（采矿工程专业论文）大采高综采工作面回采巷道围岩控制技术研究.pdf

太原理工大学硕i 。研究生学位论文 大采高综采工作面回采巷道围岩控制技术研究 摘要 本文为配合三交河煤矿2 煤层实现安全、高产、高效回采，通过现 场调研、理论分析、数值模拟、现场应用及观测相结合的综合研究途径 和方法，对大采高综采工作面所需大断面顺槽支护技术进行了全面系统 的分析和研究。在对锚杆支护原理和回采巷道围岩稳定性控制理论进行 分析的基础上，确定了适合三交河煤矿大采高综采工作面回采巷道的围 岩控制原则，并据此确定了锚杆( 锚索) 支护参数。以三交河煤矿大采 高综采工作面回采巷道为背景，建立计算数值模型，运用大型有限元软 件a n s y s ，对锚杆加固前后围岩的应力应变分布变化进行了模拟分析。 综合理论分析、数值模拟等结果，得出了三交河煤矿大采高综采工作面 回采巷道围岩稳定性控制方案，并进行了巷道矿压观测，证明支护方案 可靠、合理。 三交河煤矿大采高综采工作面回采巷道围岩稳定性控制技术研究， 不仅丰富了大采高工作面巷道围岩稳定性控制的理论和实践，而且将促 进三交河煤矿尽快实现高产高效。 关键词：大采高，大断面，锚杆支护，数值模拟 太原理_ i = 大学硕l 研究生学位论文 s u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o ls t u d yo f t h ec o a le n t r yw i t hg r e a t e rm i n i n g h e i g h t a b s t r a c t t h i sp a p e rt a k e s24c o a ls e a m so fs a n j i a o h em i n ee n t r ya st h es t u d y i n g b a c k g r o u n d ，i no r d e rt oa c h i e v es e c u r i t y ，h i g hp r o d u c t i o na n dh i g h e f f e c t ， c a r r i e do nt h es y s t e m a t i ca n a l y s i sa n dr e s e a r c ht ot h es u p p o r t i n gt e c h n i q u e s f o rs u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o la p p l i c a t i o no ft h ec o a lf a c ew i t hg r e a t e r - h e i g h t b yt h ew a yo fs p o ti n v e s t i g a t i o n ，t h e o r ya n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d l o c a la p p l i c a t i o na n do b s e r v a t i o n b a s e do nt h ea n a l y t i c a lo fb o l ts u p p o r t p r i n c i p l ea n ds u r r o u n d i n g r o c kc o n t r o l t h e o r yo ft h ec o a le n t r yw i t h g r e a t e r h e i g h t ，a c c o r d i n g t o s a n j i a o h em i n ee n t r y ，t h ep a p e ra s c e r t a i n s t h eb o l t ( a n c h o r a g ec a b l e ) s u p p o r tp a r a m e t e r b e l i e v i n gb a c k g r o u n do fm i n e e n t r yw i t hg r e a t e r h e i g h t ，t h et h e s i sb u i l d st h ec a l c u l a t i n gn u m e r i c a lm o d e l ， u s e st h es t r a i nw i e l d i n gl a r g e s c a l ef i n i t ee l e m e n tm e t h o ds o f t w a r ea n s y s ， c a r r i e so u tt h es i m u l a t i o na n a l y s i so fb o l ts u p p o r td i s t r i b u t e sc h a n g eo f c o n s o l i d a t i n gf r i s ta n dl a s ts u r r o n d i n gr o c ks t r a i n b a s e do nr e s u l ts u c ha s s y n t h e t i c a