（矿业工程专业论文）林西矿深部回采巷道锚网索联合支护研究与应用.pdf

摘要 开滦集团林西矿业公司是一个已经开采1 2 0 年历史的老矿井，随着开采深度的 增加，巷道压力显现严重，巷道维护困难，依靠原来传统的棚式支护很难保证安全 生产的需要。本文通过对1 0 9 1 - 2 工作面风运道采用锚杆锚索联合支护的形式的设 计、旌工并通过安设监测仪器进行顶底板变形、两帮变形及锚杆受力等数据观测和 分析，得出在林西矿业公司深部高应区回采巷道采用锚杆支护是行之有效的支护方 式，给出了林西矿业公司锚杆支护安全经济合理的支护参数，并提出深部高应力回 采巷道的支护对策。 关键词：深部高应力区；回采巷道；联合支护 a b s t r c t k a i l u a rg r o u pl i n x im i n e r a li n d u s t r yc o m p a n yi sao l dm i n e r a lw i t h1 2 0y e a r s m i n i n gh i s t o r i c a l ，a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go f m i n i n gd e p t h ，t h et u n n e lp r e s s u r ep r e s e n t s s e r i o u s ，t u n n e lm a i n t e n a n c ed i f f i c u l t y ，d e p e n d i n go nt h eo r i g i n a l l yt r a d i t i o n a ls h a n t y s u p p o r t i n gc 船h a r d l yg t m r m l t e et h es a f e t yp r o d u c e o nt h eb a s i so fd e s i g n i n ga n d c o n s t r u c t i n gt h ea n c h o rm a np o l c - a n c h o rm a nu n i t e ss u p p o r t i n g , o b s e r v i n gt h e t r a n s m u t a t i o no ft u n n e lv i ai n s t a l l i n gt h em o n i t o ra n da n a l y z i n gt h ed a t e s ，e d u c et h e c o n c l u s i o nt h a tb o l t i n g s u p p o r ti nd e p t hh i g hs t r e s s i sav a l i dm e t h o d , g i v et h e a c c o r d i n o ye c o n o m i ca n dr e a s o n a b l es u p p o r tp a r a m e t e ra n dp u tf o r w a r dt h es u p p o r t c o u n t e r m e a s u r ef o rm i n i n gt u n n e lw i t hh i g hs t r e s sa td e p t h k e yw o r d s ：h i 乒s t r e s sa r e ao f d e e pd e p a r t m e n t ：t h em i n i n gt u n n e l lu n i t es h o r i n g 辽宁1 = 程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究意义 我国是世界上的采煤大国，煤炭年产量居世界首位，煤炭工业是国民经济和社 会发展的基础产业。在全国一次性能源构成中，煤炭占7 0 $ 以上，这种能源结构仍 将持续相当长时间，因此，煤炭在相当长的时期内还将是我国重要的一次性能源和 重要的化工原料。煤炭工业的可持续发展直接关系着建设全面小康社会目标的实现 和国家能源安全。 同时由于煤炭是不可再生能源，我国的煤炭生产又以井工生产为主随着煤炭 资源的不断开采，浅部易开采的煤炭资源日益减少，所以不得不开采深部煤炭资 源。随着开采深度的增加，其开凿的巷道压力增加，顶板条件变的复杂，支护问题 愈趋严重，直接影响煤矿安全生产，危及人身安全，使得软岩巷道支护问题成为困 扰中国煤矿生产建设的重要问题之一。 