（矿业工程专业论文）唐山矿t2092甲边眼锚杆支护技术研究.pdf

摘要 摘要 唐山矿业分公司不断推广锚杆支护技术，取得了显著的安全经济效益。推广范 围逐渐扩大，由岩巷推广到煤巷，由5 煤层推广到8 、9 煤层，由沿板煤巷推广到全 煤锚杆支护巷道。由于锚杆支护参数确定不合理，巷道施工后，顶板下沉快，巷道 两帮严重变形，变形量达到3 0 0 m m 8 0 0 m m ，锚杆出现拉断，从而达不到巷道使用 要求，威胁了安全。严重情况下出现冒顶事故，只能对其进行套修或采用加补拱 型的方法加固。本论文针对唐山矿区域面积大，多煤层多水平开采，地质构造复 杂，区域应力差异大的实际情况，通过工程类比和锚杆支护的理论分析、理论经验 公式的计算、计算机数值模拟分析手段，确定巷道锚杆支护基本参数，通过顶板离 层仪、巷道围岩表面位移观测收集现场数据，研究监测到的实际数据，评价锚杆支 护的基本参数，确定合理的锚杆支护参数；在高应力场区域内旖工锚杆支护巷道， 研究锚杆支护巷道围岩的受压扩容变形对锚秆工作状况的影响，预防围岩大变形情 况下锚杆内部破断造成巷道失稳；为了控制巷道两帮的移动变形，寻求解决提高帮 锚固强度的方法途径。通过对以上内容的研究，优化锚杆设计和施工。本论文取得 了以下研究成果： 1 唐山矿t 2 0 9 2 巷道锚网支护进行了理论分析、理论公式的验算和计算机数值 模拟分析，确定了锚杆支护巷道的基本参数； 2 通过对现场反馈的顶板离层仪、巷道围岩表面位移实测数据分析，评价了初 始设计； 3 通过采用帮钢带、帮锚索施工工艺，提高了巷道两帮的锚固效果，有效地控 制了巷道两帮的移动变形。 图1 6 表6 参4 8 关键词：锚杆支护；优化设计；优化工程 分类号：t d 7 5 2 ：4 4 0 3 0 2 0 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 et a n g s h a nm i n i n gi n d u s t r ys u b s i d i a r yc o m p a n yu n c e a s i n g l yc a r r i e do u tt h e b o l t i n gs u p p o r tt e c h n o l o g y , a n di th a so b t a i n e dt h er e m a r k a b l ee c o n o m i ce f f i c i e n c y t 1 l e a p p l i c a t i o no f t h et e c h n o l o g yh a sg r a d u a l l ye x p a n d e d ，p r o m o t i n gf r o mt h ec r a gl a n et ot h e c o a ll 锄e f r o m5c o a lb e d st o3 ，9c o a lb e d s 。f r o mt h eb o a r dc o a l j a n ct ot h ee n t i r ec o a l b o l t i n gs u p p o r t b e c a u s et h eb o l t i n gs u p p o r tp a r a m e t e rd e t e r m i n a t i o ni s u m e a s o n a b l e ， a f t e rt h et u n n e lc o n s t r u c t s ，r o o f - t o - f l o o rc o n v e r g e n c e i sq u i c k e r ，t h et u n n e lt w og r o u p so f s e r i o u sd i s t o r t i o n s 。t h e d i s t o r t i o nq u a n t i t ya c h i e y e d3 0 0 m m 一8 0 0 m mp h e n o m e n o n ，t h e a n c h o rr o d a p p e a r sp u l l s t h u sc o u l dn o ta c h i e v et h et u n n e lu s ec r o s ss e c t i o n r e q u e s t ，h a s t h r e a t e n e dt h et u m l e ls e c u r i t y ，i nt h es e r i o u ss i t u a t i o n ，a p p e a r sb r a v e st og oa g a i n s tt h e a c c i d e n t w eo n l y 咖c a r r yo nt h e w r a pt oi tt or e p a i ro rt ol l s ct om a k eu pt h ea r c h - t y p e t h e m e t h o dr e i n f o r c e m e n t p r e s