lt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ep a p e rh a sn o to n l y r e a c h e ds u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o lo ft h es a n j i a o h ec o a lm i n ee n t r yw i t h g r e a t e r - h e i g h ts t a b i l i t yc o n t r o ls c h e m e ，b u ta l s oc a r r i e do u tt h eu n d e r g r o u n d p r e s s u r eo b s e r v a t i o n ，h a st e s t i f i e dt h es c h e m es u p p o r tr e l i a b l e ，r a t i o n a l t h es t u d yo fs a n j i a o h et h a tt h es y s t e m a t i ca n a l y s i sa n dr e s e a r c ht ot h e 1 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 s u p p o r t i n gt e c h n i q u e sf o rs u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o la p p l i c a t i o no ft h ec o a l f a c ew i t hg r e a t e r h e i g h ti sn o to n l ye n r i c ht h et h e o r ya n dp r a c t i c eo ft h ec o a l f a c ew i t hg r e a t e r h e i g h t ，b u ta l s op r o m o t e ss a n j i a o h em i n er e a l i z eh i g h p r o d u c t i o na n dh i g h - e f f e c ta ss o o na sp o s s i b l e k e yw o r d s ：g r e a t m i n i n gh e i g h t ，b i g c r o s s s e c t i o n ，b o l ts u p p o r t ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：镌甾1 6 互日期：z 唧f ，d 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 导师签名： 庇荡j q 日期：! 之：! 呈 太原理丁大学硕十研究生学仲论文 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 煤炭是我国的主要能源，被誉为工业的粮食，在国民经济中发挥着举足轻重的 作用。我国煤炭资源丰富，煤炭产量占世界煤炭产量的1 4 以上。而缓倾斜厚煤层煤 炭产量又占我国总产量的4 0 以上，很多矿区赋存有3 5 5 o m 厚的煤层且均为主采 煤层，正是适合大采高综采的开采条件。大采高综采是指采高在3 5 米5 0 米，工作 面使用大功率刮板运输机出煤，双滚筒采煤机割煤至采煤厚度，用液压支架控制顶 板的综采技术。大采高综采与其它采煤技术相比具有的煤炭资源回收率高、采出的 煤炭含矸率低等优点，使得在许多具备相应条件的情况下采用大采高综采成为首选。 然而要充分发挥大采高综采工作面的效能，实现高产高效，重要的一环是合理布置 回采巷道。大采高综采工作面的巷道，必须满足运输、安装、检修、通风、行人等 要求，要求巷道的断面要大。这种大断面巷道虽然满足了生产要求，但给巷道支护 都带来了较大的难度。大采高回采工作面巷道服务期内的围岩稳定将直接影响到大 采高工作面的开采效率和巷道维护的费用。如何解决这一问题是煤矿生产中有待研 究的课题。 因此，进行大采高综采工作面回采巷道围岩控制技术研究用于指导解决大采高 综采工作面巷道围岩控制问题，具有重要的工程实际意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 回采巷道围岩控制技术及理论的研究 在地下工程围岩稳定性控制的理论和实践中，人们创立发展了许多理论和假说， 太原理工大学硕士研究生学位论文 如2 0 世纪2 0 年代以前的古典压力理论，认为作用在支护结构上的压力是其上覆岩 层的重量yh ；4 0 年代的塌落拱理论，认为当地下工程埋深较大时，作用在支护结 构上的压力，不是全部上覆岩层的重量，而只是塌落拱内围岩的松动重量，可以作 为代表的是普氏理论。 