（采矿工程专业论文）复杂构造带回采巷道松动圈确定与支护对策研究.pdf

摘要 摘要 本文在分析大量工程实测和现场调查的基础上，采用理论分析和力学分析， 对复杂构造带煤矿回采巷道松动圈及其支护对策进行了深入细致地研究，得出了 巷道松动圈形成的力学机理和条件，影响巷道围岩松动圈的主要因素，回采巷道支 护对策的确定，围岩应变特性。然后根据江西省新余矿业公司花鼓山煤矿d ，煤层 的地质条件和赋存状况，进行f l a c 2 d 数值模拟分析，对锚杆参数进行优化：得 出了在超前支承压力作用下，回采巷道项板锚杆长度选取2 2 m ，帮锚杆长度选取 2 2 m ，间排距选取0 8 x 0 8 m 时，对巷道围岩变形的控制效果良好，且变形及塑性 区均趋于稳定的低值。并结合现场实测数据分析，确定本矿松动圈大致范围为 1 1 5 m ，花鼓山矿回采巷道最佳选择方案为锚网支护。回采巷道无采动影响阶段： 距离工作面6 4 8 m - - 7 6 5 m 以外；采动影响阶段：距离工作面7 6 5 m 至4 4 3 m 的 范围内，采动影响剧烈阶段：距离工作面4 4 3 m 以内。最后经过理论计算、现场 实测，总结出回采巷道顶板锚杆长度选取2 0 m ，帮锚杆长度选取2 2 m ，间排距 选取0 8 x 0 8 m ，对巷道松动圈控制效果晟经济，最安全。本文研究成果对类似条 件回采巷道支护对策的优化具有指导意义和参考价值。 图：【5 5 】： 表：【1 l 】：参：【6 1 】 关键词：复杂构造；回采巷道；松动圈；支护 分类号：t d 3 5 3 a b s t r a e t a b s t r a c t b a s i n go nal o to fd a t aa n do n t h e - s p o ti n v e s t i g a t i o n sa n da d o p t i n ga n a l y s i so f t h e o r ya n dm e c h a n i c a la n a l y s i s ，t h i sa r t i c l eh a sd o n ed e e pa n dm e t i c u l o u sr e s e a r c ho n l o o s ec i r c l ed e t e r m i n a t i o no fm i n i n gr o a d w a ya n ds u p p o r t i n gs t r a t e g yi nc o m p l e x s t r u c t u r a la r e ai no r d e rt og a i nt h em a i nf o l l o w i n g s ：r o a d w a yl o o s ec i r c l em e c h a n i s m a n dc o n d i t i o no ff o r m i n gs e p a r a t i o n ；t h em a i nf a c t o r so fa f f e c t i n gl o o s ec i r c l ei n m i n i n gr o a d w a y s ；d e t e r m i n a t i o no fs u p p o r t i n gs t r a t e g yi nm i n i n gr o a d w a y ；s t r a i n a n a l y s i so fs u r r o u n d i n gr o c k s w h a t sm o r e ，b a s i n go nt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o na n d t h e o c c u r r e n c eo fc o a ls e a mi nh u ag us h a nc o a lm i n eo fx i ny uc o m p a n yn o 5c o a ls e a m ， a d o p t i n gf l a c 2 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h i s a r t i c l et r i e st o o p t i m i z eb o l t i n g o p t i m i z a t i o n ；u n d e rl e a da b u t m e n tp r e s s u r e ，w h e nt h el e n g t ho fr o o fb o l ti nm i n i n g r o a d w a y sa n dr i b sb o l ta r eb o t hc h o s e na s2 2 m e t e r , w h i c ho fs p a c i n gi so 8 x o 8 m ，i t c a no b t a i nab e t t e re f f e c ti nc o n t r o l l i n gd e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k