（矿业工程专业论文）软岩巷道锚注支护研究.pdf

东北大学工程硕士论文 摘要 软岩巷道锚注支护研究 摘要 本文对软岩巷道的锚注支护作了研究。首先通过相似材料 模拟试验，说盼锚注支护是一种可行的维护软岩巷道围岩稳定 的支护形式；其次对锚注支护进行了井下工业试验，试验结果 表明锚注支护大大提高了围岩的整体性，有效地经受住了跨采 动压的作用，保证了巷道支护结构的稳定，避免了巷道的破坏 和再次修复及加固，再者应用正交方法科学设计了支护方案， 运用数值模拟计算和分析，对支护参数进行了优化，得出支护 参数与试验结果一致的结论。 关键词：锚注支护相似模拟数值分析 东北火学：【：程硕士论文 a b s t r a c t t h es t u d yo fb o l t - - g r o u t i n gs u p p o r t i n g o nt h ed r i f ti ns o f tr o c k a b s t r a c t t h eb o l t g r o u t i n gs u p p o r t i n go nt h ed r i f ti ns o f tr o c ki s s t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y ，b yt h es i m i l a rm o d e lt e s t ，t h e b o l t g r o u t i n gs u p p o ti sp r o v e dt ob eap r a c t i c a b l ef o r mf o r r i n gt h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ko nt h ed r i f ts o f t t h e n ，b yt h eu n d e r g r o u n di n d u s t r i a l e x p e r i m e n t o n b o l t g r o u t i n gs u p p o r t i ti s s h o u r e dt h a tt h eb o l t g r o u t i n g s u p p o r ts u f f i c i e n t l yi m p r o v et h ee n ti r e t yp e r f o r m a n c eo f s u r r o u n d i n gr o c ka n de f f i c i e n t l yu n d e r g o e st h ea c t i o no fs o f t r o c ka n di n c r o s s m i n e d ，w h i c he n s u r e st h es t a b i l i t yo f b o l t g r o u t i n gs u p p o r ts t r u c t u r ea n da v o i d s d e s t r o y i n g ，r e c o n s t r u c t i n ga n dr e i n f o r c i n gf o rr o a d w a y f u r t h e r m o r e ，b ya p p l y i n gt h eo r t h o g o n a lw a y ，t h es u p p o r t i n g s c h e m ei ss c i e n t i f i c d e s i g n e da n dt h es u p p o r t i n gp a r a m e t e r s a r e o p t i m i z e db y a p p l y i n g n u m e r i c a l s i m u l a t ea n d a n a l y s i s ，w h i c hs h o e st h es u p p o r t i n gp a r a m e t e r sa r ec o r s i s t e n t w it ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t k e yw o r d s ：b o l t g r o u t i n gs u p p o r t ， s u p p o r t i n gs i m i l a r m o d e l ， n u m e r i c a la n a l y s i s 、弗、莒 声明 本人声明所呈交的学位论文是在悍师的指导下完成的。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 料移，勾 日期：扣哆于f 末北大学工程顿士学位论文 第一雍绻论 第一章绪论 1 1 课题的提出 我国煤层赋存条件复杂，软岩在近半数矿井都有斌存。