e n tp a p e ri nv i e wo f t a n g s h a nc o a lr e g i o na r e ab i g ，m u l t i - e n a l b e d sm u l t i l e v e l sm i n i n g ，t h eg e o l o g i cs t r u c t u r ei sc o m p l e x ，r e g i o n s t r e s sd i f f e r e n c e b i ga c t i l a ls i t u a t i o n t h r o u g hp r o j e c ta n a l o g ya n dt h eb o l t i n gs u p p o r tt h e o r e t i c a l e n a l y s i s 。 t h et h e o r ye m p i r i c a lf o r m u l ac o m p u t a t i o n ，t h ec o m p u t e rd a t a v a l u es i m u l a t i o na n a l y s i s m e t h o d ，d e t e r m i n e dt h eb a s i ct u n n e lb o l t i n gs u p p o r tb a s i cp a r a m e t e r ，f o rs e e k st h e e c o n o m yr e a s o n a b l y ，t h e r e s e a r c hb o l t i n gs u p p o r tm o n i t o ra c t u a ld a t a ，t h ea p p r a i s a l r e v i s e s t h ei n i t i a ld a t u m , e n a b l ee a c hs u p p o r t i n gp a r a m e t e rt e n dt ot h ee c o n o m y t ob e r e a s o n a b l e ：c o n s t r u c t st h ea n c h o rl a n ei nt h eh i 【g hs t r e s sf i e l dr e g i o n ，s t u d i e s t h ea n c h o r c a b l et u n n e la d j a c e n tf o r m a t i o nt h eb e a f i n gt oe x p a n d a i i o w st or e s p o n d ，e n a b l et h ea n c h o r r o dt oh a v eag o o dw o r k i n g c o n d i t i o n ，g u a r a n t e e dt h et u n n e lt h es e c u r i t yi sr e l i a b l e ，a n d o b t a i m t h eb e s te c o n o m i ce f f e c t ：i no r d e rt oc o n t r o lt h eh l z r l e lt w og r o u p so fm i g r a t i o n s d i s t o r t i o n s ，s e e k st h es o l u t i o ne n h a n c c m e u tt oh e l pt h ea n c h o ri n t e n s i t y t h e m e t h o d w a y t h r o u g ht ot h ea b o v ec o n t e n tr e a r c h , t h eo p t i m i z e da n c h o rr o d e x e c u t i v e p r o j e c t , o b t a i n st h eb e s ts e c u r i t ye c o n o m i ce f f i c i e n c y t h e p r e s e n tp a p e rh a so b t a i n e d b e l o wt h er e s e a r c hr e s u l t s ： 1 t 2 0 9 2t u n n e la n c h o rc a b l es u p p o r th a sc a r r i e do nt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dt h e v a l u es i m n l a t i o na n a l y s i s ，h a sd e t e r m i n e dt h ea n c h o r c a b l et u n n e lb a s i cp a r a m e t e r ； 2 t h r o u g hr e t u r n st ot h e9 口o n et i c k l i n gt h er o o fa b s c i s s i o nl a y e rm e t e r 。