巷道支护技术是煤炭开采中的一项关键技术。安全、合理、有效的巷道支护是 保证矿井实现高产高效的必要条件、提高经济效益的必要手段。随着时代的发展、 科学的进步及其不断的开采实践和理论研究，围岩工程控制理论取得了长足发展， 巷道的支护形式也随之发生了重大的变化现在巷道的支护已由被动支护向主动支 护转变、由传统的棚式支护向锚杆支护而转化。在各国的矿业系统及其其他地下工 程领域里，锚杆支护已得到大大的推广和普及。与棚式支护相比，锚杆支护具有支 护效果好、支护成本低、施工简单、劳动强度小、巷道断面的利用率高等优点更 为重要的是，锚杆支护简化了工作面端头和超前支护工艺，改善了巷道的支护状 况，保证了安全生产，为采煤工作面的快速推进创造了良好的条件可以说，锚杆 支护是当今各种地下工程的一种新型先进的支护形式。 辽宁t 程技术大学硕上学位论文 2 1 2国内外研究状况 在国外，世界主要产煤国家，近几年来锚杆支护技术发展很快。继几乎全部使 用锚杆支护的美国、澳大利亚之后，英国也迅速赶了上来，经过几年的发展，锚杆 支护在煤矿巷道支护中占了主导地位；现在，印度、波兰、印尼、日本、南非等国 都已引进了锚杆支护技术，并得到了普及和应用。一向以u 型钢可伸缩支架支护技 术著称的德国，虽然采深大，地压大，但也积极探索和使用锚杆支护。这些事实表 明，巷道锚杆支护技术已成为世界性发展趋势。 新中国成立以来，我国的巷道支护改革一直没有停止过。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，同时对顶板及为完整盼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 型钢可伸缩棚，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额 的支护形式。在对美国、澳大利亚、英国的锚杆支护技术进行专题考察、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、推广和应用。 我国锚杆支护技术研究与应用主要经历了三个阶段：8 0 年代中期到9 0 年代初 为起步阶段：1 9 9 1 1 9 9 5 年为“八五”攻关阶段；1 9 9 6 年至今为引进技术和提高 阶段。 第一阶段主要进行了一些基础性的研究和试验，煤巷锚杆支护主要集中在少数 几个矿区，如徐州、淮南等，使用和推广范围较小。 第二阶段，国家把锚杆支护技术作为“八五”期间重点项目进行攻关无论是 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 课题的数量、研究内容的深度和广度，还是现场试验推广的面积，都明显大于第一 阶段。经过5 年的攻关，取得了一大批科研成果，锚杆支护用量明显增大。 第三阶段，在原煤炭部的组织和领导下，我国引进澳大利亚锚杆支护技术，在 邢台矿务局进行了技术演示，显著推进了我国煤巷锚杆支护技术的发展与提高在 引进、吸收、消化国外先进技术经验的基础上，结合我国煤矿具体情况，集中煤矿 现场、科研院所及大专院校等多方面的优势，经过两年大规模的研究和试验，初步 形成了适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护技术等重点项目的顺利完成成功的解决 了软岩、复杂项板条件回采巷道的支护问题，显著扩大了锚杆支护的使用范围 我国的软岩巷道支护系统研究工作始于1 9 5 8 年春，在巷道断面、支护形式及 施工工艺等方面都取得了初步经验；2 0 世纪8 0 年代以来对地下工程软岩问题的理 论研究进入了一个新的阶段。特别是2 0 世纪9 0 年代初，中国岩石力学与工程学 会软岩工程专业委员会以及全国煤矿软岩工程技术研究推广中心的成立，更为软岩 工程理论与技术的交流与推广，创造了良好的条件。主要的理论有( 1 ) 岩性转化理 论。( 2 ) 轴变论理论。( 3 ) 联合支护理论。( 4 ) 锚喷一弧板支护理论( 5 ) 松动圈理论( 6 ) 主次承载区支护理论。( 7 ) 应力控制理论( 8 ) 软岩工程力学支护理论。 软岩本身具有的大变形力学特性，决定了软岩巷道支护的复杂性，单一的支护形式 难以满足软岩巷道工程支护的要求。因此，在软岩巷道工程支护技术方面，由过去单一 的支护形式逐步发展为各种多次支护、联合支护形式。特别是近年来锚索技术的发展十 分迅速，以成为深部矿井软岩巷道支护的重要技术，其独特优点是能把深部围岩强度调 动起来，和浅部支护岩体共同作用，控制巷道稳定性，这将是2 l 世纪中国软岩巷道支护 的主流方向。 