（采矿工程专业论文）大宁煤矿大跨度煤巷锚索支护研究与应用.pdf

太原理r 人学硕十研究生学1 ：i 7 ：论文 驴7 8 8 1 8 6 大宁煤矿大跨度煤巷锚索支护研究与应用 摘要 本文以大宁煤矿大跨度煤巷为研究对象，通过现场调研、 理论分析、地质力学评估、数值模拟、现场应用及观测相结合 的综合研究途径和方法，对大跨度煤巷锚索补强支护技术进行 全面系统地分析和研究。在对原有锚杆支护方案分析和评价的 基础上，采用新的锚索补强支护技术；并提出锚索支护的连续 梁( 连续板) 减跨理论及软弱顶板悬吊理论，以这两种理论为 依据建立了拱形截面冒落体、三角形冒落体、关键层冒落体三 种计算模型，研究了锚索支护参数的确定方法，与此相应，交 叉点处按椭球体、圆锥体以及关键层冒落形式建立模型并进行 计算；同时以大宁煤矿东西部大跨度煤巷为背景，运用大型有 限元软件a n s y s ，建立计算数值模型，对锚索加固前后围岩的应 力分布变化进行了模拟分析。并将上述研究成果应用于大宁煤 矿大跨度煤巷工程中，施工中并对巷道围岩变形位移进行了现 场观测与分析。 ，辰原理j ：大学硕士研究生学位论文 本文所提出的锚索支护连续梁( 连续板) 减跨理论和软弱 顶板悬吊理论以及拱形截面冒落体、三角形冒落体、关键层冒 落体三种计算模型，填补了国内外有关大跨度煤巷研究方面的 一些空白，对我国锚索支护技术不断提高和完善具有一定的促 进作用。 关键词：大跨度，煤巷，锚索支护，数值模拟 太原理f 。人j j 硕十研究生学位论文 s t u d yo nc ab l eb o i s u p p o i 之t a n di t sa p p l i c a t i o n i nl a r g es p a nco a le n t r y0 fd a n r n g a bs t r a c t t h i sp a p e ru s el a r g es p a nc o a le n t r i e so fd a n i n gc o a lm i n ea sa s e a r c ho b j e c t a d o p tl o c a lt e s t ，t h e o r y a n a l y s i s ，g e o - m e c h a n i c s e v a l u a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t e ，l o c a lu s i n ga n do b s e r v m i o nt od o t h er e s e m c h b a s e do na n a l y s i sa n de v a l u a t i o no no r i g i n a lb o l t s u p p o r t ，w ea d o p taf l e wt e c h n i q u eo f c a b l eb o l tr e i n f o r c es u p p o r t ， p u tf o r w a r ds p a nr e d u c i n gt h e o r ys u i t a b l ef o rc o n t i n u o u sb e a ma n d h a n g i n gt h e o r y s u i t a b l ef o rt e n d e rr o o fo fc a b l es u p p o r t ，c r e a t e c a v i n gb o d yw i t ha r c h ，c a v i n gb o d yw i t ht r i a n g u l a r , c a v i n gb o d y w i t h k e y s t r a t u mc a l c u l a t i o n m o d e l ，a n ds t u d y m e t h o do f d e t e r m i n i n gp a r a m e t e r so nt h ec a b l eb o l ts u p p o r t i nt h es a m ew a y , i i i w ec a nu s ec a v i n gb o d yw i t he l l i p s o i d a l ，c o n ea n dk e ys t r a t u mt o c a l c u l a t et h er o o fl o a d i n gi nt h ee n t r yi n t e r s e c t i o n s a tt h es a m e t i m eu n d e rt h ee a s ta n dw e s ts u r r o u n d i n gr o c ko fd a n i n g ，u s ef i n i t e e l e m e n te s t a b l i s ht h ec a l c u l a t i o nn u m e r i c a lm o d e l ，s i m u l a t ea n d a n a l y s et h