（矿业工程专业论文）锚网索支护技术在综放面煤层巷道中的应用研究.pdf

查! ! 垄兰三堡堡主芏堡垒查主! 墨 摘要 本文根据大屯姚桥煤矿综放面顺槽支护的工程实践，首先总结了综放面窄煤柱 护巷时锚网支护所存在的问题，论证了锚网索支护技术在综放面煤巷中应用的可行 性，分析了顶帮煤体变形失稳模式和锚杆支护机理。在充分论证的基础上，分别在 姚桥煤矿7 5 0 7 综放面和7 0 0 3 综放面的开切眼和上、下顺槽支护中应用了锚网索技 术；同时，进行了预应力钢丝绳锚秆支护实验研究。并取得了良好的技术经济效果， 为姚桥煤矿综放面煤巷支护找到了一种可行的方法。 姚桥煤矿7 5 0 7 综放面煤层巷道应用锚网索支护技术，支护效果显著。顶、帮煤 体的整体性和稳定性好，围岩变形小。开切眼顶板下沉量、两帮移近量、顶板离层 量均很小，有效保证了巷道使用断面。顶锚杆最大受力6 t ，帮锚杆最大受力2 t ， 锚索最大受力8 t ，说明顶、帮锚杆具有较高的强度储备系数锚网索支护与矿用工 字钢支护相比经济效益显著，每米可节约支护材料费1 3 0 1 8 0 元。 姚桥煤矿7 0 0 3 综放面溜子道锚网索支护实验观测表明：回采期间，两帮移近量 最大值为6 6 8 m m ，其中上、下帮移近量分别为3 2 5 m m 和3 4 3 m m ，分别占两帮相对 移近量的4 8 7 和5 1 3 。两帮最大移近速度为1 2 5 4 m m d 1 ；顶板最大下沉量为 1 6 2 m m ，最大位移速度为4 0 m m d 。巷道的底臌量较大，一般为6 0 0 m m 8 0 0 m m 。 围岩运动同样也可划分为三个阶段，即超前影响微弱期、超前影响加剧期和超前影 响峰值期，它与工作面的距离范围分别为1 0 0 m 5 0 m 、5 0 m 2 7 m 以及小于2 7 m 。 预应力钢丝绳锚杆实验成果表明：预应力钢丝绳锚杆，其杆体强度，孔底锚 杆头部锚圊粘结力、孔口锚杆尾部锚具夹片的夹持力等，都能达到锚杆支护的技术 要求，现场实验的实测证明，其初始锚固力可达4 t ，锚固力大于6 t ，破坏性拉拔 实验最大拉拔力为l i t 。用预应力钢丝绳锚杆替代螺纹钢锚杆，进行煤巷两帮支 护的现场实验观测表明：巷道顶底板最大移近量为1 8 4 r n m ，两帮最大收敛变形为 6 5 m m ，巷道稳定性良好。两种锚杆的支护效果基本相同。 预应力钢丝绳锚杆适用 于岩巷支护，也适用于实体煤中的煤巷两帮支护。其应用范围还有望迸步拓宽。 预应力钢丝绳锚杆使用废旧钢丝绳，材料成本低廉。有利于降低支护费用，提高矿 井经济效益。 关键词：锚网索支护综放面预应力钢丝绳锚杆煤巷两帮支护经济效益 查些垄兰三堡翌主芏垒堕查一垒曼坚垦垒兰! ：一 r e s e a r c ho f t e c h n o l o g i c a la p p l i c a t i o n o fc a b l ea n c h o rs u p p o r t i n c o a l r o a d a b s t r a c t t h i sp a p e rs t 蚰m n a f i z c st h ee x i s t i n gp r o b l e m so fc o m b i n e ds u p p o r tu s i n gs b o t c r e t e a n db o l t i n gw i r em e s hi nn a n o wp i l l a ra n dd e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t yo ft e c h n o l o g i c a l a p p l i c a t i o n o f c a b l e a n c h o rs u p p o r t i n c o a l r o a da n da n a l y s e s t h e d e s t a b i l