随着采深的增加，联岩瘦力 水平不断提高，当采深超过围岩软化临界深度后，围岩产生明显得塑性大变形、大地压、 难支护现象”1 ，围岩原有的弱面进一步扩展，产生新的节瑾、裂隙，甚至松动、酸碎，淘 岩进一步恶化，给巷道维护带来极大困难，这就给地下工程围岩稳定性研究提出了新的课 题一软岩工程问题。自前，软岩工程问题已成为困扰矿山开采的主要皤题之一，也是謇 内外地下工程的一个难题。 通过大粲的工程实践人们认识到改善围岩地结构性能，充分发挥围岩地自承能力，是 一条缎护丽糍稳定豹鸯效途径，特别是对松软破碎难咀支护的巷道。 就传统的锚喷支护结构而裔，喷射混凝士能及时封闭围岩，锚杆能实现主动支护和围 岩一起形成热强霾，共阍承受她压，维护巷道稳定，是一种比较适合软岩遗支护形式。但 由于其支护强度不够高，难以适应高应力、大变形的软岩巷道，特别是受采动影响的动压 巷道。围岩注浆加固能教善围岩结构及其性能，提高围岩整体性和良承载能力。人们尝试 将二者结合起来，即采用锚注支护，已有成功的例子。但由于对锚注支护机理的研究不够 深入，理论水平滞后于工程实跤，使这一技术缺乏必要的理论依掂，雉以避行合理的设计， 同时影响了其在现场的推广应用。 从发挥支护的承载能力和充分利用围崧地自承能力看”“”。锚杆与注浆都是极为 优越的岩加固方法。镶圈与注浆是两静印独立两又关系密切、相辅相成的施工工艺和岩 七加固技术。它们有时独立使用，有时又联合使用。由于它们能在原位对岩土进行加嘲和 改性，充分挖掘岩土体魏潜力，使一定范围惠的岩土体成为工程结搀不可分割的组成部分。 因此。多年来一直受到岩土工程界的高度煎视。如前苏联采用锚注变护技术，使松软破碎 岩体往浆后的单轴抗压强度显著增长，围豢变形量比没有注浆的同类巷遂降低了8 0 以上： 日本、法国、英国等在隧道施工中，采用注浆加固技术都显蓍地改善了围岩的各项力学参 数和支护效皋。在国内，山东辩技大学在跨采软舞巷道中采用锚注支护技术，使橙软的运 输火巷成功地度过了采动影响期，并保持了良好的维护状态，取得了显着的技术经济效益。 大量工程实践表明”“”“，锚注支护采用锚秆与注浆相结合的方法，使锚杆和注浆各自 豹适用范围得到扩展，大大提高对软岩地支护效果，是解决深部开采巷遵、硐室支护的一 种有效途径。 秘翦，锚注支护技术在跨袋敬岩巷道的应用效果是比较好的。但是仍然处于摸索阶段， 在锚注机理及参数优化上还没有较为定量的分析和研究。为了更好地推广和应用这一技术， 有必要对锚注参数进行优化，对支护扭理进行进步的探讨。 本文从工程实际入葶，采用相似模拟实验确定支护参数，以期为锚注支护巷道丽糟稳 定性评价及锚注支护参数的合理确定奠定理论基础。 。2 课题研究的路线及主要内褰 锚注支护是指采用普通的锚网喷或加锚梁、钢带等支护体系加入注浆锚杆这一支护措 施而构成的新型联台支护体系。本文针对这一支护形式，研究路线是： ( 1 ) 针对鲍瘊煤矿踌采软糟巷邋实际支护状况和破坏状搅，分析现有井下主要支护形 式的支护围岩关系，研究歙岩巷道的合理加固措施，、隘能充分发挥支护的承栽能力和固岩 袭北大学工程硕士学位论文第一章 鳞论 的承载能力。透过试验，磋究软岩巷道破坏后取褥预期加固效果的镶注旎工j 艺，为跨采 软岩巷道的有效支护和维护提供指导或借鉴作用。 ( 2 ) 对蒋通锚喷支护巷道和锚注支护巷道分别进行相似材料摸于盟试验，以此说明锚洼 支护是一种可行的维护受采动影响松软、破碎巷道稳定的支护形式。 ( 3 ) 利翔正交方法科学建设计支护方寨，运用数值摸拟计算和分析，优化支护参数。 本文研究内容： ( 1 ) 巷道支护相似材料模拙试验。 ( 2 ) 巷道锚注加阉试验研究。 ( 3 ) 锚注支护参数优化。 2 查些查鲎三堡照圭兰些笙壅 篁三皇塑鎏壅塑塑塑! ! 塑墼壁竺 第二章锚注支护的相似模拟试验g 羽 2 1模拟巷道的地质概况 模拟巷邀为充州矿攮集团公司鲍店煤矿j t 翼一采区豹辕遂石门、皮带石门，该巷道位 于3 煤底板太原组内的黑色泥岩，深灰色粉砂岩，浅灰色铝土质泥堵，局部为三灰、薄煤 瑶等，其地堪特征见遗蘑综合桂状图( 图2 1 ) ，整道埋深在4 1 0 - - 4 3 0 m 之间。该巷道溺岩 及3 煤顶底板岩层的覆襻状况如图2 2 所示。 该巷道主要岩层的力学性质如表2 1 所示。 由表2l 可以看出，围岩的力学性质并不是很差，但由于岩体内节理裂隙十分发育， 造成岩体总体强度很低当受采动影响时岩层破碎区范围扩大，产生严重的麻变软化， 致使巷道破坏。 表21棼道围岩力学性质 单轴抗压单轴抗拉弹性模量泊松比内聚力内摩擦角 围岩名称强度崩强度朋p a埘p am p a 泥4 2 81 3 98 4 0 0o 3 6 3 83 5 6 岩 粉砂质泥岩3 8 7 1 2 41 1 8 0 00 3 34 33 2 。 粉砂6 4 71 6 31 3 5 0 00 3 89 63 6 。 岩 细砂岩 6 9 ，96 4 64 1 4 5 002 31 573 0 。 i 中砂岩 5 3 728 7 2 5 0 00 2 51 3 12 8 o 密崖拄状层徙说耀 糖世者厚7 ，陆，f = 6 6 巾抄毫+ 簿3 8 2 阻- 冬8 l 自 细骷岩岸4 9 4 m tf ；8 一i q 糟转岩。