ec h a n g eo f s t r e s si nt h ee n t r i e sw h i c ha r es u p p o s e db y c a b l e s c a s es t u d yi sa p p l i e di nl a r g es p a nc o a le n t r yo fd a n i n g ，a n d o b s e r v ea n da n a l y s ed i s p l a c e m e n td i s t o r t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k d u r i n gc o n s t r u c t i o n t h es p a nr e d u c i n gt h e o r ys u i t a b l ef o rc o n t i n u o u sb e a m ，t h e h a n g i n gt h e o r ys u i t a b l ef o rt e n d e rr o o f o fc a b l es u p p o r ta n dc a v i n g b o d yw i t ha r c h ，c a v i n gb o d yw i t ht r i a n g u l a r , c a v i n gb o d yw i t hk e y s t r a t u mc a l c u l a t i o nm o d e ls t u d i e dj n t h i s t h e s i si s r e a l l y a b r e a k t h r o u g hi nl a r g es p a nc o a le n t r y w i l lh e l pf u r t h e ro t h e rr e l a t e d r e s e a r c hi nt h i sf i e l d i tc a nc o n t r i b u t et oi m p r o v et e c h n o l o g yo f c a b l eb o l ts u p p o r tc o n t i n u a l l y k e yw o r d s l a r g es p a n ，c o a le n t r y , c a b l e b o l t s u p l s o r t ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 太原理一1 人学硕十研究生学位沦丈 1 ，1 选题的目的和意义 第一章绪论 山西亚美大宁能源有限公司大宁煤矿是一座中美合资的年产4 0 0 万 吨的大型现代化煤矿。该矿引进美国亚美煤矿公司资金和先进采掘设备， 与山西晋城市联合开发，以科技创新为动力，运用新技术、新工艺、新装 备，力求达到安全、高产、高效。 大宁煤矿井罔位于太行【h 南端与中条f h 东北缘的结合部。受新华夏 系、东西构造带和南北构造带的复合压扭性作用影响，煤岩层赋存区域性 变化较大：西部为断裂发育区，主要构造为东西向压性断裂构造带；东部 为褶曲构造，形成南北压性和压扭性断裂构造带。该矿采用大采高长壁综 合机械化采煤，可采煤层为3 。煤层，平均厚度为4 5 m 。3 。煤层属脆性中 等强度煤层，层理、节理裂隙发育，各分层煤体力学性质差异较大，易片 帮，尤以中部煤层突出。顶板泥岩层强度较低，上部煤层冒落后，泥岩层 随之冒落；底板为黑色泥岩，水平层理发育，强度较低。 为了提高矿井的现代化水平，大宁煤矿采用连续采煤机掘进和一次采 全高的回采工艺，掘进和回采设备功率高、体积大，同时由于大宁煤矿属 高瓦斯矿井，为了满足掘进和回采期间的运输和通风要求，巷道断面明显 增大，巷道数量明显增多。 大宁煤矿巷道均布置在3 4 煤层，沿煤层底板掘进，留顶煤，巷道最小 断面达5 5 m x 3 2 m ，交岔点处达9m 3 2 m 。该矿初期采用美国和澳大利 亚锚杆支护经验设计支护参数，经过一年多的实践证明，巷道时常产生冒 】 太原理： = 大学硕士研究生学位论文 顶、片帮及顶板离层下沉等现象，并已经严重影响到矿井安全生产。分析 原因主要是由于大宁矿区地质条件复杂顶板离层深度增大简单锚杆支 护不可能有效控制巷道变形。因此，如何运用合理锚固方式对大跨度全煤 巷道围岩进行有效控制，成了大宁煤矿实现高产、高效的先决条件。 基于上述认识，作者在导师的指导下，选择“大跨度煤巷锚索支护研 究与应用”作为硕士论文的主攻方向，以大宁矿地质条件为典型研究素材， 把大跨度全煤巷道围岩稳定性作为研究对象。采剧现场调研、理论分析、 地质力学评估、计算机模拟、现场应用及观测相结合的综合研究途径和方 法，在分析总结国内外围岩锚杆锚索支护控制及支护机理的基础上，对大 跨度全煤巷道分别从工程地质基础、稳定性分析与评价、稳定性控制三方 面进行系统深入的研究，探讨适应大宁矿大跨度全煤巷道锚索补强支护的 技术方案和设计参数，试图解决工程实际问题的同时在大跨度全煤巷道锚 索支护研究的基础理论和方法方面取得一些进展，并初步建立大跨度全煤 巷道稳定性及其控制研究的基本框架和技术方法体系。 