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张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 摘要 三软煤巷支护，是我国煤矿向深部延伸和回采时面临的支护难题，也是我国 科研工作者攻关的课题之一，本文首先从软岩的特性、三软巷道围岩的矿压特征 分析人手，采用实验室相似模拟实验，对工字钢和锚梁网两种不同支护方式，在 静压条件下的支护效果以及围岩活动规律进行研究，并对锚固体在不同锚固密度 下岩体力学性质的改变分析，根据实验室相似模拟结果，来设计三软煤巷锚秆支 护参数，通过大量的现场实测，进行验证分析，并从理论上对巷道围岩锚固体位 移进行预测，来说明锚梁网支护更能适应三软煤巷的支护，通过设计合理的支护 系统，并在淮北张庄矿三软煤巷中得到应用，取得了理想的支护效果，不仅使巷 道在接替周期长、动压影响频繁条件下，巷道稳定性好，满足了生产实际的需要， 而且也取得了明显的经济效益，对我国分布广泛的软岩巷道支护也提供了有益的 借鉴。 关键词三软煤巷锚梁网支护 相似模拟理论分析现场实测 整壅堡三墼堡鲞笪旦塞塑查墼垦塞全里塞堡塑堡窒一 a b s t r a c t t h es u p p o r to fs o f t r o c ke x i s t sap r o b l e mw h e nac o a lm i n ee x t e n d sa n d e x t r a c t si no u rc o u n t r y ，i tb e c o m e so n eo ft i t l e s i nr e s e a r c hf i e l d s ， t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds u r r o u n d i n gp r e s s u r ec h a r a c t e r so fs o f t r o c ka r e a n a l y s e da tf i r s tb ys c a l em o d e ls i m u l a t i o ni nl a b t h es u p p o r te f f o r ta n d m o v e m e n tl a w so fs u r r o u n d i n gr o c ku n d e rs t a t i o n a r ys u r r o u n d i n gp r e s s u r e a r es t u d i e db e t w e e nb o l t b e a m m e s hs u p p o r t a n du s t e e l s u p p o r t ， a n c h o r h o l da n a l y s ei ns o u n d i n gr o c kb ya n c h o r sw h i c ha r ei nd i f f e r e n t b o l t h o l d i n gd e n s i t y ，s c a l em o d e ls i m u l a t i o ni su s e di nt h eb o l ts u p p o r t o fs o f tr o c kc o a lg a t e w a y s al o to fp r a c t i c a lm e a s u r e m e n t so ns p o t 、 m o d e ls i m u l a t i o ni nl a ba r eu s e dt ov a l i d a t ea n a l y s i sa n df o r e c a s t d i s p l a c e m e n t o fa n c h o r - h o l d b o d y o f s u r r o u n d i n g r o c ki n t h e o r y ，b o l t - b e a m m e s h - c a b l es u p p o r t i sr a t h e rb e t t e rt h a nb o l t - m e s h s u p p o r ti nc o a l l a n e o fs o f t r o c k ，r e a s o n a h l es u p p o r ts y s t e mi sd e s i g n e d a n da p p l i e di ns o f t r o c kl a n e sa tz h a n g z h u a n gm i n ei nt h en o r t ho fa n h u i ，a n d t h e p e r f e c ts u p p o r t e f f e c ti so b t a i n e d ，n o t o n l y t h e b o l t - b e a m m e s h - c a b l e - s u p p o r t e dc o a lg e t w a y sa r ew e l lm a i n t e n e da n dt h e n e e do fm i n ep r o d u c tp r a c t i c ei