1 3国内外煤巷锚杆支护理论 1 3 1 国外锚杆支护理论 辽宁工程技术大学硕士学位论文 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 ) 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，见图卜 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 ( i ) 圈卜1 悬吊理论 c a ) 坚硬岩层( b ) 软弱岩层 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，见图卜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迭加粱， 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 黛粼意 酋蛾一 一豢震 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 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 圈1 - 2 层状顶板锚杆组合粱圈1 3 组合拱理论 ( 3 ) 组合拱理论 组合拱理论是由兰氏( t h 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) ，见图卜 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( 霄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 承 论。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 丛盔- = ：- 二- v o 膏面效应十一攥帮穆迸+ 一打匾效应 - j 圈l - 4 最大水平应力理论 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 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：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，如图卜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 l 胜川徂 拉应力 ) 八 中性点 锚杆长度 溢矿 圈卜5 中性点理论 辽宁工程技术大学硕上学位论文 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；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，则锚杆支护机理不同。i 类小松动圈l = o 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 、i 类围岩l = 4 0 0 1 5 0 0 m m ，用悬吊理论设计锚喷支护参 数；、v 类围岩l = 1 5 2 0 m 、l = 2 0 3 0 1 1 3 ，采用组合拱理论确定锚喷支 护参数；类围岩l 3 o 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：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 、审与峰值后的e ，c 、耷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 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 ( 4 ) 锚固力与围岩变形量关系理论：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盯：和以。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：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。 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。