i z i n g m o d e lo f t o p w a l la n db o l ts u p p o r t i n gm e c h a n i s m a c c o r d i n g t ot h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ei ny a o q i a oc o a l m i n e t h et e c h n o l o g yo fc a b l ea n c b o ri s a p p l i e di ns t a r t i n g c u ta n du pa n dd o w n c r o s s h e a d i n gi nw o r k i n gf a c e7 5 0 7a n d7 0 0 3o nt h eb a s eo ff u l l yd e m o n s t r a t i n g a tt h e s a n l et i m e ，t h ep r e t e n s i o nr o p eb o l ts u p p o r t i n gi s e x p e r i m e n t e d t h ea l lr i g h tt e c h n o e c o n o r l i ce f f e c ti sa c h i e v e d am e t h o di sf o u n do u ti nc o a lr o a ds u p p o r tf o ry a o q i a oc o a l m i n e c a b l ea n c h o r s u p p o r t i n gt e c h n o l o g ya p p l i e d i n w o r k i n g f a c e7 5 0 7h a s g a i n e d m a i k a b l ee f f e c t t o pc o a ti n t e g r i t ya n d s t a b i l i t yi sg o o da n ds u r r o u n d i n g r o c kd e f o r m a t i o n i ss l i g h t r o o fs u b s i d e n c et w ow a l l sm o v ei no i lq u a n t i t ya n dr o o fa b s c i s sl a y e rt h i c k n e s s a r es m a l l s ot h i st e c h n o l o g yc a r lp r o t e c tt h er o a ds e c t i o n a 1 r a s so f r o o f b o l ti s6t o n s ，t h e w a l lb o l t2t o n sa n dc a b l ea n c h o r8t o n s i ts h o w st h a tr o o fa n dw a l lb o l th o l db i g g e r s t r e n g t hr e s e r v a t i o nc o e f f i c i e n t c a b l ea n c h o rs u p p o r t i n gi sm o r ee c o n o m i ca n ds a v es o m e 1 5 0 y u a n a m e t e r l e a d i n gp a s sc a b l ea n c h o rs u p p o r t i n gt e s ti nw o r k i n gf a c e7 0 0 3s h o w s t h a tt w ow a l l s m o v ei no n q u a n t i t yi s6 