si nr o a d w a y , w h a t si m p o r t a n t ，i t sd e f o r m i n ga n dp l a s t i cz o n eb o t ht r e n dt os t a b l el o wp a r a m e t e r ； n e x t ，a c c o r d i n gt ot h eo n - t h e - s p o ti n v e s t i g a t i o n s ，c o n f i r mr o a d w a y l o o s ec i r c l ei s1 5 m ， t h eb e s tm i n i n gr o a d w a ys t r a t e g yi sb o l t n e ts u p p o r t ；n om i n i n gm o v ee f f e c ts t a g e ： b e y o n d 6 4 8 m - 7 6 5 mi nt h ew o r k i n gf a c e ；m i n i n gm o v ee f f e c t s t a g e ：a m o n g 4 4 3 - 7 6 5 mi nt h ew o r k i n gf a c e ；m i n i n gm o v ev i o l e n t l ye f f e c ts t a g e ：b e h i n dt h e4 4 3 m i nt h ew o r k i n gf a c e ；b a s e do nt h e o r yc a l c u l a t i o na n df i e l dm e a s u r e m e n t ，w h e nt h e l e n g t ho f r o o fb o l ti nm i n i n gr o a d w a y sa n dr i b sb o l ta r es e p a r a t e l yb o t hc h o s e na s2 0 ， 2 2 m e t e r , w h i c ho fs p a c i n gi so 8 x o 8 m ，i tc a l lo b t a i nt h em o s te f f e c ta n dt h em o s t e c o n o m yi nc o n t r o l l i n gl o o s ec i r c l ei nr o a d w a y , r e s u l t si nt h i sp a p e rh a v eac e r t a i n i n s t r u c t i v es e n s et om i n i n gr o a d w a ys u p p o r t i n gs t r a t e g ya n ds i m i l a rc o n d i t i o no f r o a d w a yi nm i n i n gr o a d w a y f i g u r e ：1 5 5 】；t a b l e ：【1 1 】；r e f e r e n c e ： 6 1 】 k e y w o r d s ：c o m p l e xs t r u c t u r e ，m i n i n gr o a d w a y , l o o s ec i r c l e ，s u p p o r t c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 3 5 3 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 得塞徼垄王太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：礁逵耋日期：2 卑，一年l 月生日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀垄王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属 于塞邀垄王太堂。学校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。本人授权安徽理 工大学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：船迄 签字日期： 如刁 年月尹e t 导师签名： 名法岩 褂嘲：、1 私肘日 1 绪论 l绪论 1 1问题的提出及研究意义 煤炭是我国的主要能源，长期以来，煤炭消费在我国一次性能源结构中的比 例始终保持在7 0 以上。今后一个时期，煤炭产销量依然上升，预计到2 0 1 0 年将 增加到3 0 亿妇左右。随着我国资源开发的进一步发展，开采作业不断向深部转 移，矿山井巷将处于更高地应力环境之中，特别是在构造活动强烈地区，残余构 造应力大且岩体工程特性较差，传统的普通支护方式已经远远满足不了生产的需 要，矿井逐渐出现矿压显现强烈、巷道维护困难等现象，造成生产效率和经济效 益下降。