群4 g 抽，扛 煤。厚8 ，f = 3 3 s 精细秒岩，厚1 7 m f ；a 1 0 赣够壹，厚3 2 5 m ，f 巧啼 霪 混卷，厚1 0 钿t q 6 错土震嚣卷，厚02 5 m , 忙$ s 泥岩，厚4 2 5 m ，f = 4 * 二敷厚i 0 m ，f = 5 8 键糍，厚4 8 7 m ，f = 4 6 攥。摩0 ， m ，f = 3 i 3 言 耪砂岩，厚l 4 ，f = 5 6 粉砂质沉岩，痒5 5 m ，f = - 4 6 三蕊，岸7 ，5 m f = 1 0 3 堕! ! 查堂三堡塑圭堂堡堡窒：= 垦翟坠= 鳖望墼譬竺兰霎! 篓! 造垒 选 焉t 矗怒，；“鳐送i 鲤趣i 竺兰竺兰 百 8 i 。r m 袁强乜中栅妒替为主- 衄 屉扯为嗡音惟袖 b 的嵌包舯 - 、孺电她廿局部3 鼎屉1 _ 栅 厚曩巾妒者。捧由3 蝉墨盘抽 竹珊砂精一艟厚成为，t l t - # 4 一“。靠皿t 婀斛 * d 鞋嗥根建 岛雷雌趣甫水平蘸理斌蚺 埋 旺啦椒也阚廿擘扣教隔也椅 器量攥蛐虫瘫烀层帆的舢t - * t ，# q 、n * 4 ， 地取蘼疆斗声再庸棰瓣神通 3 m 最n * 啦牛螗一争辩熊蠼弛生f 。i ； 1l灶寝蓐屯巍# 穰煮电持 i时飒拽寝色侣点庸艰岩斗生i i i陡* 表# f = 】”j l - ，- 6 ) lib 爆矗廊牡哗弗，弈啊磊蚺辄趣 t 。告譬斗喇嚣釜嚣裹拿斋意，善釜磊嚣蔷： 1 0 0 生：二! = j 口_ 醍恤m g 。；4l 5 = 譬；井p = ：- = # o h 。u 了工“ 。鬈袋僦：絮蒜翟稿 蓉0 烈! 嚣芒啊胡啉术现取 圭磷新璩袁也擀睁鲁m 盹 幢童嚣t 赶矿办札盘霄木平z 。戎而t 业霄地# l 、h 、f 孵 鞋 堆娥盟属稚为搀盘曲第五， 农，置袅色强硬敢密产j ：建夙率鹰竹辅飒蟪借化百 固2 1鲍詹煤矿北冀一采区地层综合桂状塑 f i 9 2 1c o m p r e h e n s i v ec o l u m n a rs e c t i o no f n o 1d i s t r i c ts t r a ta i j f l f o r t h e n r t ho f b a o d i a ne o l l e r y 奉 查苎查兰三堡煎圭兰焦笙熏 一曼三差童堕望塑塑坐型型墅塾i 造 2 2 相似理论简介 相似模拟试验是用和原模型力学性能相似的材料，按照一定的几何比例模拟岩体及矿 脉，并进行开掘，在满是相似边界及初始条件下，在相应的时期表造藏相似的矿山压力现 象。 通过避测和分析其舰律，以期为改善开掘工艺、防治事故，选择开采方法等提出依据及改 进途径。在规划模拟试验时，遵守相似条件。按照一般的物理现象相似的要求，模型( ”) 与原型( 7 ) 之间应满足下列基本相似条件： ( 1 ) 几何相似 ( 2 ) 运动相戗 t， 章2 乏8 邓 皂：粤。： t l屯 ( 3 ) 应力相似 c 。= c r c 其中：o 为容重眈。 ( 4 ) 动力胡似 ，= 朋鲁 由此可推出：- m - t ：粤：= = c ，4 码他 ( 5 ) 外力相似 = c ，t 0 在满足上述条件的基础上，铺设的模型以及巷道在模型中的位置 还必须满足边界条件的相似。 2 3 试验方案和模型设计 2 31 试验巷道方案 根据研究目的，选取模型如下： 模型i ：轨道石门和皮带石门同时采用锚网喷支护。其中缕层厚l o o m m ，销杆为会长 砂浆锚杆，规格为巾1 4 1 6 0 0 m m ，间排距7 0 0 8 0 0 r a m 。 模型l i ：在模型i 的基础上再进行二次支护。二次支护采壤蠹注浆锚杆进行锚注。 注浆锚杆参数：中2 2 m m 无缝钢管，长2 2 m ，管壁厚4 栅，注浆压力2 o m p a ，注浆最大深度 2 5 - 3 o l n ，问排距1 0 0 0 1 0 0 0 m m ，底角锚杆长2 5 m ，为审i o m m 豹螺纹钢，底板锚杆长2 o m ， 为1 6 m m 螺纹钢，排距i o m ，底板锚杆每断面3 根。 模型i i h 嚣个巷道足寸相同，其中一个是率年石碹支护其二次支护采用长2 2 m ，m2 2 m m 光缝钢管的注浆锚扦进行锚注间排距1 0 0 0 1 0 0 0 m m ，外加底角锚轷，锚杆长2 5 m ：另一 条巷道同模型i ，为锚网喷支护= 次支护采用长2 2 m 、巾2 2 r a m 无缝钢管的注浆锚杆进行 锚注，阃排距1 0 0 0 x1 0 0 0 m m ，外加底寅l 锚杆，锚杆长2 钿。 2 ，3 2 模型设计 东北大学工程硕士学位论文 第二章锚注支护曲相似模拟试验 ( 1 ) 根据鲍店煤矿北翼一袋区3 煤的埋深在4 1 0 - - 4 3 0 m 之闻，以及轨道石门和皮带石 门的尺寸，拟将模型比例定为i ：3 0 。 ( 2 ) 模型在乎箍应变模型架上进行，模型体豹尺寸：长宽离= 3 2 0 4 1 , 8 5 m ， 这样模拟的实际高度为5 5 5 m ，上覆岩层施加的应力采用外力补偿法来实现。 ( 3 ) 模型布置如图2 3 所示。 ( 4 ) 由于工作面的开采，在煤层底扳中的应力分布将通过压力盒来测试，压力盒的布 置如酮2 , 3 中所示，在两巷道上方2 0 0 m m 水平布置2 0 个压力盒，每两个压力盒之间静闻 隔为1 0 0 m m ： 图23 横型设计布置图 f i g2 3l a y o n to f m o d e ld e s i g n 变形量( m m ) 固2 4 中1 5 m 横拟锚杆受拉特性 f i g2 4 t h es i m u l a t i o no f a n c h o r b o l t c h a r a c t e r b e i n gp u l l i n t k l 5 r a m 荷截( g ) 1 s2 2 ，5 变形量( r t t t a ) 墨25 中8 籼横拟锚杼受拉特性 f i 9 2 5t h es i m u l a t i o no f a n c h o rb o l tc h a r a c m rb e i n gd u l l i n i 8 m m 。j5 7 模拟锚杆采用两种规格的材料，第种母2 2 舢的无缝管注浆锚杆采用西l ，5 m m ， 拉断力为5 5 0 0 9 的铝丝：第二种为中1 6 m m 的螺纹钢锚杆采用。t 8 忑，拉齑另焉6 ；磊：磊 撕瓣一翩船蚺 。 鹊丝，锚抒的长艟严格按照模型线比进行取截；两种攥姒镄料即赏， 与疆长罚1 至划崮斗 ，图2 5 所示：锚杆的外形及背网如图2 6 所示，背网材料选用塑料砂网而制成。 ( 6 ) 模拟在辫体中的注浆压力透过计算为0 , 4 - - 0 5 k g c m 2 。 ( 7 ) 煤层的模拟开采，试验时由于采用的是平面应变模型架，直接进行放顶煤开采有 一定的难度，所班在试验时，由外加应力酶僮模拟采动影响，工作覆酌推进，也就是癍力 峰值的前移。在模型l 中还将确定应力峰傀的大小，其确定方法是根据巷道围岩的变骺量 来控制；一屐确定了应力峰值，模型l i h i 在试验中采拜i 不同支护参数静情况下都将依据就 应力峰值进行模拟，而后测量不同支护参数下巷邋的围岩变形情况。 图2 6 模拟的锚秆和臂网 f i g2 6a n c h o rb o l ta n db a c kn e to f s i m u l i t i o n ( g ) 因为所委模拟的岩层生要呈脆性，教模型的材料采用砂子为嚣料，碳酸钙、露膏 为胶结料作为相似材料模拟顶底板岩层，煤层模拟则在上述相似材料中加一定比例的粉煤 灰。以岩石的抗压强度为主要相戗准则，满足： 强度相似 c 。= c ，q o 外力棚似 巳。o 露 ( 9 ) 模拟顶底板岩层的原形参数与模型参数如表2 2 所示，部分岩层作了调整，其中 煤3 赢板粉细砂岩较簿，迭1 7 m ，因受模塑尺寸的限制，因此只取了6 , 9 9 m ，且忽略了煤6 的影响。 袭2 2 模拟璜底板辫层的原型参数与模型参数 t a b l e22p r o t o t y p ed u r m e t e fa n dm o d e lp a r a m c t c ro f s i m u l g i o nf o rr o o f a n df l o o rs t r a t u m 实际厚度横型厚虚辣岩抗压强发模拟强度 岩性 ( i i )( c m )( p a )( k p a ) 中砂岩 3 8 l1 2 7f = 8 1 01 6 0 0 细砂岩 4 9 5 1 6 5f = 8 l o 1 6 0 0 粉移窘4 8 61 6 ，2f = 5 61 3 4 0 煤，8 。72 9f = 3 1 3 55 0 0 粉细砂岩6 9 92 3 3 f = 8 1 0 1 6 0 0 劫砂岩3 2 il o 8仁5 61 3 4 0 泥岩 1 2 642 f = 4 6 9 1 0 i泥岩4 2 61 4 2f = 4 69 1 0 二 灰o 9 93 3f = 6 b1 5 索北大学工程硕士学位论文第二章锚注支护的相似模拟试验 泥岩4 。8 8 1 5 6 7 2 4 o 1 6 2 46 7 2 1 6 1 2 f = 4 6 9 1 0 粉砂嵩 粉砂质泥堵 2 4 试验过程与结论 2 4 1 模型i 2 41 1 模型巷道说明 皮带石门和轨道石门同处于粉砂质泥岩和粉砂岩中，其中皮带石门的位置略商一些， 它们之间相距6 5 0 r a m ，距煤层底板约7 2 0 r a m ，由于该平面应变模型的边界限制，巷道距煤 层位置的距离比实际的要小一点。皮带石门豹宽x 高为1 4 0 x 1 2 0 r a m 豹半圆拱，轨道石门 的宽高为1 4 6 x1 2 3 m m 的半圆拱。 2 4 ，2 试验经过 首先将模型按设计要求铺好，待干燥2 0 天后，按照巷道的位置和尺寸开挖两条巷道， 然后打锚杆，皮带石门每断面1 5 根，其中每帮3 根，半圆拱上9 横；巷道长4 0 0 r a m ，相 当于实际1 4 m 的巷道长度，按照锚杆的排距8 0 0 r a m ，这样台计这个巷道要打2 7 0 根锚杆； 而轨道石f j 每断面1 7 根，这样合计要打3 0 6 根锚秆。