1 2 国内外锚固技术发展概况 锚固技术是采矿工程领域的一个重要分支。采矿工程中采用锚固技 术，能较充分地调用和提高圈岩体的自身强度和稳固能力，大大缩小支护 结构物体积和减轻结构物自重，显著节约工程材料，利于施工安全，已经 成为提高采矿工程稳定性和解决复杂的采矿工程问题最经济最有效的方 法之一。锚固技术已经在我国边坡、基坑、矿井、隧道、地下工程、坝体、 航道、水库、机场、及抗倾、抗浮结构等工程建设中获得广泛的应用。 目前岩体锚固的方法主要有以下两种： ( 1 )锚杆加固 2 太原理17 人学硕十研究生学位论文 该方法是通过钻孔，将钢筋杆体固定于一定的岩层中，主动地加固 岩体，有效地控制其变形，防止坍塌的发生。现有资料表明，国内外使 用的锚杆种类已有数百种。工程中常用的为端头锚固式锚杆：全长粘结式 锚杆摩擦式锚杆及其他类型锚杆。其优点是结构简单，易于加工，施工 方便快捷，锚固可靠，兼有支护与加固的作用。缺点是锚固力较小，锚固 效率较低。 ( 2 )锚索加固 该方法以锚索作为承受拉力的杆状构件，通过钻孑l 将钢绞线或高强钢 丝固定于深部稳定岩层中，从而达到被加固体稳定和限制其变形的目的 “3 。据文献报道，1 9 1 8 年在西利西安矿山开始使用锚索支护，1 9 3 4 年在 阿尔及利亚舍尔法重力坝首次使用预应力锚索对坝体和坝基进行加固处 理。我国1 9 6 4 年在梅山水库右岸坝基的加固中首次使用锚索加固技术， 其后随着高强钢材和钢丝的出现以及钻孔灌浆技术的发展，并在锚固作用 的深入研究基础上，使得预应力锚索日益广泛地应用于坝基加固，边坡加 固，地下工程围岩支护，结构抗浮，结构抗倾及矿井顶底板、侧帮支护等 方面“卜”1 ，按锚固段的受力状态可分为：拉力型锚索，压力型锚索，荷载 分散型锚索等。其优点是：锚固力大，锚固岩体较深，结构简单，锚固性 能可靠，经济效益明显。其缺点是：工艺复杂，对腐蚀性和岩体质量的灵 敏度高，拉力型锚索应力集中现象明显，锚固作用机理尚不十分明确。但 是由于其预应力吨位大，长度大，并能在岩体中形成三向受压的高围压状 态，具有其它锚固手段不可替代的优点，从而日益广泛的应用于工程实际 中。 1 2 1 国内外锚杆支护技术发展概况及存在的问题。1 近年来，我国在煤矿支护与加固技术方面取得了长足进步，尤其在锚 杆、锚索加固方面有较大的发展，这两种方式在维护巷道围岩稳定性方面 3 太原理 ：人学硕士研究生学位论文 应用很普遍。然而，这两种方法都有其各自的适用范围。 1 2 1 1 国内外锚杆支护技术发展概况 锚杆支护可显著提高围岩的稳定性，与传统的棚式支护相比具有明 显的技术和经济优越性，因而倍受世界各国采矿工程界所关注，并得到快 速发展和广泛应用。目前，锚杆支护己经成为巷道支护的一个主要发展方 向。锚杆支护技术始于国外。1 9 0 5 年美国在建筑修缮方面开始使用喷浆 技术，1 9 2 4 年前苏联的顿巴斯矿开始应用锚喷支护，5 0 年代英、德、法、 瑞典开始使用和研究锚杆支护。经过5 0 - 6 0 年代的徘徊期后，世界各国的 锚杆支护技术获得蓬勃发展，成为煤矿巷道支护的主要形式。目前澳大利 亚、英国、美国等国的锚杆支护技术比较先进。特别是澳大利亚锚杆支护 技术已经形成比较完善的体系，处于国际领先水平，该国结合自身条件， 应用岩石力学原理和综合实测技术发展锚杆支护技术，几乎所有的巷道都 采用锚杆支护“；美国锚杆支护占整个煤矿支护形式的比例达9 0 以上 ”“；英国近年来锚杆支护巷道已占巷道总量的8 0 “；法国、德国锚杆支 护的比例达到5 0 以上”。总的来看，国外应用锚杆支护技术的发展有以 下特点：( 1 ) 结合本国巷道围岩自身条件，针对性地解决了一些技术难题。 如：德国8 0 年代初针对煤田赋存较深特点，建立了大型三维实验台模拟 1 6 0 0 m 井深条件，进行深井巷道支护( 包括锚杆) 研究；( 2 ) 逐步完善锚 杆支护技术。国外锚杆日益向高强度、超高强度发展，研制了适应围岩大 变形的可拉伸锚杆；( 3 ) 完善锚杆施工配套机具；( 4 ) 各国都建立适合自 身条件锚杆支护设计方法。如澳大利亚在充分考虑水平地应力条件下将锚 杆设计看成整个动态过程，即采用了“地质力学评估计算机模拟进行 初步设计现场施工、监测信息反馈修改完善设计”的方法。此设 计方法已在英国、波兰、印度、日本得到应用m 脚d6 j i 法国的设计方法 以经验为基础，适用于地质条件变化相对较大的情况；德国条件单一，采 4 太原理工人学硕十研究生学位论文 用极限移近法；( 5 ) 逐步完善测试技术：确保锚杆支护技术的安全性和经 济性。 我国锚卡t 支护技术始于5 0 年代，1 9 5 5 年开始试用于煤矿巷道支护。 当时主要采用机械端锚和钢丝砂浆无托板 l t l ：，这种单体锚杆在较稳定的 岩石巷道中获得成功，但是在围岩较松软的巷道及动压巷道中没有取得预 期效果。国家“七五”和“八五”科技攻关中将锚杆支护定为软岩支护的 主攻方向之一，使锚杆支护有了新的发展，进入了以锚带网和锚梁网为代 表的组合锚杆支护阶段。这一阶段锚杆类型以水泥药卷钢筋锚杆为主，树 脂药卷钢筋锚杆开始使甩，基本解决了一般条件下巷道支护问题。