6 8m m ，t h ev e l o c i t yi s1 2 5 4n u n d 一r o o f s u b s i d e n c ei s1 6 2m m ， t h ev e l o c i t yi s4 0m m d p r e t e n s i o ns t e e l w i r eb o l tt e s ts h o w st h a tt h eb o l ts t r e n g t h , a n c h o r - b o l do fb o l t - h e a d a n d n i ps t r a i no f b i n d e ri nb o l t - b o t t o ma l lr e a c ht h e r e q u e s to f b o l ts u p p o r t i n g t e c h n o l o g y , t h a tp r e t e n s i o ns t e e l w i r eb o l ta n dw h o r ls t e e lb o l th a v et h es a r n e s u p p o r t i n g e f f e c tb a s i c a l l y a n dt h es t a b i l i t yo fr o a di s g o o d ，t h a tp r e t e n s i o ns t e e l w i r eb o l ti sa p p l i c a b l er o c k - r o a d s u p p o r t i n ga sw e l l a st w ow a l l ss u p p o r t i n gi ns e a n - r o a da n d i t sa p p l i c a b i l i t yi sp o t e n t i a la n d t h ec o s ti sl o w t h i sj s p r o p i t i o u st or a i s et h ee c o n o m i cb e n e f i to f m i n e k e yw o r d s ：c a b l ea n c h o rs u p p o n i n gm e c h a n i c w o r k i n gf a c e p r e t e n s i o ns t e e l - w i r eb o l t t w ow a l l ss u p p o r t i n gi ns e a m - r o a d e c o n o m i cb e n e f i t i i i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均以在论文中作了明确地说明并表示谢意。 辄辛妙浒 日期；m 弓7 ，乡 查! ! 查芏三堡堡主堂垒笙查堑二主! 生笙 第一章绪论 1 1 课题的提出 姚桥煤矿综采放顶煤回采工艺获得成功后，亟待解决的技术问题是与综放面配 套的沿底掘进巷道合理支护技术。以往姚桥煤矿采用工字钢梯形棚支护，虽然支护 强度在点柱补强条件下基本能够满足支护要求，但存在支护成本高、材料运输量大、 工人劳动强度高、工作面上下端头维护工序复杂等缺点，制约着综放面生产潜力的 充分发挥及工效的进一步提高。更为严重的是，金属棚予属于被动支护，顶煤易发 生松动且不易察觉，自然发火的隐患给安全生产带来了很大的威胁。由于姚桥煤矿 适合采用综采放顶煤回采工艺的厚煤层储量约8 0 0 0 万吨，综放开采已成为居主导地 位的回采工艺，综放面沿底掘进的煤顶巷道的支护技术也就成为一个普遍性的问题。 因此，研究综放面煤顶巷道锚杆、锚索支护技术己势在必行。 1 2 综放面煤巷支护的现状 现在综放工作面煤巷支护采用工字钢梯形支架支护，这种支架具有结构简单、 安装拆卸方便等优点。