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 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 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；它还可考虑锚秆 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锚杆一锚索联合支护作用分析 ( 1 ) 锚杆一锚索联合支护作用 煤巷围岩的变形较大，当支护不当，顶板容易产生冒落拱当冒落拱高度大于 锚杆锚固范围时，易造成冒顶事故。所以，煤巷使用锚索支护的目的是防止因锚杆 支护不可靠时，通过锚索的悬吊作用阻止顶板冒顶。因此，在煤巷中，锚索的主要 作用是悬吊作用，而不是加固作用。然而，发挥锚索的悬吊作用仅仅是人们使用锚 杆一锚索联合支护的出发点或目的，并不是煤巷锚杆一锚索联合支护的实际作用效 果。锚杆一锚索联合支护的作用不是锚杆支护作用与锚索悬吊作用的简单组合，其 联合支护的作用机理和作用效果与围岩条件、支护方法、施工工艺及支护参数有 关，必须根据不同情况进行分析。 辽宁t 程技术大学硕t 学位论文 锚索与单体锚杆的作用功能是一样的，既有加固围岩的作用，也有悬吊下部松 动岩石豹作用。两者的区别在于锚索可以锚固在围岩深部的稳定岩层中，而锚杆因 其长度较短，在围岩条件较差的情况下，锚杆不能锚圃在稳定的岩石中，此时锚杆 的悬吊作用很小，主要靠其加固作用和锚杆群的成拱作用控制围岩变形，提高围岩 的承载能力。 ( 2 ) 锚杆一锚索联合加固原理 当锚杆和预应力锚索同时安装时，锚杆与锚索对围岩起到共同的加固作用。由 于锚索的工程延伸量较小，围岩在该变形范围内产生的松动破坏区较小所以，锚 杆和锚索均以加固围岩的作用为主，共同提高锚岩支护体的承载能力，保持围岩稳 定。 图卜6 所示围岩与支护的相互作用关系示意图。图中给出了锚索的力学特性曲 线4 和锚岩支护体的特性曲线3 ，与一般支架的力学特性不同，锚岩支护体的承载 能力是随着围岩和自身变形的增加而降低。曲线l 为围岩特性曲线，它表示围岩变 形与支护强度之间的关系。根据前述分析，如锚岩支护体和锚索的特性曲线不能与 曲线l 相交，说明单独采用锚杆支护或锚索支护，都不能控制围岩达到稳定。如锚 杆一锚索联合支护时，其共同支护作用特性曲线2 与曲线1 相交，表明联合支护提高 了支护体的承载能力，在曲线的交点( a ) 处，围岩的变形破坏得到控制。保持了围 岩的稳定。 辽宁工程技术大学硬士学位论文 柱 镊 霸 似 围岩变形 图卜6围岩与支护的相互作用关系 锚杆和锚索同时安装时，保证锚杆一锚索联合支护成功的前提是围岩达到稳定 时的变形量u 。小于锚索的延伸量。满足这一条件的围岩的稳定性一般较好，在多 数情况下，可以通过合理选择锚杆支护形式和参数，单独采用锚杆支护来保持巷道 围岩的稳定。但有些情况例外，如复合顶板和淋水大的巷道，这类巷遭顶扳锚杆的 加固作用很小，锚岩支护体的承载能力低，在顶板下沉量较小时就可能造成冒顶， 所以，必须采用锚杆一锚索联合加固作用原理，保证巷道支护的可靠 ( 3 ) 锚杆一锚索支护作用的互补原理 煤巷巷道围岩的变形量很大，为了避免采用锚杆一锚索联合加固支护时因锚索 延伸量超过极限而破断，可以采用类似于软岩支护中的二次支护方法及其作用原理 进行锚索加强支护，如图卜7 所示。在巷道开挖初期，围岩自身的整体性好。通 过锚杆的加固作用，锚岩支护体的承载能力较高，围岩在一定交形范围内可以保持 自身的稳定。随着围岩变形的增大，锚岩支护体的承载能力和自稳性降低，同时围 岩集中应力移往深部，围岩变形趋于平稳。在锚岩支护体失稳之前，再通过锚索的 悬吊作用，保持锚岩支护体和围岩的稳定 辽宁工程技术大学硕士学位论文 超 藕 霸 双 图卜7围岩一支护相互作用原理图 图卜7 为巷道围岩一支护相互作用原理图j 曲线 b e d 为锚岩支护体的特性曲线，锚 索的特性曲线为曲线4 ，锚杆一锚索联合支护特性陆线为a b c d 曲线。由该曲线可知，锚 杆和锚索各自发挥了自身的优势。在巷道开挖支护初期，以锚杆的柔性支护为主，后期 以锚索的悬吊作用为主两者不是同时联合加强支护，而是相互取长补短，从而大大改 善了锚杆支护的整体支护性能，达到控制围岩大变形的目的。因此，将此支护作用原理 称之为锚杆一锚索支护作用的互补原理。 在实际工程中，锚杆一锚索联合支护是否能实现锚杆与锚索支护作用的互补性取决于 采用的支护方法和合理的支护设计，它要求将锚岩支护体的特性与锚索的力学特性有机 地结合一起进行总体的支护设计，而不是锚杆和锚索支护参数分别独立设计由于采用 不同的锚杆支护形式，锚岩支护体的承载特性有较大差异；同样，采用不同的锚索支护 方式对围岩的适应性也不相同。因此，在支护设计中，应根据巷道围岩条件，采用合理 的锚杆支护形式和参数，选择与之相匹配的锚索支护方法，这是锚杆一锚索联合支护的关 键。