sm e e t e d ，b u ta l s od ot h e yb r i n gd i s t i n c t l y e c o n o m i cb e n e f i t ，i tw i l lg i v eab e n e f i c i a lr e f e r e n c et oo t h e ra n a l o g i c a l m i n ei ne x t e n s i v e l yd is t r i b u t i v es o f t r o c ks u p p o r ti no u rc o u n t r y k e y w o r d s ： s o f t r o c ko f c o a lr o a d w a y b o l t - b e a m - - m e s hs u p p o r t s c a l em o d e is i m u l a t i o n t h e o r ya n a l y s i s p r a c t i c a lm e a s u r e m e n t s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞微堡王盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用 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。 学位论文作者签名：签字日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 塞擞望三盍堂有保留、使用学 位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 塞煎堡至盘堂 可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论 文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期：年月日 导师签名： 签字日期：年月 日 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 1 绪论 1 1 问题的提出和背景 我国煤炭资源丰富，年产量居世界首位。目前我国煤矿井下岩巷主要使用锚 杆支护，煤巷使用锚杆支护起步较晚。随着开采深度的加大，围岩的应力也随之 增大，给支护带来了困难。对于软岩和三软回采巷道的支护，变得更加突出。由 于锚杆支护较u 型钢棚式支护具有明显的支护和加固围岩效果，在煤巷中逐渐得 到越来越广泛地应用，主要表现在：锚杆支护可充分利用围岩的自身能力，将围 岩变为承载体。一般棚式支护属于“被动支护”、等待来压，基本不具有初始阻力， 只是在围岩变形后，随着围岩变形量的增加，支架支护阻力随之增加，当围岩变 形量超过支架承受的极限承载能力时，支架发生变形、扭曲而失去支护作用。由 于锚杆支护属于“主动支护”，在锚杼安装以后，锚杆就对围岩提供轴向和横向的 支护阻力，且随着围岩在一定的变形范围内，支护阻力不断增加。对于大变形的 软岩，锚梁网、锚网和锚索等联合支护较棚式支护，有较好适应围岩大变形的能 力。锚杆联合支护更有利于改善软岩巷道的支护状况，保持巷道围岩的长期稳定。 在相同围岩地质条件下，锚杆支护的巷道变形量通常比棚式支护小得多，锚杆支 护能够带来直接和间接的经济效益，同时减少支护材料的运输和装卸工作量，减 轻工人的劳动强度和改善作业环境，由于锚杆支护巷道围岩稳定性好，巷道服务 年限较长，而且基本不需要维修，因而能够满足矿井生产的需要，同时也为回采 工作面快速推进和综采综放面高产高效仓g 造条件。从国内外锚杆支护的现状来看， 锚杆在i 、i i 、i i i 类围岩中已经得到了广泛的应用，而在i v 、v 类以上的围岩 中应用，还受到具体的毙质条件和工程因素的影响，尤其在软岩的回采巷道中的 使用，还有待于进一步推广。从我国软岩的分布来看，软岩分布的范围也相当广， 由于软岩回采巷道大都处于煤层巷道中，在我国大约占三分之一以上煤层的围岩 属于软岩。由于软岩的种类、岩性存在着很大的差异，而且岩体的软弱程度也不 一样，巷道所处的地应力和构造应力差别也很大。对软岩的研究还缺乏系统的、 定量的分类，以致于在软岩巷道支护中，仍然根据具体的围岩条件，采用工程类 比法来确定其支护方式和支护参数，这就影响了软岩巷道锚杆支护应用的推广。 对于三软的回采巷道，频繁地受采动影响，其支护参数还没有统一的标准，随着 软岩强度不同，开采深度的增加，支护参数也要随之改变。为了有效地支护三软 巷道，对不同的软岩根据其具体条件，需要有适应其围岩变形特征的相应支护方 式和支护参数。在三软煤层回采巷道中，两帮煤体强度一般比较低，随着采掘向 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 深部延伸，巷道所受的应力增大，两帮松软的煤体会发生臌起，甚至发生大面积 的片帮现象，使支架变形加尉，致使支护失效。长期以来，由于我国煤巷主要使 用工字钢和u 型钢等棚式支护，很难适应深部三软回采巷道对支护的要求。而现 行的锚杆联合支护，仍然采用工程类比法。对三软回采巷道的支护参数还需要进 一步研究，这是我国煤矿三软巷道支护面临的重要的研究课题，对它的研究具有 直接经济效益和现实意义“”。 