t h et u n n e l a d j a c e n tf o r m a t i o nr e s t r a i n st h ed i s t o r t i o nm e a s u r e dd a t a aa l y s i s ，t h er e v i s i o nr e f e r e n c e d e s i g n ，g u a r a n t e e dt h et u n n e li s s t a b l e ： 3 h e l p st h es t e e lb e l t ，t h eg a n ga n c h o rc a b l ec o n s t r u c t i o nc r a f tu s e t h r o u g ht h eu s e ， p o w e r f u l l ye n h a n c e dt h et u n n e lt w og r o u p so fa n c h o r s e f f e c t s h a sc o n t r o l l e dt h et u n n e l t w og r o u p so f m i g r a t i o n s d i s t o r t i o n s f i g u r e1 6 ；t a b l e6 ：r e f e r e n c e4 8 k e y w o r d s ：s u p p o r t i n gb yb o l t i n g ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，o p t i m i z a t i o ne n g i n e e r i n g c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 7 5 2 ：4 4 0 3 0 2 0 i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：耋莲趁i e t 辫i ：立年朋蛳 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：捌导师签名胜吼立年竺月血 引 言 引言 开滦唐山矿业分公司是开滦集团公司所属的大型生产矿井之一。至今已有1 2 8 的历史素有“中国第一佳矿”之称，享有“中国近代工业摇篮”的盛誉唐山矿 业公司资源条件优越，煤炭储量丰富。井田面积3 7 2 8 k r n 2 ，现有矿井地质储量为 3 9 9 亿t ，可采储量为1 3 6 2 5 亿t ，年掘进巷道1 4 5 k m 。唐山矿业公司井田内共有8 个可采煤层，其中5 煤层、8 、9 煤层全井田范围可采，局部可采煤层有6 煤层、l l 煤层、1 2 一l 煤层、1 2 2 煤层及1 4 煤层。煤层项底板主要为泥岩和砂岩。开滦集 团公司委托唐山煤研院和辽宁工程科技大学等单位对开滦矿区主要矿井进行了应力 测试。测试结果认为：唐山矿业公司所在的华北地区地质构造复杂，构成该区域基 本构造骨架有三大构造体系：阴山纬向构造体系、祁吕贺兰山紫型东翼反射弧和由 北向东的新华夏构造体系。测试结果可知：水平应力与垂直应力的比值为1 6 ，与自 重应力水平分量的比值为6 1 3 。可见该区域内存在着较大的水平构造应力，处于构 造应力场的制约中。 近年来，唐山矿业分公司不断推行锚杆支护技术，由岩巷推广到煤巷，由5 煤 层推广到8 煤层9 煤层，由沿板煤巷推广到全煤锚杆支护，应用范围逐渐扩大，由 此也为唐山矿取得了巨大的经济效益，并形成了一套适合唐山矿地质特点的锚杆支 护技术，但唐山矿区域面积大，多煤层多水平开采，地质构造复杂，区域应力差异 大，通过研究锚杆支护监测实际数据，评价和修改初始数据，使各项支护参数更趋 于经济合理；高应力场区域内旌工锚巷，研究锚网巷道围岩的受压扩容反应，使锚 杆有一个好的工作状况，保证巷道的安全可靠，并取得最佳经济效果；寻求解决提 高帮锚固强度的方法途径通过对以上内容的研究，优化锚杆施工设计，取得最佳 安全经济效益 河北理工大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 国内锚杆支护技术应用现状 国内锚固技术是在1 9 5 6 年开始试用锚杆，特别是用于岩巷锚喷支护技术，但由 于技术条件等原因，该技术发展一直比较缓慢。据有关资料介绍，我国国有大中型 煤矿每年需掘进的巷道总长度高达5 0 0 0 k i n 以上，而据统计到1 9 9 5 年底，我国不受 回采影响的岩巷，其锚喷( 网) 支护比重达5 7 2 9 ，而在占每年掘进巷道总长度 8 0 的受采动影响的煤巷、半煤岩巷中，其锚杆支护率却很低，煤巷中锚杆支护率 目前不足1 9 ，依然在大量使用安装施工不方便、支护效果不理想且支护费用较高 的金属支架及其它支护形式，这不利于巷道维护状况和安全条件的改善，制约了矿 井安全高效生产的发展和工作面单产及效率的提高。