煤矿巷道因受所处的岩层及复杂的地质构造等因素的制约，巷道时常发 生严重的变形破坏，对行人、运输、通风等构成极大的威胁，影响煤矿的安全生 产。因此针对复杂构造带寻求巷道合理支护方式已迫在眉睫。 然而，巷道围岩是一种天然复杂地质体，其力学特性复杂多样，很难用一种 理论来解决现场不同环境下巷道围岩的支护问题。因此，长期以来在巷道支护理 论研究方面国内外许多学者提出多种支护理论。目前应用最广泛的有悬吊理论、 组合梁理论、组合拱理论等，但是这些支护理论都是在一定的假设前提下提出的， 有一定的局限性和适用性。而松动圈支护理论是在实测的基础上，未做任何假设， 基于围岩中存在的松动破碎带的客观情况提出的，它避开了地应力、结构面性质、 围岩强度测定等复杂问题，但又真实反映出这些复杂因素对围岩的影响，是符合 地下工程客观实际的支护理论，因此运用这种较成熟的支护理论来为现场生产服 务甚为重要。围岩松动圈理论是指开挖巷道后，巷道围岩应力与围岩强度大小变 化的关系与应用锚喷支护的手段加强围岩强度，抵抗围岩应力的理论。围岩松动 圈是指在巷道开凿后由于地压大小和岩石性质的不同，在巷道周围形成不同大小 的破裂带，由于松动圈大小不同，锚杆的作用也就不同，所以在现场施工中，只 要测出围岩松动圈的范围就可以合理地选择支护参数，避免不必要的浪费和支护 上的失败1 1 】。 另外由于回采巷道必须沿煤层掘进，无法选择围岩，也无法避开移动支承压 力作用。支承压力首先要对布置在本煤层中的回采巷道产生影响，采煤工作面的 回采巷道要承受移动支承压力，一般情况下其中一条要承受侧向固定支承压力的 作用。由于受这些条件限制，回采巷道在掘进和回采期间变形量大、难支护，一 直是困扰煤炭工业发展的关键性问题，因此，研究回采巷道支护问题意义重大。 安徽理工大学硕士学位论文 随着煤层的采动后，围岩应力发生显著变化，围岩强度明显下降，围岩出现 应力集中现象，因此如何采用围岩松动圈理论分析巷道稳定性，已经成为现场一 个经常性和必须性的工作。但是，由于围岩松动圈存在于围岩内部，不能直接进 行观测，需要依靠一定的技术手段，因此如何可靠地测试出松动圈范围成为工程技 术人员非常关心的一个问题。本课题在江西省花鼓山矿区进行，花鼓山矿区位于 萍乐凹陷南部袁水复向斜中，南有武功山隆起，北为湖泽复背斜，本区为一向斜 构造，轴向受区域构造控制，呈北东一南西向。该向斜条带由于受一系列近东西 或偏北西向断裂的影响，分割成多个块段，自西南往东北计有河下向斜、一字岭 向斜、门口山向斜。由于各块之间应力场变化显著，故定义为复杂构造带。花鼓 山煤矿年实际生产能力6 0 万吨，现开采二水平，试验2 1 5 1 0 工作面风巷标高 - 4 3 7 2 m 米。论文通过对井下现场数据的观测分析得出围岩松动圈范围，采用数学 力学理论方法分析回采巷道围岩应力分布、然后结合松动圈支护理论，计算机数 值模拟，进行巷道支护参数的优化设计，并对设计方案和支护效果进行优化，进 而指导巷道开挖、施工和支护设计等，使支护参数的可靠性更合理、更经济【2 删。 柱状石g , g a 石名称 厚度 ，1 d - 坚硬2 m 以上 细砂岩、石 英质胶结 - - i i 层状粉砂考、夹爆线 1 红 炭质页岩 0 1 - 0 8m d 5 煤层 2 m _ 嘲圈臻爨圈圈煳 煤矸互层 2 7 m o o d 。 细砂岩大于2 m 0 i i i i i 一 图1煤层顶、底板岩性综合柱状图 f i g 1l i t h ol o g ys y n t h e s i sh i s t o g r a mc o a lr o o fa n df l o o r 1 2 国内外研究现状 1 巷道围岩松动圈支护理论研究及应用概况 从1 9 7 9 年开始，中国矿大支护研究小组，从研究开巷后围岩的状态入手，做 了大量现场和实验研究工作，在工程验证的基础上，提出了围岩破裂过程中的岩 石碎胀变形( 碎胀力) 是支护的对象，并在大量实测松动圈的基础上，提出了以 2 1 绪论 松动圈厚度为指标的巷道支护岩石分类方法、支护机理解释和支护参数确定方法， 称之为松动圈巷道支护理论。从1 9 8 0 年至1 9 9 3 年，这一理论先后在徐州、淮北、 淮南、鸡西、平顶山、开滦、兖州、永夏、梅河口等1 0 多个矿区的各类围岩中， 进行了工业性试验，试验巷道总长在4 5 k m 以上。实践证明，松动圈支护理论抓 住了支护的主要对象，其分类方法和所确定的支护形式与参数符合现场实际，技 术经济效益与社会效益显著，深受现场欢迎，见表1 。 表1 各矿区松动圈支护理论应用概况 t a b l ell o o s ec i r c l es u p p o r tt h e o r ya p p l i c a t i o ns i t u a t i o n 矿井名称断面( m 2 )松动圈( c m ) 原设计支护 用松动圈理论设降低成本 及参数 计支护及参数 或节约工 时( ) 东海矿石 1 9 1 6 m 管缝锚喷层厚：1 0 1 5 m m 1 0 门上山等 3 6 _ 4 0 杆间排距0 8 0 8 。