上世纪6 0 年代以后由于材料试验机性能的不断改进尤其是刚性试验机和三轴 试验机的问世，人们对围岩的变形性质有了相对全面的了解，各种强度理论的提出 使人们对不同围岩在不同条件下的强度特征有了更加深入的认识；多年来，人们运 用理论分析、现场实测、模拟实验、数值计算等方法对巷道围岩因采、掘等开挖工 序引起的应力场及位移场的改变规律进行了系统的研究2 一4 l ，取得了比较一致的结 论，为有效进行回采巷道围岩控制奠定了坚实的基础；支护一围岩共同作用原理的 提出更使围岩控制技术及理论产生了质的变化。 随着巷道围岩控制技术的发展，回采巷道围岩控制理论也不断得到丰富和完善。 回采巷道围岩控制理论研究的成果主要体现在对于回采巷道矿压特钮f 的认识不断接 近真实以及对于回采巷道围岩与支护相互作用规律的掌握逐渐趋于全面。 钱鸣高院士创立的岩层控制中的关键层理沦及砌体梁理论5 1 0 】为合理确定回采 巷道围岩环境特征及其边界条件、正确认识围岩结构特征、深刻揭示回采巷道围岩 大变形特征的产生机理、准确把握支护一围岩共同作用规律以及确定合理的围岩控 制原则等提供了重要的理论依据。宋振骐院士创立的传递岩粱理论【5 1 对回采巷道 围岩矿压特征的研究同样具有很大的应用价值。朱德仁教授提出的岩石工程破坏准 贝, t j t 陀1 对回采巷道围岩控制理论的研究具有重要的意义。 支护一围岩共同作用原理是进行巷道围岩控制的直接依据。目前在此领域已被 公认的理论是巷道围岩在强度破坏之前其位移与支护力成反变关系的结论。 奥地利学者l v r a b c e w i c z 教授1 9 4 8 年提出、1 9 6 4 年正式命名的新奥法，是锚 喷、施工测试等技术与岩石力学理论体系构成的一种工程施工方法，它促进了人们 对巷道围岩矿压显现机理的认识，为锚杆支护技术的提高及使用范围的扩大做出了 贡献。 太原理f 大学硕十研究生学位论文 此外，我围许多科技工作青对巷道的变形j 破坏也开展了大量的研究工作。侯 曾) 煳、马念杰以松散介质j 越j 、f 铆岬沦为肚甜 ，求mj ，j 鬈垃巷道两帮煤体的应力极 限平衡区宽度1 3 ”】，认为提高煤帮支护能力能够显著增强煤层巷道稳定性；林崇德 采用离散元数值方法1 5 1 6 1 ”，分析了层状岩石顶板破坏机理及顶板锚杆支护的作用， 认为层状岩石顶板主要受水平压应力作用而产生离层，弯曲破坏，提出了以锚杆提 高锚固岩层承载能力的幅度来衡量锚杆支护作用的方法。通过研究软弱岩体中巷道 围岩的特性及支护特点，认为软弱巷道围岩出现小范围的破坏区，可以减轻支护压 力，但应对破坏区的岩石采取加固和封闭围岩的措施，才能有效发挥围岩的承载作 用；勾攀峰通过对锚杆支护巷道围岩运动特点的研究，建立了回采巷道两帮及顶板 稳定的分析模型，提出了回采巷道两帮及顶板稳定性的判别准则【”一引。葛家良、陆 士良等从浆液与围岩间的物理作用、化学作用以及注浆与锚杆共同作用等方面研究 了注浆加固软岩巷道的作用机理和提高巷道围岩稳定性机理【2 仉2 1 2 2 2 3 l ；何满潮从 软岩巷道关键部位二次耦合支护的角度2 4 2 5 1 ，分析了关键部位破坏的力学机理和变 形特征。董方庭提出了围岩松动圈支护理论f 2 6 2 7 1 ，依据松动圈的大小对围岩进行了 分类，并认为巷道支护的主要控制对象为松动圈发展过程中的碎胀变形( 碎胀力) 。 1 2 2 锚杆支护技术发展 1 8 2 2 年，美国人首次将锚杆用于边坡加固，1 9 1 2 年德国人最先用锚杆支护井下 巷道。n 2 0 世纪4 0 年代，美国、前苏联在井下巷道中开始大范围使用锚杆支护。由 于锚杆支护显著的技术经济优越性，在煤矿、金属矿山、水利及交通隧道以及其它 地下工程中迅速得到发展，现已发展成为世界各国矿井巷道以及其它地下工程支护 技术的一种主要形式。在过去的几十年中，各国均在积极发展锚杆支护，主要经历 了如下发展历程： 1 1 9 4 5 年1 9 5 0 年，机械式锚杆研究与应用。 2 1 9 5 0 年1 9 6 0 年，采矿业广泛采用机械式锚杆，并开始对锚杆支护技术进行 系统研究。 太原理工丈学硕士研究生学位论文 3 1 9 6 0 1 9 7 0 年，树脂锚杆推出并在矿山得到应用。 4 1 9 7 0 1 9 8 0 年，发明了管缝式锚杆、涨壳式锚杆并应用，长锚索产生。 5 1 9 8 0 1 9 9 0 年以来，混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆、特种锚杆以及 高强度锚杆得到应用，树脂锚固剂材料得到改进。 目前，美国、澳大利亚等国家的锚杆支护使用十分普遍。在煤矿巷道的支护比 重几乎达到了1 0 0 【2 8 , 2 9 , 3 0 , 3 1 】。主要使用金属支架支护巷道的英国经过支护改革，到 1 9 9 4 年锚杆支护在巷道支护中所占的比重达至u 8 0 t 弘n 3 4 ，3 5 1 。德国在8 0 年代以后， 也开始在采准巷道推行锚杆支护技术。法国的煤巷锚杆支护技术也发展很快，到1 9 8 6 年其比重已达5 0 。国外锚杆支护的发展方向：提高锚杆的锚固力，扩大锚杆支护 应用范围，提商锚杆支护效果。 我国在1 9 5 5 年开始使用锚杆，但只是在近些年，我国锚固技术尤其是煤炭行业 的锚杆支护技术才得到迅速发展。回顾我国锚杆技术的发展，大体可分3 个阶段： ( 1 ) 5 0 6 0 年代，以钢丝绳水泥砂浆锚杆为代表，锚杆无托板，锚杆间缺乏联系， 锚杆只起悬吊作用，被动承载，不能与围岩共同作用。当时由于盲目扩大这类锚杆 的应用范围，致使部分井巷冒顶，实际上阻碍了锚轩支护的发展。 ( 2 ) 组合锚杆支护阶段。7 0 8 0 年代，国家“七五”和“八五”科技攻关将锚 杆支护定为主攻方向，使锚杆支护技术有了新的发展，进入了以钢带网和锚梁网为 代表的组合锚杆支护阶段。这一阶段开发了多种结构形式的锚杆如各结构形式的可 拉伸锚杆等，但仍以水泥药卷钢筋锚杆为主且尾部增加了托盘( 板) 和螺母。这一 阶段中虽然我国规范规定锚杆施加预紧力，然而规定的数值过低，施工中又缺乏保 证，因而围岩和锚杆体系仍不能共同协调承担载荷。 ( 3 ) 高强度预应力锚杆体系阶段。由煤科院北京开采所、建井所、上海分院和 中国矿业大学与邢台矿务局联合对原煤炭部“九五”重大科技攻关项目邢台矿务 局煤巷锚杆支护成套技术研究进行攻关，在设计方法、锚杆材质、监测仪器、单 体锚杆钻机、快速安装、部分复杂困难条件的煤巷锚杆支护技术等6 个方面共1 5 个研 究子项目中，取得了一批代表国内水平的具先进性及实用性的成果，使我国煤巷锚 4 太蟓埋t 大学硕研究，圭学位论文 杆支护技术水平 | i 了一个耨台阶，步入了一个新的发展阶段。具体表现为：以地 成力为坫础的锚杳 - 支护设计方法己初见效果并渐渐发展成熟：jf 始采用高强度令 长锚杆支护系统，如邢台局杆体材料选j j 2 0 m n s i 建筑用高强度螺纹钢，杆体直径采 用大直径2 2 m m ，采用全长树脂锚固并使用碟形托盘及高强度螺母，为提高锚杆预紧 力创造了条件，取得了显著的支护效果；开发研制的项板离层指示仪和测力锚杆 为实施围岩动态监测提供了技术支持手段。 1 2 3 锚索支护技术发展 锚索支护基于锚杆支护原理中的悬吊理论，再增加适当大小的预应力，支护后围 岩不至形成离层脱落，确保围岩稳定，是一种传递主体结构的支护应力到深部稳定 岩层的主动支护方式。 预应力锚索支护是锚锚固技术发展中占有重要地位的一种支护形式，其与普通 锚杆相比有突出的特点：一是长度大，能够锚入到深部稳定岩石中，并可以施加预应 力；二是能限制岩体的有害变形发展，从而保持岩体的稳定。锚索一般是锚杆长度 的3 5 倍，因此除了能够起到普通锚杆的悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用外， 还能对巷道围岩进行深部锚固，在实际应用中往往锚杆与锚索配合使用。 近年来，国内外锚索支护技术发展迅速，应用也越来越广泛，在岩土边坡、 交通隧道、矿山井巷、深基坑、坝基及结构加固等许多方面都有该项技术的用武之 地。在英国、澳大利亚，锚索支护技术的应用十分普遍，尤其在煤巷的应用十分突 出，利用轻型锚杆钻机即可施工。今后在围岩较差的大酮室、交叉点、断层附近及 受动力影响的巷道采用锚索支护的前景比较广泛。 总的看来，锚杆、锚索己经广泛应用于大量的地质条件较好的工程中，而且已 经积累了大量的宝贵经验。但是，在一些复杂条件下的煤巷，如果方法运用不当， 锚杆支护也往往失效，此时的支护设计仍然是一个难题，需要在前人积累的经验的 基础上做出更进一步的研究。本文的选题和所作的工作就是围绕这个主题，希望能 对复杂地质条件下巷道的支护提出一些新的、建设性的意见和方案。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 本文的主要研究内容和研究思路 本论文的主要研究内容和思路是： 1 ) 在三交河煤矿地质资料的基础上进行围岩稳定性分类预测，为采用锚杆支护 提供参考依据。 2 ) 对锚杆支护原理和回采巷道围岩控制原理进行分析，得出适宜三交河煤矿大 采高综采工作面回采巷道的围岩控制技术，并对巷道支护参数进行计算。 3 ) 运用有限元分析程序a n s y s 对综采工作面回采巷道进行锚杆支护的应力分 布情况进行模拟并得出合理的支护技术参数。 4 ) 结合围岩稳定性分类预测、理论分析及计算、a n s y s 数值模拟等得出适合三 交河煤矿大采高综采工作面回采巷道的围岩稳定性控制方案。 5 ) 对大采高综采工作面大断面回采巷道进行矿压观测，以检验巷道围岩控制的 实际效果。 6 太原理r 大学硕i 。研究生学位论文 第二章三交河煤矿2 上# 和2 下# 煤层及顶底板岩层力学特性研究 2 1 矿井基本概况 2 1 1 煤层赋存概况 三交河煤矿隶属于霍州煤电汾河焦煤公司，矿井井田位于霍西煤田西南部，井 田内共有四层可采煤层，自上而下依次为l 样、2 拌、1 0 # 、1 l 撑煤。目前开采2 群 煤层。 、 2 # 煤位于山西组的上部，距2t # 煤层o 0 5 1 7 m ，属近距离煤层。据五采区 准备巷道揭露的资料， 2t # 煤层厚度1 9 2 3 m ，平均2 1 m 。2t # 煤层直接顶为泥 岩，厚度为2 7 m ( 据3 3 0 3 号钻孔) ，老顶为粉砂岩，厚度7 5 m ( 据s j 1 号钻孔) 。 2t # 煤层和2f # 煤层中间有一层泥岩夹矸，厚度0 1 o 5 m ，均厚o 2 5 m 。2t # 煤 层结构复杂，煤层中部普遍存在一层夹矸，为泥岩和砂岩互层，质地坚硬，厚度o 1 o 6 m ，均厚0 4 m 。2t # 煤层底板为泥岩，深黑色，致密性脆。具体见2 撑煤层项底 板岩层地质力学特性柱状图。 