近年随国外先进锚固技术与理 论的不断引入，我国锚固技术得到迅速发展。新结构。新材料、新方法不断涌现， 相应地提出了新的概念和新的理论l ”。 我国煤巷锚杆支护虽然在2 0 世纪5 0 年代就已起步，但由于各种因素的制约， 到8 0 年代中期煤巷锚杆支护率仍在3 - - - 4 徘徊。因此，原煤炭工业部将推广煤巷 锚杆支护作为巷道支护的改革列入重要的议事日程，并作为“八五”、“九五”的 科研攻关项目。从8 0 年代末起，我国煤巷锚杆支护在生产单位、科研院所、大专院 校和生产制造厂家的共同努力下，已取得突破性进展。以平顶山煤业集团为例，煤 巷锚杆支护率在8 0 年代末不足5 ，到“八五”计划末，煤巷锚杆支护率已发展到 4 0 0 , 4 以上。1 9 9 8 年煤巷锚杆支护率达到“，年支护巷道长度在1 0 0 k m 以上，在全 国处于先进水平。平项山六矿煤巷锚杆支护率达到9 4 以上，年支护巷道长度多年 在1 4 k m 左右，和发达国家的先进水平相当其它如大同、邢台、龙口、阳泉、西 山、潞安、乌达、大雁、扎资诺尔、铁法、徐州、枣庄、克州、来宾等矿务局( 公司) 的煤巷锚杆支护率都达到3 0 以上】。 1 2 国外锚杆支护技术应用现状 国外锚固技术首先是1 8 7 2 年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡， 其次1 9 1 2 年，艾尔弗雷布希( a l f r e db u s c h ) 在弗里登斯( f r i e d e n s ) 煤矿丌始使用 锚杆支护顶板。1 9 1 5 1 9 2 0 年美国金属矿也开始使用锚杆，并且广泛的使用和推 广。5 0 年代英、法、德、瑞典等也开始应用和研究锚杆支护。锚固技术至今已有一 2 1 文献综述 百多年的历史，锚固技术作为一种技术经济优越的技术手段目前不仅广泛应用于世 界主要产煤国家，而且也推广应用于冶金、水利水电、铁路公路、军工及建筑等工 程之中 上世纪4 0 年代初期，美国煤矿开始在煤巷中使用锚杆支护，是世界上最早使用 锚杆支护的国家，也是最先普及的国家。就目前，国外锚固技术以澳大利亚、美国 发展最为迅速，两国锚杆支护比重已接近1 0 0 ，其锚固技术水平居于世界前列。到 8 0 年代以后，一些曾以u 型钢或工字钢支架为煤巷主要支护形式的国家( 如英国、 法国、德国、前苏联、波兰、日本等) ，也大力发展并应用了锚固技术。例如英国 自1 9 8 7 年从澳引进锚固技术到1 9 9 4 年，其锚固比例从1 9 8 7 年的零上升到8 0 以 上，从而使英国成为继澳、美之后，锚固技术水平发展较快的又一国家；再如法国 亦达到5 0 以上；另外以u 型钢可缩性支架支护技术著称的德国，虽然其采深大， 矿压大，近年来也在积极探索锚固技术的可行性总的来说，井下巷道采用锚杆加 固技术已发展成为世界性趋势，并且可以带来巨大的技术经济效益。如英国，对采 用锚杆前后的1 0 年( 1 9 8 4 年一1 9 9 4 年) 对比，回采工作面平均单产从5 0 0 t d 上升到 4 5 0 0 t d ，巷道支护成本下降5 0 ，平均吨煤成本下降5 0 ，巷道掘进速度提高1 3 倍，从而扭转了煤矿生产经营的被动局面【m 1 3 1 。 1 3 煤巷锚杆支护技术的发展方向 1 3 1 理论研究发展方向 1 关于锚杆加固围岩的作用机理研究 美国因其巷道埋深较浅、岩层强度高且地应力比较低，因此倾向于悬吊理论和 组合梁( 加固岩梁) 理论，而英国，澳大利亚巷道以受水平应力影响为主，尤其是 澳大利亚相对英国其巷道围岩变形量及最大水平应力更剧烈，一般而言，英澳锚杆 支护的设计理论倾向于加固拱( 挤压支承拱) 理论。国内在对公认的锚杆加固围岩 的三大机理( 即悬吊理论，组合梁理论，挤压拱理论) 基础上，中国矿业大学提出 巷道锚固围岩强度强化理论，煤炭科学研究总院北京开采所对煤巷锚杆加固作用机 理的研究表明；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。 2 关于锚杆加固设计方法研究 美国目前有两种基本设计方法：一为经验法，即是建立在以往解决岩层控制的 3 河北理工大学硕士学位论文 经验基础上的设计方法。该方法并不是以工程和岩石力学理论为基础，而是建立在 过去积累的系统资料基础之上。二为理论法亦称客观法，即是建立在解决顶板支护 问题的顶板和岩石力学理论基础上的设计方法。该方法一般是通过公式或者估算确 定有关参数，有代表性的是兰和比肖夫r r u 准则和帕内克设计诺模图【l 9 j 。 澳、英两国在原采用理论法和经验性或试探法的基础上，认为锚杆加固设计必 须保证巷道始终处于可靠的状态，而可靠的设计方法必须以对开挖引起的岩层变 形、锚杆受力及加固效果的精确测量为基础。在此基础上认为应采用以下两种手段 相结合的设计方法：1 ) 进行巷道监测，确定围岩矿压显现及掘进和回采期间锚杆加 固的特性；2 ) 利用计算机模拟技术，模拟可能遇到的应力场范围内岩层矿压显现与 锚杼加固的特性，以及评价新选择的各种锚杆加固。 国内目前锚杆加固设计及参数选择方法基本上还停留在经验设计阶段和经验数 据的基础上，即工程类比法是主要的设计方法。