喷厚 1 2 0 r a m 江苏扬州 1 7 5 料石砌碹锚杆1 2 m ，a = o 89 ，节约工 王庄煤矿 7 0 0 8 m ，喷厚时5 0 l o o m m 淮北张庄 2 1l o o 1 5 0 料石砌碹锚杆1 s m ，a = o 72 l l ，节省 煤矿 0 7 m ，全断面布 工时3 0 置喷厚l o o m m 淮南潘三 8 5 - 2 1 52 3 3 2 8 4 锚喷、u 型钢锚喷网l = i 8 m ,3 0 ，提高 煤矿或锚喷、u 型 a = o 5 m , d = 1 2 0 m m 掘速6 0 钢、砌碹联合 支护 该理论包括巷道围岩松动圈支护理论、围岩分类方法和锚喷支护机理三部分 组成，主要观点有： ( 1 ) 关于围岩松动圈在原岩中开挖巷道，破坏了围岩的原有应力平衡状态， 使应力重新分布：一是径向应力减小，周边处为零；二是切向应力增加，产生了 应力集中。另一方面，围岩受力状态由三向变成了近似二向，岩石强度下降。如 果集中应力值小于下降后的岩石强度时，围岩处于弹性状态，围岩自己承载，不 3 安徽理工大学硕士学位论文 存在支护问题；如果相反，围岩将发生破裂，这种破裂从周边逐渐向深部扩展， 直至达到另一新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中出现了一个破裂区，围岩 松动圈支护理论把这个由于应力作用产生的松弛破裂带称为围岩松动圈。在探测 中，可用声波仪或多点位移计等探测出围岩中的松动圈范围值。 ( 2 ) 关于支护对象( 荷载) 问题，松动圈支护理论确立了以松动破裂发展中 的岩石碎胀变形或碎胀力为支护对象，这是与以前的支护理论的区别点。 ( 3 ) 关于支护的作用原理之一是维护破裂的岩石在原位不跨落；之二是限制 围岩松动圈形成过程中的有害变形。 ( 4 ) 关于围岩与支护共同作用原理，如果不产生松动圈，理论上不存在支护 问题，支护不起作用( 但是，实际上为防止风化或局部危岩，仍会施有喷层等支 护形式) ；有松动圈时，碎胀变形使支护受力，支架才起作用；支护与围岩之间 的间隙应尽量小，并不大于碎胀变形量，大于时，围岩要冒落，松动圈会在冒落 轮廓外继续扩大，增加破坏程度，不利支护；支架特性对支护受力与变形影响很 大( 刚性支护会有较大支反力使支架破坏，刚性较小时，又会使变形较大，而使 断面小于设计要求) ，因而要根据情况，正确选择支护形式，或从施工工艺上解 决支架刚度大小问题。 ( 5 ) 关于围岩分类问题，松动圈是地应力与围岩强度的函数，它是一个综合 指标，其值越大支护越困难。按照锚喷支护机理，依松动圈值的大小将围岩分为 小松动圈( 0 - - 0 4 m ) 、中松动圈( o 4 - 一1 5 m ) 、大松动圈( 1 5 m ) 三大类六个 小类。并在此基础上提出了相应的支护机理与支护方式( 见表2 ) 用围岩松动圈分 类有以下几个突出优点：绕过了原岩应力、围岩强度、结构面性质测定等困难 问题，但又着重抓住了它们的影响结果，即松动圈是一个包含多因素影响的综合 指标；松动圈系现场实测所得，未在重要方面作任何假设；松动圈值很容易 用声测法等多种方法获得，确定支护参数时直观简单，现场应用十分方便；单 一综合指标分类，分类的重复性、可靠性不以人们的经验不同而变化；松动圈 分类法的理论基础较为坚实，它与锚杆支护设计形成了技术系列。 4 1 绪论 表2 围岩松动圈分类表 t a b l e 2t h ec l a s s i f i c a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c kl o o s ec i r c l e 围岩类分类名称围岩松动支护机理及方式 备注 别 圈l d c m 小松动稳定围岩 0 _ 4 0 喷混凝土支护围岩整体性好，不易风化的可 圈i不支护 中松动较稳定围 4 0 1 0 0 锚杆悬吊支护理任何支护都能支护成功 圈岩 论喷层局部支护 i i i 一般围岩 l o o 1 5 0 锚杆悬吊支护理刚性支护有局部破坏 论喷层局部支护 大松动一般不稳 1 5 0 一2 0 0 锚杆组合拱理论， 刚性支护大部分破坏，采用可 圈定围岩喷厚、金属网局部缩支护 v( 软岩)支护 不稳定围 2 0 0 3 0 0 锚杆组合拱理论，围岩变形有稳定期 岩( 较软喷厚、金属网局部 围岩)支护 及不稳定 3 0 0 待定围岩变形在一定支护下无稳定 围岩( 极期 软岩) ( 6 ) 锚喷支护机理： 用围岩松动圈理论进行锚喷支护设计，即松动圈支护技术，是围岩松动圈支 护理论的重要组成部分。目前，使用松动圈支护技术进行锚喷支护的设计在实际 应用中已经相当完善，设计的锚喷支护参数安全可靠，经济效益好，并且摆脱了 传统的工程类比设计上的千篇一律、针对性差的不足。岩土工程学科有三大部分： 岩石性质、支护理论和支护技术。目前受弹塑性支护理论的影响，岩石极限强度 以前的本构关系研究比较完善，而松动圈支护理论更看重岩石峰值后的本构关系， 随着松动圈支护理论的完善和发展，将从基础上影响岩土工程学科，特别是深部 地下工程部分。本课题以煤矿开采学、矿山压力理论、岩体力学、弹塑性力学、 灰色系统预测理论和松动圈支护理论为理论基础，结合花鼓山井田的地质特征和 生产技术条件，对巷道围岩松动圈进行实测和预测，进行锚喷支护参数设计，实 施现场锚喷支护试验，据此优化支护参数。 