2 1 2 矿区地质构造及特征 井田内岩层总体构造形态呈背向斜相问的褶曲构造形态，其轴向多为n n e 向， 井田东部岩层倾角较大( 1 0 b 1 8 。) ，中西部岩层倾角相对较缓( 3 1 2 。) ；井田内 断层构造中等发育，呈断层带集中出现，主要发育在褶曲轴部及煤岩层产状急剧变 化处，多为压扭性正断层，多数断层明显受到拉伸、挤压等多期、多种力的作用， 使得断层附近煤层增厚变薄现象( 下盘增厚、上盘变薄现象多见) 普遍发生，断层 产状、落差及断层的延伸距离变化大；井田内岩层节理发育，以n 2 5 4 5 。e 的一 组为主，节理密度3 6 条m ，n 2 0 。w 的一组节理为次节理，节理密度2 4 条m 。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 一l2 # 煤层顸底板岩层地质力学特性柱状图 f i g 2 - 1c o l u m n a rs e c t i o no fr o c kf o r m a t i o n 2 1 3 开采方法 三交河煤矿采用大采高长壁综合机械化采煤方法。现五采区2 。# 煤层和2r # 煤 层联合开采，日产万吨，年产3 0 0 万吨以上。 2 2 煤层及顶底板岩层力学特性 2 。# 煤层和2t # 煤层顶底板岩层力学参数见表2 1 太原理t 大学硕h 旰究生学位论文 表2 1 2t # 煤层和2 ，# 煤层项废扳岩层力学参数 岩石名 厚度 容重 弹性模量泊松单轴抗压强废抗拉强度内聚力内摩擦角 ( g c m 称 ( m )( g p a )比( m p a )( m p a )( m p a )( 。) ) 中砂岩 1 1 82 4l o 6o 3 01 6 54 33 23 2 泥岩 1 4 ，22 28 2o 2 31 34 o3 22 7 粉砂岩7 5 2 58 2 4 o 3 04 2 2 4 62 6 3 6 泥岩 2 72 3 4 8 1o 2 02 4 1 81 1 5 2 7 2j # 煤 2 1 1 48 0 o 3 41 6 7 0 6 65 0 3 0 泥岩o 2 52 37 60 3 02 l 2l3 2 2 7 2t # 煤0 91 47 1o f 3 21 4 60 5 15 o3 0 泥岩 o 42 47 2o ，2 31 6 52 o3 22 7 2t # 煤 o 51 47 103 21 4 6 o5 l 5 o3 0 i 泥岩1 5 2 57 2 o 2 31 6 5 2 03 2 2 5 细砂岩 3 32 58 - 2o 2 31 3 54 23 23 l 2 3 巷道围岩稳定性分类 2 3 1 巷道围岩稳定性分类 围岩稳定性分类的目的在于恰当地评价巷道在所处围岩及应力环境下支护的难 易程度，为支护参数设计提供可靠依据。我国在分析大量回采巷道矿山压力观测资 9 太原理工大学硕十研究生学位论文 料的基础上，总结煤矿巷道矿压与支护的实践经验和理论研究成果，并充分参考国 内外有关围岩分类方案，于1 9 8 8 年提出了缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性 分类方案。该方案采用模糊聚类分析方法，选择巷道顶板强度、煤层强度、巷道埋 深、岩体完整性指数，反映开采影响的直接顶厚度与采高的比值，护巷煤柱的宽度 等7 个影响因素做为分类指标，依据这7 个指标的数值，用模糊综合评判方法来预 测回采巷道围岩稳定性类别。将缓倾斜、倾斜煤层回采巷道分为非常稳定( i 类) 、 稳定( i i 类) 、中等稳定( i l l 类) 、不稳定( i v 类) 和极不稳定( v 类) 等5 个类别。 根据现场调查，获得三交河矿2 捍煤层采准巷道与围岩稳定性分类有关的7 个参 数值，见表2 - 2 所示。 表2 2 三交河矿2 # 煤层围岩稳定性分类基本参数 注 t a b l e2 - 2s u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t ys o r t i n gb a s i cp a r a m e t e ro fs h a n j i a o h em i n e s2 # s e a m 序号分类参数参数值单位 l 顶板岩石单轴抗压强度 3 6m p a 2 底板岩石单轴抗压强度 2 3m p a 3 巷帮煤层单轴抗压强度 1 6m p a 4巷道埋深h 1 1 0 1 3 0m 5 护巷煤柱宽度x 2 0m 6采动影响系数o 6 8 7 围岩完整性指数 1 2m l 、项板岩石单向抗压强度取巷道宽度2 倍范围内顶板岩石单向抗压强度的加 权平均值。应为泥岩及其上覆粉砂岩的加权平均强度3 6 m p a 。 2 、底板岩石单向抗压强度取巷道宽度1 倍范围内底板岩石单向抗压强度的加 权平均值2 3m p a 。 0 太原理t 大学硕十研究生学位论文 3 、巷帮煤层单向抗j t 强度为煤和夹6 的加权平均值1 6 p a 。 4 、巷道埋深指巷j 直f 7 再“，地丧的f f j j l 趼高，2 # 煤：的最人岬深1 3 0m ，最 小埋深1 1 0m ，平均埋深1 2 0m ，应讨论不同埋深时的刚岩类别。 5 、护巷煤柱的宽度指一侧煤柱的实际宽度。 6 、采动影响系数指因工作面回采引起的超前支承压力的影响，n 值等于直接 顶板厚度除以煤层采高。直接顶板厚度为2 7m ，煤层最大采高为4 0i l l ，故n = 0 6 8 。 