有影响的主要有以下三种设计理 论，中国矿业大学董方庭教授等1 9 8 2 年提出了松动圈支护理论；东北大学王明恕教 授等提出了全长锚固中性点理论；她应力为基础的锚杆支护设计理论研究。 3 关于岩体锚固参数研究 岩体锚固参数一般包括锚固类型( 全锚或端锚) 、锚杆结构、材质选择及型 式、锚杆长度、锚杆直径、锚杆问排距、粘结剂类型及相关参数、托盘与螺母等 等。 目前就锚杆材质国外虽然普通锚杆( 永3 4 0 m p a ) 、高强度锚杆( 菇= 3 4 0 m p a 6 0 0 m p a ) 及超高强( 度) 锚杆( & 1 6 。达到了高强 锚杆的要求。在荆各庄、唐山、范各庄、钱家营等矿得到普遍采用和推广。 8 1 文献综述 4 锚固形式由端锚发展到全长锚固 高强度全长锚固比普通端锚，更有效地提高了锚杆支护系统的刚度，对巷道围 岩变形有更强的控制能力。从而限制项板离层，对巷道围岩破碎区、塑性区的发展 得到有效控制，巷道围岩的整体性和稳定性得到提高 5 应用w 钢带或钢筋梯子粱使单体锚杆变为组合锚杆。 w 钢带或钢筋梯子梁的应用，由单体锚杆变为组合锚杆系统，使裂隙发育的顶 板变形得到有效的控制。从而强化了围岩的强度，更有效地限制了顶板的离层，现 主要应用在、v 类顶板【m q 。 6 锚索技术的应用 锚索技术的应用是保证锚杆支护得以健康发展的关键过去过断层或破碎顶板 地段，认为锚杆支护没有把握，只有架设金属棚子，才安全可靠。但是由于采用锚 杆主动支护与架棚被动支护的组合支护形式后，往往是锚杆支护控制顶板失效后， 架棚才起承载作用，所以仍不能有效控制顶板。1 9 9 7 年荆各庄、钱家营，唐山、范 各庄四矿先后引进了锚索支护技术，成功地解决了近距煤层群开采、沿空送巷、集 中应力区、大跨度切眼亮面、交叉点、断层破碎带和受采动影响的巷退锚杆支护老 大难问题。 7 帮锚杆由过去的木、竹锚杆发展为金属锚杆 过去巷道两帮锚杆普遍采用木楔锚杆或水泥竹锚杆，其支护阻力只有 1 0 k n 2 0 k n 。由于巷道两帮锚杆支护阻力低，不但造成两帮变形量大，而且由于两 帮的较大下沉，引起底鼓和顶扳离层，难以保持巷道的稳定根据国内外的经验，t 。 “护顶先护帮”，1 9 9 7 年巷道两帮锚杆改为圆钢金属锚杆后，其支护阻力增加到 3 0 心i 巧0 k n ，较好地控制了巷道两帮变形问题。 8 改进了树脂药卷的生产技术 过去6 0 2 厂只生产玻璃管式一种规格的树脂药卷，满足不了半长锚固和全长锚 周的要求。1 9 9 7 年年初集团公司同6 0 2 厂起引进了煤科总院建井所树脂药包生产 技术，结合开滦现场实际情况，开发了快、中，慢三种速凝时间，3 3 0 m m 、5 0 0 r a m 两种长度的规格系列产品，同时解决了药卷渗漏、变硬等质量不稳定问题，保证了 现场的需要。 9 完善了锚杆监测技术 现场锚杆支护监测，是锚杆支护设计的延伸，只有通过实际监测结果的反馈， 才能评价支护参数是否合理，以便能及时修正设计或采取加强支护的措施。现各矿 9 河北理工大学硕士学位论文 都购置了监侧仪器，配备了专业监测人员，除峰持常规的定点定时测定围岩的收敛 值和锚杆拉拔检查外，各矿井还在锚杆支护巷道设置了顶板离层指示仪，做到定 点、定时测定锚杆锚固范围内及锚固范围外的顶板离层情况，及时评估锚杆支护效 果及采取对策，保证了安全生产 2 9 - 3 “。 1 5 主要研究内容 根据唐山矿煤层开采的围岩地质及力学条件，如何扩大锚杆支护的应用范围及 锚杆巷道的稳定，确保锚杆支护巷道安全可靠、经济施工，将该矿锚杆支护技术提 高到一个新水平是当前急待解决的关键问题。 1 提高锚杆支护系统的整体强度，确保锚杆支护的安全可靠 一是进一步提高锚杆的制造质量，把住锚杆加工各个环节的质量关，特别是锚 杆尾部热处理质量，使杆体、局部辊丝、托盘、螺母的强度均达到高强锚杆的技术 要求。 2 如何进一步完善和规范锚杆支护监测技术，准确及时的反馈现场实际监测数 据，评价和修改初始设计，使各项支护参数更趋于经济合理。 3 根据开滦矿业集团的煤巷锚杆支护发展方向和唐山矿需要解决的技术问题， 确立了本文的主要研究方向。 1 ) 研究现场锚秆支护系统是否合理，确保锚杆支护巷道安全可靠。 2 ) 研究描杆支护监测实际数据，评价和修改初始设计，使各项支护参数更趋于 合理。 3 ) 高应力场区域内施工锚巷，研究锚网巷道围岩的受压扩容反应，使锚杆有一 个好的工作状况，保证巷道的安全可靠。 4 ) 寻求解决提高帮锚固强度的方法途径。 一1 0 2 唐山矿地质概况 2 唐山矿地质概况 2 1 唐山矿业分公司简介 开滦唐山矿业分公司是开滦集团所属的大型专业化生产矿井之一，1 8 7 8 年建 矿，至今己有1 2 9 年历史。自1 9 9 4 年以来连续9 年被唐山市政府命名为市级“重合 同，守信用”企业，1 9 9 9 年荣获“河北省质量标准化管理集体三等奖”，还获得了 “质量标准化特级矿井”、省级“文明单位”称号。 唐山矿业分公司地处唐山市区，是全国唯一坐落在市区的国有大型煤炭企业。 该矿交通便利，是全国铁路密度较高地区之一，公司有运煤专线与京山铁路上的唐 山南站相连，运距仅为7 0 0 m 。