“九五” 期间展开了更深入、细致的研究工作。特别在9 6 9 7 年，我国引进了澳 大利亚锚杆支护技术，在邢台矿务局进行了现场演示，并完成了与锚杆支 护技术有关的十五个项目，使我国的煤巷锚杆支护技术上了一个新台阶。 我国锚杆支护经过5 0 余年的探索，取得了很大进展。从单体锚杆支护发 展到了组合锚杆联合支护；从端锚固发展n ：d n 长锚固和全长锚固；从水泥 砂浆锚固发展到树脂锚固剂和涨壳式锚固。目前，在我国i 、i i 、i i i 类回 采巷道锚杆支护技术已经基本解决，已在全国推广应用“”。 1 2 1 2 锚杆支护现存的主要问题 由于锚杆支护具有许多优越性，受到了国内外的普遍重视，并得到了 快速发展和广泛应用，使之越来越成为占据主导地位的巷道围岩支护形 式，尤其是在西方发达国家，普及应用率较高。 但是近年来，随着我国煤矿开采技术的提高，新技术、新工艺、新装 备的发展，掘进和回采设备功率高、体积大，同时为了满足掘进和回采期 间的运输和通风要求，巷道断面、跨度明显增大。另外，煤巷锚杆支护比 重也逐年提高。1 9 9 5 年，我国国有重点煤矿当年新掘巷道中锚杆支护所 占比重为2 8 1 9 ，其中岩巷中占5 7 2 ，半煤岩巷中占2 7 6 5 ，煤巷中 b 太原理工人孚顺士研究生学位论文 占1 5 1 5 。到1 9 9 8 年，煤巷锚杆支护比重提高到了2 0 1 4 ，半煤岩巷中 则提高到了2 9 7 4 “。锚杆支护技术还存在不少问题，锚杆支护理论仍 未完善，特别是大跨度、全煤巷道软弱破碎围岩等困难条件巷道的支护加 固问题还没有完全解决。 这主要是由于： ( 1 ) 对锚杆支护机理的认识还不够准确和全面，现有锚杆支护理论 具有很大的局限性。对锚固效果的综合因素效应还难以做到定量把握。目 前，较成熟的锚杆支护理论主要可归纳为三大类：是基于锚杆的悬吊作 用而提出的悬吊理论、减跨理论等；二是基于锚杆的挤压、加固作用提出 的组合梁理论、组合拱理论以及楔固理论等；三是综合锚杆的各种作用而 提出的松动圈支护理论、锚固体强度强化理论、锚注理论、最大水平应力 理论以及锚杆桁架支护理论等。然而，与锚杆支护技术广泛应用的现实极 不相称的是，在很多情况下锚杆支护理论和技术尚不完善。锚固支护作为 一种独立的支护方式还不能解决大断面、软弱破碎围岩等困难巷道的支护 和加固问题。经典的锚杆作用机理在现场应用过程中存在诸多弊端，现场 操作困难，不适合锚杆支护的科学化要求。进一步深化锚杆支护理论的研 究，完善设计理论显得十分必要。 ( 2 ) 围岩条件复杂，锚杆支护难度大。我国煤炭资源丰富，赋存条 件复杂，制约了锚杆使用范围，特别是在、v 类巷道及回采巷道，不仅 围岩的强度条件较差，还要受到采动的强烈影响。因此，围岩变形量和破 裂范围往往都很大，且随着围岩各阶段变形、破坏的发生，锚固结构须具 有相应的变形适应性并保持足够的承载能力以及对围岩变形的约束能力， 以使围岩重新形成平衡状态，这给锚杆支护技术的推广应用造成了极大的 困难。 ( 3 ) 支护形式和支护参数选择还存在一定的盲目性，而且在我国并 6 l 、躁理：f 大学硕士研究生学位论文 没有统一的支护设计规范，锚杆支护技术的应用在很大程度上仍处于工程 类比法阶段。 ( 4 ) 机械化程度较低，钻装( 装药卷、安装锚杆) 速度较慢，影响 巷道快速掘进，不适应综合机械化采煤的发展。 ( 5 ) 设备、仪器、仪表不能适应目前需要。 目前虽然锚杆支护理论和技术取得了一定的研究成果，但远不能满足 生产的要求，在锚杆支护参数设计方面还缺乏足够的科学依据，存在一定 的盲目性。因而要扩大锚杆支护技术应用范围，特别是推广应用于、v 类巷道，还应开展大量的工程实验及理论研究工作。 综合以上分析，对于一些特殊巷道单独采用锚杆支护不能达到支护要 求，必须采用锚杆、锚索联合支护，充分发挥锚索的补强作用，才能达到 满意的效果。本文重点研究大跨度煤巷锚索支护，并将其应用到工程实际 中，具有重要的现实意义。 1 2 2 国内外锚索支护技术概况 ( 1 ) 锚索发展概况及作用原理 自从1 9 3 4 年阿尔及利亚的c o y n e 工程师首次将锚索加固技术应用于 水电工程的坝体加固并取得成功，并随着高强钢材和钢丝的出现、钻孔灌 浆技术的发展，以及对锚索技术研究的深入和对锚固技术认识的逐步提 高，预应力锚索加固技术已广泛应用于各个工程领域，并成为岩土工程技 术发展史上的一个里程碑。 近年来，英国、澳大利亚等采矿业较发达的国家，注重锚索技术的应 用和发展，在较差的围岩条件下，为提高支护强度和效果，通常采用锚索 做加强支护“。在交叉点、断层带、破碎带和受采动影响难于支护的巷道 中，都采用锚索做加强支护1 。 我国的锚索加固技术始于6 0 年代，1 9 6 4 年梅山水库在右岸坝基的加固 7 太原理1 ：人学硕士研究生学位论文 中首次成功地应用了锚索加固技术“。目前，锚喷技术已经成为我国煤矿 巷道支护的主要形式之一，而预应力锚索在锚固技术中也占有重要地位， 己从原来的岩巷扩展应用于煤巷。尤其是深井煤巷、围岩松散或受采动影 响大的巷道、大硐室、切眼、交叉点及构造带等需要加大支护长度和提高 支护效果的地方，采用预应力锚索是非常行之有效的方法o “。 随着高产高效工作面，特别是综放的发展，煤层巷道中采用锚杆支 护成为其重要的技术支柱。