打好锚杆后进行铺阿喷浆，喷层厚度 为3 r a m ，喷层材料选用石膏加碳酸钙和水配制丽成；再干燥3 天，此对模型如图，一所示。 最后开始加载，加载时，首先在垂直应力方向加到原始应力水平状态原始应力水平 为 秽1 = 闰 ( 2 1 ) 0 3 = k p h = ：_ 生吼( 2 2 ) i u “ 式中。广_ 一静压下围岩垂直主应力，m p a ： 口r 一静压下酮岩水平主应力，m h ； p 一巷道上覆岩层的平均密度，k g m 3 ： h 一巷逆墁深，m ； p 一泊松比，取0 + 2 5 。 在模型上方由试验台控制压力为3 2 m p a ；水平方向的应力为垂随方向的三分之一，以 确保水平边界条件。弱基逐节对模型施加集中应力以模拟因开采蔼引起的应力集中。其集 中系数由实际的巷遵破坏程度在此模型中反映而确定为3 1 左右，即试验台的控制压力为 t o m p a 。 加载步骤为：第一步加载至原始应力状态，载荷壁级为i m p a 、2 , 2m j a 、3 2m p a ： 第二步模拟峰值应力开始加载，如图2 3 所示敞右边的第一个千斤璇开始依次向前推避， 载荷量级为：8m p a 、l om p a ，8m p a ，1 0m p a ，1 0m p a ，l om p a ，1 0m p a ， l om p a ；且每加载一次，等待半小时后剥量一次巷道的变形。实际加载过程如表3 3 所 示。 2 4 1 3 试骏结果 经过试验，两条巷邋均遭到破坏，破坏状况如图2 8 、图2 9 所示。轨道石门及皮带石 门附变形随加载量级的变化如表2 4 、图2 1 0 所示。 在此模型中，皮带石门的两帮移近垂为1 0 。3 5 r a m 顶底穆近量为3 9 。2 1 m m 、底板绝对 末北大学工程硕士学位论文 第二章锚注支护的相似模拟试验 底擞麓为1 7 。8 9 m m ；轨道石门舵两帮移近鬟为1 9 7 1 r a m ，顶底板移近量为4 4 9 4 m m ，底板 绝对底臌量2 1 6 5 r a m 。轨道石f - j 的变形量较皮带石门的变形量大，这是由于轨道石门底板 较皮带石门底板岩性差所致。 袁23 实际抽载过程 加载千斤硪编号与荷栽fm p a ) 加载序号 l234567 o0oo0000 l1o1 01 01 o1 010 10 2 2 2 22 2 22 22222 2 ，2 33 23 23 23 23 23 232 48 。03 23 。23 23 23 23 2 51 0 ，03 2 3 2 3 2 32 3 23 2 6 1 0 0 g o 3 23 。23 23 23 2 7 1 0o 1 00 3 23 23 23 23 2 8 1 0o1 0 o1 0 03 23 。23 23 2 910 0 1 0 01 0 0lo 0 孔2 3 23 2 l olo o1 0 ol o o1 0 0 1 0 03 23 2 l t1 0 ql o 0t o 01 0 0 1 0 0l oo3 2 l2l o 01 0 0 10 01 0 01 0 0l o 0 3 2 注：1 2 组加载值同1 l 组加载值。只是维持时间较长 图2 7 模型i 试验加载前两巷道的状j 兄 f i 9 2 7 t h e t w or o a d w a y c o n d i t i o n o f m o d e lfb e f o r el o a dt a a t 0 茎些查堂三堡曼主鲎丝堡壅 蔓三兰塑鋈塞塑塑塑堡堡垫整矍 图28 皮带石门的破坏状况 f i g28d e s t r o yc o n d i t i o no f b a i tc r o s s c u t 图2 g 轨逋石门的破坏状况 f i g2 9d e s t r o yc o n d i t i o no f 口a e kc r o c u t 塞些态鲎三矍堡主茎燕篷塞燕兰薹塑望壅塑塑塑! ! 璧熊蕉翌 表2 4 巷道銮姑与加栽过程测试数据 t a b l e2 4 t e s td a t a o fr o a d w a y d e f u m a t i o na n d l o a d p m c 目s 鸯拜载过程与变形量( 1 l 鞴) 巷遂名称数据类墅 两帮位移 l 载道石n 聩底移近 两话位移 l 皮带石门 顶底移近 9 婚 挝移( 诩m ) 一啦邋巷礞底健移 一。一轨道巷两帮位移 一一皮带巷顶骧位移 一一皮带巷两帮位移 加载羹缎的1 3 为加载第一步，4 - - 1 1 为 期载第二参，1 2 为肄箍黎静变形艟 2 6e地1 2 搬载量级 图2 1 0 巷道变形与翱载量级的变化曲绕 h g21 0v a r i a t i o nc u f v eo f r o a d w a yd e f o r m a l i o na n d o a d p r o e e 从图2 1 0 中可以鬻出t 巷遒初始变形速率较大，随后赖于平缓，但在后期变形加剧， 造成巷道发生严重破豁。 2 4 2 模型i i 2 4 2 1 模型巷道说明 皮带石门和鞔道石门的位置及尺寸同模型i 。 