自此向东经秦皇岛通往东北各省，向西到天津与京沪 线相连。公路有京沈，津唐、唐港等高速公路和数条国道及省级交通干线。出海通 道更为便捷。东到秦皇岛港铁路运距仅为1 3 8 k m ，南到京唐港运距仅为l1 9 k m 。 公司位于开平煤田西北翼之南端，井田面积为3 7 2 8 k m 2 ，含煤地层为石炭二迭 系。含煤地层总厚度5 0 8 m ，主要可采煤层为5 煤层、8 煤层、9 煤层和1 2 煤层，平 均厚度1 8 8 1 m 年产原煤量4 0 0 万t 左右。 矿井为立井、多水平、单翼、多煤层开采，采煤机械化和掘进机械化达1 0 0 ， 巷道锚杆支护率达4 7 以上地质预测预报采用了槽波、三维地震、坑透、瑞利波 探测等综合物探手段。 2 2 地质构造特征 唐山矿业公司位于开平煤田西北翼的西南端，地层走向为东北、西南。井田内 由北向南律列的f i ，f i i 、f i i i ，f i v 、f v 号等主要断层，其走向基本与地层走向平 行。另外东部发育的f i l l 号断层以南的主向、背斜外，西部还发育有岭子倾伏背斜 等一系列褶曲构造。f i 、f i i 两个断层附近的煤层已经回采完毕，因而f i 、f i i 两个断 层对目前唐山矿业公司生产区域没有直接影响。f i l l 主断层是唐山矿业公司井田范围 内规模最大的主断层，它走向长，分布面积广，将整个煤田拦腰切断，明显的把唐 山矿业公司井田分为上下两部分，它是一条逆断层，其落差达到3 7 0 m ，其东部浅， 倾角大，向西部倾角变缓，由逆断层逐渐演变成一条逆掩断层；f i v 断层为东正西 逆，垂直断距在1 5 0 m ，该断层进入岳胥区后便向浅部翘起；f v 断层位于唐山矿业 公司井田最南部从东到西贯穿全井田边界，该断层是一条垂直落差大于5 0 0 m 的逆 河北理工大学硕士学位论文 断层。f i i i 、f 1 v 、f v 这三个主要大断层又派生出许多中型断层，致使唐山矿业公司 地质情况非常复杂。存在许多的破碎带和应力集中区，对唐山矿业公司的安全生产 影响非常大。 根据唐山矿业公司自然构造形态，老生产区可划分为i i l 上区、i i i 下区。但是从 f i l l 号主断层的发展趋势看，该断层到西部岳胥区逐渐偏南，i i i 上区到此只形成一个 狭长的断裂带。m 下区受其影响发育形成大的褶曲。鉴于此特征，我们将岳胥区单 独看成一个新区比较合理。故此全矿又可划为三个大区( 即n i 上区、l l i 下区、岳胥 区) 九个构造块( 即i 断层北向斜构造块、i i i 断层问中向斜构造块、i i i 断 层间中背斜构造块、i i - i i 断层闯波状构造块、断层以下掩下向斜构造块、i l i 断 层以下掩下背斜构造块、m 断层南向背斜构造块、一v 断层问背斜构造块及岳胥 区系列褶曲构造块) 根据唐山矿业公司1 2 9 年的开采和勘探揭示出来的地层自上而下有：第四系、 二迭系、石炭系和奥陶系。井田内共有8 个可采煤层，其中5 煤层、8 、9 煤层全井 田范围可采，局部可采煤层有6 煤层、l l 煤层、1 2 一l 煤层、1 2 2 煤层及1 4 煤 层。煤层顶底板主要为泥岩和砂岩，其特性详细见表1 。 唐山矿业公司生产作业区域广，构造形式多，多煤层开采，因而瓦斯涌出量因 区域、构造部位及煤层的不同而有差异。各开采煤层的瓦斯涌出量分别为：5 煤层 3 0 2 m 3 t l o 7 5 m 3 t ；8 、9 煤层1 0 3m 3 t 4 2 5 4 m a t ；1 2 煤层o 5 7 8 m 3 ，t 5 2 2 m 3 t 。 根据有关规定唐山矿业公司确定为高瓦斯矿井 2 3 唐山矿业公司地应力情况简介 表2 唐山矿业公司地应力测试结果表 指标 数值( m p a ) 倾角( 。) 唐山矿业公司井下多处地应力显现较大。开滦集团公司委托唐山煤研所和辽宁 工程科技大学等单位对丌滦矿区主要矿井进行了应力测试。测试结果认为：唐山矿 业公司所在的华北地区地质构造复杂。构成该区域基本构造骨架有三大构造体系： 阴山纬向构造体系、祁吕贺兰山紫型东翼反射弧和由北向东的新华夏构造体系。 1 2 - 2 唐山矿地质概况 从原岩应力测试结果可知：水平应力与垂直应力的比值为1 6 ，与自重应力水平 分量的比值为6 1 3 。可见该区域内存在着较大的水平构造应力，处于构造应力场的 制约中。 2 4 煤层顶底板- 陛质 表i 煤层顶、底板岩性表 t a b l e lr o c kc 缸啦c 鳅o f r o o f a n dm o t h e r b o a r d 2 5 试验巷道条件 该论文所研究的巷道t 2 0 9 2 甲边眼布黄在风井工业广场保护煤柱内，南部为11 1 3 河北理工大学硕士学位论文 水平南翼运输大巷和回风大巷，东部与5 0 8 8 采空区相邻，西至1 2 水平四石门附 近，北部无采掘活动。 该工作面为复合结构煤层，中间为灰色细砂岩夹矸，厚度为0 3 m - - 一0 4 5 m 。夹矸 以上煤厚2 4 7 m ，夹矸以下煤厚| 6 6 m ，煤层硬度中等，以暗煤为主，为稳定煤层， 产状平稳。 