但这种支架的缺陷是： ( 1 ) 支护阻力较低。井下的实测结果表明，整架支架的承载能力平均小于1 3 吨，平均支护强度小于o 0 2 m p a 。经过计算，当长度为3 6 m 时，顶梁的承载能力仅 为8 吨左右，支架顶梁往往在自重的作用下就会发生弯曲。 ( 2 ) 矿用工字钢梯形支架为被动承载支架，不利于巷道的及时支护。实测结果 表明：巷道支架载荷增加缓慢，第七天顶梁承受载荷仅为2 0 5 6 吨；第十二天的载 荷仅为7 2 吨：第四十九天的载荷为7 0 7 吨。支架载荷不均匀，支架顶梁中部承受 载荷最大，两边小，降低了支架的承载能力，支架出现了明显的弯曲变形。 ( 3 ) i 字钢支架为刚性支架，不能适应巷道围岩大变形的要求，过早地导致支 架的破坏。 ( 4 ) 支架抗侧帮变形能力较弱，在侧压作用下，支架柱腿很容易弯曲。国外的 研究也表明，如果把锚杆支护巷道的变形比作l ，金属支架支护巷道的变形则为1 5 2 a 特别是在回采工作面超前替棚后，支架柱腿变弯回收，对巷道侧帮失去了支护能 力，更造成了巷道侧帮的剧烈变形，甚至导致片帮。 ( 5 ) 利用支架支护，普遍存在接顶不实，从而导致顶煤松动而自燃。姚桥矿7 5 0 9 首采综放面巷道、7 5 0 7 和7 0 0 3 材料道掘进时均出现了煤层自燃发火，且7 5 0 9 材料 查! ! 查芏三堡堡主堂堡垒圭 墨二主! ! 鱼 道着火密闭达5 个月之久。仅7 0 0 3 材料道一条巷道就出现6 处c o 升高，且有一处 因采取措施不及时而出现明火。 1 3 综放面窄煤柱护巷锚网支护存在的困难 现场实践证明，综采放顶煤工作面沿空侧煤巷支护比分层开采存在更大的困难， 具体表现在： ( 1 ) 综放工作面沿空侧巷道受工作面超前动压影响距离大，矿压显现更加剧烈。 在工作面附近，巷道断面收缩率达到5 0 6 0 。如表1 为兖州矿区厚煤层综放开 采与分层开采时沿空掘巷的矿压显现情况。 表1厚煤层综放开采与分层开采时沿空掘巷的矿压显现情况 动压影响范围，m 沿空掘巷两帮位移m m顶底板移近量m m 明显区高峰区 综放开采 1 2 0 1 6 05 0 6 0 8 6 0 - 1 6 0 05 0 0 1 0 0 0 鲍店煤矿 分层开采 6 0 8 53 0 - 4 04 3 0 5 0 02 5 0 - 2 8 0 兴隆庄 综放开采 8 0 9 04 0 - 6 0 煤矿 分层开采6 0 - 9 0 3 0 - 4 0 综放开采 1 2 0 - 1 5 04 0 5 05 0 0 9 0 0 南屯煤矿 分层开采 5 5 7 51 5 - 3 22 3 9 - 4 9 53 9 7 - 5 6 7 东滩煤矿综放开采 1 2 0 1 6 06 0 8 01 2 0 0 - 1 7 5 01 0 0 0 1 2 0 0 ( 2 ) 综放工作面开采强度大，所需风量大；工作面运输机、端头转载机及皮带 运输机功率大，空间体积大，不可避免地增大了综放工作面回采巷道断面，对断面 的形状及系统可靠性提出了更高的要求，这给巷道的维护带来了更大的困难。 ( 3 ) 姚桥矿煤层具有自燃发火倾向，发火期短。相邻工作面采用窄煤柱护巷， 巷道采空侧的漏风将为采空区遗煤的自燃提供连续供氧的条件。如何解决综放面沿 空巷道的防火问题更是综放开采的难题之一。 1 4 综放面煤巷支护研究思路 综放工作面沿空巷道煤帮不仅在承受巨大的工作面超前支承压力的影响，而且 由于相邻工作面及本工作面一次采出的煤层厚度成倍增加，工作面端头煤壁侧及采 空区侧的落差加大，上覆岩层的稳定性很差。在采动影响时，采空区悬露顶板向巷 道实体煤侧巷帮转动，导致沿空巷道的两帮严重破裂，位移量巨大，同时，悬壁梁 的急剧回转会引起巷道的顶板的下沉破坏，巷道顶底板位移量同时加大。所以，控 2 东北大学工程硕士学位论文 第一章绪论 制两帮位移是保证巷道稳定性的关键。 支护与围岩相互作用的理论研究成果证明，支护强度是控制巷道围岩剧烈变形 的关键因素，只有在支护强度o 3 m p a 时，才能有效控制巷道的剧烈变形，而这是 现有的单一支护形式所不能达到的。