台河桃山煤矿高瓦斯近距 离煤层群开采中存在的问题，采用沿空留巷技术，煤矸碴墙护巷不仅缓解了 采掘失调的矛盾，而且节省了大量的掘进费用，减少了巷道维护的费用，使 回采成本大大降低，为煤层回采创造了有利条件【l ”。 赵家坝煤矿井田东翼沿走向从1 4 # 勘探线以东到井田边界1 3 2 0 m ，沿倾 斜+ 5 0 2 m 水平至+ 6 6 0 m 水平范围内赋存有急倾斜近距离煤层共四层，即9 群、 1 0 样、1 1 # 、1 2 # 煤层。该范围内的9 舟煤2 年前已采完。因l o 挣煤真厚小、距 离9 群煤又太近，且受9 # 煤开采的严重破坏，故为确保l l 撑、1 2 # 煤开采成功而放 弃。由于9 # 煤的开采破坏了1 1 群煤及其顶板岩层，给1 1 # 煤的开采带来困难， 经技术经济和安全方案比较后决定，1 1 拌和1 2 # 两层分别采用不同的采煤方法 进行联合回采，即1 1 撑层采用“伪斜柔性掩护支架采煤法”开采，1 2 # 煤采用 “伪俯斜分段走向密集采煤法”开采，回采巷道( 用梯形金属支架支护) 集中 布置于1 2 # 煤之中，为1 1 撑、1 2 # 两煤层开采服务，两煤层之间以及区段之间 用联络石门联系，联合布置协调开采。通过现场观测、相似材料模拟实验和 数值分析，获得了急倾斜煤层群联合开采合理错距。即( 1 ) 从巷道支架变形看， 两帮变形大于顶底变形；上区段开采时明显变形是从采面前方15 2 0 m 开 始；下区段开采时支架变形较上区段开采变形大；其明显变形是从前方3 5 4 0 m 开始。当同一区段上下采面相距2 0 4 0 m ；不同区段上、下采面相错4 5 8 5 m 时支架变形较小。( 2 ) 从巷道支架受力看，上区段开采明显影响前方 2 0 m ( 最大在采面前方7 8 m ) ，下区段开采影响前方3 0 4 0 m 内( 最大在采面 后方3 5 m ) 。当同一煤层上、下区段错距5 0 m 以上( 不同煤层错距2 0 m 以上) ， 同一区段采面错距2 0 5 0 m 时支架受力较小【l “。 煤层群开采矿压显现的时空关系复杂，巷道维护团难，采掘接替紧张， 煤炭损失严重，在一定程度上影响矿井的经济效益。其主要原因是开采引起 的本煤层以及煤层与煤层之间产生的复杂应力场和位移场对巷道稳定性的 影响，特别是当巷道布置与各煤层开采的时空关系不合理时尤其严重【l ”。孙 玉宁等结合平煤集团八矿条件，从矿压显现的时空关系及其相互作用规律出 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 发，采用现场观测、相似模拟等实验方法，研究了煤层群开采产生的复杂应力 场和位移场对巷道稳定性的影响，探讨了采准巷道与工作面开采之间合理的 时空关系及其巷道的合理布置方式。即( i ) 工作面支承压力影响范围6 5 m ， 上山煤柱宽度一般为15 0 2 0 0 m ，巷道之间距离在2 0 m 左右；本煤层支承 压力对上山巷道影响较小i 下煤组开采引起的岩层移动对上煤组上山保护角 取5 9 。为宜；支承压力对底板的最大影响范围小于丁、戊、己组煤层之间的 层间距，上部上山煤柱载荷对下部煤层巷道影响较小，下煤组上山巷道位置 选择时可不受上部上山巷道位置和煤柱的影响，可根据本煤层的条件确定： ( 2 ) 戊组煤开采时超前影响距离为4 2 m ，超前影响角6 5 5 。，工作面在4 5 ：0 m 范围内为上覆岩层剧烈活动区，工作面推过5 0 i n 后，岩层下沉趋缓。