淮北矿区从7 0 年代以来，随着光面爆破和锚喷的逐步推广应用，才扩大了锚 杆在并巷中应用范围，同时也显示出较好的经济效益，但占锚杆支护进尺9 0 以 上的巷道为全岩锚喷支护，对于大量的煤巷、半煤巷仍沿用其它支护形式。从1 9 9 2 年开始，淮北矿区在煤巷中大力推广使用锚杆支护。目前淮北矿区煤巷锚杆支护 在顶板条件较好的巷道中已成功地得到应用。但对三软凰采巷道锚杆支护还没有 得到更广泛的使用，主要原因是对回采巷道围岩稳定性分类及巷道断面和支护的 标准化没有形成系统规范的具体方案来指导，同时对软岩动压巷道中的锚杆支护 机理缺乏统一的认识和更深入了解，对锚杆支护的抗拉力与支护刚度不易掌握， 工程中难以设计好支护参数并估计其可靠性。因而直接影响到三软回采动压巷道 锚杆支护的应用推广。 正因如此，本课题结合淮北张庄矿的实际情况，分析和研究该矿在三软煤层 巷道采用锚网( 梁) 支护时的有关安全可靠性的问题，这不仅可以指导该矿的设 计与施工，也必将为今后更广泛地在三软煤层巷道内推广使用锚网( 梁) 支护起 着积极的指导作用。 1 2 软岩煤巷锚杆支护国内外现状 1 2 1 国外软岩煤巷锚杆支护现状“1 锚杆支护技术始于国外，1 9 0 5 年美国在岩土工程中开始使用喷浆技术，1 9 1 1 年德国开始第一次在井下巷道喷浆，随后锚杆支护在奥地利、瑞典、德国、加拿 大和澳大利亚等国家得到普遍的应用，当前锚杆支护技术最为活跃的国家是澳大 利亚。 1 ) 美国 美国是世界上最早使用锚杆并把锚秆支护作为煤矿顶板主要支护方式的国 家，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，由 于锚杆能有效地控制围岩，维护其稳定性。目前，所有井下巷道都布置在煤层中， 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 每年使用锚杆数量在8 00 0 万根以上，在美国，煤巷锚杆的使用比较普遍。 ( 2 ) 澳大利亚 基于应用岩石力学原理和实测技术，通过地质调查，了解锚固巷道的围岩地 质条件和地应力状态，对围岩进行变形量测和锚杆受力量测，通过分析其实测数 据来研究巷道围岩的变形机理以及锚杆参数的优化设计系统。同时，澳大利亚的 锚杆机具装置的研制也居世界领先水平。发展特种锚杆：纤维增强塑料锚杆，重 量只有钢材的1 1 4 ，而强度高于钢材；采区高预应力锚杆；注入式锚杆等。 ( 3 ) 英国 英国1 9 6 2 年曾大规模使用过机械端锚锚杆，最终因锚固力低，锚杆失效率普 遍高达5 0 ，不能适应煤层软岩巷道的支护要求，1 9 8 7 年英国研制出全长锚固的 高强度锚杆支护杆体，设计拉拨力达2 5 0 k n 的a t ( a u s t r a l i at e c h n o l o g y ) 锚杆， 锚固强度达0 3 m p a ，有效地控制了煤巷围岩的变形幅度，使锚杆支护得到了迅速 发展。1 9 9 3 1 9 9 4 年度，英国煤矿采掘巷道2 1 5 0 0 0 m ，用锚杆支护巷道1 3 6 0 0 0 m ， 已占6 3 ，1 9 9 4 年度，英国研制了直径达3 2 m m 、设计强度达5 0 0 x n 的大锚杆，这 样可在不降低锚固强度的前提下，加大锚杆的问距。 1 2 2 国外软岩煤巷锚杆支护特点及发展方向“1 国外锚杆支护应用十分广泛，在各类巷道中都有应用。软岩锚杆支护在美、 澳等国并不突出，德国比较重视开采深度大、岩体质量差等地质条件下的锚杆支 护问题，锚杆的安装速度是制约煤矿生产的瓶颈，必须提高锚杆强度以增大锚杆 间距，为了有效地支护岩体条件差、强度低的围岩，英匿研制成锚固力达到5 0 0 k n 的“大锚杆”，并在a s f o r d b y 矿试验成功了间距为1 o m 的“大锚杆”。从大量资 料显示：国外锚杆支护的发展方向是提高锚杆的锚固力，特别是提高软岩回采巷 道锚杆支护的锚固力，增加金属网或高强度钢带，使整体强度得以提高，并充分 发挥围岩的自承能力，扩大锚杆支护应用范围，提高锚杆支护效率。 1 2 3国内软岩煤巷锚杆支护现状及其特点与发展方向 1 ) 国内软岩煤巷锚杆支护现状 我国从1 9 5 6 年起在煤矿岩巷中使用锚杆支护，至今已有4 0 余年的历史。6 0 年代锚杆支护开始进人采区，但由于煤层巷道围岩松软，受采动影响后围岩变形 薰很大，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。 据不完全统计，1 9 9 5 年全国重点煤矿当年掘进煤巷中锚杆支护比例为1 5 左 右，而且主要集中在最好的i 、i i 类回采巷道中，到1 9 9 8 年煤巷锚杆支护比例达 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 到2 0 以上，目前全国重点煤矿煤巷锚杆支护比例也不到4 0 ，离国外发达国家还 有很大的差距，为了扭转我国在煤巷锚杆支护领域的被动局面，九五期间“煤巷 锚杆支护技术”被列为国家重点科技攻关项目，经过几年来的科研攻关，在技术 上不断成熟，并在两淮地区、徐州等各大矿区得到推广，初步形成了适合我国煤 矿条件的煤巷锚杆支护成套装备和技术。例如，潞安常村煤矿采用新型的小孔径 树脂注浆联合锚固预应力锚索和高强度锚杆组合支护系统，成功地支护、加固了 多条大断面、围岩松软破碎、受地质构造和小煤柱影响的困难巷道；兖卅矿区采 用高强度锚杆与锚索成功地支护了综采放顶煤沿空掘巷支护难题，进一步扩大了 锚杆支护技术的应用范厨。