（采矿工程专业论文）外错式巷道围岩稳定性控制研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 外错式巷道围岩稳定性控制研究 摘要 本文运用理论分析、数值模拟、相似材料模拟实验、现场测试 方法，对厚煤层分层开采条件下，下分层巷道外错式布置时，巷道 围岩稳定性控制进行了全面系统的研究，提出了外错式巷道可能的 支护形式并确定了其支护参数。通过数值模拟，分析了外错巷道在 不同支护形式及技术参数下的支护效果，同时与五阳矿的工程实例 相结合，提出了五阳矿外错巷道围岩稳定性控制的整体方案，确定 了各项技术参数，并分析了在技术、经济上的可行性、合理性。 本文提出的外错式巷道围岩稳定性控制整体方案，不仅解决了 五阳矿分层开采提出的实践问题，而且，也可用于指导其它生产矿 井，外错式回采巷道围岩稳定性控制、减少巷道维护费用、提高生 产率，也为复杂围岩条件下的岩层控制补充了新的内容。 关键词：外错式巷道，锚固结构，围岩控制，支护参数 太原理丁= 大学硕士研究生学位论文 s t u d yo nt h es u r r o u n d d i gr o c ks t a b 椰 c o n t r o lo fa ij e r n a t ee x t e r i o re n t r y l a y o u tp a t r e r n t h i sp a p e rt om a k eu s i n go ft h et h e o r i e s t i c a la n d 利y s 远n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , s i m i j a t em a t e r i a l ，t h es p o tt e s tm e t h o d , o i lt h ec o n d i t i o no fl a y e rs l i c i n gf a c ew i t h a l t e r n a t ee x t e r i o re n t r y , t h es u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yc o n t r o lh a sb e e nc a r r i e do u t s y s t i m u a t i c a l l y p u t sf o r w a r da l t e r n a t ee x t e r i o re n t r yp o s s i b l es u p p o r t i n gf o r mf o r h a v eb e e np u tf o r w a r d ，a n ds u p p o r t i n gp a r a m e t e r sh a v eb e e n d e f i n e d u s i n g n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，s u p p o r t i n g e f f e c t so fa l t e r n a t ee x t e r i o r e n t r y w i t h d i f f e r e n ts u p p o r t i n gf o r ma n dp a r a m e t e r sh a v eb e e na n a l y z e d m e a n w h i l ew i t ht h e e n g i n e e r i n gc a s eo fw u y a n gc o a lm i l l e w h o l ep r o g a mo fs t l l t o u n d i n gr o c k i n a b i l i t yc o n t r o lf o ra l t e m a l ee x t e r i o re n t r yi sp u tf o r w a r dt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa i e d e t e r m i n e d p o s s i b i l i t ya n d r a t i o n a l i t yo ft h ep r o g a m ei sa n a l y s e dt e c h n i c a l l ya n d e c o n o m i c a l l y t h ep r o g a m eo fs u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t ye o d 仃q jo fm ea l l e m a t ee x t e r i o re n t r y n o to n l ys o l v e dt h ep r a c t i c a lp r o b l e m ，b u ta l s oc a ng i v ea 倒da n dt oo t h e rm i n e s u s i n gt h es a m ee n t r yl a y o u tp a t t e r n t h ep r o g a m ea d d e dt h