7 、围岩完整性指数指围岩节理、裂隙、层理的影响程度，一般可利用直接顶初 步垮落步距代替，据三交河煤矿的现场资料， d = 1 2 m 。 根据围岩稳定性分类方案，取巷道埋深为1 3 0m ，护巷煤柱尺寸为2 0 m ，其余参 数为表2 2 所示时，得出2 # 煤层巷道围岩的稳定性类别为i v 类。若考虑护巷煤柱 尺寸为2 0 m ，埋深为1 1 0 m 1 3 0 m 的不同值时，巷道围岩稳定性的类别不变。 2 3 2 基于巷道围岩稳定性分类的推荐支护方式 我国煤炭系统的专家、学者和工程技术人员在煤巷锚杆支护研究、设计与施工 方面做了大量的工作，积累了丰富的经验，原煤炭工业部锚杆支护专家组将这些经 验集中起来，在采准巷道围岩稳定性分类的基础上，制定了煤巷锚杆支护技术规范 ( 送审稿) d 6 1 ，该规范的要点为： 项板必须采用金属杆体锚杆。全长锚周或加长锚固锚杆应选用螺纹钢杆体。 采用端部锚固锚杆时，设计锚固力不应低于6 4k n ；采用全长锚固锚杆时，杆体破 断力不应小于1 3 0 k n 。 一般情况下，巷帮应支护。巷帮锚杆的设计锚固力以不低于4 0 k n 为宜。根据 巷道断面、煤层厚度与强度、节理裂隙发育程度、埋藏深度、护巷煤柱尺寸、锚杆 是否经受截割等因素确定巷帮锚杆的形式与参数。 锚杆孔径与锚杆杆体锚固段直径之差，宜保持在6 1 0 m m 范围之内。 项板靠巷道两帮的锚杆，一般应向巷道两帮倾斜1 5 3 0 。( 与铅垂线夹角) 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 推荐的巷道锚杆基本支护形式与主要参数见表2 3 所示。 推荐的金属杆体锚杆支护参数系列见表2 4 所示。 表2 3 巷道顶板锚杆基本支护形式与主要参数选择 t a b l e2 - 3b a s i cs u p p o r tf o r ma n d m a i np a r a m e t e rs e l e c t i o no ft h eg a t e r o o fb o l t 巷道 巷道围岩 基本支护形式 主要支护参数 类别稳定状况 整体砂岩、石灰岩类岩层， 不支护 i非常稳定 不支护 其它岩层：单体锚杆端锚：杆体直径 1 6 m m 杆体长度：1 6 1 8m 顶板较完整：单体锚杆间排距：o 8 1 2 m 设计锚固力 6 4 8 0 k n i i 稳定端锚：杆体直径 1 6 m m 杆体长度：1 6 i 8m 顶板较破碎：锚杆+ 网 问排距：0 8 1 2 m 设计锚固力 6 4 8 0 k n 端锚：杆体直径：1 6 1 8 m m 项板较完整：锚杆+ 钢筋梁， 或桁架 杆体长度：1 6 2 o m 闻排距：0 8 - - 1 0m 设计锚固力：6 4 - - 8 0 k n 端锚： 杆体直径：1 6 1 8m m i l i中等稳定 杆体长度：1 6 - - 2 2m 顶板较破碎：锚杆+ w 钢带 问排距：0 6 1 0m ( 或钢筋梁) + 网，或增加锚索设计锚固力：6 4 8 0k n 桁架+ 网，或增加锚索全长锚固： 杆体直径：1 8 2 2m m 杆体长度：1 8 - - 2 4m 问排距：0 6 1 o m 全长锚固： 锚杆+ w 钢带+ 网，或增加锚杆体直径：1 8 2 2m m 不稳定 索桁架+ 网，或增加锚索杆体长度：1 8 2 4m 间排距：0 6 1 0m 1 2 太原理工大学硕上研究生学位论文 1 项扳较完整：锚杆+ 金属可 缩支架，或增加锚索令长镐： 2 项板较破碎：锚朴- 网+ 会杆体f 径：18 ，一2 4m m 卜 极不稳定 属叮缩支架，或增锚索卡 体长度：2 0 r 一2 6m 3 底鼓严重：锚杆+ 环形可缩问排跑：0 6 1 0m 支架 表2 4 金属杆体描杆支护系列参数 t a b l e2 - 4s e r i e so fs u p p o r tp a r a m e t e ro fm e t a lb o l t 项目 系列 锚杆长度m 1 4 ，1 6 ，1 8 ，2 0 ，2 2 ，2 4 ，2 6 锚杆杆体直径m m 1 6 ，1 8 ，2 0 ，2 2 ，2 4 锚杆孔径r a m2 6 ，2 8 ，3 1 ，3 3 锚杆排距m0 6 ，0 7 ，0 8 ，0 9 ，1 0 ，1 1 锚杆间距m0 6 ，0 7 ，0 8 ，0 9 ，1 0 ，1 1 ，1 2 ，1 3 ，1 4 2 4 本章小结 本章叙述了三交河煤矿的2 。# 和2 + # 煤层的赋存情况以及顶底板岩石力学特 性，依据7 个指标的数值对巷道围岩稳定性分类进行了预测，得出三交河矿2 # 煤层 巷道围岩的稳定性类别为类，根据表2 3 和2 4 煤巷锚杆支护技术舰范推荐的 类巷道锚杆基本支护形式为：锚杆+ w 钢带+ 网+ 锚索或桁架+ 网+ 锚索；顶板支护主要 参数为：全长锚固，杆体直径1 8 2 2m m ，杆体长度1 8 2 4m ，问排距0 6 1 o i n 。鉴于煤矿巷道支护比较复杂，该方案仅作为参考，具体支护参数的选择见第三章 第三节。 太原理t 大学硕土研究生学位论文 第三章回采巷道围岩控制理论 3 1 锚杆支护原理及适用条件 目前，较成熟的锚杆支护理论主要可归纳为三大类：一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、锚注理论等。