目前在大型矿井中锚杆支护比例占到5 0 以上，近年 来我国加大对软岩巷道、三软煤巷锚杆支护的研究，已成功地将锚梁网、锚网索 等应用到软岩巷道中，并取得了一定的经济效益。但对三软煤巷锚杆支护参数的 合理选择还是借助“工程类比法”，因而对不同围岩特性的三软煤巷的锚杆支护参 数还有待于进一步的研究”“6 ”“”“”。 2 ) 国内煤巷锚杆支护特点及发展方向 在借鉴国外经验的基础上，结合我国煤矿的具体实际情况，以地应力现场实 测为基础，总结研究出“地质力学评估初始设计一现场监粳4 信息反馈 修改设计”的动态设计方法，并结合有限差分数值模拟分析，使锚杆支护参 数设计趋于合理，煤巷锚杆支护与传统的岩巷锚喷支护体系有着本质的不同，其 主要特点是用全长锚固的大杆径、高强度组合锚杆支护体系。 同时发展到用高强度的螺纹钢锚杆杆体，配合不同凝胶时间的系列化树脂锚 固剂，使锚杆的锚固强度达到或超过锚杆杆体的极限强度，大大提高锚杆对围岩 的加囿效果，对软弱破碎围岩采用锚梁网、锚网等组合形式，把单一的锚杆组合 成整体结构，形成组合拱对围岩整体加固作用。 1 3 煤巷锚杆支护理论“1 煤巷锚杆支护理论主要有：悬吊理论、组合粱理论、加固拱( 压缩拱) 理论、 最大水平应力理论和围岩强度强化理论。这些理论都是以一定的假说为基础，各 自从不同的角度、不同的条件阐述锚杆支护的作用机理，力学模型简单。计算方 法简明易懂，适用于不同的围岩条件，得到了国内外的承认和应用。其中，近年 来提出了围岩强度强化理论，比较好地揭示了锚杆支护的实质，扩大了锚杆支护 技术的应用范围，特别是为煤巷和软岩巷道的锚杆支护提供了理论指导。 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 1 3 1 悬吊理论 悬吊理论认为：锚杆支护作用就是将巷道顶板软弱岩层悬吊在上部稳定岩层 上，以增强软弱岩层的稳定性。对回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷道开挖后， 直接顶因弯曲、变形与老顶分离，如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上， 就能减少和限制直接顶的下沉和离层，以达到及时支护的目的。 巷道浅部围岩松软破碎，或者巷道开挖后应力重新分布，顶板出现松动破裂 区，这时锚杆的悬吊作用就是将这部分易冒落岩体悬吊在深部稳定的岩层上。 1 3 2 组合梁理论 组合粱理论充分考虑了锚杆对岩层离层与滑动的约束作用，适用于层状岩层。 该理论认为，锚杆提供的轴向力将对岩层离层产生约束，并且增大了各岩层间的 摩擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生的相对滑动。 1 3 3 加固拱理论 加固拱理论认为，即使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，也可以形成 一个承载结构。只要锚杆间距足够小，就能在岩体中产生一个均匀压缩带，它可 以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用， 在软岩巷道中得到较为广泛的应用。 以上几种锚杆支护理论认为：锚杆在岩体中形成有利于围岩稳定的结构，由 结构承载围岩压力，目前这些理论仍然广泛地应用于我国煤矿巷道的锚杆支护设 计中，对人们认识和理解锚杆支护具有重要的意义。但是，锚杆的锚固强度、结 构承载能力及围岩压力三者的关系，以及对被加固体本身力学行为的分析探讨， 理论计算与实际还有一定的的差距。 1 3 4 最大水平应力理论 最大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔提出，该理论认为：矿井岩层的水平 应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，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的影响，在最大水 平应力作用下，顶底板岩层易发生剪切破坏，出现错动而膨胀造成围岩变形，锚 杆的作用即是约束其沿轴向岩层和垂直于轴向的岩层剪切错动。 1 3 5 围岩强度强化理论 围岩强度强化理论认为：巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相 互作用而形成锚固体，形成统一的承载结构。巷道锚杼支护可以提高锚固体的 力学参数( e 、c 、中) ，改善被锚固区域岩体的力学性能。巷道围岩存在破碎区、 塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度都得到 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 强化；巷道锚杆支护可以改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承 载力、改善巷道的支护状况；巷道围岩锚固体强度提高以后，可减少周围破碎 区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有 利于保持围岩的稳定。 