e p e wc o n t e n t s t ot h e i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o m p l i c a t i o n ss u r r o u n d i n gr o c kc o n d i t i o no f r o c ks t r a t ac o n t r o l k e yw o r d s ：a l t e r n a t ee x e l i o re n t r y , b o l t i j l gs t r u c t u r e ， s u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o l ，s u p p o r tp a r a m e t e r s i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题目的和意义 一绪论 煤炭是我国的主要能源，被誉为工业的粮食，在国民经济中炭阵着举足轻 重的作用。由于我国煤层赋存条件多样，围岩眭质也千差万别，且工作面回采 巷道都会受到开采过程中采动的强烈影响，所以巷道的维护存在着难度大、安 全性差等问题。因此，运用正确的支护理论，选择安全可靠的支护方法，确定 合理的支护参数，在采矿工程中就具有特别重要的意义。 在开采缓倾斜厚煤层时可采用分层开采，有上行充填采煤方法和下行垮落 采煤方法两种。目前我国多采用倾斜分层下行垮落采煤方法。 厚煤层分层开采时在每个区段中除了区段上、下都有集中回风平巷及集 中运输平巷之外，各分层还应有分层回风平巷及分层运输平巷。m 分层平巷的 布置方式般有以下两类：倾斜式布置和水平式布置。倾斜式的布置方式有利 于溜煤，当煤层倾角小于2 0 0 时通常采用这种布置方式。倾斜布置方式又分为 内错式和外错式两种。内错式是下分层平巷在上分层工作面的内侧。形成正梯 形煤柱，由于煤柱尺寸愈到下面愈大，工作面也随之缩短。但巷道在假项下掘 进，易于掘迸及维护。锄外错式是下分层平巷在上分层工作面的外侧，煤柱成 太原理工大学硕士研究生学位论文 倒梯形，愈到下分层煤柱尺寸愈小，工作面长度愈大。 如果分层平巷采用内错式布置，巷道处于上分层采空区下方的卸压带内， 巷道压力小，易于维护，巷道较稳定，但煤柱大，资源浪费严重，回采率低。 。1 一般认为，外错式布置方式是将巷道布置在了上分层的煤柱下，下分层巷遭 围岩处于支承压力作用区，使得巷道围岩不稳定，增加了围岩控制的难度，所 以很少采用。 事实上。分层开采采用巷道的外错式布置，可以最大限度保证工作面的长 度，充分发挥综采设备的优势，尤其是煤炭为一次陛自毪源，最大限度地减少损 失，提高回采率，就具有特别重要的意义。 论文涉及的研究是针对潞安环保能源开发股份有限公司五阳矿的，在对该 矿分层开采的外错式巷道矿压显现规律研究的基础上，探索巷道固岩稳定性控 制技术途径，在解决五阳矿下分层巷道外错式布置的工程实际问题的同时，既 为与i 口e t 矿地质、生产条件相似的国内外其它矿井提供借鉴经验，也丰富了分 层开采的巷道外错式布置这方面的理论内容，因此，具有十分重要的理论和现 实意义。 1 2 国内外研究动态 巷道外错式布置是缓倾斜厚煤层在分层开采时布置下分层运输巷道和回风 巷道的方式之一。般认为，该种布置方式是将下分层平巷布置在了上分层的 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 煤柱下，使得巷道处于支承压力作用区，对巷道维护不利，所以很少采用。鉴 于这种原因，国内外有关外错式巷道的围岩稳定性控制技术的研究几乎是空白。 在实际工程中，一些矿井也进行了初步的实践，但也仅仅是在地质条件较好的 巷道，而且也只是种近似的外错式布置。 1 3 研究的方法 论文研究采取的方法如下： ( 1 ) 理论分析。理论分析外错式巷道围岩的应力、位移分布，研究围岩的 稳定性，结合锚固结构理论确定外错式巷道可行的支护方案。 ( 2 ) 数值模拟。利用数值模拟手段研究外错式巷道锚圃后围岩的应力、位 移分布，确定合理的锚杆支护技术参数。 ( 3 ) 综合分析。综合以上各种分析及实际观测，在对所得数据进行综合分 析的基础上，结台有关岩石力学、巷道围岩控制理论，研究总结五阳矿区分层 开采外错式巷道围岩稳定性控制整体方案。 ( 4 ) 工业实验。现场观测动压区外错巷道锚汗锚固后顶底板及两帮位移量 及变化特点，检验动压区外错巷道锚杆支护方案在抑制顶底板及两帮变形中的 支护效果，和各支护参数的正确性，为进一步优化支护参数设计提供依据。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 二围岩控制及锚杆支护理论 2 1 围岩控制原理 2 1 1 支护结构与围岩相互作用原理 巷道支护的基本原理是支护结构与围岩共同承载，促使围岩形成承载结构 并尽可能地提高围岩承载能力，减小围岩的载荷效应，使支护结构受力最小。 支护结构与国岩相互作用的结果，使围岩向巷道空间的收敛变形受到约束，围 岩在支护力的作用下有控制的变形。支护力的大小，可以调节围岩变形、控制 围岩塑性松弛范围，改变围岩应力分布状态，最终将影响围岩对支护结构的作 用力。巷道围岩稳定与支护结构受力受到支护结构特性、支护时间和围岩条件 等因素影响。