（矿业工程专业论文）近距离煤层小煤柱巷道锚杆支护技术研究.pdf

摘要 摘要 本文在吸收国内外已有研究成果的基础上，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 现场实验等多种技术手段，对受多次动压影响的小煤柱巷道锚杆支护技术进行了研 究 通过对邻近工作面开采动压对小煤柱的影响、工作面开采过程中的动压对小煤 柱的影响以及上覆煤层工作面开采动压对小煤柱的影响的理论分析，认清了邻近工 作面开采、本工作面开采和上覆煤层开采对5 m 小煤柱的变形影响规律。在此基础 上，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。 采用有限元数值模拟方法，利用f l a c 软件对近距离煤层群锚杆支护进行了数 值模拟，得出了巷道围岩应力和位移分布规律对小煤柱宽度和锚杆支护参数进行 了优化。 在理论分析和数值模拟的基础上，选取典型巷道对小煤柱锚杆支护巷道进行了 现场观测，通过采用围岩变形、松动圈监测、顶板离层和锚杆受力等多种监测手 段，获得了小煤柱锚杆支护巷道变形、围岩破坏范围和锚杆受力分布状态，分析监 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。 图4 l 表1 9 参4 0 关键词；小煤柱巷道；锚杆支护；支护参数 分类号：t d 3 5 3 河北理i ：人学硕+ 学付论文 a b s t r a c t t h ep a p e rs t u d i e so nt h et e c h n i q u eo f t l l cs u s p e n s i o nr o o f s u p p o r to f t h ef e n d e rt u n n e l p r e s s e dt i m e sb a s e do i lt h es t u d i e si nh o m ea n da b r o a d i ta i m sa tt h em i n i n gc h a r a c t e r i s t i c s 砒t h ec l o s er a n g ec o a lb e di nq i a n j i a y i n gm i n ea n dt h ed i s t o r t i o no fs u s p e n s i o nr o o f s u p p o r to ft h ef e n d e rt u n n e l ，c o m b i n gw i t ht h ee n g i n e e r i n gf i r m l ya n du s i n gs o m e t e c h n o l o g i e ss u c ha st h et h e o r ya n a l y s i s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , f i e l de x p e r i m e n ta n d s oo i l t h ed i s t o r t i o ni m p a c ta d j a c e n tf a c em i n i n gr u l e s , t l mf a r em i n i n ga n do v e rf a c e m h l i n go nt h e5 mc o a lw e d g ea c h i v e dt h r o u g ht h et h e o r ya n a l y s i so ft h e s ef a c em i n i n g s p r e s s e so nt h ec o a lw e d g e a n do nt h i sr u l e s ，i td e s i g n st h es u p p o r tf o r mo ft h ef e n d e r t u n n e lo ft h ec o a lw e d g ea n c h o ra r ma n dt h ef e n d e rp a t m n e t e ra n dp r e s e n tm a j o r i z i n g d e s i g ns c h e m e t u n n e la d j a c e n tr o c ks t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tr u l ew a sa c h i e v e db yf i n i t ee l e m e n t n u m e r i c a lm o d e l i n go f t h ec l o s er a n g ec o a lb e du s i n gf l a cs o f t w a r e ，w h i c hm a j o r i n gt h e c o a lw e d g ew i d t ha n dt h en s p e n s i o nr o o f s u p p o r tp a r a m e t e r b a t e do nt h et h e o r ya n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h e d i s t o r t i o no fs u s p e n s i o nr o o fs u p p o r to ft h ef e n d e rt u n n e l ，a d j a c e n tr o c kd a m a g e dr a n g e a n