1 4锚杆的分类及施工器具 1 4 1 锚杆的种类 1 4 2 锚杆的施工机具 钻凿锚杆孑l 和安装紧圃锚秆是煤巷锚杆施工的主要两大工序，钻凿锚杆孔的 主要设备是锚杆钻机，目前，锚杆钻机的种类很多，按所用动力可分为电动、气 动和液压；按工作原理可分为旋转式、冲击式、冲击旋转式；按钻机的整体结构 可分为单体式、钻车式和综合式。煤巷常用的锚杆钻机有：q y m 3 0 a 型液压锚杆钻 机、m d s 3 型电动锚杆钻机、h m d l 5 型和h m d 2 2 型电动锚杆钻机、q y m 系列轻型液 压锚杆钻机、m q t 系列气动锚杆钻机、m y t 一1 4 0 液压锚杆钻机等。 1 5 我国三软煤巷锚杆支护现存的问题“”“”“ 我国锚杆支护的应用范围还不广泛，同发达国家存在很大差距，在煤层巷道 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 中锚杆支护只占25 2 主右，不仅i v 、v 类巷道难以应用，对于三软煤巷的支护还 处在不断探索之中，重点是支护方式和支护参数的研究。 煤层巷道围岩一般比较松软，且受动压影响，现有的刚性锚杆锚固强度比较 低，一般低于0 i m p a ，煤层巷道的变形量一般都比较大，巷道服务年限较短的围 岩变形量一般在1 0 0 1 0 0 0 m m 以上。而刚性锚杆支护的巷道，围岩位移量超过5 0 r m m 左右时，巷道周边围岩就出现开裂；超过1 0 0 z n m 左右时，就会碎裂剥落；超过2 0 0 m m 左右时，巷道顶板就出现“抽条”和煤帮明显鼓出。锚杆的锚固力逐渐丧失，进 而原锚固岩层与岩体离层及锚杆脱落，巷道发生冒顶和坍塌。煤层巷道围岩变形 量普遍较大，而锚杆的锚固强度和允许的围岩变形量甚小，这是锚杆在煤层动压 巷道中应用不广泛和难以推广的主要原因。 同时，我国回采巷道的锚杆锚固力普遍偏低，特别是软岩的回采巷道变形大， 甚至发生冒顶和大面积片帮等现象，给煤矿安全生产带来了严重的威胁。例如， 新汶矿务局锚杆平均抗拔力仅为4 5 k n ，全锚锚秆只有8 4 k n 。 另外，锚杆安装的密度大( 间距一般为0 6 o 8 m ) ，施工速度慢，直接影响 煤矿生产的高产高效。对于软岩动压巷道锚杆支护的参数还没有统一的标准，需 要根据具体的围岩条件，进行锚杆参数研究。锚杆支护参数是否合理，直接影响 巷道特别是三软煤层巷道的稳定。 1 6研究内容与研究方法 1 6 1 研究内窨 所谓可靠性，就是指在规定的时间内、在一定的条件下系统地发挥预定功能 程度的大小。由此可知，三软煤层巷道锚杆支护的安全可靠性，应该是指所采用 的锚杆支护系统，保证该煤层巷道从掘出至工作面回采结束时，满足安全生产需 要的程度大小。显而易见，巷道不能满足安全生产主要有以下两方面原因：一是 巷道围岩发生了冒落或脱落；二是巷道发生较大的变形影响正常使用，大量的研 究和实践表明，采用锚杆支护巷道的变形量要小于架棚巷道，故从巷道变形的角 度上讲，架棚支护能够满足，采用锚杆支护时也应能满足要求。因此，巷道围岩 发生破坏是锚杆支护系统失去其可靠性的主要表现形式。 本课题研究的主要内容：按照现有的支护理论和计算方法，对三软煤巷采用 锚网支护的主要参数进行合理性分析，着重分析锚杆支护的主要破坏形式和破坏 原因，选择比较安全可靠的锚网支护方式，并通过计算和试验，分析和验证新的 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 锚网支护系统对围岩破坏的控制程度及其支护效果。 1 6 2研究方法 1 首先针对张庄矿现有的三软煤巷锚杆支护主要参数进行合理性分析； 2 调查和分析实际生产过程中，三软煤巷采用锚杆支护时的主要破坏方式及 原因： 3 针对该矿锚杆支护所存在的薄弱环节，提出巷道采用锚网支护时新的布置 方式； 4 对新的锚网支护系统安全可靠性进行分析； 5 在实验室内进行相似模拟试验； 6 进行现场工业性试验； 7 总结各部分研究的成果，形成总观点。 1 7课题研究的意义 煤巷锚杆支护与传统的工字钢支护相比，具有显著的特点，主要是锚杆支护 是变“被动支护”为“主动支护”，对暴露后的半煤岩巷、煤巷及时安设锚杆，提 供足够的初锚力，使其成为承载结构，对破碎及软弱顶板和软弱煤体起到及时有 效的支撑和加固作用，近年来，我国煤矿锚杆支护由于锚固长度的加长、锚杆杆 材屈服强度的提高和锚杆杆径的加大，使得全锚锚杆的锚固力和可靠性得到较大 的提高。对软弱破碎围岩普遍使用质量较高的金属网和w 型钢带或钢梁等网护， 使全锚锚杆支护系统的整体性得到很大提高，基本上实现了锚杆支护的强初撑、 急增阻和高阻力的力学特性。同时对三软煤巷使用锚网梁支护具有施工速度快、 成本低、支护效果好，较工字钢支护具有明显的经济效益，因此，锚网梁支护在 我国三软煤巷中得到了越来越广泛的应用，本文采用现场实测和实验室相似模拟 相结合的方法，对三软煤巷锚网支护机理以及受动压影响下的锚杆支护参数的研 究，利用现场反馈的信息，来优化锚网支护参数的设计，同时对现场施工生产和 类似条件下的软岩煤巷的支护也具有一定的指导意义。 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 2 三软煤巷锚网支护安全可靠- 眭问题的理论分析与研究 2 1 锚杆支护三软煤巷的地质及生产情况 目前，张庄矿采用锚网支护的三软煤巷主要分布在i i ：采区，该采区西翼为3 、 5 煤层开采，东翼为5 煤层开采，煤层坚固性系数为o 5 2 ，平均单向抗压强度为 5 2 m p a ，内摩擦角o = 3 0 。