由于受掘进、采动的影响，巷道原岩应力的平衡状态被破坏，巷 道能否保持稳定，取决于围岩的物理力学性质和原岩应力的大小。对于坚硬的 围岩，巷道周围的集中应力小于围岩强度极限，巷道不用支护也舱保持稳定； 对于软弱的围岩，要保持巷道稳定，必须依靠各种形式的支护。尤其是下分层 巷道外错式布置时，由于在上分层煤柱下，处于支承压力作用区，巷道周围的 集中应力大于围岩强度极限，因此在充分利用围岩这一自承载结构的基础上， 必须确定合理的支护形式，优化支护参数，以保持巷道稳定。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 以理想弹塑性圆形巷道为例，来说明支护力与巷道周边位移的关系，如式 2 一l ，图2 - l 所示。 “；警蛾脚1 ) p 尸。恤+ c c t g 妒e p 啦咖甲r 。 式中：u 巷道周边位移c 一围岩内聚力 一内摩擦角g 一围岩剪切弹性模量 只一原岩应力 瞰护力 r 。巷道半径 圉2 - 1 支护围岩相互作用关系曲线 f i g 2 - ir e l a t i o nc n r v oo fs u r r p o t i n ga n ds u r r o u n d i n gr o c ki n t b r a c t i o n 扶囤上可以看出，作用于支护结构上的力为p ，而围岩承担的荷载为 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 只一尸，a b 与围岩特性曲线相交于b 点，则支护结构承受的载荷比c 点的大， 而围岩承受的压力较小，支护结构的最佳作用点在d 点附近的左边。在围岩性 质和支护前围岩初始位移相同的条件下，不同特性的支护结构与围岩达成稳定 平衡时的位移和所需支护力是不同的。支护结构对围岩的反力，明显改善了围 岩的应力状态，使巷道周边的岩石由双向受压转化为三向受压，提高了围岩的 屈服极限和强度极限，从而减小了破裂区半径和周边的位移，增加了巷道的稳 定性。 2 1 2 外错式巷道围岩控制的基本途径 巷道围岩应力、围岩强度和支护状况是决定巷道围岩稳定性的三个基本要 素。下分层外错巷道布置在上分层煤柱下，处于支承压力作用区，巷道围岩应 力高；外错巷道围岩般为煤体，节理裂隙发育，围岩强度低，因此，如何尽 可能的降低围岩应力，改善围岩力学特性，采用整体锚固结构支护方式，是外 错式巷道围岩控制的基本途径。 l 、降 氐围岩f i f o 措施 可i 瞄描孔、切槽、爆破等人为的方法，使巷道附近的高支承压力转 移到深部未受削弱的岩体内，从而达到使巷道周边围岩处刊氐压区的目的。 2 、改善围岩力学特性措施 ( 1 ) 通过注浆、喷层、锚固等措施改变围岩的构造特征，提高其完整性， 达到提高围岩强度的目的。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 通过选择合理的巷道断面形状，来改变围岩的受力状态a ( 3 )采取适当的支护方式，给巷道围岩提供必要的围压等措施。 2 。2 镒轩支护理论 围岩是一种天然的承载结构，在进行巷道支护时应尽可能的发挥并利用围 岩这一天然特性。从前面支护围岩相互作用原理和外错巷道围岩控带6 的基本途 径分析来看，在对巷道采取降低围岩应力，改变围岩力学特性等措施后，采取 适当的支护措旖对外错巷道进行控制是十分必要的。通过合理的支护方式，使 支护结构和围岩之间形成一种共同的承载结构，以提高围岩的承载能力，使支 护结构受力最小。而锚毒于作支护为一种有效的巷道支护方式，在对巷遭围岩强 度强化，提高围岩稳定性，增加安全度，节约支护和维修费用方面，与传统的 棚架支护方式相比，具有十分明显的优势。 2 2 1 锚杆支护机理分析 外错式布置的巷道其围岩一般为煤，强度低目节理裂隙发育，锚杆的直接 作用是对其锚固作用范围内的煤体提供轴向和径向的约束，轴向约束来自锚杆 的轴向力，通过托板、杆体与孔壁间的作用力对巷道围岩施加围压，将围岩由 单向、双向受力状态转化为双向、三向受力状态，径向约束主要表现为锚杆杆 体和锚固荆所提供的抗剪能力，它增加了节理面间的摩擦力，限制了节理面的 相对错动，改善了围岩弱面的力学性质。锚杆支护能显著提高外错巷道围岩的 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 残余强度和承载能力，锚杆与锚固作用范围内的围岩构成一种组合型承载体， 从而提高了围岩的整体陡和稳定性。 在对巷遭顶板的支护中，锚杆以发挥悬吊整合加固作用为主，在锚杆及时 主动的作用下，将破碎了的块体重新整合起来，通过提高节理裂隙间的摩擦力 来限制块体的转动和滑动，以提高围岩强度，从而使锚杆作用范围内的围岩形 成具有定厚度并且具有一定承载能力的锚固承载层。锚杆的及时主动支护， 有效的控制了顶板璃层、滑动、失稳。当巷道受到掘进、回采等因素影响时， 巷道围岩变形急剧增加，围岩松动破坏范围进步扩大，由于围岩应力状态重 新分布，施加于锚固层的荷载增加，锚固承载层的稳定与否将决定巷道的稳定 性。 由于外错巷道两帮的变形破坏主要是由于煤体内部松动和煤体沿层界面被 挤出而引起的，所阻，在对巷道两帮的支护中，以控制煤体松动和被挤出为目 的。两帮采用锚杆支护时，由锚固头与托板一起对煤帮施加托锚力。锚杆对煤 体的作用力可分解为沿煤体内部剪切滑移面的切向力和法向力。切向力减小了 剪切面上的剪应力，法向力增大了剪切面上的正应力，因而有利于控制两帮的 剪切破坏，也有利于控制两帮煤体的松动。