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 5 论文主要研究内容 开滦集团林西矿业公司有1 2 0 多年的开采历史，开采深度达9 0 0 米，现在核定 生产能力1 2 0 万吨年。巷道围岩不仅松散、软弱、破碎、遇水膨胀，而且巷道压 力大，采用原有的棚式支护难道大，返修次数多，支护成本高。不仅严重地影响了 矿井的安全生产，质量标准等工作，而且也直接影响着矿井的经济效益因此，巷 道支护的改革迫在眉梢，探索采用更加安全、合理、经济的支护方式，实现林西矿 业公司的可持续发展。 本论文结合开滦集团林西矿业公司1 0 9 卜2 工作面的实际情况，在现有理论的 基础上，对其风道，运道两巷的支护形式及其支护参数进行研究，为其提供方案设 计和施工设计，并进行现场试验和矿压观测。对试验结果和获取的观测数据进行认 真研究。提出高应力复杂顶板条件巷道的支护对策，并为该矿提供一系列设计参 数，为该矿的巷道支护提供有益的指导。 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 1 4 2 矿井地质与开采条件 2 1 研究区的位置、交通及矿井概况 2 1 1 位置 林西矿业公司行政区划为河北省唐山市古冶区林西，位于唐山市东郊，与市区 直距2 2 k m ，地理位置为东经1 1 8 2 6 。3 5 。，北纬3 9 4 3 2 2 。东与原开滦唐家庄 矿接壤，西与开滦吕家坨矿业公司比邻，北同开滦赵各庄矿业公司相连，南至煤层露 头，井田走向长8 4 k m ，倾斜宽4 o k m ，井田面积3 2 8 平方公里 2 1 2 交通 本区交通比较便利，井田内设有矿用铁路专线，经古冶站与开滦铁路接轨，行距 i 2 7 k m 。公路经2 0 5 国道通往全国内陆城市，水路经秦皇岛港、塘沽港、京唐港 通往华东及国外，交通极为方便。 2 1 3 矿井概况 林西矿业公司隶属于开滦( 集团) 有限责任公司，矿井核定生产能力为1 2 0 万吨 年。始建于1 8 7 9 年，1 9 0 2 年正式投入生产，至今有1 2 0 多年的历史。公司是以 煤炭为主，原煤为肥煤、焦煤煤种。采用立井及暗井分水平、分石门的开拓方式， 为多水平生产，多级提升。 位于i 级构造单元一中朝地台，i i 级构造单元一燕辽沉降带，级构造单元一山 海关台拱和蓟县坳陷之间的开平主向斜东南隅。构造以褶皱构造为主，开平主向斜 贯穿井田深部，断裂褶皱居从属地位，大断层较少，中小型断层比较发育。矿井断 层总密度约为2 1 3 7 3 条k m 2 。煤系煤层含5 、7 、8 、9 、1 l 、1 2 六个可采煤 层，为倾斜煤层，一、二类顶板，无冲击地压。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 2 林西矿地质构造特征 2 2 1 地质构造的特征 ( 1 ) 压扭性断裂 主要发育在井田西翼，主应力方向仍为北西方向。其作用结果：l 、受挤压力 的直接作用形成压扭性断层，展布方向与开平向斜区域地质构造一致。2 、主应力 的分力以力偶的作用方式形成扭性断裂，展布方向与力的作用方向、大小和岩体的 边界条件有关。 压扭性断层 主要发育在黑鸭子区，区内煤岩层走向n75 。e ，与来自北西方向的挤压力 有一定的夹角。作用结果：一是产生褶曲使地层发生倒转；二是在地应力集中地带 形成压扭性断层。反，反v 断层就是这种应力作用下形成的断层，其特点是：断 层走向与开平向斜轴大致平行，呈雁行排列，在剖面上呈叠瓦状。 扭性断裂 主要发育于白道子区，总的仍以压扭应力为主，但局部以近南北方向的压应力 为主应力，当一侧岩体运动而另一侧岩体相对稳定时就形成一对力偶，其作用结 果：一是沿扭应力方向形成走向近于南北的平推逆断层。一般规律是北面断距大， 向南断距逐渐变小或尖灭断层进入煤系地层常弯转归并，如反断层，在煤 系地层北部走向近南北向。进入煤系地层几乎与地层走向相平行，北盘上冲约2 8 0 米，使奥陶系地层倒转并逆掩于煤系地层之上二是在力偶作用下形成旋扭构造， 使地层倒转。倒转轴由地表白道子开始，向南逐渐向下发展。 ( 2 ) 张扭性断裂 主要发育在井田东翼，西北方向的挤压在该区域的作用强度较西翼微弱，受青 龙山背斜的影响，与压扭性断裂直交的张扭性断裂比较发育，如东、东、东 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 断层，走向与煤岩层斜交，( 呈1 0 。2 0 。夹角) ，倾角大于煤岩层倾角，( 一般 3 0 。