2 4 2 2 试验经过 铺模型、挖巷道、打普通锚秆及铺网嚷浆这几个过程均同模型i 。干燥后，开始台主 模型进行第一次麴载，载蒋的溅缀为骧始废力求警，稳定一段时阋藤，然后打开模垄静靛 摸板，开始对巷道进行= 次支护，二次支护的形式是在原有变护豹撼础上再用注浆锚杆进 行锚；生支护，其f 圃排距为3 3x 3 3 m m ；疑对在巷道的底角和底扳打上锚杼，在赢角还要进 行注浆链固，它稍豹谗鼯为3 3 r a m 。锚注对，其注浆作用范围，撮据独立试验确定( 魏龌 3 1l 所示) 。二：= 次支护完成后两巷道的状态如图2 1 2 所示。 最焉开始搬裁，热戴时，首先在垂衷戏力方向加蓟原始应力承平状态，即在模型上方 由试验台控制压力兔3 2 m p a ；水平方向的应力为瓣直方向的曼分之，以确保水平边界条 件。而后根瓣模型i 所确定的威力集中系数对模型进行模拟汗采加簸即试验奁的控制腻 力为1 0 m p a 。 2 42 3 试验结果 经过试验，鹾条巷道均保持较完好的状态，试验后两巷道盼姨况如图2 ，1 3 、图2 1 4 铟 蝴 墨 控 日 东北大学工程磺士学位论文第二章锚注支护的相 甄模拟试验 赝示。在此模型中，皮带石门的两裁移近量为o 5 7 m m ，硬底移近量为7 2 4 r a m ，底扳绝对 鼓起量为0 1 8 m m ，分别模型i 皮带石门变形量的5 5 1 、1 8 4 6 、1 0 1 ；轨道石门的 两帮移近量为0 , 4 7 r a m ，颈底板移近量为5 1 m m ，底板绝对鼓越高度为0 。1 4 m m ，分别模型 i 轨道石门变形量的23 8 、1 1 3 5 、o ，6 5 9 。轨道石门及皮带石门的变形随加载量级的 变纯如表2 5 、图2 1 5 胼示。 豳2 1 t 锚洼支护的洼浆作用范围 f i g21 1g r o n t i n gf u n c t i o nr a n g eo fb o l t i n ya n dg r o u t i n gl i n i n g 囤21 2 横型l i 试验加载前两巷滋的状况 f i 9 2 1 2 t h e t w or o a d w a yc o n d i t i o n o f m o d e li i h f o 槽l o 耐靠t 东北大学工程硕士学位论文第二章锚注支护的相似模拟试验 图2 1 3 皮带石门试验看的状况 f i g2 1 3t h ec o n d i t i o no f b e l tc r o s s c u ta l = t e rt e s t 图2 1 4 轨道石门试验后的状况 f i g2 1 4t h ec o n d i t i o no f t r a c kc r o s s c u ta f t e rt e s t 东北大学工程硕士学位论文 第二章 锚注支护的相似模拟试验 表25 巷遵变形鸟加载过程测试数据 t a b l e25t h et e s td a t ao fr o a d w a yd e f o r m a t i o na n dl o a dp r o c e s s 搬载过程与变形量( m ) 巷道名称数据类型 掰帮位移 轨道石门 顼底穆近 两帮位移 皮带石门 顶底移近 位穆( m ) |。 | ； l 7 ” 二：二二：o - 0 - 轨道巷顶底位移 - 0 一轨道巷两帮位移 - 一皮带巷顼底位移 一一皮带巷两帮位移 加袭量级的l 3 为船载第一步，4 l l 为加 第二步，1 2 为卸压前的变形量 b 268i 8i 2 加载量级 霉2 1 5荣道变形与加载纛级的变纯曲线 f i g21 5t h ev a r i a t i o nc u r v eo f r o a d w a yd e f o r m a t i o na n dl o a dm c i b u r e 从图中可以看出，巷道两帮变形掇一寅较小，而顶底扳变形量初期较小，后期在峰值 艘力连续作髑下产生一定的变形，僵较普通锚喷支护巷道变形量仍较，j 、。 2 4 3 模型i 2 43 1 模翌巷道说明 该模型中的两条巷遵，尺寸相同，即宽x 亮均为1 4 6 x 1 2 3 r a m 豹半圆拱，且处于舞一 水平。 2 4 ，3 2 试验经过 首先将模型按设计要求铺好，待干燥2 0 天后，按照巷道的位置和尺寸开挖两条巷道， 然后一条巷遵打锚秆，每断面1 7 根，这祥合计这个巷道要打3 0 6 榱锚轩，打好锚杆后进行 铺网喷浆；而另一条巷道则进行料石礴支护，实际料石碹支护的厚度为2 5 0 m m ，材料选用 石灰髫，在这个模型中选用的模拟材料是石膏和水班l ：1 比例配制丽成，予制厚度为8 m m 。 干燥后，开始合上模型进行第一次加载，载荷的量级为僚始应力水平稳定一段时间后， 打开模型的前模板：然后开始对巷道进行二次支护，二次支护的形式是在原有支护的基础 上再用注浆锚杆进行锚注支护，同时在底角打上锚杆并注浆锚固，注浆锚杆的问排距为3 3 x 3 3 r a m 。二次支护完成后两巷道的状态如图2 1 6 所示。 