另外，由于锚杆杆体穿过剪切滑移 面，锚杆杆体本身的强度可直接提供抗剪阻力，有助于减小煤体沿剪切# e f t , 面 的位移。 根据极限平衡理论，可得出塑性区煤体的垂直应力和塑性区宽度： 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 旷( 去+ 纠警卜一去 协z ， 石。：兰尘 “勰妒。 h f 囊 式中： o 。一塑性区煤体的垂直应力 只帮锚扦的支护阻力 钆煤层界面内摩擦角 a 侧压系数 嗍层开采深度 x 塑性区任一位置距巷帮距离 ( 2 - 3 ) z 。塑性区宽度 c 。煤层界面内聚力 川层开采厚度 啪力集中系数 y 顶板岩石容重 由上式可看出，帮锚杆支护阻力增大，塑性区煤体的垂直应力显著增加 塑性区宽度将明显减小。因此，锚杆支护阻力增大，有利于提高围岩的稳定性。 帮锚杆的作用在于控制浅部煤体的变形破坏，并形成具有一定承载能力的 锚固层。在一定的巷道围岩条件下，帮锚杆安装越及时，锚固力和预紧力越大， 则对保持两帮的稳定性越好。 2 2 。2 现有支护理论 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 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 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、整体锚 固结构理论等。不同锚固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。 悬吊理论认为，巷道开挖以后，由于应力状态的改变，围岩中一定区域内 将可能发生岩石的松动和破裂现象、或由于被裂隙切割的岩块因失去足够约束 而成为关键块体即出现危岩，此时锚杆的作用就是利用其抗拉能力将松软岩层 或危岩悬吊于稳定岩层之上。该理论适用于锚杆长度范围内赋存有稳定岩层或 稳定岩层结构的条件。 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 的锚杆作用原理，其依据是冒落拱高度与跨度成正比关系，认为利用锚秆的悬 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，从而提高顶板的稳定性。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 】0 太原理工大学硕士研究生学位论文 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 锚杆自身的横向承载能力提高顶板各分层间的抗剪切强度以及层间粘结程度， 使各分层在弯矩作用下发生整体弯曲变形，呈现出组合梁的弯嗌变形特征，从 而提高顶板的抗弯刚度及强度。 挤压加固理论适用性较强( 几乎适用于所有围岩条件) 。对于拱顶巷道，其 原理是通过锚杆的轴向作用力在围岩中形成拱形压缩带，即通过锚杆的轴向作 用力将围岩中一定范围岩体的应力状态由单向( 或双向) 受压转变为三向受压， 从而提高其环向抗压强度指标，使该压缩带既可承受其自身重量，又可承受一 定的外部载荷。对于平顶巷道的层状连续性顶板而言，挤压加固理论等同于组 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，又可改善岩层的应力状态，即提高围压，使岩层平行于层理方向 的抗压强度得到提高。 楔固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。 最大水平应力理论认为，巷道围岩的水平应力有时会大于垂直应力，此时， 巷道顶、底板的稳定性主要受水平应力的影响；水平应力具有明显的方向性， l 】 太原理工大学硕十研究生学位论文 巷道轴向与最大水平应力之间的夹角不同，水平应力对顶、底板稳定性的影响 程度也会有所差异：与最大水平应力方向平行的巷道受其影响最小，顶底板 稳定性最好，与最大水平应力方向成锐角的巷道其顶底板变形破坏偏向巷道 的某一帮，与最大水平应力垂直的巷道受其影响最大，顶底板稳定性最差。 基于该理论，英国学者研究发现，在深部开采的高应力环境下，最大水平应力 的作用使顶底板岩层发生剪切破坏而出现错动和松动膨胀，造成围岩变形，随 着变形的发展，顶板对支护的载荷迅速增长，并使按承受顶板岩层重量设计的 支护系统发生破坏。在这种情况下，锚杆的作用应当是在顶板变形的早期阶段 提高其稳定性，以控制顶板后期变形的严重程度。即锚杆的加固应在顶板岩层 发生松动膨胀变形之前进行，而不是等顶板已经松动破坏、几乎丧失自承能力 后才被动地承受围岩压力。同时，应充分重视垂直应力对两帮的影响：顶板锚 固后，两帮垂直应力集中区更靠近巷帮，控制两帮破坏，防止顶板有效跨度超 过顶板锚杆的有效支护范围，对围岩稳定极为重要。 锚杆桁架支护结构其支护机理的属于挤压加固一类，锚杆桁架对巷道围岩 的加固作用主要表现在以下三个方面：改变顶板的应力状态是锚杆桁架的基 本支护机理之一。即随着桁架预紧力的增加，顶板中部的拉应力将减小，甚至 出现压应力，使顶板处于无拉应力状态，从而弥补岩体抗拉强度较小的弱点； 促进顶板裂隙体梁的形成。当巷道开挖在层状岩体中且顶板极软和破碎时， 顶板的破坏和变形可以用“岩梁”理论来分析，它的稳定性取决于裂隙体梁的 】2 太原理工大学硕士研究生学位论文 成拱作用。