5 安徽理工大学硕士学位论文 国外学者与巷道围岩松动圈支护理论相关的研究概况如下： 1 、围岩破碎区确定方法 围岩破碎区参数的确定是岩石强度、围岩应力等的综合指标，是进行支护参数设 计的基础。 a k d u b c 等人的研究 印度的a k d u b e 等人，对受压条件下，破碎区的半径进行了估算，发展了图 示法。先根据弹塑性应力分析，可估算出给定条件下的岩石压力值，再由数学推 理，假定破碎区延伸到一定的半径，他们称之为破碎区半径。其理论基础是，破 碎区半径随着掘进工作面的推进而增大，随着巷道的掘进，破碎区的形状并非总 是圆的或一直不变；其半径随着巷道的掘进而增大，并在掘到巷道半径的5 1 5 倍距离时达到稳定；破碎区半径为巷道半径的5 8 倍。按此结论，巷道不存在松 动圈厚度为零的情况。该理论忽略了岩石性质和围岩应力等因素的影响，与实际 应用有较大的出入。 e i s h c m y a k i n 等人的研究 前苏联e i s h e m y a k i n 等人在1 9 8 9 年建立了破碎区与埋深、跨度、原岩应力、岩 石强度等经验公式，提出不连续区的概念，并提出如下关系式 h ( q 6 2 ) 2 7 ( 1 一磷一1 5 一e c 弓)( 1 1 ) 式中，是压力弹模，e t 是拉力弹模，k 是表面应力集中系数，1 9 是泊松比，7 是 岩石比重，与是拉应变，s ：是最终拉应变，当埋深符合上式时，围岩开始出现不 连续区。该公式表明，不连续区的发生很大程度上与岩性有关，故在开掘和支护 巷道中，必须可靠地了解岩石的力学性能。 并给出了计算不连续区厚度的经验公式 2l b l n ( a t 7 尺o ) + 1i ( 1 2 ) 其中，p 是不连续区的厚度，b 、a 是经验常量，o 是原岩应力，是岩体 抗压强度。公式表明，要确定不连续区的厚度，必须精确地知道作用在岩体上的 应力和其抗压强度，还必须考虑弱面的影响。这一理论已进入半经验半理论状态， 但在实测中，a 、b 常量如何确定，其影响因素如何，所有这些都有待进一步完 善。另外1 9 8 4 年，英国的b n 怀台克等人，通过实验室的数据用数学模拟的方法 确定了破碎区的大小和产生的收敛量。 6 1 绪论 2 、破碎区的影响因素分析与计算 1 9 9 2 年，瑞典在开掘花岗岩巷道中，利用导水率试验认真研究了爆破、岩石 结构和应力条件对巷道围岩破碎区的影响；前苏联学者a d b o r u l e v 和 v v p o d y m o v 对爆破过程和其影响范围进行了计算，将岩石破坏分为裂隙区、陷 落区和冒落区；南非在金矿开采过程中，发现巷道围岩应力以及由于掘进邻近巷 道而带来的应力变化对于破碎区的发展很重要。 3 、围岩分类与应用 1 9 8 7 年，南非的l z w o j n o 等人，根据围岩破碎区的深度和侧帮膨胀量对围 岩进行了分类，将围岩粗略的定为正常条件和严重条件( 软岩) ；e i s h e m y a k i n 等人发现了破碎区厚度与原岩应力、岩石强度等如前所述的关系后，因不连续区 ( 破碎区深度) 受巷道断面的影响，巷道掘进要分两步进行：第一步，考虑设计 断面使巷道第一个不连续区的尺寸与该断面尺寸相等；第二步，将该断面刷大到 设计断面，并给出了两者的关系式，这种施工方法假设的基础是，二次刷大时， 不连续区的半径不会增大，即破碎区的半径仍保持稳定。国外研究破碎区的学者， 都注意到了支护与破碎区的关系，即破碎区越大，支护越困难。有的已经用类似 松动圈作指标对围岩进行分类；主要采取理论分析和现场实测两条路线；爆破产 生的松动圈发生在支护之前，只将自身重量有条件地作用在支护上，而这一载荷 远远小于碎胀过程中的变形力，如果不把注意力放在后者，他们的结论将可能是 冒落拱理论。从现有资料看，仍未形成完整的理论体系 5 - - o l 。 2 回采巷道支护技术研究现状【1 l 2 5 3 8 3 9 】 在煤矿井巷中，回采巷道要受到煤层开采形成的应力集中的影响，而且回采巷 道支护具有结构、形状和支护形式发生变化的特征，所以关于回采巷道支护的选 择和维护相当困难。随着矿井开采深度的增加，工作面回采机械化程度提高，要 求回采巷道断面加大，因而使矿压显现更加剧烈，回采巷道支护问题在煤矿生产 中越来越突出。 我们知道，在井下巷道中，支架的作用主要是： 防止巷道周围松脱的围岩向巷道空间滑落，保证巷道中行人、运输的安全和 生产的正常进行。 防止巷道围岩松动圈内的岩体无限地向巷道空间移动，为保持巷道围岩的稳 定提供外界条件，并防止巷道围岩过于变形，为工作面行人、通风和运输提供足 够空间。 7 安徽理1 = 大学硕士学位论文 满足井下悬挂运输和其它方面的需要。 鉴于巷道支架对阻止或减少围岩的变形起重要作用，在设计巷道支护时，应选 择与巷道围岩变形状况相适应的支架形式与参数。 在我国，巷道支护使用的支架类型有金属支架( 包括矿用工字钢、u 型钢、废 钢轨等各种钢材j n t _ 的支架) 、锚杆及锚杆与其他形式组合的联合支护( 包括锚梁、 锚网、锚喷等) 、钢筋混凝土支架等。近年来我国煤矿降低坑木消耗，以钢代木。 