7 5 。) 表现为同倾向正断层，并成组出现。破碎带、薄煤带较发育对采掘布 局有一定影响。 ( 3 ) 局部应力场所产生的断裂 我们认为：同一应力场随着受力体的逐渐变形而主应力逐渐分解，进而产生不 同性质的扭应力，而出现性质截然不同的断层。如井田西翼的西、西m 断层，井 口区的东i 、东i i 断层等，西m 断层只有在扭应力的作用下才能使煤层重复2 0 0 3 5 0 米；井口区以东i 、东i i 断层为轴面形成反“s ”型褶曲，也只有在一对力偶 的作用下才可能形成。 2 2 2对井田深部主要构造的分析预测 根据现有资料分析，矿井随深度的增加地质构造比上巷变得简单主要表现 在： ( i ) 地层倾角随深度的增加越来越缓，即缓倾斜倾斜区范围增大，构造的作 用强度将相对减弱。 ( 2 ) 十水平以浅的主要地质构造对深部的影响有所减弱，部分断层在向深部发 展中逐渐尖灭。 ( 3 ) 我矿是一个水文地质条件极复杂的矿井，矿井开采深度大，奥灰水压大， 突水危险性大，断层或断层破碎带是最易发生底板奥灰突水的部位 ( 4 ) 在浅部不导水的断层，随深度的增加，是否会导水，主要取决于断层本身 的性质、特征及其断层带的阻水能力这对一个开采至- 1 0 0 0 米以下的矿井来说 是一个急待研究解决的课题，不能因为深部地质构造趋向简单抱盲目乐观态度 通过对矿井地质构造的总结，并田内对煤层切割破坏的地质构造因素主要表现 为断层及少量宽缓褶皱，十水平以下共有大中型断层7 条，每平方公里0 5 3 条， 辽宁t 程技术大学硕：七学位论文 影响长度每平方公里2 2 0 0 米，断层不集中，很少互相切割，从整个井田看仍能划 分出大部分正规采区但大断层附近伴生小断层较多，对采掘的影响较大，根据 矿井地质规程地质构造复杂程度定为i i 类。 2 3 煤层、煤质、顶底板及其它开采技术条件 2 3 1煤层的结构、厚度及一般特征 林西矿有可采煤层及局部可采煤层6 层，即第5 、7 、8 、9 、1 1 、1 2 煤层， 平均总厚度2 0 1 0 米。煤层垂向分布与浅部相同，第5 、7 、9 、1 1 、1 2 煤层在全 并田沉积稳定，第8 煤层在l o 水平9 石门以东与9 煤层合并，煤层厚度达5 6 米。 ( 1 ) 第5 煤层 粉末鳞片状，以亮煤为主，夹暗煤条带，质软，沥青光泽。一般分两层。中 问被一层厚0 2 5 米的夹石分开，上层煤质优于下层，煤中含黄铁矿。 当夹石软、薄时，煤和夹石可一次采出；当夹石较厚时一般采夹石下的煤层， 但顶板管理困难。煤层厚度0 1 2 1 9 1 米，平均0 。9 5 米。 ( 2 ) 第7 煤层 块状或粉末状，以亮煤为主，沥青光泽，间夹镜煤及亮煤条带，内生裂隙较发 育。有时可见1 2 层厚度为0 2 2 5 米泥岩夹石，当夹石较薄时，煤和夹石一 次采出；夹石较厚时，采夹石下的煤层，但顶板管理困难。煤层厚度0 2 5 5 l 米，平均2 3 5 米 ( 3 ) 第8 煤层 块状，以亮煤为主，沥青光泽，属光亮型煤。煤层厚度o 2 3 0 米，平均 0 6 5 米，属局部可采煤层。 ( 4 ) 第9 煤层 辽宁工程技术大学硕士学位论文 碎块状、粉末状，以亮、镜煤为主。间夹少量踣煤条带，沥青光泽属光亮型 煤。有时可见1 4 层泥岩夹石，如1 1 9 1 、1 9 9 3 掌。井口附近及东翼局部顶板侵 蚀( 俗称板舌头) 发育。煤层厚度0 4 3 9 5 0 米，平均4 1 5 米。 ( 5 ) 第1 l 煤层 块状，以亮煤为主，夹暗煤层纹，沥青光泽，属光亮型煤含层状分布的黄铁 矿结核。煤厚0 i l 2 3 6 米，平均1 1 6 米。 ( 6 ) 第1 2 煤层 粉末状及碎块状，有时可见1 3 层炭质页岩夹石。煤层厚度0 8 - - 3 5 4 米，平均2 2 9 米。井田范围内，东翼l 道半石门以西地段煤层厚度为1 2 1 2 米左 右。 2 3 2煤层顶底板及其它开采技术条件 ( 1 ) 第5 煤层 顶板：伪顶为黑色泥岩，质均一，致密平坦状断口，白色条痕，局部含少量粉 砂岩，水平层理，含植物化石碎屑，厚度0 3 0 9 4 米，平均0 6 5 米。直接顶为 深灰色粉砂岩，质均一，致密，平坦状断口，上部岩性结构稍粗呈细砂岩，下部含 云母及大羊齿，苏铁、楔叶及植物化石。局部夹炭质薄膜，并可见成层分布的士黄 色铁质结核及黄铁矿散晶，缓波状层理，厚度1 5 1 7 3 6 米，平均4 ，5 5 米老 顶为青灰色中砂岩，成份以石英为主，次为暗色岩屑，分选中等，圆度为次棱角 状，硅质孔隙式胶结，质地较坚硬，局部呈粗砂岩，夹炭质薄膜并可见菱铁质结 核，厚度1 5 8 8 1 3 米，平均6 2 7 米。 