因此一， 丁组煤层与e 组煤层同采时应针对戊组煤层工作面与丁组煤层工作面或巷 道的相对位置合理地确定时空关系；( 3 ) 保持回采巷道稳定的煤柱宽度为# t 5 - 6 煤层相邻工作面上下区段巷道中对中1 0 m 左右，戊9 1 0 煤层2 5 i n 左右， 己1 5 煤层3 0 m 左右，沿空掘巷以使煤柱宽度控制在3 5 m 为宜。( 4 ) 己1 6 一w 煤层受己1 5 煤层开采残留煤柱的边界和区段煤柱形成的固定支承压力影腑， 采空区残余支承压力影响角为4 0 。左右；在己1 5 与己1 6 1 7 煤层间距8 而左 右时，影响范围约7 5 m ；若己1 6 1 7 煤层采用内错式布置，其错距应大于 7 5 m 。为减少煤炭资源损失，应将己1 5 与己1 6 1 7 煤层工作面的重叠内错 布置改为交错式布置方式【1 “。 范各庄矿是一个煤层群联合开采设计年产4 0 0 万t 的大型现代化矿井， 采掘关系紧张，煤层之间压茬关系不正常，巷道受到采动影响比较严重，：巷 道维修量大。为了分析巷道围岩变形规律，总结相关的矿压显现规律，为工 程设计和锚杆支护设计提供依据和经验，霍忠锋等通过对该矿近距离煤层群 巷道进行跟踪监测，获得了如下规律：( 1 ) 进行采区巷道布置时，应尽量采用 “内错方式”布置，使掘进巷道处于减压区范围内，尽量避开采动影响期。 ( 2 ) 受煤柱影响的采区巷道，对其加固应尽可能提前，在采面安装期甚至 巷道掘进期就进行加固，减小工作面回采时采动叠加影响造成的巷道变形， 而且加固时不应忽视煤柱固定支承压力峰值位置与巷道的位置关系，即被加 固巷道压力峰值是位于上帮侧还是下帮侧，从而确定巷道的哪一帮应重点加 固( 相对于另一帮) 。( 3 ) 锚网支护巷道的初始变形般多由巷道两帮开始，；后 引起顶底板移近，因此加强对两帮的支护是非常关键的【l “。 为了避免煤炭资源的浪费，在煤炭开采中往往应尽可能的留设小煤柱。 对于新汶协庄煤矿，在1 2 l5 w 工作面回风巷采用3 m 窄煤柱护巷及锚杆 辽宁工程技术大学硕士学位论文 支护时，煤柱侧的变形相对较小。当巷道的锚杆布置为“2 3 3 ”时，3 m 煤柱 的变形量分别为5 m 、7 m 煤柱时的5 7 6 、4 6 2 ；锚杆布置为“3 5 5 ”时， 3 m 煤柱的变形量分别为5 m 、7 m 煤柱时的5 5 2 、5 4 1 ，因而作者认为此 时更利于巷道煤柱的稳定，煤柱处于低应力区。在其它条件相同时，随着巷 道锚杆布置数量的增加，其围岩的表面变形量逐渐减少，但当锚杆数量增加 到一定程度后，巷道围岩变形量变化幅度不大，因此巷道锚杆布置的数量有 一个合理的优化值【2 ”。 随着采深的增加，处于动压区巷道靠煤柱支护时必须留有足够大的煤柱 尺寸，赵祉君等针对枣庄矿业( 集团) 有限责任公司井亭煤矿薄煤层开采，根 据生产地质条件，通过分析极限稳定煤柱的宽度，探讨了深部动压巷道的小 煤柱护巷技术。研究认为，采用小煤柱护巷时，通过“锚、网、喷”联合支 护以及对巷道顶板在工作面开采周期来压期间加强支护后，可有效地控制了 顶板下沉和巷道变形【2 ”。 综合上述分析，从国内外锚杆锚固理论和支护现状上看，无论是传统理 论，还是新研发的理论，主要是针对单一煤层、且受一次采动影响的煤层巷 道而提出。即使是被认为适应于动压巷道的锚固平衡拱理论，也只能在巷道 受到垂直来压时拱形结构才形成，而钱家营的一些采准巷道是布置在附近采 空区的边缘岩体