但由于钢材是一种较贵的材料，一些矿井可能负担不起，所以我国在条件适宜的 矿区大量推广锚杆及锚杆与其他形式组合的联合支护，提高支护技术水平，保证 煤矿机械化水平和煤炭产量的增长。 。 巷道支护设计方法通常有工程类比法、理论分析法和现场监控法。理论分析 法往往作为设计参考，因为回采巷道围岩地质条件复杂多变且难以描述，其力学 模型参数不易测准，在计算方法中难以反映施工支护时机等因素的影响。现场监 控法，以现场实测为依据，有利于人们分析判断，但这种测量只能在实际施工过 程中使用，在支护方案及参数设计阶段则表现无能为力。且该方法的使用仍受人 为因素的影响。工程类比法则与设计者的经验有很大的关系，由于涉及地质和工 程多方面的因素，因而很难进行严格的类比。所以支护设计一般是将多种设计方 法组合起来使用，如现在比较流行的是将数值模拟方法应用到煤巷锚杆支护设计 中。 借鉴国外先进国家回采巷道支护的经验，通过大量的现场矿压观测和支架选 型的研究，我国回采巷道金属可缩性支架的形式主要有拱形、环形和梯形三大类 型。从支架的承载能力、控制围岩变形效果及可缩性能上看，以环形支架最好， 拱形支架次之，梯形支架较差。从支架结构的繁简，支架加工、安设、回收、巷 道断面开掘难易、巷道断面利用率和支架成本高低，以及安设支架时对顶板和围 岩的破坏情况上看，则以梯形支架最优，拱形次式，环形较差。拱形和环形支架 就其适应条件看，适用于围岩稳定性较差，顶底板相对移近量大于3 0 0 m m ，断面 大于1 0 m 2 的，类巷道。具体有以下类型：三心拱直腿可缩性支架：适用于顶压 大、两帮及底板较稳定的情况；半圆拱直腿可缩性支架：适用于顶压大、有一定侧 压、两帮较稳定的情况；三心拱曲腿可缩性支架：适用于顶、侧压均大而不必加固 底板的情况；马蹄形可缩性支架：除具备拱形支架一般优点外，能抗底臌和两帮移 近，适用于围岩松软、移近量较大，特别是底膨和两帮稳定性较差的煤层巷道中。 由于拱形支架允许断面大小变化范围较大，加前述的优点，因而使用比较广 泛，特别是在巷道围岩变形量和压力较大的情况下，使用拱形支架更有其优越性。 8 l 绪论 由于我国目前架后充填问题没有得到很好解决，拱形支架主要使用在围岩中等稳 定以下的条件较为有利，因为它和围岩接触较好时，能较充分地发挥其承载能力： 环形可缩性金属支架的承载能力大，能有效地控制巷道底臌和两帮移近，主要适 宜在围岩压力大，特别是两帮压力大、底臌严重的巷道中使用。例如在使用拱形 支架的巷道中如果顶底板或两帮移近量等于或大于1 0 0 0 m m 时，说明使用拱形支 架已不适宜，应当选用环形支架；当侧压和底臌不甚严重，巷道压力和围岩变形 量亦不太大( 一般顶底、两帮移近量小于6 0 0 - - - 8 0 0 m m ) ，并且巷道断面积小于1 0 m 2 时，可使用梯形可缩性金属支架。尤其在围岩中等稳定以上，不破顶，支架与围 岩接触较好时，在某些条件下使用梯形支架更有其优越性。近些年来，我国煤矿 回采巷道支护虽然经历了很长一段时间的发展，取得了较大的成就，但仍然存在 很多问题。这主要有： ( 1 ) 巷道的支护形式与围岩的变形特性不相适应，巷道支护的参数选择不合 理。这造成巷道支架折损失效严重，维护困难，严重影响煤矿的生产和安全。 ( 2 ) 巷道支护用的装备和机具不配套。与支护材料，新型支架形式相比，支架 安装、加工、维修技术的发展还不配套。有些机具虽己生产，但质量不过关，影 响巷道支护的质量和速度。 ( 3 ) 与新材抖、新工艺和新设备配套的技术措施、规程、规范等基础工作没有 跟上，严重影响新技术、新工艺的推广使用和技术效果。 有资料显示，大多数国家回采巷道的支护技术，一般都经历了从木支架到金 属支架以及由刚性支架到可缩性支架。1 9 3 2 年德国博胡姆钢铁公司第一次将非铰 接让压性滑动拱形支架的设想在井下得以实现并制造了u 型钢可缩性支架：到了七 十年代，世界上主要采煤国家金属支架的比重己经达到8 0 9 0 。本世纪的4 0 年代， 美国和苏联的锚杆支护有了较大的发展。现在，世界主要产煤国的回采巷道支护 形式：一是以德国、波兰等国为代表，以金属支架为主，其中大部分是可缩性金属 支架。联邦德国自发明并使用u 型钢可缩支架以后，该种支架在西德各矿区内得 到了推广。1 9 6 5 1 9 6 7 年西德的煤炭主要产地鲁尔矿区可缩性拱形支架占2 7 ，到 1 9 7 2 1 9 7 7 年达9 0 并己成系列化。波兰目前用金属支架的巷道比例高达9 5 以上， 其余为少量锚杆支护巷道。二是以前苏联为代表的多种支护方式并存，回采巷道 则以可缩性金属支架为主。1 9 7 8 年，苏联使用拱形金属支架的比例达5 7 2 ，主 要用于回采巷道；到1 9 8 0 年，拱形金属支架已占到全部井下巷道的6 2 。三是美国， 由于其优越的自然条件，其矿井巷道以锚杆支护为主。 在发展拱形支架的同时，有些国家注意非拱形支架的研究。包括梯形、矩形、 9 一 安徽理工大学硕士学位论文 半拱形等平项形支架。这类支架在国外总的趋势是应用比重不大，但是在前苏联、 法国、英国、德国仍有一定的应用。尤其是前苏联，对非拱形金属支架仍不断研 制和改造，出现了一些新的结构类型。