由于综放面回采巷道断面大、围岩松软变形大， 采用单一的锚杆支护以难以适应。在煤层巷道中采用锚杆与锚索联合支 护，变得越来越普遍。 锚索是采用有一定弯曲柔性的钢绞线通过预先钻出的钻孔以一定的 方式锚固在围岩深部，外露端由工作锚通过压紧托盘对围岩进行加固补强 的一种手段。作为一种新型可靠有效的加强支护形式，锚索在巷道支护中 占有重要地位。其特点是锚固深度大、承载能力高，将下部不稳定岩层锚 固在上部稳定的岩层中，可靠性较大：可施加预应力，主动支护围岩，因 而可获得比较理想的支护加固效果，其加固范围、支护强度、可靠性是普 通锚杆支护所无法比拟的m 1 。 锚索除具有普通锚杆的悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用、楔固作 用外，与普通锚杆不同的是对顶板进行深部锚固而产生强力悬吊作用。 在采掘现场，对于围岩松动圈大，巷道围岩节理发育、顶板破碎及伪 顶较厚等复杂顶板条件下的巷道支护，通过锚杆对松动圈内的围岩进行组 合梁加固和锚索的补强支护，将其锚固到顶板深部。 由于锚索支护给巷道顶板的高预紧力和它的高承载能力，使顶板由锚 杆支护形成的组合梁得到进一步加强，并将其牢固的悬吊在上部直接项或 老顶内。同时，这种加强锚杆支护所形成的组合梁对上部直接顶或老顶也 进行了保护，阻止了它的下沉移动和松动扩展。使相邻的锚杆、锚索的作 8 太原理：1 人学硕士研究生学位论文 用力相互叠加，组合形成了一个新岩梁。这个新的岩梁厚度、刚度、层间 抗剪强度增加，使顶板压力通过巷道煤帮向煤体深部转移。改善巷道受力 条件，使顶板得到有效控制，片帮问题也得到了较好的解决。 ( 2 ) 锚索支护的适用条件： 一般情况下，i 、i i 类围岩条件不使用锚索。由于岩体的非均质性 局部变化及大型硐室或综采切眼的跨度等因素影响，也有局部少量使用。 其使用主要是根据现场情况变化，确定局部非均匀布置使用。锚索多使用 在i i i 、v 类围岩条件的巷道中，更多的使用在、v 类围岩条件的巷 道中。 ( 3 ) 锚索类型分析 目前在加固工程中使用的锚索类型种类繁多，按不同的分类方法可将 锚索划分为不同的类型，例如按外锚头的结构形式分为o v m 锚、q m 锚、 ) 【m 锚、弗氏锚等；按锚固段结构受力状态分为拉力型、压力型、荷载分 散型、另外还有可拆除式锚索、观测锚索等。 1 ) 拉力型锚索 拉力型锚索的锚固段是采用纯水泥浆或水泥砂浆将锚固段部分的锚 索体固结在被锚固体的稳定部分，该类锚索采用二次注浆，第一次形成锚 固段，第二次是在张拉后进行，主要作用是确保张拉段锚索体的防护，同 时也将锚索体的预应力通过浆体的粘结力固结，一旦内外锚头失效也可保 持预应力。拉力型锚索结构简单，施工方便，造价较低。 但是这种锚索作为永久性锚索，其防护性能差，内锚固段受力机理不 尽合理，在内锚固段上部应力集中，并随深度衰减，因此在锚固段上部大 约在l 3 米范围内浆体容易开裂，特别是o l 米范围内钢绞线和浆体之间 粘结力被剪切破坏，而且在垂直于锚固体轴向出现可见的裂缝，而在1 3 米范围内则出现微缝，影q 自锚固效果。为了确保锚固力往往要加长锚固段 9 太原理1 2 人学硕士研究g 学位论文 长度，这样反而增加成本，故此拉力型锚索不是最佳选择。 2 ) 压力型锚索 压力型锚索与拉力型锚索的受力机理不同：通过锚索尾部的p 型锚和 承压板将张拉荷载作用于内锚固段下部，使内锚固段的注浆材料承受压 力，在轴向压力作用下注浆材料径向膨胀，但该膨胀受到周围岩体约束， 故而在浆体材料与孑l 壁之间产生挤压咬合力。所以压力型锚索锚固力不仅 取决于内锚固段注浆材料与孔壁的粘结力，而且还取决于两者之间的挤压 咬合力。因此与拉力型锚索相比，在相同长度的内锚固段条件下，前者具 有更高的承载力和更好的耐久性，并且由于压力型锚索施工采用一次性注 浆法，这样既减少了工序，又可在未张拉前提供一定的锚固力。 压力型锚索荷载分布的特点： 在锚索的根部荷载大，靠近孔口方向荷载明显变小，这样有利于将不 稳定体锚固在岩层深部，充分利用有效锚固段，从而可缩短锚索长度： 浆体受压，被锚固体受压范围更大，可提供更大的锚固力； 压力型锚索的锚索体采用无粘结钢绞线，因而多一层防护措施， 如果采用镀锌或环氧喷涂钢绞线外再包裹一层或二层高密度聚乙稀( 即p e ) 套管，则令其具有更高防护性能，故可作为永久性锚索； 抗震性能好。 3 ) 荷载分散型锚索 目前使用的锚索结构一般为拉力型，也有少数采用压力型，以上两种 类型，应力过于集中传递到锚固段的局部部位，导致锚固体遭受破坏，即 使压力型锚索，在承载板上部0 2 5 o 3 米范围内的浆体也可能受压破坏。 荷载分散型锚索，将施加的预应力分散在整个锚固段上，使应力应变分散 减- j , n 确保锚固段不受破坏。这种类型的锚索种类多种多样，大致分为拉 力分散型、压力分散型、拉压分散型三种。 1 0 太原理工大学硕士o j f 究生学位论文 拉力分散型锚索 拉力分散型锚索的锚索体均采用无粘结钢绞线，较简单的拉力型锚索 是将处于锚固段中不同长度的无粘结钢绞线未端按一定长度剥除高密度 聚乙稀( p e ) 套管，即变为粘结段，当浆体固结后，锚索预应力通过钢绞线 与浆体的粘体传递给被加固体，从而提供锚固力。 