，3 煤层厚度1 5 4 o m ，平均厚度2 5 m ，平均倾角 为1 0 。，5 煤层厚度1 2 4 1 m ，平均厚度2 3 m ，平均倾角为1 0 。，煤层较软， 普氏系数f 、 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 支护、锚竹笆支护以及锚喷支护等。不论上述何种支护方式，该矿在三软煤巷中 所选用的锚杆长度，以及锚杆株排距，仍然保持着和以往相同，即：锚杆长度均 为1 8 m ，锚杆株排距7 0 0 8 0 0 m m 。其布置方式见图2 2 。 c 巷道顶板 b 巷道煤帮 】、顶扳锚杆： 1 6x 姗砌的铁锚杆 2 、锚扦托板：4 0 0 2 0 0 5 咐髓木托板 置帮锚杵： 3 2 x1 8 m m 酌木锚杼 那么，在三软煤巷中，仍然采用这样的锚杆长度以及同样的株排距是否合理 和可靠呢? 本章按照现有的支护理论和计算公式进行初步分析和论证。 2 2 1 锚杆长度的分析 ( 1 ) 、根据悬吊理论，当顶板具有一定强度时，而其上方又有强度比较高的 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 岩层，则顶板锚杆长度必须满足如下条件： l t 1 + h + t 2 式中：l ：锚杆长度； t ，：锚杆锚人悬吊岩层的深度，一般取0 4 i r ； h ：被悬吊岩层的厚度； t ：锚杆外露长度，增加了梯子梁及托板后，长度一般取0 1 0 m ； 将部分数据代人上式，则可得出锚杆长度与被悬吊岩层厚度之间的关系： l 0 5 0 + h 从此式可以看出，被悬吊岩层越厚，则要求锚杆的长度也越长，当锚杆长度 为1 8 m 时，可得出： h 1 8 - 0 。5 0 = i 3 01 1 1 因此，按照这种理论，只有当需要悬吊的岩层小于1 3 0 m 、而其上方又有坚 硬的岩层时，选择1 8 m 长的锚杆才是可靠的。 那么被悬吊的岩层厚度是如何确定呢? 我们首先看一下煤层顶板结构，该矿 煤层直接顶多数为块状泥岩，且上方为砂岩老顶，厚度在2 5 m 以上，从已回采的 工作面来看，当直接顶的厚度不大时，比较容易与老顶离层，因此，其直接顶可 视为被悬吊的岩层，故要求直接顶的厚度小于1 3 0 m 。 ( 2 ) 、按照组合梁理论，当顶板上方没有坚固的岩层时，使用锚杆后，可将 被锚固的岩层形成一个组合岩梁，通过两侧围岩的支撑丽保持平衡。这种理论认 为，由于锚杆的存在，增大了岩层之间的摩擦力，提高了岩层的抗剪和抗弯能力。 根据这一理论，按照前面给定的生产和地质条件，1 8 i c i 长的锚杆所形成的组 合岩梁能否保持平衡呢? 为讨论这一问题，有人曾推导出组合岩粱以梁的形成而保持平衡时，所要具 备的条件。 如图2 3 所示，要保证粱的下部不因受拉而发生破坏时，组合岩粱的厚度必 须满足如下条件： h jk x 口x p 4 x 鼍 x + 以) 式中：k ：安全系数； q ：组合梁上部载荷； l ：巷道的跨度l = 2 8 m ； 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 马：直接顶的单项抗拉强度，r = 3 m p a ： 6x ：巷道两帮的侧压； 1 l r ：与组合岩梁的分层数目有关的系数。 从上式中可以看出，保持巷道顶板平衡时，要求组合岩梁的厚度，与梁的上 部载荷q 成正比，与梁所受到的侧压成反比。但是，由于梁的上部载荷与所受到 n 图2 3 组台粟受力图 6x 的侧压不能准确求得，所以给上述计算带来了困难。 现假设梁所受到的侧压系数 = 1 ，分层数目n = 3 时，v ：0 7 ，将上述有关数 据代入，则可求得1 8 m 长的锚杆所形成的组合岩梁时( 组合岩梁厚按h ：1 3 0 m 计 算) ，所能承受的上部载荷q = 5 0 5 m p a 。 根据目前人们对矩形巷道受力的研究，其巷道顶板上方并不受多大的力，而 是以一个卸压拱的形式存在。这一点在本文的第三章有限元计算中可以清楚地看 出。显然，上述所计算出的梁的受力，超过梁的上方所受到的实际载荷，因此， 针对该矿实际情况，按照上述计算方法，1 8 m 长的锚杆所形成的组合岩梁，是可 以保持平衡的。 若不考虑组合梁上部承受载荷，按照两侧围岩为简支的组合岩梁计算，要保 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 证组合岩梁自身平衡，则组合岩梁的厚度必须满足： 拈j 警挚 式中：h ：组合梁厚度； h ，：组合梁有效抗弯断面厚度； b ：巷道的跨度； y ：组合梁容重。 按照此式，将有关数据代入，可以算得，对于1 8 m 长的锚杆，形成1 3 0 m 厚 的组合岩梁时，显然是可以保持其自身平衡的。 因此，根据这一理论，可以得出，在上述给定的条件下，当直接顶的厚度大 于1 3 0 m 时，采用1 8 m 长的锚杆后，由于锚杆的作用，使得被锚固部分的直接顶 形成了组合岩梁，可以保证顶板的稳定。 ( 3 ) 、按照围岩松动圈支护理论，锚杆的有效长度应不小于巷道围岩松动区 的厚度，根据这一理论，锚杆长度必须满足： l r r + t l + t 2 式中：r ：围岩松动区的半径，见图2 4 ； r ：矩形巷道外接圆的半径r = 1 8 0 m ； t 。