承载能力虽然没有拱形支架大，大概在 1 0 0 2 0 0 k n 之间，但采取加强中柱或斜撑可提高到2 5 0 4 0 0 k n ，支架的可缩量在 4 0 0 7 0 0 m m 。这些支架为装配式结构，便于撤移和回收复用。此外为了配合无煤柱 护巷的应用，近些年来也设计和试验了一些专门用于沿空巷道的支架。为了适应 沿空巷道支架受载和围岩移动的特点，这类支架通常设计成靠煤柱侧和采空侧具 有非对称的结构形式，而且从结构上保证靠采空区一侧的可缩量大于煤体一侧的 可缩量。 随着采深的加大，相应的矿山压力显现也明显剧烈，瓦斯涌出量增大，要求 通风断面增大；又由于机械化开采进一步提高，要求回采巷道断面也要增大。目前， 世界上主要采煤国家不少回采巷道断面面积在1 2 1 5 m 2 以上，相应回采巷道的支护 也存在可缩性、大规格和经济效益好的方向发展，从而满足巷道维护的要求。国 外巷道支护的发展有以下特点： 由木支架向金属支架发展，由刚性支架向可缩性支架发展，而且还研制 与应用了圆形、椭圆形、梯形及非对称形等可缩性金属支架，目前德国、波兰 等国可缩性金属支架的比例在9 0 左右。 金属可缩性支架的承载能力及可缩量有日益增大的趋势，承载性能向高阻 力方向发展，承载能力可达1 5 0 0 3 0 0 0 k n ，在围岩压力较大的巷道中，可缩量比 承载能力更为重要。目前应用较多的三节拱形支架，可缩量在3 0 0 - 5 0 0 m m 之间， 四节拱形支架可缩量在5 0 0 7 0 0 m m 之间。 对特殊地点，设计特殊的支架，对端头支护，德国研制了自移式巷道支 架，前苏联研制了端头巷道移动式密集支架等。 为了降低支护成本，便于施工机械化，还研究了金属支架与锚杆加固的 联合支护形式。 由于采深的增加。底臌已成为回采巷道维护的主要困难，所以国外把底 臌的防治作为支护技术的重点项目进行研究，在使用环形支架和底板锚杆方面取 得了一定效果。此外，也有应用卸载技术和起底技术改善底臌状况的，但是至今 仍没有从根本上解决这个问题。 1 0 1 绪论 1 3 存在的问题 从国内外研究现状可知，在松动圈支护理论应用及支护对策方面已取得了大 量的成果。但各自的研究仅限于研究某一类问题，有的仅考察问题的一方面或某 几个方面，对于复杂构造带松动圈范围的确定与支护研究甚少，目前还没有一个 足够精度的理论可以确定煤层采动后围岩松动圈的范围。其不足之处概况起来有 三个方面： ( 1 ) 对于回采巷道，大部分由于受到采动影响，巷道围岩松动圈的大小在不同 地点也有所不同。说明松动圈不仅与围岩的岩性、构造，巷道断面的形状大小有 关，并受到巷道所处地段的地应力和具体施工的影响。 ( 2 ) 有关文献大多集中于支护参数优化的研究，关于巷道支护强度与围岩变形 量的关系目前仍停留在经验性的定性分析上。尤其在局部构造运动活跃带，其巷 道变形与一般回采巷道变形破坏特征不同，巷道维护困难，当矿压超过一定范围 时，支架破坏情况严重，甚至会出现明显的巷道闭合现象。 ( 3 ) 围岩变形破坏机理。支护是一个过程，要使这一过程与围岩变形过程相协 调，必须充分而深入地研究围岩的变形机理，只有在此基础上，方能选择适当的 支护时机、支护型式以及确定合适的支护参数。为此，支护的关键是要弄清围岩 变形破坏机理及松动范围，才能采取有效的支护措施进行支护。 1 4 研究的意义 本课题主要研究复杂构造带回采巷道围岩松动圈的大小与其支护优化，分析 了影响巷道松动圈的因素，进行了锚杆参数的优化，从而确定巷道的支护方法及 参数，有效地控制了回采巷道围岩破坏情况。此方法的应用，对于减少巷道维护 工作量，提高矿井的技术经济效益、改善矿井巷道安全生产环境具有重要的现实 意义。同时为其它煤矿有类似状况的巷道支护提供参考。 1 5 研究的主要内容及方法 本论文拟在广泛收集资料及大量调研的基础上，针对花鼓山2 1 5 1 0 面具体条 件，采用现场实测研究、计算机数值模拟与数学力学解析相结合的综合研究方法， 对下面五个方面内容，进行系统研究。 ( 1 ) 煤矿巷道围岩松动圈范围内各圈层应力与应变分析。 ( 2 ) 回采巷道支护对策系统研究。 安徽理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 回采巷道松动圈支护理论的应用与支护参数的优化。 ( 4 ) 回采巷道松动范围与支护方式优化前后的数值模拟分析。 ( 5 ) 现场实测数据反馈分析，确定本矿复杂构造带松动圈范围。 研究的主要方法：以收集到的资料和对花鼓山矿井下现场数据作为分析研究的 基础，然后基于数值模拟和现场实测相结合的方法对支护效果进行评价，在此基 础上修改初始设计，优化锚杆支护参数。最后，进行现场支护效果对比，并检验 所选用的支护方式是否合理【】。 1 6 研究技术路线 图2 研究技术路线图 f i 9 2 r e s e a r c ht e c h n i q u er o u t e 1 2 2 煤矿巷道围岩松动圈理论研究及其应用 2 煤矿巷道围岩松动圈理论研究及其应用 在岩体中开凿巷道后，破坏了原岩应力的平衡状态，由三向变成了近似两向， 在围岩中产生应力集中现象，且巷道开挖后造成岩石强度较大幅度地下降。如果 围岩集中应力值小于下降后的岩石强度，围岩处于弹塑性状态，围岩自己承载， 不存在支护问题；如果相反，围岩将发生破坏，这种破坏从周边逐渐向深部扩展， 直至达到新的三向应力平衡状态为止。 