da n c h o ra 衄s t r e s sw e r ea c h i e v e d , t h r o u g hs o m cm o n i t o r i n gw a y ss u c ha st h ea d j a c e n t r o c kd i s t o r t i o n , l o o s es c o p em o n i t o r i n g ，r o o fa b s c i s s i o na n da n c h o ra r ms t r e s s ，f i e l d m o n i t o r i n gt h ec a n o n i c a ls u s p e n s i o nr o o fs u p p o r to f t h ef e n d e rt u n n e l t h em o n i t o rr e s u l t i n d i c a t e st h a ti ti sp r o p e ro ft h ed e s i g np a r a m e t e ro ft h es u s p e n s i o nr o o fs u p p o r to ft h e f e n d e rt u n n e la n dt h el a y o u ti sa p p r o p r i a t ea n de f f e c t i v e n e s so f t h es u p p o r to f t h ef e n d e ri s v e r yw e l l f i g u r e 4 1 ；t a b l e1 9 ：r e f e r e n c e4 0 k e y w o r d s ：t h ef e n d e rt u n n e l ，s u s p e n s i o nr o o f s u p p o r t ，s u p p o r tp a r a m e t e r c h i n e s e l i b r a r yc a t a l o g ：t d 3 5 3 1 i - 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 河北理工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：老垒牡日期：礁霉- 年上月竺日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、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) 签名：晔导师躲避吼妒竺月丝日 引言 引言 开滦钱家营矿业公司是一座设计年生产能力为4 0 0 万t 的特大型矿井，1 9 7 8 年 开始建设，1 9 8 8 年1 2 月投产，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 5 年的原煤产量已达5 5 0 万t 该矿井为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，预掘工作面运道采用5 m 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 撑、 铺、嘶和1 2 # 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 ) 断层密度大例如嘶煤层的断层密度可达1 8 条k i n ，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 m 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 ) 复合项板占有一定比率，从煤层顶板的结构组合上看，复合顶板的比率可 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，大范围的推广应用了锚杆支 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，严重制约了该矿的高 产高效现代化矿井建设。 河北理r 人学硕十学位论文 因此，为了在钱家营矿井大范围的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。 2 - 1 文献综述 1 1 国内外研究现状 1 1 1 国外煤巷锚杆支护发展概况 l 文献综述 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，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 1 9 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 一 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 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，工作面的生产效 率大幅度提高；在保持相同安全问隙的条件下，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，煤巷锚杆支护技术主要发展历程主要经 历了以下5 个阶段。 ( 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 ：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； 3 河北理工人学硕士学位论文 ( 5 ) 1 9 8 0 1 9 9 0 ：混合锚头锚杆、组合锚杆各种特种锚杆得到应用，树脂锚固 材料得到改进。 