桁架的预紧力可以增强裂隙体间的挤压作用，从而增强其间的摩擦 作用，并可约束岩层的下沉变形，甚至使顶板产生向上的位移，有利于裂隙体 粱达到压力拱式的平衡状态；提高顶板裂隙体梁拱座处的抗滑动性能。根据 静力平衡原理，当岩梁拱座处抗剪切麓力过低对，顶板将发生整体剪切滑动。 桁架的预紧力引起的主动作用将与拱座处的水平推力叠加，增大了该危险部位 岩石或不连续面的摩擦阻力，从而提高顶板裂隙体梁在拱座处的抗剪切强度。 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，提高粘结力和内 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 供可靠自q 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。 整体锚固理论认为，使顶、帮锚固体形成整体锚固结构，能克服普通锚 固结构存在角部薄弱环节的缺陷，一定程度上可防止两帮沿顶、底发生错动 而向巷道挤入，从而减小巷道变形，更大限度地改善锚固区围岩的受力状态， 从而提高锚固结构的径向刚度，增强锚固结构对深部国岩的径向约束，使巷 道围岩的稳定性得到改善。 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。对锚杆作用机 】3 太原理工大学硕士研究生学位论文 理作了动态的解释，认为在矩形巷道围岩中，锚杆除了可以发挥悬吊作用以外， 形成组合拱是其重要的支护作用，即破裂顶板在锚杆锚固力作用下可以形成具有 一定强度和厚度的锚固层，随着顶板的下沉变形，锚固层将达到薪的平衡状态， 形成压力拱式的平衡结构。 2 2 3 外错式巷道锚杆支护理论基础 以上理论是基于一定的条件提出的，因此存在着一定的局限性。比如，悬 吊和楔固理论，这两种理论作用的实现，就有赖于锚杆有效长度范围内坚固稳 定岩层的存在：而组合粱理论则是以连续性层状顶板为条件。回采巷道锚杆支 护技术及理论的建立以回采巷道围岩控制的基本理论为依据，锚杆支护技术能 否残功应用，取决于对巷遵围岩一支护相互作尾女蘩律的正确认识。目前，人# 对 巷道围岩发生强度破坏之前的围岩一支护相互作用规律的认识已趋于统一并接 近准确，但对围岩发生强度破坏后即进入松动变形阶段以后的支护一围岩相互作 用规律的研究还显缺乏，所产生的认识也还比较零散、模糊。 回采巷道尤其是全煤巷道的围岩具有强度低、裂隙发育等内在不稳定因素， 不具备锚杆组合梁的形成条件；在锚杆有效长度范围内往往没有稳固岩层，因 此锚杆的悬吊作用难以充分发挥；受采煤工艺的影响全煤巷道多为矩形断面， 传统钓挤压拱理论不再适用。全煤巷遒的矩形断面特点还造成圈岩应力分布处 于对保持围岩稳定性极为不利的状态。巷道周边易因出现拉应力状态雨断裂， 尖锐的角部易因产生高度的应力集中而破碎，造成围岩破裂程度及破裂范围增 1 4 太原理工人学硕士研究生学位论文 加，从而增加巷道维护的难度。 对于外错式巷道，锚杆的作用本质就是提高锚固范围岩体即锚固体的变形 模量及强度参数。“不同的锚杆布置方式将会形成具有不同几何形状及结构特 征的锚固结构体，不同的锚固结构体将产生不同的锚固效果，不同形式的锚固结 构运用于不同条件的巷道围岩支护时将表现出不同的力学行为特征及不同的稳 定性状态。 锚固结构通常有两种结构方式，普通锚固结构和整体锚固结构，而整体 锚固结构又有两种典型的结构方式，框形和拱形结构。 如图2 - 2 ，2 - 3 ，2 - 4 呻1 所示： 图2 - 2 普通锚固结构 f i g 2 - 2b o l t l a gs tr u c t u r eo fc o l e 0 0 - 1 5 固体 太原理工人学硕士研究生学位论文 顶 重 固体 2 - 3 框形整体锚固结构 f i g 2 - 3t h ew h o l eb 0 1t i n gs t r u c t u r eo ft h ef r a m ef o r m 固体 分 2 - 4 拱形整体锚固结构 f i g 2 - 4 t h ew h o l eb o l t i a gs t r u c t u r eo ft h ea r c hf o r m 从上图可以看出，与普通锚固结构相比，两种整体锚固结构由于顶板两边 的锚杆向两帮倾斜，两帮顶、底角处的锚杆向顶、底板倾斜，因此，使得顶板 锚固体和两帮锚固体在顶角处相互重叠，使两帮锚固体与底扳在底角处重叠， 从而使顶帮锚固体及底板稳定岩层形成了一个框形和拱形的锚固整体。因此， 整体锚固结构比普通锚固结构具有更高的承载能力，两帮不易发生整体移动， 对深部围岩有较强的约束，对囝岩破碎区的扩大及大交形的控制效果较好。尤 其是在巷道角部，良好的整体性，使顶板及两帮表面随着变形的发生而逐渐相 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 互合拢并形成挤紧状态。从拱形和框形整体锚固结构的锚杆布置方式来看，拱 形整体锚固结构易在顶板中较低层位形成拱形承载结构，而两帮表面附近的应 力集中程度较框形整体锚圊结构要高，所以，两帮发生强度破坏时所对应的载 荷较小，即两帮的松动变形区产生较早。因此，当顶板条件较好时，宜采用框 形整体锚固结构，反之，宜采用拱形整体锚固结构。 