束北大学工程硕士学位论文第二章锚注支护的相似模拟试验 囝21 6 模型珊试驻加载前两巷道的状况 f i g21 6t h et w or o a d w a yc o n d i t i o no f m o d c ln jb e f o r el o a dt e s t 最后开始加载，加载时，首先在垂直应力方向加到原始应力水平状态，即在模型上方 由试验台控制压力为32 m p a ；水平方向的应力为垂直方向的兰分之一，以确保水平边界条 件。而后根据模型i 所确定的应力集中系数对模型进行模拟开采加载。即试验台的控制压 力为i o m p a 。 2 4 33 试验结果 经过试验，两条巷道均保持较完好的状态，试验后两巷道的状况如图2 1 7 、图2 1 8 所 图2l7 料石碹加锚注的巷道试驻后的状i 兄 f i g2 1 7 t h ec o n d i b o no f m a t e r i a ls t o n e a n db o l t i n g a n dg r o u t i n gr o a d w a ya f t e r t e s t 示a 两巷道的变形随加裁量级的变化如表2 6 、图2 1 9 所示。在此模型中，料石碹加锚注 的巷道两帮移近量为1 4 6 r a m 、顶底移近量为5 2 8 m m 、底板绝对鼓起量为1 3 4 m m ，分别 为模型i 皮带石门变形量的1 4 1 0 、1 3 4 7 、7 4 9 ；锚喷嗣加锚注的巷遒两帮移近量 为5 0 5 m m ，顶底板移近量为1 6 7 1 r a m ，底板绝对鼓起高度为5 2 7 m m , 分别为模型i 轨道 楚! ! 查兰三墨堡圭兰焦堕皇 兰三兰燮垦童熊竺塑! 些塑苎烘墅 疆门变形量豹2 5 6 2 、3 7 1 8 、2 4 3 4 。 固218 锚喷网加锚注的巷道试验后的状况 f i 9 21 8 t h ec o n d i t i o no f b o l t i n ga n ds h o t c r c t cn e t a n d b o l t i n ga n d g r o u t i n gr o a d w a y a f t e r t e s t 表26 巷道变形与加载过程测试数据 t a b l e 2 6 r s t d a a 缸r o 砥w 封d c 妇m a t 沁a 酥d 妇l d 弘。鹳髓 加载过程与变形量( m ) 巷逆名称数据类型 0 l 23 456 7 89 1 0l l1 2 链喷及锚 两帮位移 l 舶 注巷道 顶底移近 i 砌碹及锚 两帮位移 l 注巷道 顶底移近 位穆( m m ) 】 i 。 一 r ： ： ， ， i 遂 乙 一量。一 l 一 一 一一轨道巷顶底位移 一0 轨道巷两帮位移 一一皮带巷顶底位移 一一皮带巷两帮位移 加载燕级的l 3 为加载第一步，4 1 l 为加载第= 步，1 2 为卸压前的变形量 0246b 1 日1 2 如载麓级 图21 9 巷道变搿与加载量级的变化曲线 f i g2 1 9v a r i a t i o nc i l r v eo f r o a d w a yd e f o r m a t i o na n dl o a dm e r s u ! e 嬲 a 6 2 a a2 9 索北大学工程硕士学位论文第二耄铺洼支护的相似模拟试验 2 4 4 结论 通过以上三个模型的试验，可以得出如下结论： ( 1 ) 对于普通锚囔支护的巷道，在静压作用下，能够保持巷道的稳定，但在经受动压 影响时，巷道变形严重，且底栽量较丈，不能保证稳定，应设法进行加强支护； ( 2 ) 对_ 在普通锚喷支护的基础上加注浆镶杆注浆加固+ 井在赢板上加设底扳锥杆的 巷道，在静幼压作用下，巷道顶底板及两帮位移最极小，一赢保持稳定状态，说明锚注及 全断面支护寄效地加固了巷道的支护结构，提高了支护结构的承载髓力，这是一种较好的 支护形式： ( 3 ) 对于在瞢通锚喷支护的基础上加注浆锚杆注浆加匿，但未在底板上加设底板锚杆 的巷道，在静动压作用下，巷道两帮位移量极小，顶板产生较小的下沉，底板亦产生轻微 的底臌，但巷道一童保持稳定状态，说明锚注支护有效地加固了巷邈顶帮支护结构，提高 了支护结构的承载能力这也是一秽较好的支护形式； ( 4 ) 对于在料石碹盘护的基础上加注浆锚杆注浆加固，底板未加设底板锚杆的巷道， 在静动压作用一f ，巷道两帮位移量极小，顼板产生较小的下躐，疯板亦产生轻微的底臌， 且巷道一直保持稳定状态，说明锚注支护有效地加固了料石碹支护巷道的顶帮支护结构， 提嘉了支护结构的承载能力，这也是一静较好豹支护形式； 总之，在各种支护形式的基础上增设注浆锚杆进行= 次注浆加固，能有效地提高支护 结构的承载能力。保证支护结构的稳定，这是一种非常好的支护形式，能较好地解决跨采 软岩巷道的支护问题。 东北太学工程硕士学位论文 第三章巷道锚注加固蓦；验研究 第三章巷道锚注加固试验研究 本章将根据巷道材料模拟试验结论。着重讨论鲍店煤矿跨采软岩巷道料石砌碹支护段锚注 预加固试验情况+ 并对试验技术和结果进行分毫斥”“”“。 