由于各国具体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 水平也所不同，呈现出各自的特点。 美国是世界上产煤大国之一，全年煤炭产量在1 0 亿t 左右，仅次于中国，排行 世界第二依据其得天独厚的地质条件和先进的科技、经济实力，美国在锚杆支护 技术方面一直处于世界领先水平，美国是世界上较早使用锚杆并以锚杆作为唯一的 煤矿项板支护方式的国家，也是目前世界上锚杆支护技术最先进、最成熟、锚杆使 用数量最多的国家。美国每年锚杆使用量在8 0 0 0 万根以上，每年有2 5 0 0 0 k m 的煤 巷使用锚杆支护【” 由于使用锚杆有效地控制围岩的稳定性，美国所有井工巷道都布置在煤层中。 全年由于顶板冒顶造成的死亡人数不到1 0 人。并认为不能采用锚杆支护的煤层，开 采是不经济的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 年开始有计划有系统的使用锚杆；1 9 4 7 年在美国矿务局研究中心旨在减少顶板事故 的努力下，锚杆普遍受到欢迎。在不到两年的时间里，锚杆在采矿工业中得到普 及：1 9 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；1 9 6 0 年代末，由于树脂锚固剂的发明，锚杆使用的相当一部分比例都 是以树脂锚固全长锚固的形式应用的；1 9 7 0 年代末，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拉力成为可能，锚杆的高预拉力达到锚杆本 身强度的5 0 e 一7 5 。 美国的主要经验是将锚杆的加工产业化，锚杆支护作为一门技术而非材料消 耗、废品利用；形成了锚杆产品的多样化、系列化，以适应各种不同的地质条件； 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。 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， - 4 l 文献综述 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 ) 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 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顶板的抗剪能力，锚杆强度越大，抗剪能力越大； ( 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 1 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 5 河北理工人学硕士学位论文 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、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 1 9 8 0 年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 年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 。 衰l 我国历年锚杆支护情况 t a b l elt h ea a t c h o rr o ds u p p o r t s a n d p r o t e c t i o n ss i t u a t i o n o f a l l p r e v i o u s y e a r s i n o m c o u n t r y 1 2 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。 6 l 文献综述 1 2 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 3 1 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 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 量簟l 憎 狮 图1 悬吊理论( a ：坚硬岩石b ：软弱岩石) f i g 1s u s p e n s i o nt h e o r y ( a ：h m - dr o c kb ：w e a kr o c k ) ( 2 ) 组合梁理论 组合梁理论认为巷道项板中存在着若干分层的层状顶板，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f 】，见图2 。 图2 层状顶板锚杆组合梁 f i g 2l a y e r e dr o o f a n c h o rr o db u i l t - u pb e a m 7 ， 图3 组合拱理论 f i g 3t h et h e o r yo f b u i l t - u pa r c h 河北理工丈学硕士学位论文 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，这种较厚的组合粱比单纯的迭加梁，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 丸l a a 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，使巷道周围岩层形成一种连续的组合带( 拱) ，如图3 所示。 