一口i - e 量作1 4 ，t 叠件 一o i 量五1 一o7c 蕾矗，一olc 王置1 4 ，t 孟埔) a 顶部 一口z c 叠诈 一o ，c t 雌 - - - , f r - - o tt 量一， 一o ，i 蕾置，一4 ic 王曲 一。，t 壬q ) b 两帮 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 ho 【t 傩) f4 ( * 晨) zt 毛毽 一o m 【置雌 一口_ i c 蔷曩 i t t 王氇 c 角部 图2 - 5 围岩应力随深度的变化期律 f i b ，2 - 8t h ev a r i e t yr e g u l a t i o nw i t h t h ed e p t ho fs u r r o u n d i n gr o c k 图2 - 5 为两种锚固结构支护条件及无支护条件下围岩应力随深度的变化规 律。可看出与无支护巷道相比，整体锚固结构及普通锚固结构的作用均使固岩 应力状态产生了一定的变化具体表现在以下几个方面： 1 ) 锚固结构的作用提高了围岩中的切向应力集中程度。即围岩中靠蚯巷 道表面的局部区域的切向应力增加，其中角部切向应力的增加尤为明显。这种 现象是由锚固体变形模量的提高弓l 起的： 2 ) 锚固结构的作用减小了围岩中的应力集中范围。与无支护时相比，围 岩中发生切向应力集中的区域有一定程度的减小： 3 ) 锚固结构的作用改善了巷道深部围岩的应力状态。即巷道顶板中的铅 垂应力及两帮中的水平应力均得到了提高，从而使深部围岩得到较强的径向约 束： 4 ) 与普通锚固结构相比，整体锚固结构所导致的以上各种应力变化现象均 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 较为明显。 对于外错式巷道围岩的控制，由于外错巷道在上分层煤柱下，处于支承 压力作用区，巷道围岩集中应力高于围岩极限强度，围岩一般比较破碎，因 此，进行巷道围岩控制时，考虑利用锚杆或锚索的抗拉力将顶板松软或破碎 岩层悬吊于上部稳定岩层中，运用挤压加固理论，利用锚杆的轴向作用力， 将围岩中定范围内岩体的应力状态由单向或双向受压转为三向受压，从而 提高围岩的环恕抗压强度。还可利用挤压加固作用，使松软或破碎岩层重新 整合成连续的整体；最后依据锚固结构理论，确定合理的锚杆参数，在围岩 中，将锚杆布置成整体锚固结构，达到改变围岩的力学特性，提高围岩屈服 极限和强度极限，增强囝岩承载能力，增走q 巷道稳定性的目的。 锚固结构是一种特殊的支护体，它是由锚杆，护表构件以及锚固范围内 的岩体构成。o 。锚固结构的形成尤其是破碎围岩中锚固结构的形成，有赖于 各个方向适当挤压约束条件的存在。一般情况下，回采巷道围岩内部由于存 在着较高的挤压应力场，故这种约束是自然满足的，对于围岩表面，则可通 过护表构件来施加约束，如托盘，锚网，钢带等，甚至可以通过预应力旋加 主动约束。因此，锚固结构具有很强的变形适应性，即使是在围岩发生变形 的过程当中仍不失对鬣岩变形的控制作用。 可见对于外错式巷道这种围岩节理裂隙发育，强度低，处于支承压力作用 区的巷道，在确定外错式巷道围岩控制方案时，应以锚固结构理论为主，悬吊 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 理论、挤压加固理论相结合，作为外错式巷道锚杆支护的理论基础。 太原理工大学硕士研究生学位论文 三数值模拟 煤巷围岩的矿压显现规律及稳定性状态具有动态特征。即在不同地质条件 和不同支护状态下，巷道围岩将表现出不同的矿压显现规律及稳定性特征。硼 本章模拟研究五阳煤矿地质条件下锚杆支护巷道围岩应力状态，分析锚固结构 的力学性能，以期为研究分析锚固巷道围岩发生的变形破坏一失稳全过程的变 化，为确定锚杆支护参数提供可靠依据。 3 1 五阳矿7 5 1 6 工作面概况 3 1 1 五阳矿地质条件 潞安环能股份有限公司五阳煤矿位于山西省长治市襄垣县内，在潞安矿区 的北部。井田走向长约l o ，面积6 9 3 3 醋。全井田的总储量为3 6 6 亿吨， 可采煤层储量2 2 l 亿吨。矿井主井口标高为+ 9 3 2 2 0 m ，平均为3 7 0 i i i 。井田地 质构造比较复杂，以简单开阔的褶皱伴有较密集的大中断层为主。煤层近南北 走向、向西倾斜，倾角一般为1 0 0 ，属缓倾斜煤层。 7 5 1 6 工作面为+ 6 0 0 m 水平七五采区下分层综采工作面，地理位置位于东周 村以东，并有淤泥河及南干渠通过。井下位置东部为7 5 0 3 放水巷，北部为七五 3 # 皮带，南部为实体煤。工作面地面标高8 7 4 n 8 9 4 m 之间，回采后可能会对地 2 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 面的南干渠造成较大的影响。工作面沿煤层伪倾向布置工作面开采对象为山 西组中下部3 。煤层。3 # 煤层埋藏最深约3 7 3 3 米，最浅约3 1 0 米，平均3 2 5 米。 顶、底板以层状泥岩、砂岩为主，煤层厚度约为6 3 9 米，中间有两层夹矸。采 空区上覆岩层垮落角6 0 ，采空区宽度约为2 0 0 m ，上覆岩层平均容重2 4 k n 开，巷 道布置在3 噪层，断面4 o r e 3 4 i i l ，沿底掘进，留顶煤做巷道顶板，底板主要 由砂岩、泥岩组成。