即使是u 型钢支架，在支架受力不均匀的情况 下，支架支护强度也只能达到o 0 5 o 1 m p a ，不仅难以控制巷道的剧烈变形，而且 在掘进期间会影响巷道的掘进速度，在采动影响期间，会造成支架的大量损坏，给 支架回收工作带来困难。 由此可见，仅仅依赖巷道支架本身的支护能力，很难控制巷道的剧烈变形，必 须充分发挥巷道围岩自身的承载能力。 实践证明，锚杆支护作为一种主动支护形式，对于改善巷道围岩结构特性，提高 围岩自承能力方面具有独特的优势，并且成本低，在世界主要产煤国家中得到了广 泛的应用。但其作用条件一般为围岩稳定、煤柱较大的煤巷。姚桥矿综放工作面煤 层顶板伪顶、直接顶均较厚，潜在冒落重量较大，且围岩不太稳定。因而支护锚网 时仅靠单纯锚杆支护是无法满足支护要求的。 由于锚杆支护具有使用方便、节省钢材、价格便宜，易于实现机械化操作等诸 多优点，特别是随着我国计划经济逐步向市场经济转轨，支护成本的高低往往成为 支护形式取舍的主导因素，在煤层巷道中推广锚杆支护已取得了巨大的经济效益与 社会效益。如果能在综放面沿空侧巷道中采用锚杆支护，将会带来更大经济效益。 在综采放顶煤工作面沿空侧巷道中采用锚杆支护，与在实体煤巷道中应用相比存在 如下困难： 第一，由于沿空侧煤体在矿山压力作用下变得更加破碎，给巷道的掘进与支护 带来了更大困难，采用锚轩支护首先应保证巷道在掘进期间的稳定。 第二，由于综放面沿空的矿压显现更加剧烈，必须控制巷道在工作面采动压影 响期间的剧烈变形，保证工作面的正常推进。 目前所采用的巷道支护形式分为二个层次。第一个层次为各种金属支架等被动 支护形式：第二层次为以锚杆支护为主的改善巷道岩体力学性能的支护形式，在锚 梁网支护结构的基础上再辅以有效补强措旖，即利用锚索进行补强。 第一步，合理选择巷道位置，留设窄煤柱，在满足锚杆支护的前提下，使巷道 尽量布置在应力降低区内。 第二步，采用全长或加长树脂锚固锚杆，最大限度地提高锚杆的锚固力，实现 沿空侧巷道在掘进期间的全锚支护。再辅以锚索进行补强。 东北大学工程硕士学位论文第二章煤层巷道变形失稳横叁鱼堕堑皇芏垫! ! ! 堕 第二章煤层巷道变形失稳模式与锚杆支护机理分析 2 17 5 0 7 综放面的地质开采条件 7 5 0 7 综放工作面位于姚桥矿新东四采区，北部为东六采区，南部为新东四上山， 东部为7 5 0 5 工作面( 未开采) ，西面是7 5 0 9 工作面。工作面对应地面标高+ 3 2 6 6 m ， 工作面标高3 5 0 一一3 2 3 m ；走向长1 3 0 0 m ，倾斜长1 5 7 m 。地表为山东省微山县的 昭阳湖区，湖区常年积水。 一、地质构造 工作面地质构造比较简单，面内有正断层七条，特征如下： f 1z 6 0 。h - - 1 5 m 正断层，对掘进有一定影响； f 18 0 z 7 5 。h - - - 3 5 m 正断层。对掘进有较大影响； f 6 z 8 5 。h = l 5 m 正断层，对掘进有一定影响； 其它四条断层也为正断层，落差均小于o 6 m ，对掘进影响不大。 二、岩层 煤层：7 拌煤，倾角4 1 0 。，平均6 度，平均厚度4 9 m ，赋存稳定，煤体普氏系 数f 1 8 - f 3 1 ，平均f 2 2 ；据井下实地观察，煤层节理裂隙( 特别是垂直方向上) 发 育： 伪顶：泥岩，厚1 0 m ，灰黑色块状，断口平坦，见微波层理，层面可见植物化 石，有黄铁砂薄膜； 直接顶：泥岩，灰黑色，厚约1 0 m ，块状，致密，断口平坦，有植物化石，往 上含砂量增高； 老顶：细砂岩，厚约1 3 m ，灰浅灰色，钙质胶结，以石英、长石为主，层 面含碳质，近水平层理，高角度裂隙，内充填钙质薄膜； 底板：厚度0 1 6 9 m ，从上到下依次为泥岩、细砂岩和泥岩。岩层底下为8 # 底 煤，煤厚2 2 4 4 m ，平均厚度3 6 m 。 