：锚杆锚固段长度，一般取o 4 m ； t 2 ：锚杆外露长度，一般取0 1 0 m 。 围岩松动区的半径，可通过现场实测而求得。 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 根据弹塑性理论，将巷道围岩看作均质体，则可近似计算出巷道围岩松动区 的半径： r ：r f 竺兰! 堡翌挺二! 垫翌2 _ 而 【 j p 7 + c x c t g q ， j 式中：p ：原始应力； c ：围岩的粘结力，取煤层c = o 8 5 m p a ，直接顶c = i 2 7 m p a ； 妒：岩石摩擦角； p ：支护抗力。 将有关数据代入上式，可以算出 两帮煤体中的松动区半径： 月乩j 鱼! 螋：丝旦塑塑鱼：洹二! 塑! ) 泽 【o 8 5 c t 9 3 0 。 = 3 1m 顶底板中的松动区半径： 只：1 8 ( 3 1 8 x 0 0 2 + i ? ? c t 9 4 0 遁1 - s i n 4 0 。) f 鬲4 0 h h i1 2 7 c 增4 0 。j = 2 2 1m 故按此理论： 顶锚杆长度 l 2 2 1 1 8 + 0 “o 1 0 = 0 9 1 m 帮锚杆长度 l 3 1 1 8 + o 4 + 0 i 0 = i 8 m 以上在计算围岩松动区半径时，没有考虑锚杆，事实上增加了锚杆后，大大 地提高了围岩的粘结强度和抗剪能力，因此上述计算结果也比较偏于安全。 通过以上的分析可以得出，张庄矿现有的条件下，按照现有的支护理论和计 算方法来设计，采用1 8 m 长的顶锚杆，其设计是可靠的，也是较为合理的。 对于两帮的锚杆，主要取决于两帮煤体的松动范围，根据以上计算结果，两 帮锚杆的长度取1 8 m 比较适宜。 2 2 2 锚杆株排距的分析 上述无论哪种理论均可以说明，锚杆的主要作用是尽可能地控制巷道围岩的 冒落，以及对围岩进行加固，根据悬吊理论，针对该矿围岩支护的实际布置方式， 顶锚杆的株排距与锚杆的长度、锚固力应满足下列关系： 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 竺兰皇兰! 鱼二生二奠基! f 咒 式中：1 1 1 ：安全系数，一般要求m = 2 3 ； n ：每排锚杆的根数； b ：巷道宽度； b ：每排锚杆之间的间距； l ：锚杆长度； t 。：锚杆锚固长度i t ：锚杆外露长度； y ：被悬吊岩石容重； f ：锚杆锚固力。 若按照锚杆长度l = 1 8 m 进行设计，顶部锚杆每排为3 根时，根据张庄矿已有 三软煤巷锚杆支护的实际情况，即t 1 = 0 4 m ，t ：= o i m ，y = 2 4 5 1 0 n m 3 ，f ：4 9 x1 0 n 根，则可求得顶板每排锚杆的间距： 6 堕 m 当安全系数m = 2 b 0 8 3 i l l m = 3 b 0 5 0m 当顶板锚杆每排为3 根时，根据巷道的宽度，则可求得顶板锚杆的平均株距 应为2 8 4 = 0 7 m ，由此可知，现有巷道的锚杆株排距能满足要求，并可保证2 3 倍的安全系数。 按照加固拱原理，锚杆间距应小于锚杆长度的一半， z l 2 = 1 8 2 = o 9 m 因此，现有的锚杆株排距，从理论上计算是符合要求的。 通过上述分析可知，现有锚杆长度和锚杆株排距，按照现有的支护理论 和计算，在给定的上述条件下，其设计均是合理的。 2 3 有限元计算与分析 2 2 2 节中，计算围岩破碎带半径时，是将巷道围岩看作匀质体，在线j 的基础上进行计算的，并且还要求出矩形巷道的外接圆，将矩形巷道转化为6 张庄矿三软塑董笪堕塞塑叁塑墨窒全旦壅丝塑! 堕 一一一 巷道后才能求出所需值，由此可以看出，要求出复杂多变的巷道围岩应力状态， 传统的解析方法往往遇到难以克服的困难，然而有限元则可以提供最简明、最一 般化的格式，特别是随着计算机的迅速发展，在解答复杂的工程问题中更是显示 出它较高的效能。 本章采用有限元的方法，对张庄矿锚杆支护的三软煤层巷道，进行受力和变 形状况计算与分析，为选择安全可靠的锚网支护系统，提供更好的理论依据。 2 3 1计算力学模型的建立 根据一般条件下采矿活动引起的应力重新分布范围，划分计算模型的边界， 其尺寸大小如图2 5 所示，巷道规格仍为2 8 2 3 m ，计算模型考虑采深3 1 8 m ， 模型上方加均布力为q = 3 2 0 0 0 2 = 7 8 4 m p a ，左右边界限制其x 轴方向的位移，下 边界限制y 轴方向的位移。 分别对以下三种支护形式的巷道进行计算： 1 、裸体无支护巷道。 2 、顶板两边的锚杆采用垂直布置时的锚杆支护巷道。 3 、顶板两边的锚杆采用倾斜布置时的锚杆支护巷道。 2 3 2单元划分及材料参数的选择 模型的总单元数为1 6 6 个，总节点数为1 9 4 个，划分按下列原则进行：巷道 附近单元的尺寸较小，远离巷道的单元尺寸较大，单元的过渡尽量缓和，同性质 的材料在一组中划分单元。材料参数选择见表2 1 。 