7 5 1 6 工作面围岩的力学参数见表3 一l ，顶底板岩性见图3 1 。 表3 - i7 5 1 6 工作面围岩力学参数表 密度内摩擦角内聚力抗拉强度弹性模量厚度 岩性 k g 寸 ) a 肝a g p am 砂质泥岩2 7 0 0 3 l 9 0 1 1 0 21 8 7 41 0 中砂岩 2 7 6 03 21 6 2 79 52 8 6 55 3 # 软煤l 蝴 3 02 5 2o 8 l1 6 5 细砂岩 2 7 3 03 l1 2 1 55 52 2 6 56 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 岩石名称柱状厚度m岩性描 述 细粒砂岩和泥岩互层 砂泥互屡56 2 87 8 泥岩内舍有化石，砂 岩含勰 56 2 8 7 8 3 愫层老璜为奉矿i i 中i p 岩夸水层，有时变煳砂 8 7 岩 砂骚艚 15 64深捉色，蚋自菹耱顶， 5 4有对变为泥嵌 o3 o5 混者翼包耆者船 0 4 燃黼 型 墓羼 黧 63 915 i o n l ，36 8 t o 1t 囊錾l 蚕 0 7 1o ，嵊甚老魔。宙混瞒 砂蠹器 0 9 毒嘲夹# 毫密 73 94 块状。下舔含砂髓， 中细砂辫 8 7甍鼢魔錾夸藩螺 5 7 l o2 泥者蒜包宙岩鹱 6 5 荻白、皴密、硅费肢结 细砂崭1 00 坚疆 圉3 - 13 # 煤层顶。廖4 缯层柱状图 f i g 3 - ts t r a t i n g r a p h l c0 0 1 u t b l lo f3 # 2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 2 五阳矿7 5 1 6 工作面外错式巷道围岩稳定性分析 l 、外错式巷道布置方案 五阳矿7 5 1 6 工作面下分层外错巷道布置方案为，在上分层回采工作基本 结束后，再在上分层区段煤柱下两侧同时掘进采准巷道，外错式布置方案如图 3 2 图3 - 2 五阳矿巷遣外错布置图 f i g 3 - 2a l t e r n a t ee x t e r i o re n t r yl a y o u ti nw u y a n gm i n e 2 巷道数值模拟 1 ) 建立模型 模拟计算中，模型长5 0 m ，根据图3 - 1 ，表3 - 1 ，输入各岩层参数，煤层上 部边界中间2 2 m 为煤柱，两条巷中间煤柱宽l o m 。模型见图3 3 。 2 ) 模型上部载荷计算 五阳煤矿3 # 煤层上覆岩层的自重原岩应力 式中： y 上覆岩层容重 p 一一上覆岩层平均密度 h _ 一一3 # 煤平均埋深 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 将参数代入式中，求得原岩自重应力为7 8 m p ” 3 ) 煤柱载荷计算 煤柱上的载荷是由煤柱上覆岩层重量及采空区悬露岩层转移到煤柱上的 部分重量引起的，一般只能进行一些较为实际的估算，其估算公式： 。；七! 足 ( b + l ) h - l 2 c t 9 6 4 y ( 3 - 2 ) b b 将参数代入公式，求得煤柱载荷为2 4 5m p 。 i 卜一一煤柱载荷系数，一般取1 3 b 一上分层留设的区段煤柱宽度 l _ 一一采空区宽度 h 一一3 # 煤平均埋深 6 采空区上覆岩层跨落角 y 一一上覆岩层平均容重，刚一 施加载荷时，在模拟的上部节点施加2 4 5 蛾载荷，在煤柱两侧采空区施 加低于原岩应力的载荷7 峨。见图3 - 4 。 4 ) 模拟计算 在载荷作用下，巷道周围位移分布见图3 咱，3 - 6 ，巷道周围应力分布见图 圈3 - 3 榭洳目 型图 f i g3 - 3m o d e io ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s j 1 i 、，l iii j ii 1 1 4 i囊蠹瓣 蛭g蕊； 湖瓣冀莩：嚣纂瓣豁懋i藏。纛羹l 舞囊 搿= l： ； 鎏 鐾i 戮黪 ：臻￥ i 霆# 妻湖鬟 j $ 舞：；i ；彗瓣鎏黪麓缝 瀚戮 | | | 窭| 嚣 羹 囊l l舔 舞磬 鞲麟辫黪豢黪戳麓鬻麓鬃藿 羹 羹 黼攀 蓊器器裁蒸| 鹱僦鍪攀 麓 璧添 纂簿糕蓬季 i i | 蒌羹 羹熏 甜j鞣g瓣鍪黪辫蠢 滚 萋| 要 赣燮 灌瓣 i | | l 囊麟鬻；麓羹 剿 蘩髓黪；翻燃粼g 瀚麟蘩鞋篓 黪灞黪融蠲鬻鬻 黧辫懑霪 垂藿蘸黼篓麓繁 i ： 盥 鬻g 鞲糍鬻 篷涮鬻鬻辚滢潮冀l 鞲 鍪黪冀l 黧l 蠢黼磊。：搿j黪鞲辩 l黼 隧 震 蓁 蒸 黎 瓣 瓣黼l 警 ；i l l l ；黼搿蕊 鬻 | l l 瓣搿 箍 l #，瓣瓣瓣| l l 蓍 i 蠢瓣c l 鞫鬟 髯l荤 菇j瓣i 瓣 l l ! j = l篓鬻戮搿；l 档秘 l 潍霪缀塑霪餐 溅 辫饕翼黼：群黼蒌戮撼纂i| 薹|：瓣蠹譬 骥毯鎏薹鬟鞭 蹶簿嚣翥豢麓篓嚣 ；瓣。