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迸一步探讨，与实 际情况有一定差距，在分析过程中没深入探索围岩支护的相互作用。 ( 4 ) 最大水平应力理论 澳大利亚学者盖尔( 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 嘲。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。而且水平应力具 有方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的1 5 2 5 倍。巷道顶底板的稳定性 主要受水平应力影响，且有三个特点：与最大水平应力平行的巷道受水平应力影 响最小，顶底板稳定性最好；与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶板变形破 坏偏向巷道某一帮；与最大水平应力垂直巷道顶底板稳定性最差，如图4 所示。 水 产盟翼咝卜 图4 最大水平力理论 f i g 4t h et h e o r yo f b i g g e s th o r i z o n t a lf o r c e 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，巷道项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 8 l 文献综述 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 2 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t ( 1 ) 全长锚固中性点理论 6 1 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入认为该理论假设未设托盘之故。 l ，x 7 ， 性废， 八、 嗍一铺7 拄鹰力 图5 中性点理论 f i g 5n e u t r a lp o i mt h e o r y ( 2 ) 松动圈理论1 7 j 。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，则锚秆支护机理不同。i 类小松动圈l = 0 m m 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 或者喷射混凝士单独支护；、m 类围岩l = 4 0 0 m m 1 5 0 0 r a m ，用悬吊理论设计锚 喷支护参数；i v 、v 类围岩l = i 5 m 2 0 m 、l - - - 2 o m 3 0 m ，采用组合拱理论确定 9 一 河北理工人学硕士学位论文 锚喷支护参数；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i s 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。锚杆可有效改善原岩体的力学参数，随着锚杆布置密度的增加，锚固体峰值 前的e 、c 、q 与峰值后的e 、c 、q 均有不同程度的提高。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 从锚杆的两端旌加径向约束力，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1 9 j 。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砟和砖。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【姗。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。在巷道周围，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。 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中，又采用 5 m 小煤柱护巷，巷道开掘后会有水平应力出现，且井田中的水平构造应力是垂直应 1 0 - l 文献综述 力的两倍现有的锚固理论与钱家营井田的实际有一定差距，从而与国内外锚杆支 护技术应用较好的矿井相比较，具有以下显著差异： 国内外先进矿井一般是单一煤层开采，而钱家营却是近距离煤层群开采 国外矿井采准巷道的护巷煤柱尺寸较大，一般是3 0 m 5 0 m ，有时达到 l o o m ，而钱家营采煤工作面上顺槽( 回风巷) 的护巷煤柱尺寸为5 m 左右，基本属 于沿空送巷；下顺槽( 运输巷) 的护巷煤柱尺寸一般为1 5 m 钱家营井田煤岩体的强度较低，并且复合顶板占有相当比重 因此近距离煤层群开采小煤柱动压巷道锚杆支护研究对钱家营矿的高产高效矿 井建设和可持续发展具有十分重要的理论意义和实际应用价值网 1 3 研究内容、研究方法与技术路线 1 3 1 研究内容 本论文主要针对近距离煤层小煤柱巷道锚杆支护技术进行研究，主要研究内容 有： ( 1 ) 小煤柱巷道围岩变形规律及支护设计。对过对邻近工作面开采的动压对小 煤柱锚杆支护巷道的影响、工作面开采过程中的动压对小煤柱锚秆支护巷道的影响 以及上覆煤层开采的动压对小煤柱锚杆支护巷道的影响的理论分析，探讨小煤柱巷 道围岩变形规律；在此基础上，采用悬吊理论和组合梁理论对锚杆支护参数进行优 化设计 ( 2 ) 近距离煤层群锚杆支护数值模拟。