2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代中期，在国内外专家和学者的研究和实践中发展形 成了围岩松动圈支护理论。围岩松动圈支护理论的围岩稳定性分类表和支护设计 方法在煤矿中得到了大量应用，取得了良好的技术经济效果。此外，人们也经常采用 围岩松动圈来指导开巷布置、分析巷道稳定性等问题。因此，对松动圈理论及应用 的探讨十分必要。 ， 利用弹塑性力学分析巷道围岩已成为众多巷道支护方式的理论依据，然而， 这一理论对塑性圈围岩的塑性变形并没有进行深入地探讨，这就是导致很多力学 计算结果与现场实际相差较远的关键原因所在。岩石塑性变形量的量值与应力的 关系不是一一对应的，而且其量值的大小是有限定的。因此，对巷道围岩的弹塑 性力学分析应建立在塑性有限变形的基础上【1 4 腼朋j 9 】。 2 1 巷道围岩松动圈的概念与性质 在原岩中开挖巷道，破坏了围岩的原有应力平衡状态，使应力重新分布：一 是径向应力减小，周边处为零；二是切向应力增加，产生了应力集中。另一方面， 围岩受力状态由三向变成了近似二向，岩石强度下降。如果集中应力值小于下降 后的岩石强度时，围岩处于弹性状态，围岩自己承载，不存在支护问题；如果相 反，围岩将发生破裂，这种破裂从周边逐渐向深部扩展，直至达到另一新的三向 应力平衡状态为止，此时围岩中出现了一个破裂区，一般是围绕开挖空间形成环 状。围岩松动圈支护理论把这个由于应力作用产生的松弛破裂带称为巷道围岩松 动圈，简称为围岩松动圈，从内到外依次为破裂稳定区( r 眶m ) 、破裂剧烈区 ( r b 垡i 岫) 、弹性区( r p s 压+ o o ) 。在围岩分类中，可用声波仪或多点位移计探 测出围岩中的松动圈厚度值。 我们知道围岩的有限塑性变形问题与岩石的应力一应变全过程曲线息息相关。 如图3 所示。 从全程曲线可以看出，岩石从开始发生塑性变形到完全破坏，所产生的塑性 1 3 安徽理工大学硕士学位论文 变形量总是有限的。对于脆性岩石来说，它与围岩应力有关，对于一些中硬岩石 和较弱岩石来说，它是一个定值。 s 图3 岩石的应力应变全程曲线 f i g 3c u r v eo ft h er e l a t i o nb e t w e e n s t r e s sa n ds t r a i no f r o c k 而对于脆性岩石，由于破裂发生后，岩石在破裂剧烈区发生了较大碎胀，强 度迅速下降；但由于残余应力的存在，破裂半径有所减小。可见松动圈与原岩应 力、巷道尺寸成正比关系；与破裂稳定区的强度和支护抗力成反比关系。通过上 述分析，可以画出巷道围岩中应力的分布曲线，如图4 所示，在破裂稳定区和破 裂剧烈区截面上，切向应力并不连续，之间有一个差值。 图4 圆形巷道围岩中的应力分布及其典型物理力学状态 r 0 一圆形巷道半径r b 一破裂稳定区半径r p 一塑性区松动圈半径 f i g 4s t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt y p i c a lp h y s i c a lm e c h a n i c a ls t a t ei nc i r c u l a rr o a d w a yr o c k l b q i r c u l a rr o a d w a yr a d i u sr b - _ n l p m r es t a b l ea r e ar a d i u sl v 呻l a s t i ca r e al o o s ec i r c l er a d i u s 大量的现场和实验室研究表明，松动圈具有以下性质： 1 4 2 煤矿巷道围岩松动圈理论研究及其应用 围岩松动圈是开巷后，巷道周边客观存在着的物理状态，其对应于岩石全 应力一应变曲线峰后阶段的岩石状态。只有当围岩强度大于围岩应力时，巷道周 边不产生松动圈，此时称松动圈为零。 同一围岩的巷道中，岩石应力愈大，松动圈也愈大；同一应力条件下，岩 石强度愈低，松动圈也愈大。 围岩松动圈具有一定的形状：根据实验室试验，当围岩各向同性时，如果 垂直应力与水平应力相等，则为圆形，否则为椭圆形，且椭圆的长轴与主应力方 向垂直；如果围岩非同性，在岩石强度低的层位将产生较大的松动圈。 由于围岩调整及其重新分布，以及岩石具有长时强度的特性，围岩松动圈 的发展形成有一时间过程，巷道收敛量测表明，松动圈发展的时间与巷道收敛变 形在时间上是一致的，前者是因，后者是果。 围岩松动圈对支护的影响大，而支护对松动圈的尺寸影响不大。 2 2 巷道围岩松动范围的理论计算 2 2 1力学模型的建立 设在各向等压的原岩应力场中开掘一无限长的圆形巷道，半径为r o 巷道开掘 后，在重新分布的应力作用下，巷道围岩中形成了破裂区( 半径为r b ) 塑性区( 半径 为r p ) 和弹性区按照广义的塑性概念，巷道围岩的应力、应变和位移可以用弹塑性 理论来研究解决。并且假定弹塑理论的其它条件也近似满足，围岩重力不计，则 由此建立了一个轴对称平面应变模型。 根据弹塑性理论，对于轴对称平面应变问题，有 平衡微分方程 几何方程 变形协调