也有的无粘结钢绞线外套波纹管，还有的将波纹套管设在锚固段，并 由多段组合，波纹套管之间由接头套管连接，波纹套管与接头套管之间可 相对滑动。在不同长度的无粘结钢绞线末端，波纹管部位剥除与波纹套管 同样长度的p e 套管。在波纹套管内外注满浆体并固结后，对锚索体施加预 应力时，通过粘结段与浆体的粘结力将预应力传递给波纹管。因波纹套管 与接头套管之间可以相对滑动，这个部位的软弱层，不承受预应力，这样 通过多段粘结段和波纹管段，把顶应力荷载分散在被加固体上，从而达到 荷载分散的目的。另外，因多段接头套管部位不承受预应力，避免了软弱 层产生压缩变形，如果没有软弱层可不设置接头套管。 压力分散型锚索 压力分散型锚索的锚索体也是采用无粘结钢绞线，较简单的压力分散 型锚索结构是在不同长度的无粘结钢绞线末端套以承载板和挤压套，当锚 索体被浆体固结后，以一定荷载张拉对应于承载体的钢绞线时，设置在不 同深度部位的数个承载体将压应力通过浆体传递给被加固体，这样对在锚 固段范围内的被加固体提供被分散的锚固力。还有一种压力分散型锚索是 根据给锚索施加预应力时钢绞线均匀伸长这一性质，在一根或数根无粘结 钢绞线上，按一定间隔( 视被加固体的承载力大小，设置间隔为1 - - 3 m ) 设 置挤压套承载板，挤压套为特殊可滑动结构。 拉压分散型锚索 拉压分散型锚索是在两根( 或四根) 无粘结钢绞线下部剥除l - - 3 m p e 套 太原理工火学硕士研究生学位论文 管，变成拉力型锚固段，在该端靠近剥p e 套管处安装可移动挤压套和承载 板，变成压力型锚固段，在另外两根( 或四根) 无粘结钢绞线上也按上两根 那样处置，然后将它们编制在一起，编索时无粘结段呈台阶状布置。这样 就可以形成拉压分散型锚索，这可以提供比拉力分散型、压力分散型更为 均匀的锚固力，据实验可知锚索塑性滑移前其抗拔能力较拉力型锚索、压 力型锚索均有较大提高。 国内按锚固段受力状态分类，常用的锚索以拉力型为主，但拉力型锚 索在锚固段上部拉应力集中，导致浆体产生开裂，影响锚固效果，而压力 型锚索和荷载分散型锚索克服了拉力型锚索的不足，其受力机理合理，使 得整个锚固段上粘结摩阻力应力分布较均匀，从而充分地利用承载力较低 土体的抗剪强度，使锚固体和被加固体提供更高更稳定的锚固力。 1 3 本文的研究方法和内容 鉴于以上原因，本课题从锚杆、锚索支护的实质入手，结合大跨度全 煤巷道的特点，进行大跨度煤巷锚索支护技术研究。 本文以山西亚美大宁能源有限公司大宁煤矿3 煤层全煤巷道为研究 对象，针对3 。煤层赋存条件、开采状况及巷道几何特征，通过对3 4 煤层及 顶底板岩层力学参数实验室试验研究和原有锚杆支护方案系统的理论分 析的基础上，研究了锚索支护理论，并提出了对大跨度全煤巷道进行锚索 补强支护技术。并运用理论分析计算、数值模拟等手段，对大跨度全煤巷 道支护进行设计，在现场实践得以成功应用。本文所提出的锚索补强支护 技术研究，提高了围岩抵抗变形和破坏能力，有利于发挥巷道围岩的自身 承载能力，丰富和完善了锚索支护理论，促进了锚固支护在大跨度全煤巷 道中的应用。 1 2 太原理j ：人学硕十研究生学位论史 本文主要研究内容为： ( 1 ) 锚索支护理论研究 根据锚索支护作用原理，研究锚索支护理论，建立锚索支护计算模型 并对锚索支护参数进行确定。 ( 2 ) 实验室力学研究 针对3 4 煤层大断面全煤巷道围岩赋存状况，采用实验室研究方法对 3 。煤层及顶底板岩层力学特性进行实验室研究，分析力学参数，并进行地 质力学评估。对原有支护方案进行评估分析，提出锚索补强支护技术方案。 ( 3 ) 大跨度煤巷变形破坏数值模拟研究 利用有限元分析软件a n s y s ，对大宁煤巷不同地质条件下锚杆及锚索 支护进行数值模拟分析计算，研究大跨度煤巷在不同方案下巷道围岩应力 分布规律及变形位移特征。论证在原有锚杆支护基础上采用锚索补强支护 加固大跨度煤巷围岩的可行性与可靠性，并确定锚索支护方案。 ( 4 ) 变形观测及分析 完成大宁矿煤巷锚索补强支护工业试验，采用现场观测、数据处理和 分析的方法，对围岩变形进行观测。 1 3 太原理工人学硕十研究生学位论文 第二章工程概况及原支护方案评价 2 1 矿区基本概况 2 1 1 煤层赋存概况 大宁煤矿井田位于太行山南端与中条山西北缘的结合部，沁河流经 井田区的东缘外侧，区内芦苇河、西沟河( 下游护津河) 均注入沁河。区 内地形以低山丘陵地貌形态为主，东北、西北高，东南低，区内石岩 岭及霍山岭海拔标高在+ 1 0 7 0 m 左右，霍山岭为芦苇河与护津河之分水岭。 最低点在东部义城村一带，标高为+ 5 5 4 3 m 。 大宁煤矿主要开采煤层为3 # 煤层，煤层平均厚度4 5 m ，埋藏深度约 2 0 0 3 0 0 米，顶、底板以层状泥岩、泥质页岩、砂岩为主，煤层中层理 发育，各分层煤体力学性质差异较大，底板主要由泥岩、泥质页岩和砂岩 组成。 2 1 2 矿区地质构造及特征 就区域地质构造讲，上黄崖井田位于沁水岔地南缘，太行复背斜南端 西翼，中条崖断层东段北侧。从地质力学分析，居于晋东南山字型构造脊 柱西侧马蹄形盾地，同时矿区受到华夏系、东西向构造带及南北向构造带 的复合地层应力作用影响。 