不同锚杆支护理论具有不同的适用条件，应用时应根据 具体围岩条件进行合理选择。 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定岩 层上，以增强较软弱岩层的稳定性。 对于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，就能减小和限制直接顶的下 沉和离层，以达到支护的目的，如图3 一l 所示。 巷道浅部围岩松软破碎，或者开掘巷道后应力重新分布，项板出现松动破裂区， 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未松动岩层上。这是悬吊 理论的进一步发展，如图3 2 所示。 。 ili ili lil _ _ 图3 - 1 锚杆的悬吊作用 f i g u r e 3 1b o l ts u s p e n s i o nf u n c t i o n 图3 - 2 顶板锚杆悬吊松动破裂岩层 f i g u r e 3 2r o o fb o l ts u s p e n s i o nc r o w d e d t h eb r e a k a g er o c kl a y e r 太原理丁大学硕士研究生学位论文 悬吊理论只适用于巷道顶扳，不适用于巷道帮、底。如果顶板中没有坚硬稳定岩 层或顶板弱岩层较厚，围岩破碎区范围较大，锚杆长度所及范围达不到上面峰硬岩层 或者未松动岩层上，悬吊理论就不适用。而且，该理论存在以下明显缺陷： ( 1 ) 锚卡下受力只有当松散岩层或不稳定岩块完全与稳定岩层脱离的情况下才等 于破碎岩层的重量，而这种条件在井下巷道中并不多见。 ( 2 ) 没有考虑锚杆安设后对破碎岩层变形和离层的控制作用。特别是当水平应 力较大时，顶板离层很大，为了减小破碎岩层的离层，保持顶板的稳定性，锚杆的 工作阻力必须增大。 ( 3 ) 当锚杆穿过破碎岩层时，锚杆提供的径向和切向约束会不同成都地提高破 碎岩层的整体强度，使其具有一定的承载能力，从而减小锚杆受力。 总之，悬吊理论仅考虑了锚杆的抗拉作用，没有设计其抗剪能力及对破碎岩层整 体强度的提高。因此，理论计算的锚杆和在与实际出入较大。 减跨理论 减跨理论应包括两方面的内容：一是基于松散介质的自然冒落拱理论提出的锚 韦下作用原理，其依据是冒落拱高度与跨度成正比关系，认为利用锚杆的悬吊作用可 增加顶板岩层的支点，从而减小支点间的跨距，进而达到降低冒落拱高度、减小所 需支护强度的目的；二是基于梁或板的理论提出的锚杆作用原理，即当巷道顶板为 层状岩层时，其变形特性近似于梁或板的性质，此时锚杆的作用是缩短梁或板的跨 距，以减小其中因横力而产生的弯矩及因弯矩产生的弯曲应力，尤其是弯曲拉应力， 从而提高项板的稳定性。从以上两种情况可以看出，减跨理论中锚杆的作用机理以 及适用条件等同于悬吊理论，即需要以稳定岩层或稳定岩层结构为依托。 组合梁理论 在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层，锚杆的悬吊 作用居次要地位。 组合梁理论适用于顶板由多层小厚度连续性岩层组成的巷道，其原理是通过锚杆 的轴向作用力将顶板各分层夹紧，以增强各分层间的摩擦作用，并借助锚杆自身的 太原理丁人学硕l 研究生学位论文 横向乐载能力提高顶板各分层问的抗嘶切强度以及层间粘结f # 度，使各分层在弯矩 f 1 用卜| 发小整体弯 # 1 变形，呈现出组合粱的弯曲变形特征，从而提r i ；，顶板的抗；丐刚 度及强度。多层小厚度连续性岩层的存在足该理论适用的酌提。 未锚固的顶板岩层发生弯曲变形时，由于各分层问粘结力及摩擦系数往往较小， 因此，在下沉变形过程中多表现为叠合梁特性，即各分层发生相对独立的弯曲变形， 此时，顶板岩层中的最大拉应力为 ( o ) t = ( 6 n h 2 ) m 。， ( 3 - 1 ) 锚固后的顶板岩层发生弯曲变形时，由于各分层间抗滑动能力的提高，顶板在下 沉变形过程中呈组合梁特性，即发生整体弯曲变形，此时其中所产生的最大拉应力 为 ( o 。，) m = 6 ( n h ) 2 m 。( 3 - 2 ) 两式相比可得 ( o ) 。( 0 ) m = n( 3 - 3 ) 以上各式中，( o ) t 以叠合梁方式弯曲时岩层中的最大拉应力， ( o 。k 以组合梁方式弯曲时岩层中的最大拉应力， m 。，顶板岩层所受的最大弯矩， n 顶板岩层的分层数， h 顶板岩层的分层厚度。 可见，在相同横力弯曲载荷条件下形成组合梁后的最大拉应力仅为叠合梁状态下 的l n ， 从而使其抗弯能力得到明显提高，如图3 3 所示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 8 )伸， 图3 3 顶板锚杆的组合梁作用 ( a ) 末打锚杆；( b ) 布置顶板锚杆 组合梁理论只适合于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。 组合梁厚度越大，梁的最大应变值越小。组合梁充分考虑了锚杆对离层及滑动 的约束作用，原理上对锚杆作用分析的比较全面，但是它存在以下明显缺点： ( 1 ) 组合梁有效组合厚度很难确定。它涉及到影响锚杆的众多因素，目前还没 有一种方法可比较可靠地估计有效组合厚度。 ( 2 ) 没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆荷载的作用。其实，在水 平应力较大的巷道中，水平应力是顶板破坏、失稳的主要原因。 组合拱( 压缩拱) 理论 组合拱理论是通过光弹试验提出来的，该理论认为：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 置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能 在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱( 亦称组合拱或压缩拱) ，这个承压拱 可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压， 处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大，如图3 4 所示。因 此，锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度，其厚度越大，越有 利于围岩的稳定和支承能力的提高。 对于平顶巷道的层状连续性顶板而言，组合拱理论等同于组合梁理论。此时， 锚杆的挤压加固作用既可使层状顶板形成组合梁结构，提高其抗弯强度，又可改善 太缘理1 = 丈学硕1 研究生学位论文 岩层的应力状态。 组合拱卿沦在一定稃度上揭示了锚十f 支护的作用机理，但祚一分析过程l f ，泼自深 入与虑闭岩支护的相匣作用，只是将各支护结构的最大支护力简单相加，从向得 到复合支护结构总的最大支护力，缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分析探 讨，计算也与实际情况存在一定差距，一般不能作为准确的定量设计，但可作为锚 杆加固设计和施工的重要参考。 图3 4 锚杆的组合拱原理 f i g u r e 3 4b o l tb u i l t - u pa r c hp r i n c i p l e 楔固理论 楔围理论主要是针对巷道围岩沿弱面滑移失稳现象而提出的围岩加固机理。当 围岩中的部分岩体被弱面切割为块体时，其稳定性状况一定程度上将取决于对关键 块体的维护情况，因为这种条件下围岩的失稳大多起因于关键块体的失稳。此时可 将锚杆相交于弱面布置，通过锚杆的抗拉、抗剪以及抗弯作用防止危岩发生滑动甚 至脱离岩层而冒落，从而保持巷道围岩的整体稳定性。 最大水平应力理论 最大水平应力理论认为：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，且有三个特点： 太原理1 = 大学硕士研究生学位论文 a 、与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，项底板稳定性最好； b 、与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其项底板变形破坏偏向巷道某一帮 c 、与最大水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差，如图3 5 所示。 恭霄徊 疆髓黼断面 最佳方向 ( ) 最劣方向 ( b ) ( c ) 图3 5 应力场效应 f i g u r e 3 5s t r e s sf i e l de f f e c t ( a ) 巷道平行主应力( 最佳方向) ： ( b ) 巷道与主应力争4 5 。夹角； ( e ) 巷道与主应力呈9 0 。夹角( 最劣方向) 在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨 胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切 错动( 如图3 6 ) 。因此，要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起 约束围岩变形的作用。 太原理t 人学硕t 研究生学位论文 岩层移动对ll 树膳对锚秆 树脂的作用ll 杆体的作用 “) 磊d j 。影 l 二 一锚杆 丽。旦雾 g 孽 中岩层错动 0 ： ： ( a ) 约束岩层膨胀；( b ) 约束岩层错动 图3 - 6 最大水平应力下的锚杆加固示意图 f i g u r e3 - 6m o s tg r e a t l yh o r i z o n t a ls t r e s sb o l tr e i n f o r c e m e n ts c h e m a t i cd r a w i n g s 外锚内注式的支护方法是针对软岩巷道围岩控制提出的，认为软岩巷道围岩 的破裂范围及变形量都很大，传统的刚性支护难以适应，而单纯的锚杆支护或组合 锚杆支护欲使破裂岩体处于挤紧状态从而形成平衡拱也难以实现。对于节理裂隙发 育的软岩，采用注浆的方法可以改变其松散结构，提高枯结力和内摩擦角，提高围 岩的整体性和强度系数，从而形成一个注浆加固圈，为锚杆提供可靠的着力基础， 使其能够充分发挥悬吊、组合等基本功能，对注浆加固圈以下的松碎岩石起到支护 的作用。 松动圈支护理论是基于巷道围岩状态特征的研究而提出来的，对