底板：直接底为深灰色粉砂质泥岩，质地均，致密，由上而下砂质含量增 加，夹浅灰色细砂岩薄层，局部夹炭质薄膜及菱铁质结核富含宽大而杂乱的植物根 辽宁工程技术大学硕士学位论文 化石，化石黑亮并显油脂光泽，并可见云母片，缓坡状层理，层厚0 1 1 7 1 米，平均0 9 8 米。 ( 2 ) 第7 煤层 顶板：直接顶为深灰色粉砂质泥岩，质均一，致密细腻，断口呈次平坦状，可 见炭质薄膜，显水平层理，局部为泥质含量低的细粉砂岩，含芦木、科达及羊齿等 植物化石，偶见菱铁矿条带，底部有时可见薄层腐泥岩，具滑面。厚度o 7 1 2 1 3 米，平均1 4 0 米。老顶为浅灰色中砂岩，成份以石英为主，次为长石及岩 屑，分选好，磨圆度较差呈棱角状，硅质孔隙式胶结，显示平行层理。上部夹粉砂 岩透镜体及条带，下部岩性变粗。颜色变浅，底部可见亮煤斑块。粉砂质包体和 菱铁质结核。厚度2 3 1 9 0 2 米，平均6 0 4 米。 底板：直接底为灰色泥岩，微带褐色，质均一，致密，具细腻感，含杂乱的黑 色或褐色植物根化石及黄铁矿薄膜，偶见鲕状铁质结核。上部偶见薄层炭质泥岩， 有植物碎屑，厚度0 5 1 2 0 4 米，平均1 4 9 米。 ( 3 ) 第8 煤层 顶板：直接顶为灰色泥岩，微带褐色，质均，致密，较细腻，贝壳状断口， 遇水风化有爆声，呈扳片状，层面有大量苏铁化石，显示水平层理。老顶为灰白色 粗砂岩，成份以石英，长石为主，分选性差，颗粒呈棱角状，高岭石胶结，含煤 屑、硅化木、厚层状，局部粒度稍细呈中砂岩，偶见钙质结核。厚度1 8 2 4 3 1 米，平均2 9 1 米 底板：直接底为褐色砂岩，成份以石英、长石为主，结构松散，容易破碎，俗 称“酒糟底”。含大量云母，有时泥质含量高，形成泥质中砂岩上部砂质含量 少，含植物根化石。厚度0 5 1 1 8 l 米，平均1 2 1 米。 ( 4 ) 第9 煤层 辽宁= e 程技术夫学硕士学位论文 项板：直接顶为褐灰色粉砂质泥岩，灰色条痕，贝壳状断口，具岩粉绺滑面， 断面上可见不规则的褐色条纹。偶见植物碎屑化石。厚度o 0 9 5 米，平均o 5 米。老顶为灰白色含砾粗砂岩，高岭石胶结，厚层状，层理不发育，易风化颗粒 以长石、石英为主，磨圆度为棱角状、分选性差，含煤屑、硅化木及钙质结核，有 时可见方解石脉穿插。厚度7 1 3 1 5 4 米，平均1 2 0 2 米。 底板：直接底为深灰色粉砂质泥岩，参差状断口，灰白色条痕，含黑亮的植物 根化石及黄铁矿薄膜，有时含云母片，节理面有岩粉绺，厚度0 5 2 3 1 米，平 均1 0 6 米。 ( 6 ) 第1 1 煤层 顶板：直接顶为黑色腐泥质粘土岩，贝壳状断口，近煤时呈褐黑色油亮条痕， 与煤层距离增大条痕颜色变浅，含黄铁矿细脉及海百合等动物化石厚度o 2 。8 0 米，平均1 1 2 米。 老顶为深灰色粉砂岩，较致密，断口呈次平坦状，灰色条痕，含菱铁矿结核及 褐色泥质条带结核，上部偶见植物炭化碎屑。厚度0 7 5 2 1 0 米，平均1 8 1 米。 底板：直接底为灰褐色粉砂质泥岩，炭质含量高，断口呈参差状，水平层理， 、 含杂乱的植物根化石，可见黄铁矿散晶及薄膜。厚度o 1 2 1 米，平均0 7 5 米 ( 6 ) 第1 2 煤层 顶板：直接顶为黑色腐泥质粘土岩，贝壳状断口，油亮褐色条痕，离煤愈远条 痕色愈浅，含海百合等动物化石及较大铁质结核，结核打开可见方解石脉厚度 0 8 7 6 1 8 米， 平均2 5 3 米。老项为深灰色粉砂岩，质均，致密，平坦状 断口，局部可见贝壳状断口，断面可见黄铁矿斑点及菱铁质结核厚度0 2 5 2 9 4 米。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 底板：直接底为灰色粉砂岩，泥质胶结，含杂乱颜色发暗的植物根化石及黄铁矿薄 膜，俗称“焦子底”。近煤处有一薄层软泥。厚度0 7 5 3 2 1 米，平均1 6 0 米 2 4 林西矿地质应力分布规律 1 9 9 8 年湘潭矿院对林西矿l l 水平地质应力进行实测，结果为最大主应力7 9 4 p a ， 方位角2 7 3 6 。，自重应力为2 5 7m p a ，分布规律为： ( 1 ) 实测铅直应力基本上等于上覆岩层重量。 ( 2 ) 水平应力大于铅直应力。 ( 3 ) 水平应力与铅直应力比值随深度增加而减少。 ( 4 ) 最大水平应力与最小水平应力之值相差很大。 2 5 林西矿深部巷道支护现状及存在问题 大巷、石门普遍采用砌碹、锚、喷、网联合支护。采区、回采巷道普遍为u 型钢金 属拱型支架，在1 0 水平以上坚硬顶板7 煤层中采用锚杆支护这种支架有一定的可缩 性，在1 0 水平以上用这种支架是非常有效的，进入1 l 水平后其抗压性因矿压增大而逐 渐减弱，造成巷道变形量大。