囊；麟瓣露 # 弹蕊# 鞠# l 豢黼藩： 燃麓 鳓戳蕊隧鼗豢麟鬻 黪瓣鞋餮鏊糕瓣嚣熬鬻黼 图3 - 4 网格嘲分图 f i g 3 4m e s h i n go fc a l c u l a t i o ng r i d 2 6 图3 - 5 无支护巷道水平方向位移等直线图 f i g 3 - - 5h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o aw i t h o u t s u p f i g 3 - 6v e r t i c a ld is p l a c e m e n td i s t r i b u t i o nw i t h o u t s u p p o r t 查堕望兰查堂堡主婴茎生堂垡兰塞 图卜7 无支护巷道水平应力图 f i g - 3 - 7h o r i z o n t a ls t r e ssd i s t r i b u t i o nw i t h o u ts u p p o r t 图3 - 8 无支护巷道垂直应力图 f i g 3 - 8v e r t i c a ls t r e s sd is t r i b u t i o n 叭t h o u ts u p p o r t 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 - 9 无支护巷道剪应力图 f t g 3 - 9s h e a rs t r e s sd l s t r l b u t o uw i t h o u ts u g p o r t 5 ) 结果分析 从图3 - 5 ，3 - 6 分析可知，底板岩层的水平位移远小于垂直方向的位移。在 两条回采巷道中间的煤柱上垂直方向的位移曲线比较集中，同时在两条回采巷 道上方项板处巷道位移拙线也比较集中，说明巷道预板会出瑷较大的下沉量。 从图3 - 7 在巷道两帮大约1 5 r a 的范围内出现拉应力区，如图中g 应力线处， 这部分围岩容易破坏，发生劈帮现象。 从图3 喝可以看出，巷道顶扳表面大约1 0 i i l 处出现拉应力区，如图中i 应力线处，这个范围内的煤层在拉应力的作用下将出现离层现象。 从图3 呻可以看出，在巷道右上角约2 m 的范围内出现较大的拉应力，如图 中e 应力线处，说明在巷道顶板两个边角处2 m 的范围内易破坏垮落。 2 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 综合以上对五阳矿7 5 1 6 外错巷道围岩的稳定性分析可看出，在进行巷道支 护时，考虑利用锚杆的抗拉作用，将顶板不稳定岩层悬吊于深部稳定岩层中， 利用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，从而 提高顶板的抗弯刚度和强度。在对两帮支护时，考虑利用锚杆自身的抗剪作用， 来减小巷道两帮沿剪切滑移面上的剪应力，防止两帮煤体沿层理向巷道空间挤 出，产生松动、劈裂破坏。由于巷道两个项角处2 m 范围内出现较大的拉应力区， 所以考虑采用整体锚固结构的支护形式。 从图3 一l ，3 # 煤层项、底板岩层柱状图可知，7 5 1 6 工作面外错巷道两帮岩 性较顶、底板软弱，根据前面对锚固结构的分析，7 5 1 6 工作面外错巷道最终采 用框形整体锚固结构的支护形式，通过顶、底角锚杆倾斜布置，使顶、帮及底 板形成整体锚固结构，从而减小两帮位移，增强锚固体对深部岩体的约束作用。 3 2 顶板及两帮不同预紧力条件下数值模拟 3 2 1 模型的建立 锚杆预紧力确定原则为：锚固区范围内顶板不离层：岩层界面无拉应力。 因外错式巷道布置在上分层煤柱下，处于支承压力作用区，随着两侧回采状况 的不同，压力增高系数也不同。因此，在外错式巷道的支护过程中，锚杆必须 提供足够的锚固力，来抑制岩体的松动破坏，使围岩、支护体间形成良好的锚 固结构，以提高整个巷道的承载能力。 3 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 在模拟中，模型如图3 3 所示，通过前面对7 5 1 6 工作面外错巷道围岩稳定 性分析，顶板1 0 i i l 范围内出现拉应力区，根据3 # 煤层顶、底板岩层柱状图， 依据悬吊、锚固结构理论，模拟计算中，顶板锚仟选用长度为2 5 m 的锚杆，两 帮1 弧范围内出现拉应力区，为确保锚杆锚固到煤壁稳定区内，帮锚杆长度取 2 i i l ，框形整体锚固结构形式布置。根据巷道断面形状，顶锚杆间距0 8 ，帮锚 杆间距1 o i i i 。在模拟中，通过调整锚杆锚预紧力，使顶、底板、两帮形成最佳 整体锚固结构。模拟中，顶板锚杆预紧力取5 t ，帮锚杆预紧力分别取3 t 、4 t 、 5 t ，顼板锚杆预紧力取7 5 t ，帮锚杆预紧力分别取3 t 、4 t 、5 t ，顶板锚杆预紧 力取l o t ，帮锚杆预紧力分别取3 t 、4 t 、5 t ，直到出现锚固结构特征。巷道围岩 各应力分布特征部分模拟图见图3 一1 0 图3 2 7 ，巷道围岩各位移等值线分布特 征见图3 - 2 8 图3 - 3 3 。 3 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 - 10 顶锚杆预紧力5 吨帮锚杆预贤力3 吨时水平应力图 f i g 3 1 0h o r i z o n t a ls t r s s so fr o o fb o l t p r e p a rs t r e s sf o r5 ta n df l o o rb o l tf o r3 t 图3 - 1 1 项锚杆预紧力7 5 吨帮锚杆预紧力3 吨时水平应力图 f i g 3 - 1 1h o r i z o n t a ls t r s s so fr