老顶：灰褐色粉砂岩，厚度9 3 m ，硅质成分，含有泥质，断口平坦，水平层 理，裂隙面有方解石薄膜，单向抗压强度r c = 1 4 4 m p a 。 直接项：灰色砂质泥岩，厚度3 8 m ，泥质成份，含砂质，硅质胶结，断口锐 利，含植物叶化石，单向抗压强度r c = 1 2 7 m p a 。 伪顶：泥岩，厚度0 5 0 m ，泥质成份，含植物叶化石。 直接底：深灰色泥岩，厚度4 5 0 m ，泥质成份，泥质胶结，含植物根化石，单 向抗压强度r 。= 8 0 4 m p a 。 水文地质情况：该巷道位予风井工业广场保护煤柱内，南部为l1 水平南翼运输 大巷和回风大巷，东部与5 0 8 8 采空区相邻，西到1 2 水平四石门附近，北部及上部 无采掘活动，该范围煤层由东向西由8 , - , 9 合区向分区发展，赋存条件较好，结构较 简单，本区域地层产状较为平缓，变化不大，断层不发育，水文情况：位于煤系地 层5 - - 1 2 含水层之间，属弱含水层段，水文条件简单，预计最大涌水量0 2 0 m 3 m i n ， 正常涌水量0 2 0 m 3 m i n ，瓦斯涌出量1 3 6 6 m 3 m i n ，煤尘有爆炸性，煤炸指数 3 1 1 ，煤层发为期1 0 1 2 个月。 1 4 31 2 0 9 2 甲边眼锚秆支护基本参数的确定 3 t 2 0 9 2 甲边眼锚杆支护基本参数的确定 3 1 锚杆支护作用机理 从煤巷锚杆支护作用的机理来看，煤巷锚杆主要起悬吊作用、组合梁作用、挤 压加固作用、提高围岩强度作用 3 1 1 悬吊作用 在节理裂隙发育的巷道中，松脱岩块的冒落可能造成对生产的威胁。而且在软 弱岩层中开挖的巷道，围岩破碎带内不稳定岩块在自重作用下也可能发生冒落。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t 1 2 1 ，以避免较软弱 岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。 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 3 2 - 3 s 1 。 这种理论直观地解释了锚杆的悬吊机理，但没有考虑围岩的自承能力，而且将 被锚固体与原岩体分开，与实际情况有一定差距，计算数据存在误差。适用于锚杆 可以锚固到顶板坚硬稳定岩层的情况。( 图1 ) 图l 悬吊作用 f i g 1s u s p e n s i o nf u n c t i o n 1 5 一 河北理工大学硕士学位论文 3 1 2 组合梁作用 对于水平层状地层中巷道锚杆加固设计，如果顶板岩层有比较稳定的岩体支撑 点，应尽量发挥锚杆的悬吊作用。但是如果顶板在相当距离内不存在稳定岩层，悬 吊作用将仅处于次要地位，此时锚杆的加固可用组合梁理论分析。对于端锚锚杆， 其夹紧力将增大各岩层阃摩擦力，避免各岩层的离层现象，以及避免沿岩层面的滑 动与分离【4 】：同时锚杆体也增大了层面的抗剪滑动能力。对于全长锚固锚杆，由于 粘结剂或管壁摩擦力阻止了顶板岩石离层，而粘结剂与锚杆体也增大沿层间抗剪刚 度。阻止了岩层水平错动，从而防止了顶板岩层的离层和剪切滑动。因此，称之为 锚杆的摩擦作用。因此，可以将锚杆夹紧的各个岩层组合成为一个较厚的“组合梁” 来分析。 组合梁理论认为：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 定岩层时，锚杆的主要作用是将锚固范围内的岩层挤紧，增加各岩层问的摩擦力， 防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其自撑能力。另一方面，锚 杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层问的水平错动，从而将巷道顶板锚固范 围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层( 组合梁) 。在上覆岩层载荷的作用下， 这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小，而 且组合梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小1 3 研。 | | i 忍k 一层 图2 组合梁作用 f i g 2c o m b i n a t i o nb e a mf u n c t i o n 3 1 3 挤压加固作用 在块状围岩中，锚杆可将巷道周围的危石彼此挤紧。紧固作用主要决定于锚杆的 1 6 3t 2 0 9 2 甲边眼锚杆支护基本参数的确定 预拉应力。( 图3 ) 3 1 4 提高围岩强度作用 图3 挤压加固作用 f i g 3e x = n u s i o nr e i n f o r c e m e n tf u n c t i o n 、， j f t t ，、， 矿 围4 提高围岩强度作用 f i g 4e n h a n c e st h ea d j a c e n tf o r m a t i o ni n t e n s i t y 矗i 似= t l 在松软围岩中，点锚固锚杆的预拉应力可以形成从锚杆两端为顶点的算盘珠式 的压缩区如果把锚杆以适当的间距沿拱形巷道断面系统安装，就会在巷道周围形 成连续的均匀压缩带，即形成了承载的压缩拱。