矿区内地层总的趋向由南向北倾斜，井田东部以褶曲为主，西部断裂 发育。根据其生成联系的空间排列规律，可划分为近南北向构造带，近东 西向构造带和沁水带状构造体系。 1 4 太原理l 。人。学硕十研究生学位论文 近南北向构造带：其构造形迹主要为南北走向褶曲及压性断裂和同它 生成联系的横张、压扭性断裂。多位于井田东部，其走向大致平行，呈南 北向延深，主要构造包括：马庄背斜：刘家腰向斜以及轴长在几百米至几 千米的褶曲3 0 多条；f 3 3 4 断裂；f 3 4 8 断裂；f 3 4 9 断裂等。 近东西向构造带：由于受矿区外部索泉岭南岭带东西压性断裂构造 带的影响，在本井田内形成东西向构造带，主要分布在井阡1 西部，向东延 深时受南北构造力的影响，致使构造向北偏转，矿区内主要东西向构造有： 寺头断裂：南板桥断裂；f 3 1 4 断层等。 2 23 4 煤层及顶底板岩层地质力学特性评价 巷道围岩是一个极其复杂的地质体。与其它工程材料相比，它具有 两大特点：其一是岩体内部有各种各样的不连续面，如节理、裂隙等，这 些不连续面的存在显著改变了岩体的强度特征和变形特征，致使岩块与岩 体的强度相差悬殊；其二是岩体有原岩应力，地应力场的大小和方向都显 著影响着围岩的变形和破坏。因此，一切与围岩有关的工作，如巷道布置， 巷道支护设计，特别是锚杆支护设计，采煤方法的确定和设备选型，都离 不开对围岩地质力学特征的充分了解。 2 2 13 4 煤层顶底板岩层力学参数 为准确掌握井下巷道的实际地质力学状况，进行了两次井下巷道顶底 板岩层钻孔取样分析。 3 “煤层东部顶底板岩层柱状图见图2 一l ，岩层力学参数见表2 1 ；西 部顶底板岩层柱状图见图2 2 ，岩层力学参数见表2 2 ；东西部顶底板岩 层单轴抗压强度分布图见图2 3 ，2 - 4 1 5 太原理t 大学硕十研究生学位论文 编号 1 l 米 1 5 艇 2 5 来 吐8 求 2 7 米 执g 屯亍i 已删嗡磐椒木啊丑 柑兰泄 郑劂开碗：i ；| j m 刊玎伍唧；镜闩o 诫 钟晒嘲点冼址纬糊$ l e l 三帮再l 兰1 竹篮锻伽与悄忱h 戬肌l 镕轱薛 淞异骶裔盆岫姒 环i 也细瞪批发侑诒锄潞含h 可j 帘“镜f 础蚴 礁蛙饼讦制白云 噼徽占黜怩瑚1 撩抖址黼嗽铣俐删缸一锄墨 群包- 甜d g 断口呈g a 上水邗未骚妤 台= 煳帕z 嚼：镜h 翊r 物m 成埘剥绷椭诂粘茸协古挝嘏蛐均占随矾o 枷粥晰昭删 燕景包泥 构断 i 坚p g 猷求嘲琉相昌甄h 丑蚓蝴刖酏刚* 糟i 升布填下赡 西彭 蔓未弛占卣互c 苴龇也 匏泥嗽水鸭辛嗨岩| 雠层唾酝l 羊融翻独捌篮物耕镜研酶捌 艄籼协哉站眦* 垡刚鲥；忧 届饽扮佣辄铘壤磕缁l 蛰臣层倒t 睡j i * i 翦目鞋辑；瓢晰l i 埚睁口 勤密耐帅吡蜘烈船5 甜r 悱秆僦t 膨怡喇洲墙曰轱绣 f 黼 囊机 *i 眯 n 粜 n 5 来 n 5 米 5 艇 1 1 5 来 奢堪 p t 娃 l m ) 删 商b 础 图2 - i3 煤层东部顶底板岩层柱状图 f i g 2 1s l r a t i g r a p h i cc o l u m no f 3 4 c o a li nt h ee a s t 1 6 太原理r 大学硕十研究生学位论文 表2 - 13 煤东部顶底板岩层力学参数 t a b l e 2 1 l i * h o l o g i c a lm e c h a n i c sp a r a m e t e r so f 3 “c o a ls e a m i nt h ee a s t 序 岩层 岩石 r q d弹性泊 单轴 内摩 厚度指模量松 抗压 抗拉 内聚力 擦角 容重 号名称强度 强度 ( m p a ) ( g c m 4 ) ( m ) 标 ( g p a ) 比( m p a ) ( 。) 0 肛) a ) 粉 l 1 15 33 0 3 0 50 1 l1 2 5 0 3 1 2 0 7 74 4 63 9 62 2 7 砂岩 由 21 59 01 7 9 1 90 2 46 9 8 3 71 2 7 7 72 1 9 41 4 12 6 7 砂岩 细 32 58 82 2 6 4 4o 3 31 0 4 5 9 61 3 2 0 31 1 1 93 7 42 7 9 砂岩 泥质 4 o ，8粉砂6 41 4 4 7 80 2 76 8 7 5 91 2 5 3 24 1 33 7 42 7 6 岩 细 52 78 96 4 8 20 2 45 2 9 7 51 0 8 6 17 2 83 52 7 l 砂岩 砂质 61 19 11 3 5 1 30 2 6 5 0 5 8 3l o 7 1 34 5 3 3 3 72 6 4 泥岩 高岭 70 8石泥3 58 5 6 70 2 82 8 4 5 63 5 6 21 2 33 3 42 5 8 石 高岭 8o 5 石泥 3 89 3 2 50 2 93 2 3 4 54 2 1 61 3 l3 5 22 5 6 90 ，53 # 煤o4 8 2 60 3 91 8 9 0 50 8 8 41 2 34 5 2 1 6 2 1 0 o 53 # 煤04 0 3 60 4 l1 7 9 0 70 8 7 20 9 04 3 71 5 8 1 lo 53 # 煤o5 5 1 5o 3 82 0 9 8 l1 2 7 l1 9 24 3 31 4 6 1 233 # 煤 高岭 1 3 3 石泥 3 01 2 3 7 20 2 44 0 3 3 74 7 4 63 8 83 4 。