材料参数选择表 表2 1 材 弹牲 泊忪 容重初始 初始 残余 残余 黜 料名际模鸯 比 黼 _ 冁 懒 麟 拭强度各注 角 角 号 g b a n l 矗 n mn ，_ i f 【 m p a 魔f 自目 厚 1煤层10 31 3 2 398 4 3 3 7 23 01 1 7 6 8 063 9 2 2 3 m 砂质 厚 20 4 60 32 3 5 3 61 2 7 8 6 54 01 9 6 1 3 355 8 8 泥岩 1 5 m 1 5 6 9 0 6 3 砂岩 1 1 9 0 2 2 3 5 3 6 4 5 3 9 2 2 6 6 9 1 1 7 7厚3 6 m 4 长 4 锚杆 1 9 6 0 1 4 9 0 3 3 1 8 m 竹锚 长 51 4 7 o 1 杆 1 8 m 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 一罕 重yty 鼍 鼍鼍p 冀1 导 寸 咎 俘 况 等 品 卜n 曼 h h 暑美。 馨一 导 璺苫 争 。- - o 一 一一 一 瓮*、d 者， r导 封。 三 = 兰搿9嚣 噶娶 一一 霉 俞b 苎 辨 锌 拽尊 导爨 d 二 h 。廿 籀 器四 矗 导 昌 一 。半- 导 一 肆篇龠窝 、- - 口 鞠导 高 尚 p 盛 科 普荠 - 岱- 葛 一 雩鞠高 嘣- 爨r碍畏 甜 鲁 是 鲁冷 一 罩童 嚣篇 蛊 口 1 8 函酬郓挝盘恨型忙nh圃 堕堡芏三鏊堡叁堕旦塞量叁塑墨塞全亘蔓壁堕堕壅 2 3 3 计算结果与分析 将上述有关数据输入计算机程序中，则可输出如下结果： 1 、x 方向和y 方向的单元节点的位移量，郧u x ，u 。 2 、每一单元的应力：6 。、6 ，、t 。 3 、每一单元主应力大小、方向以及最大剪应力，即：6 ，、6 ：、t a 。 巷道顶板部分单元受力状况表 表2 2 无锚杆支护有锚杆支护( 以直锚杆支护为例) 单元 号 b， 6 l 6 21 “ b 1 ( mpa )( mpa )( mpa ) ( 。) ( mpa )( mpa )( mpa ) ( 。) 403 61 8 192 291 59 13 558 11 2 28l 59 1 15 2 2 8 l 一8 59 2 89149 92 78 8 542 881 49 3 1531 318 43 54 136 6 一1 38 一日313 461 36 4 l540 o9 4 52 2 3l 22 9 0 064 512 2212 2 7 1550 282 651 19 114 3o 422 731 1 51 l4 7 156一o o91 26 o 59g5 71一o 17一1 35o 5919 33 4 81 927 122 6 1 58 81 957 12 s7l58 7 1 571 47，7 042 79 1s3 51 537 012 74 153 6 l 581 17 7 12 96l47 4一1 257 06 2 911 47 6 15 9 1 058 372 69138 1一1 13 6 382 6313 8 3 16 0，2 084 581 251 22 1一l 一4 341 67122 5 l 610 893 311 2l9 9 490 98 3 331 1e99 7 561 ，876 472 3 1 5 6 5一i 936 472 27 156 6 16 2一1 76 372 29 l 52 8一1 766 36 2 3i 53 l6 3，1 766 27 2 25l 51 41 82 8 232 02l51 6 l6 4一1 65 5 日32 o9l 44 91 72 5 832 06l 45 1 l651 8l 4 691 44l29 2 1 84691 42 1 29 9 166一1 97 3 820 921 o 2 3一1 日4 4 691 42l29 9 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 2 3 3 1 巷道围岩受力状况 2 3 3 1 1 最大主应力和最大剪应力分布 从运算的结果中可以看出，巷道元支护时，最大剪应力的单元是1 5 1 # ， t 一= 4 9 7 m p a ，其次是1 5 3 # 单元；最大主应力的单元也是1 5 1 # ，62 = 1 2 2 2 m p a ，其次 是1 5 2 # 和1 5 0 # 单元；采用锚杆支护时，上述单元的应力值仍然为最大，但应力值 均有所下降；由图2 5 中各单元的位置可以看出，最大剪应力和最大主应力单元 主要分布于巷道两帮的上部靠近肩窝处。 2 3 3 1 2 巷道顶板受力状况 根据有限元计算的结果，巷道顶板部分单元受力见表2 2 和下图： 从表2 2 和上图中可以看出： ( 1 ) 、元锚杆支护时，1 5 4 # 单元6 ，出现了正值，即该单元在6 。方向上，平 均受力应为拉应力，1 5 5 # 、1 5 6 # 单元6 ，均很小，显然，这些单元极有可能当拉应 力超过直接顶的抗拉强度时，而导致顶板由此处发生离屡，从单元划分上来看， 这些单元位于直接顶最下部。 张庄矿三软煤巷锚网支护参数及安全可靠性的研究 采用锚杆支护后，顶板的受力状况在一定程度上得到改善，上述单元中的拉 应力明显较小。 ( 2 ) 、从顶板应力大小分布趋势来看，无论是有锚杆支护，还是元锚杆支护， 1 5 6 # 单元以上的单元，以及向巷帮方向的单元，应力逐渐增大；从顶板受力大小 来看，1 5 6 # 附近单元受力均比较小，甚至不受力，其中，1 5 6 # 单元受力最小，这 充分说明矩形三软煤层巷道顶板上方，在一定的范围内存在着卸压区或应力降低 区，而来自顶板上方的力则转移到了巷道两帮的煤体上，造成了巷道的两帮，特 别是两肩窝处应力集中。 2 3 3 2锚杆支护时的效果 从计算结果中可以看出，巷道采用锚杆支护后可以取得如下明显的支护效果