采用有限元方法对近距离煤层群锚杆支 护巷道进行数值模拟分析，探讨巷道围岩应力和位移变化规律，并对小煤柱宽度和 支护参数进行优化。 ( 3 ) 小煤柱巷道矿压显现规律及反护效果观测分析。采用多种监测手段，对小 煤柱锚杆支护巷道变形、围岩破坏范围和锚杆受力状念进行观测。 1 3 2 研究方法及技术路线 ( 1 ) 矿井基础资料的收集与整理。根据研究工作的需要，收集整理矿井水文地 质条件、岩层结构、开采设计、巷道布置、煤岩体物理力学性质和地应力参数等基 础资料。 河北理工人学硕七学位论文 ( 2 ) 现场观测。设立观测站，通过安设测力锚杆、顶板离层仪和超声波裂隙测 试仪等，分别测取小煤柱巷道采用锚杆支护后，受单一煤层工作面、上覆煤层工作 面和同一煤层毗邻工作面采动影响的矿压及巷道围岩变形数据，为下一步研究提供 科学依据。 ( 3 ) 理论分析。结合现场实测数据， 护煤巷的围岩应力状况、围岩变形规律， 的围岩变形预测方法与控制技术 计算分析受多次采动影响的小煤柱锚杆支 探讨在特定工程技术条件下巷道服务期内 ( 4 ) 数值计算。应用f l a c 软件，计算小煤柱巷道采甩锚杆支护后，受单一煤 层工作面、上覆煤层工作面和同一煤层毗邻工作面采动影响的矿压及巷道围岩变形 规律 ( 5 ) 煤层巷道围岩稳定性的评价。通过现场观测、理论分析、总结出取决于地 质和工程技术条件的煤巷围岩稳定性评价方法和标准，为巷道布置、支护设计和围 岩控制提供科学依据。 ( 6 ) 煤巷锚杆支护优化设计。依据上述研究结果，以及钱家营矿业公司的地 质、工程技术条件，提出煤巷锚杆支护优化设计方案，并针对受多次采动影响的小 煤柱巷道的实际，探索出切实可行的巷道补强技术。 1 2 2 矿井概况 2 1 矿井基本情况 2 矿井概况 开滦钱家营矿业公司是一座设计能力年产4 0 0 万t 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 年的原煤产量为5 5 2 万t 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 区支线铁路线吕线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 唐钱、唐吕线公路通过，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 煤层露天为界，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，地势平坦。 地形呈东北高，西北低，标高介于+ 7 o “2 4 6 m ，地形坡度为o 1 。 2 2 矿井地质构造概况 2 2 1 断层与褶曲 钱家营井田位于开平煤田的开平向斜东南翼的西南端。开平向斜是一大型不对 称构造，南部轴向为北东4 0 。，北部由古冶以东逐渐转成近东走向，其西北翼地层 陡立至倒转，东南翼地层逐渐平缓，且多褶曲。 钱家营井田东端为毕各庄向斜西翼和小张各庄向斜西翼，向西依次为南阳庄背 斜、高各庄背斜，并逐渐过度到井田中部的单斜区。此单向斜构造向西沿展 1 2 k m ，又开始出现褶曲，自东向西依次为李辛庄向斜、刘唐保背斜，井田西端为深 港向斜东翼。 井田内褶曲线性捧列明显，如南阳庄背斜延伸长度达7 k m ，长宽比为3 ：l 。各褶 曲轴向都与开平向斜轴斜交。褶曲多呈不对称状，如背斜东南翼的倾角较大，在 2 0 。左右西北翼倾角平缓，在1 0 0 左右；而向斜则相反，东南翼的倾角平缓，西北 翼倾角较大 1 3 河北理工人学硕士学位论文 井田构造以褶曲为主，断裂为辅，断层以倾向和斜交为主，且大中型断层多伴 生在褶曲轴部和褶曲区与向斜区过度带 由目前工程揭示的资料分析，钱家营井田可划分为三个大的构造块段，即东部 褶曲区、中部单斜区和西部单斜区以正在实施采掘工程的一、二、三采区为例 ( 上述三个采区均位于东部裙曲区) 各煤层巷道掘进实见落差大于l m 的断层密 度见表2 ，说明5 煤层断层较少，9 煤层断层发育 袭2 各煤层落差l m 以上断层密度断层密度单位是条i t a b l e 2 t h e f a u l tc k - n s i t y o f v a r i o u s c o a l b e d s d r o p p i n g v a t i m a b o v e l m e t e r 1 1 k f a u l t d e n s i t y u n i t i ss t r i p k i n 2 2 2 煤层顶底板岩性及其力学性质 钱家营井田的煤系地层属于石炭系上统和二迭系下统，基底地层为中奥陶纪马 家沟组石灰岩，煤系地层总厚度为5 0 0 m ，由上至下的主要可采煤层是： ( 1 ) 5 煤层：煤层厚度o 2 m 3 5 m ，平均1 4 4 m ，煤层倾角4 0 1 8 0 。5 煤层伪 顶为粘土岩，平均厚度为o 3 m ；直接顶在中部和西部为粉砂岩，东部为中细砂岩， 8 0 0 m 以下为中砂岩；底板为粘土岩和粉砂岩，少数为细砂岩。 ( 4 ) 7 煤层：煤层厚度o 1 5 m 9 2 3 m ，平均3 5 6 m ，煤层倾角4 。1 8 。7 煤层 伪顶为牯土岩或粉砂岩，平均厚度为o 2 m - 直接顶以粉砂岩为主，局部为细砂岩， 厚度为4 m ；底板以粉砂岩为主，局部为粘土岩。东部顶板有古河流冲刷带。 ( 3 ) 9 煤层：煤层厚度o i m p 3 4 3 m ，平均1 2 5 m ，煤层倾角4 0 1 8 0 。9 煤层 顶板一般为粘土岩，岩性较软；底板为细砂岩，局部为粘土岩，厚度约2 5 m 。 ( 4 ) 1 2 煤层：1 2 煤层一般分为1 2 1 和1 2 2 煤层，1 2 1 煤层的伪顶为粘土岩， 厚度约o 5 m ；直接顶在中部和东部为腐泥质粘土岩，西部为粘土岩，平均厚约 l m ；底板为粉砂岩，厚约2 0 m 。 从目前生产情况看，7 煤层因距离不可采的6 煤层的层间距较小，局部形成了复 合顶板。9 煤层和1 2 1 煤层因岩性较软，在巷道掘进或回采过程中易发生冒顶事 故。同时在六和辅六采区，在7 - 9 煤层中间又存在着可采的8 煤层，也因层间距 小，给顶板管理造成了困难，各煤层的层间距见表3 。 1 4 2 矿井概况 各煤层的坚固系数与软化系数见表4 ；各煤层顶底板岩石力学性质见表5 。 表4 煤层的坚固系数 t 曲l e4c o a lb e df i n nc o e f f i c i e n t 1 5 河北理j ：大学硕十学位论文 裹5 主采煤层顶底板岩石力学性质 t a b l e5t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h eh o s tm i n i n gc o a ll e v e lg o e s a g a i n s tt h el e d g e rw a l lr o c k 2 ，2 3 钱家营并田地应力场分布规律 钱家营井田原岩应力测量是在6 0 0 m 水平进行，所选定的测量地点的施工条件 和岩石条件较好，既无大的地质构造，又能满足工程设计要求。其中：测点l 位于 6 0 0 m 西翼大巷，属井田中部单斜构造区，钻孔层位在1 2 煤层底板；测点2 位于 6 0 0 m 东翼大巷三石门内，属井田东部褶曲区，钻孔层位在1 2 煤层项扳，见表6 。 测量方法采用孔壁应变法，使用仪器为空心包体应力计这是目前在地下巷道中测 量岩体原岩应力值常用的方法之一；同时还具有防水防潮、可靠性高、线弹性好、 模量低、变形量大的优点。地应力的测量结果列于表7 。 表6 地应力测量钻孔状况 t a b l e 6 t h e c o n d i t i o n o f c r u s t a ls l r c s s s u r v e y d r i l l h o l e t 6 一 2 矿升概况 2 3 矿井资源状况与开拓方式 2 3 1 资源状况 钱家营矿井可分为生产水平、延伸水平和扩大区三部分。截止到2 0 0 0 年底，采 区地质储量8 7 5 8 8 6 万t ，可采储量为6 3 8 5 2 4 万t 。由于矿井地处平原地区，地面村 庄及厂企建筑物压煤严重，矿井储量及村庄等压煤情况见表8 。 表8 钱家营矿井煤炭储量表( 2 0 0 1 年1 月1 日) t a b l e8t h ec o a lr e s e r v e st a b l eo f q i a n j i a y i n gm i n e ( o nj a n u m y1 ，2 0 0 1 ) 2 3 2 矿井开拓方式 钱家营矿井采用立井、阶段石门、集中大巷及各煤层联合布置的开拓方式。 主、副井位于工业广场，均开凿至6 0 0 水平，- 6 0 0 水平为第一生产水平。目前 已由- 6 0 0 至一8 5 0 m 开凿了暗立井，8 5 0 水平为延伸生产区，即第二生产水平。在矿 井规划中还有一个扩大区，即由8 5 0 m 扩大到1 0 5 0 m ，1 0 5 0 水平为第三生产水平。 在第一生产水平布置了一至六采区，第二生产水平布置了七至十四采区，第三生产 水平将有十五至二十六采区 1 7 河北理 人学硕士学位论文 该矿井有两个风井东风井位于井田东翼，由地表开凿到3 0 0 水平，并在3 0 0 水平开掘了回风大巷。西风井位于井田西翼，开凿到3 7 0 水平，用两条回风上山与 西翼的- 4 5 0 回风大巷沟通。 2 4 钱家营矿煤巷锚杆支护历史与发展 钱家营矿业公司已经在第一生产水平东翼的一、二、三采区的5 、7 、9 和1 2 煤 层，以及西翼六采区的7 ，8 煤层的采准巷道中广泛使用了锚杆支护技术，煤巷的锚 抒支护率已达5 0 0 。采用锚杆支护的煤层巷道，已由采煤工作面的上下顺槽扩展到 了综采切割眼、巷道交叉点和采区辅助上山等。巷道断面大小不一。例如5 煤层的 巷道断面一般在8 m 2 ，7 煤层和1 2 煤层的巷道断面为1 3 m 2 ，综采切割眼的断面为 2 l m 2 ，其跨度达7 m 。采用锚杆支护的煤巷围岩类型也多种多样，既有岩性中硬， 只受单一工作面采动影响的较稳定巷道，又有复合顶板、软岩及遭受多次采动影响 的沿空掘进小煤柱护巷的难控围岩巷道。所使用的锚杆已有管缝锚杆、圆钢锚杆、 螺纹钢锚杆发展到高强度大杆径的左旋或右旋的螺纹钢锚杆。随着矿井现代化建设 进程的加快，锚杆巷道的施工机械已普遍采用了掘进机和大扭矩锚杆钻机，并应用 了“锚网梁”和小锚索等联合支护方式。 使用锚杆支护的各类煤层巷道中，小煤柱护巷的巷道围岩变形最大。特点是： ( 1 ) 巷道顶板下沉量大、底鼓量大、两帮相对移近量大，巷道服务期内的断面 收敛率高达7 0 。 ( 2 ) 巷道在遭受上覆煤层工作面、本工作面等多次采动影响时，围岩会出现多 个变形高峰期，此时不仅围岩边、面位移剧烈，而且顶板离层量高。 ( 3 ) 巷道围岩的严重变形导致了锚杆作用的减弱和失效，既影响到通风、行人 和运输，又极易发生顶板事故。 1 8 - 3 近距离煤层群小煤柱f 可采巷道锚杆支护设计 3 近距离煤层群小煤柱回采巷道锚杆支护设计 3 1 邻近工作面开采动压对小煤柱的影响 对于受到邻近工作面采动影响的巷道，其维护状况除了巷道所处位置的自然因 素影响外，主要取决于采动影响 假设采空区周围的煤柱处于弹性变形状态，煤柱的铅直应力口。的分布见图6 中 的1 曲线。口。随着与采空区之间距离x 的增加，按负指数曲线衰减在高应力作用 下，从煤体边缘