2 5 9 石 太原理：大学硕十研究生学位论文 序岩层厚度 柱状图岩年沼称岩性描述 号 ( m ) 1o 8 0 泥岩灰黑色，层理发育破碎，质软。 22 5 0粉砂岩灰黑色，层理发育，坚硬。 灰黑色，层理发育，质软，较破 31 2 0粉砂质泥岩 碎。 42 7 0粉砂岩深灰色，泥质，较完整。 5 1 9 0砂质泥岩深灰色，层理较发育。 灰黑色质软，层理发育破碎， 61 ，7 0 泥岩 夹煤线。 层理发育，破碎，部分分层较坚 71 7 0煤 硬。 8 巷道 90 5 0泥岩 灰黑色，层理发育，破碎，质软。 1 04 0 0砂质泥岩 灰黑色较完整。 图2 - 23 煤层西部顶底板岩层柱状图 f i g 2 2s t r a t i g r a p h i cc o l u m n o f 3 4 c o a li nt h ew e s t 1 8 太原理工大学硕十研究生学位论文 表2 - 23 煤层西部砸威板岩层力学参数 t a b l e 2 - 2l i t h o l o g i e a lm e c h a n i c sp a r a m e t e r so f3 4c o a ls e a mi nt h ew e s t 序 岩层 岩单车 i 厚度 石 r o 仁弹性 泊抗拉内摩 号名 指幞量松 抗压 强度 内聚力 擦角 容重 ( m )标 ( g p a ) 比 幽窿 ( m p a ) ( m p a ) ( g c ) ( o ) 称伽 a ) 泥 lo 8 03 81 0 3 50 2 83 8 6 l5 3 8 42 83 5 42 6 4 岩 粉 22 5 0砂4 02 9 6 40 1 31 0 7 6 81 17 8 5 4 6 3 9 6 22 ，6 5 岩 粉 砂 3 1 2 0质2 52 3 5 6 o 2 32 5 8 16 7 5 12 33 6 4 2 7 3 泥 岩 粉 42 7 0砂6 78 7 20 2 35 0 8 56 7 8 27 53 4 6 52 ，7 0 岩 砂 质 51 9 0 4 51 2 3 70 2 8 4 4 7 8 5 5 1 5 4 73 3 4 3 2 ，6 3 泥 岩 泥 61 7 03 23 8 00 3 22 8 4 03 4 2 71 4 73 752 6 l 岩 了l7 0煤84 0 4o 4 11 7 9 1l 、9 3 50 9 04 3 71 6 9 巷 8 道 泥 90 5 02 41 3 4 20 3 13 5 6 73 8 5 42 + 5 63 8 4 2 6 4 石 砂 质 1 0 40 07 11 2 5 50 2 54 8 94 8 7 53 o3 9 2 8 2 5 7 泥 山 石 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 33 煤层东部顶底板岩层单轴抗压强度分布图 f i g 2 3d i s t r i b u t i o ng r a p ho f l i 吲c 。m p i 目i 曲日曲o f 3 4 c o a ls e 锄i n t h ee a s t 图2 43 煤层西部顶底板岩层单轴抗压强度分布图 f i g 2 4d i s t r i b u t i o ng r a p ho f u n i a x i z l 哪s l m l g t h o f 3 8c o a ls e a mi nt h ew e s t 2 0 太原理r 大学硕士研究生学位论文 2 2 2 地质力学分析评价 1 ) 矿区位于晋东南山字型构造脊柱西侧马蹄形盾地，受新华夏系、 东西构造带和南北构造带的复合压扭性作用影响； 2 ) 矿区内西部为断裂发育区，主要构造为东西向压性断裂构造带： 3 ) 矿区内东部为褶曲构造，形成南北压性和压扭性断裂构造带； 4 ) 3 e 煤层属脆性中等强度煤层，分层明显，节理裂隙发育，易片帮， 抗压强度在1 8 m p a 。从巷道揭露的情况看，中部煤层纵向裂隙极为发育， 片帮严重，该层是巷道两帮支护的重要关键部位： 5 ) 3 4 煤上部煤层致密且强度较大，具有较强的自承能力和保护顶板 泥岩坍落的能力，应充分利用顶煤护顶； 6 ) 3 “煤层顶板由厚1 3 1 7 m 的黑色高岭石泥岩( 伪顶) 和厚1 1 1 9 m 的砂质泥岩( 直接顶) ，以及4 m 左右的砂岩( 老顶) 组成。顶板泥岩层 分为两层，上分层为砂质泥岩，抗压强度值为4 4 5 0 m p a ，r q d 指标在 4 5 左右，完整性较好。下分层为黑色高岭石泥岩，抗压强度较低，层理 极为发育，为极不稳定岩层。巷道顶部煤层冒落后，该岩层随之冒落，是 必须进行支护的顶板岩层； 7 ) 顶板砂岩层分为泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩等组成。抗压