该拱的加固作用取决于锚杆的长度 与日j 距之比及锚杆的预拉应力。( 图4 ) 3 2 煤巷锚杆顶板支护参数设计 1 7 河北理工大学硕士学位论文 3 2 1 按单体长度锚杆长度悬吊作用计算锚杆的长度 式中： 净i l + l 寸1 3 图5 计算锚杆的长度 f i g 5 c o m p u t a t i o nl e n g t ho f b o l t i n g 三广外露长度( c m ) ，取决于锚杆类型与构造要求： ，i 一木托板厚+ 铁挚板厚+ 螺母厚+ ( 3 5 ) ，3 一伸入老顶长度，可按经验取l 空3 0 c m ，或按锚固粘结力( 刃r 。厶) 等于 杆体屈服( 软钢) 或拉断承载力( 三d 2 口，) 而得的公式估算： l ：堕( 1 ) 4 r o d 锚杆直径，锄 a r 杆体材料的设计抗拉强度，m p a 。软钢的设计抗拉强度见钢筋混 凝土结构设计规范t j l 0 - 7 4 表5 k 一锚杆与砂浆的粘结强度；圆钢t ：- - 2 5 m p a ，螺纹钢= 5 0 m p a ，所得 1 3 ，尚须对砂浆与孔壁岩石间粘结强度( 如下) 进行校核 ，2 的取法： 1 有界限分明易调查清楚的伪顶时，辁伪顶厚度，m 2 有范围易调查确定的易碎直接顶，2 三易碎直接顶厚度，m 3 1 2 取不同岩体的经验载荷高度 4 1 2 取普氏免压拱高( 6 或6 1 ) 1 8 3 t 2 0 9 2 甲边眼锚杆支护基本参数的确定 当，e 时，皆醅b m 当俾时， 2 - - = 昙+ h c t g ( 24 5 + 争】( 2 ) 1 三 式中： 廖一巷道掘进跨度，m 广一巷道项板的普氏岩石坚固性系数 抒一巷道掘进高度，m 一两帮岩层的似内摩擦角，( o ) 5 2 取为巷道顶板岩体破碎带高度： l f r p i h ，m 耻凡压；丢； 式中： 岛一圆形巷道( 或非圆形巷道的等放圆) 的掘进半径，m 卜岩体容重，多种岩层时取加权平均容重。i c , n m 3 压巷道中心距地表深度，m 矿岩体内摩擦角，( o ) c 蜡体粘结强度，k n m 2 k 圆巷齄，非圆巷_ i 产等效圆中心至顶板的距离，m 郫带体破碎带半径，m 由于这里仁1 2 7 m p a ，l o = 1 2 7 ，故启3 ，又b = 4 0 m 所以，列一酬劲踟8 m 按经验取2 - 5 0 c m ， ，i = 木托扳厚+ 铁垫扳厚+ 螺母厚h 3 5 ) = 0 5 m 故计算锚杆的长度f 一1 1 + 1 2 + 1 3 = 1 8 m 。最终决定锚杆长度选用2 2 m 。 3 2 2 按杆体承载力与锚固力等强度原则确定锚杆直径 各种类型锚杆的锚固力q ，锚杆杆体承载力p ： 河北理工大学硕士学位论文 p ：三d 2 仃( 4 ) 4 由卢q 得： 拈拍悟 q 的取定； 1 按现场锚固力拉拔试验数据的平均值 2 按经验数据 3 楔缝式锚杆锚固力可按下列经验公式计算： 产3 7 ，q = 1 8 ，= 一1 2 ，k n 产8 - 1 2 ，q = l s l o 一6 3 f , k n 户普氏岩石咯固性系数 由于这里顶板的f = 1 2 7 ，锚杆直径选择主要从如下二个方面考虑： 1 ) 技术合理性 单纯从维护围岩稳定性的角度上看，锚杆阻力越大越好，即杆体直径越大，越 能保持巷道的稳定性。但是，在钻孔直径一定的条件下，锚杆直径与钻孔直径得到 合理匹配后才能获得最大的锚固力。根据研究资料，使用带纵筋的建筑螺纹钢锚杆 时，锚杆直径与钻孔直径的最佳匹配是直径差7 m m 左右我国目前巷道顶板钻孔直 径为2 8 m m ，这样按“三径”合理匹配的要求应选择, 2 0 r a m 的锚杆。 2 ) 经济合理性 一般认为，锚杆直径越大，消耗的钢材也越多，成本也越大。但是这种观点在 全长锚固条件下需要转变。因为在钻孔直径一定时，全长锚固时锚杆直径增加，锚 固剂的用量却减少，总的成本并不一定增加很多，例如，使p f l , 2 0 m m 锚杆时，杆体 材料成本加上锚固剂成本比# l s m m 锚杆成本仅增加l 元左右。综合上述两个因素， 确定使用, 2 0 m m 的建筑螺纹钢锚杆。 3 2 3 按单体锚杆悬吊作用计算锚杆间距a 及排距b - 2 0 一 3t 2 0 9 2 甲边眼锚杆支护基本参数的确定 图6 计算锚杆间距 f i g 6c o m p u t a t i o ns p a c i n go f b o l t i n g 口= 焉或a = 2 8 d 厩 式中： 听杆体抗拉强度，m p a 产岩体容重，k n m 3 扣安全系数，一般取1 5 1 8 通常a = b 锚杆悬吊岩体重量：o - - a ：易， f hk ；= q 躺；三d 2 q ( 杆件承载力) 即得左等式 ， 巷道顶板岩体破碎带高度，m 出锚杆杆体直径，i n n l 口- 锚杆间距，1 1 1 n l 这罩锚杆直径d = 2 0 m m ，锚杆秆体选择2 0 s i m n 建筑螺蚊钢， 得a = 0 8 m m 。 一2 1