维护费用增高，支架报废量急增，增加了开采成本。1 2 水 平及以下煤巷金属拱型支架应增加支护强度，采用2 9 u 或3 6 u 支掌钢加工的拱型支架， 来抵抗越来越大的矿t h e , 力，这样巷道支护成本越来越高在l l 水平以下的回采巷道采 用u 型钢金属拱型支架支护，在掘进期间套修一次，在回采期间套修1 2 次，很难满足 生产的需要。 辽宁1 = 程技术大学硕士学位论文 3 锚杆支护设计方法的选择及支护参数优化 3 1锚杆支护设计方法的选择 3 1 1锚杆支护的基本形式与主要参数选择 通过总结我国近年来煤巷锚杆支护的实践和吸收国外先进经验的基础上，通 过工程类比，提出的锚杆支护基本形式和主要支护参数范围见表3 一1 注 表3 - i 煤巷锚杆基本支护形式和主要支护参数选择 巷道巷道隔岩基本支护形式 主要支护参数 类别稳定状况 i非常稳定整体砂岩、石灰岩类岩层；不支护 其它岩层单体锚杆 端锚：杆体直径：1 6 - 1 8 m i i 稳定顶板较完整，单体锚杆 锚杆长度：1 6 1 h 捧距：o 8 - 1 抽 设计锚固力：6 4 - 8 0 1 0 1 顶板较破碎，锚杆+ 网端锚：杆体直径：1 6 1 8 e m i i i中等稳定 项板较完整，锚杆+ 钢筋梁，或桁架 锚杆长度；1 6 _ 2 钿 捧距：o 8 - 1 钿 设计锚固力：6 4 - 8 0 k n 项板较破碎，锚杆+ 钢带( 或钢筋粱) +端锚：杆体直径：1 6 - l s m m 用，或增加锚索桁架+ 罔，或增加锚索锚杆长度：1 8 - 2 抽 排距：o 6 - 1 嘶 设计锚固力：6 4 - 8 0 k n 全长锚固：杆体直径：1 8 - 2 2 m 锚杆长度：1 8 - 2 4 m 捧距：0 6 - 1 o i l i v 不稳定锚杆+ i 钢带+ 同，或增加锚索 全长锚固：杆体直径：1 8 2 2 m 桁架+ 网，或增加锚索锚杆长度：1 8 - 2 捧距：0 6 - 1 恤 v 极不稳定 1 、顶板较完整：锚杆+ 金属可缩支架，或全长锚固；杆体直径：1 8 2 4 m , 增加锚索 锚杆长度：2 o 2 h 2 ，顼板较破碎：锚杆+ 金属可缩支集+ 同， 捧距；o 6 1 钿 或增加锚素 3 、 底臌严重：锚杆+ 环型金属可缩支集 否 被切割等参照顶板锚杆确定 2 、对于复合顶板破碎围岩t 易风化、潮解遇水膨胀围岩，可考虑在基本支护形式基础上增加锚索加固或注浆 加固，封闭崩岩等措旄 3 、锚杆各构件强度应与相应设计锚圃力匹配 4 ，在保证锚固强度与可能前提下，应尽量减小锚杆布置密度，缩短支护时间 3 1 2 按悬吊原则的锚杆支护参数设计 巷道开掘以后，两帮与顶底板都程度不同地出现一定范围的破坏区，锚杆支 护的作用就在于保持破坏区范围内岩层的稳定性，锚杆支护设计的悬吊原则是： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( 1 ) 当顶板一定范围内有稳定岩层时，将破坏区载荷悬吊于稳定岩层上； ( 2 ) 在顶板一定范围内不存在稳定岩层时，将破坏区载荷悬吊于巷道两帮上部 的岩层上； ( 3 ) 如果锚杆在两帮上部岩层中的锚固力小于破坏区岩层重量时，则不应单独 采用锚杆支护。 该原则的锚杆支护设计主要是确定破坏区的范围值包括巷帮破坏深度c 和顶板 破坏高度b ( 见图3 - 1 ) ，载荷值包括顶板载荷集度q ，和巷帮载荷集度q ，以及锚 杆支护的具体参数( 见图3 2 ) 。 ，儿儿l 儿儿儿， q r ： + + + + f + 丁| p 一 + 图3 - 1 巷道围岩破坏区 图3 - 2 主要参数计算图 l 、巷道两帮破坏深度的确定 c = ( 3 1 ) 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 式中，也为应力集中系数，巧= k ，k a ，e 为与巷道断面有关的应力集中系数， 见表3 - 2 ， 表3 - 2 应力集中系数的选择 巷道形状炮掘 机掘 矩形 2 8 2 3 i斜矩形 2 5 2 0 拱形 1 8 1 5 k o 为受邻近工作面采空区影响系数，由下式确定 耻击卜t 申5 0 1 0 0 6 0 觑o r , = h ) ( 3 - 2 ) 式中，x 为煤柱实际宽度，对于两侧为实体煤的顺槽，取1 0 0 m 口一为老顶 单向抗压强度，m p a 为采高，m 。红为直接顶厚度，m 。为被巷道切割的煤层 单向抗压强度，m p a 。，为巷道上覆岩层的平均容重，k n m 3 。h 为巷道理深，m 口为煤