3 1 试验巷道概述 由于生产需要，鲍店煤矿计划开采1 3 1 0 条带，采用综采放顶煤采煤工艺，次采全高9 0m 厚煤层，因此届时必然严重影响_ 1 ：作面下方及影响范潮内的北冀鞔道石门、皮带石f 1 的稳定性， 且凶巷道所处岩层与轨道及皮带大巷相类似，火部分为黑色泥岩。所以必然象北翼轨道大巷和 皮带大巷一样发生严黧破坏。叉由于皮带石门是北翼一、五采区回采工作面及掘进1 二作面煤炭 运输的唯一信道，丽轨遵石门是北翼一、五采区材料、设备、矸石运输的唯一信道，因此它们 是北翼采区运输的咽喉，一旦破坏将严重影响矿井的正常生产。 同隧，轨道石门和皮带石门中均存在料石砌碹支护类巷道，其中轨邀石门中两段t 会计2 7 0 余m ，皮带石门中亦有两段，合计1 5 0 余m 。具体工程位置见图3 1 所示，目前支护方式如 图32 所示。 囤3 1料石砌碹支护巷道的位置及与工作面的关系 f i g31 t h er e l a t i o nb e t w e e ns i t u a t i o no f m a t e r i a ls t o n eb r i c k w o r k a p p o r t i n gr o a d w a y a n dw o r k i n gf a c e 根据资料记载，料石砌碹支护段工程距大马厂断层较近，原设计采用锚喷网联台支护，后 网露岩极其破碎，多次发生霉顶事故，掘进和支护较困难，因此确定改链喷羽支护为料石瑚碹 支护。据该段_ 程的隐蔽工程记录记载，施工期间曾发生大小冒顶事故二十余次，碹体壁届空 顼距多处达l - - 3m ，两穗弱岩极其松敬破碎。因1 3 1 0 i 作匿计划予1 9 9 8 年2 月开始圆莱， 必然对该段工程产生影响，该段工程一融经受动压作用，且由于料石砌碹支护为刚性支护，一 曼失稳就会发生极其严重的破坏，造成北翼皮带及轨遴运输的瘫痪，而且在修复时劳动强度犬， 安全性菱，易发生冒顶事故。因此必须对该段进行预加固，从而确保轨道及皮带石门在动压r 的稳定性。 3 2 料石砌磋支护巷道锚注预加固方案与参数 东北大学工程硕士学位论文第三章罄道锚注加固窭验研究 32 1 料石砌碹支护巷道锚注颓加固支护方案 北翼石门料石砌碹支护段的预加图支护方案是根据1 3 l o 工终箍最动影嚷下的巷道摆似材 料模似试验及数值计算分析结论，经研究决定采用锚注预加固联台支护方案，与原方案设计相 比，减少了底板锚奉 支护，印在琢辩石瑚碹支护的基础上，善先先喷浆_ 捧毒置洼浆短营进行壁 后注浆充填利用浆液将料石壁后极其破碎的岩石胶结成撼体，从而便于后期的打眼，然后在 巷遂顶帮布置注浆锚杼进行注浆。然矗蒋根器需要进行挂嘲、安设钢带、主托盘等，待1 3 1 0 工作面回采后再喷浆护面；为减少底臌，在巷道底角采用底角注浆锚杆进行注浆加圈，以利于 浆液扩散至底扳岩层之中。支护结构如嘲3 3 ，图3 + 4 所录。 铲j焱； ； |匡 ? 掣厶卜 一 池i 一 ( a ) ( b ) a 一轨道石门：b 一皮带石门 图3 4 料石砌谴支护巷逋锚往预加阐支护结构 h 邸4 8 0 岫刚删一州墒“娜咖“盯m 一蝴砒蝌劬g r o 姗力 东北大学工程硕士学位论文 第兰章巷道锚往加固实验研究 3 2 2 料石砌碹支护巷j 赣锚注预加固支护参数 锚注颈加曝支护所蠲耪籽主要包括注浆短管、内注浆锚杼、金属网、钢筋带、撼脂锚圈裁、 水泥、水玻璃、喷射混凝士等。 ( 1 ) 注浆短管注浆短管采用6 分焊接管审l 幸# ，加工示意图蠡蘸35 掰示。间排飚2 0 2 0 m ，每个断面布置5 - - 6 个注浆短管。 ( 2 ) 顶帮注浆锚杆顶帮注浆锚秆采用端锚内注浆锚杆，规格出2 2 2 2 0 0 m m ，用无缝钢 管制作，壁厚4 r a m ，杆体上顺序钻有6 r a m 注浆孔，杼尾设麻花锚固段，一个树脂锚固剂端锚， 锚豳力70t ，其加工结构敷参数如图3 6 所示；封孔采用橡胶止浆塞和快硬水泥药卷，止浆 塞结构如图3 7 所示。注浆锥杆全断面布置，间排距1 0 1 o m ，每个断面布置1 1 1 3 根锚 杆。 ( 2 ) 底角内洼浆锚轷采用端锚内注浆锚抒，规格同顶帮注浆锚扦，排距1 ，0 m ，距巷 道底板1 0 0 2 0 0 m m ，倾角3 0 。4 5 。 材料：l 英寸焊接管 图35 注浆短管加工示意圈 f i g35p r o c e s s i n gs t e t c hm a po f g r o u t i n gs h o r tp i p e 丰才料：由2 2 ( 髓撵4 翻m ) 无缝管 圈36 注浆锚杆结构图 f i g 3 6g r o m i n gb o l ts t r u c t u r e ld i a g r a m 材科擞段或软本 图3 7 止浆塞加工固 f i g 3 7c o n c r e t ep l u gp r o c e s sf i g u r e ( 4 ) 钢筋带采用中6 m m 钢筋焊接而成，规格6 0 1 2 0 0 m m 。 ( 5 ) 金属嗣采用8 8 铁丝编织