三、巷道 为满足回采时的需要，巷道采用矩形断层，巷宽4 2 m ，巷高2 8 m ，s = 1 1 8 m 2 ，为 避免肩角处出现应力集中，要求以半径r - - - 4 0 0 m m 过渡；( 与a m - 5 0 综掘机滚筒弧吻合) 四、瓦斯地质 7 5 0 7 综放工作面为低瓦斯工作面，瓦斯涌出量很小。但煤层自燃发火期短，正 常煤层3 个月左右，断层带及破碎带1 0 3 0 天。9 7 年1 2 月1 2 日材料道迎头距切 4 圭! ! 查芏三堡堡主兰堡垒查 苎三主鉴墨查兰奎兰叁整茎查鱼笪堑苎芏垫墨! ! ! l 眼1 4 0 m 处过断层时发生高冒后的第5 天c o 出现并逐渐升高。煤尘爆炸指数为3 8 ， 有强大爆炸危险； 2 2 锚网索支护技术在7 5 0 7 综放面煤层巷道应用可行性分析 7 5 0 7 综放面煤体普氏系数f 1 8 f 3 1 ，平均也2 ，由此推断，顶煤具有可锚性和 对实施锚杆支护作业时所必需的自稳期，从而具备了采用锚杆支护的最基本条件。 从开采深度来看，垂直应力仅属中等水平，井下巷道中也没有明显的水平应力显现， 地应力环境较为有利。从顶板岩性分析，老顶岩梁的载荷传递能力较低，意味着回 采动压对上下两巷影响的剧烈程度较低，这一点从7 5 0 9 工作面的实际情况可以看出 来；该煤层以前曾在沿顶巷道中成功地进行过锚杆支护，已积累了丰富的实践经验。 同时还说明，锚杆支护是适合本矿区的地压环境和岩层条件的。煤层赋存稳定且地 质构造比较简单，这意味着不可预见的不利因素相对较少。 尽管在技术上是可行的，但也有一定难度。首先，顶煤“立茬”( 指垂直方面的 裂隙) 比较发育，根据以往的经验，这种顶煤一方面很容易松动，表现为巷道掘出 后，即使已过了掘进影响阶段，变形仍会继续发展，而不是象其它巷道那样进入一 个相对稳定期；另一方面，锚杆作用角较小，锚固力无法象在其它煤岩层中那样有 效地传递和扩展。 煤层上方有一层厚度为l m 的泥岩伪顶，这层伪顶不仅不能提供可靠的锚固， 而且经过一段时间的变形以后还会交成载荷作用于顶煤之上。直接顶为泥岩，岩性 较差，厚度仅l m ，为块状结构且裂隙发育，因而其稳定性的期望值不会太高，在巷 道跨度较大的情况下，能否完全自稳尚有疑问，也就是说，在一定程度上仍需作为 支护的对象看待。 为了确定本次试验方案，首先需要根据对国内煤顶巷道锚杆支护应用情况的调 研，并借鉴国外的研究成果对煤顶巷道变形失稳模型及锚杆支护机理进行综合分析。 2 3 巷道顶帮煤体失稳模式 巷道顶煤变形失稳过程可分三个阶段。在前期阶段中，顶煤主要受水平载荷作 用，水平载荷由两部分构成：一是原始应力场中水平应力因巷道开挖而重新分布后， 对顶煤形成的载荷；另一部分垂直应力重新分布后形成两侧应力集中区，由于煤体 泊松比明显大于岩石而发生侧向变形，形成附加水平载荷作用在顶煤上。第一阶段： 顶煤在水平载荷作用下发生剪切扩容，从而出现松动，图2 1 ( a ) 。第二阶段：松动后 的顶煤传递水平载荷的能力迅速降低，水平载荷向上转移形成新的剪切破坏区，图 东北大学工程硕士学位论文第二章煤层巷道变形失稳模式与锚杆支护机理分析 2 ，l ( b ) 。第三阶段：由于煤的强度低，顶煤出现松动后，各块体间很难象岩层那样形成 稳定的嵌合关系来维护自稳，于是便进入了变形失稳阶段，受侧向夹持作用很小而又 无法形成自稳结构的顶煤块体松动进一步加剧，最终在自重和上部煤体剪切扩容产生 的膨胀压力作用下发生解体性冒落，图2 1 ( c ) 。需要指出的是，水平载荷对项煤的剪切 破坏作用只在整体性较好的煤层中才比较明显，对于整体性很差的煤层，顶煤在受水 平载荷作用之前就已经发生松动，此时，便不经前期阶段而自重直接导致冒落。 一 皿m 一 田羹直应力黼 i 挤压妊琦置 疗厦| c 平盘扫蜘i 制咱嚏盥融 斗慧童胁一t 雌动巨 m 舞动置冉在盼d i l t g l 矗曲暮量 i ，l ? 献一 相! 髓 耋蓁 髟f 胃 一纠蛆鲥 馘d u r s a - 1 量舞的捂砖区箍 v 一量冀曲并燕誓医矗 图2 1 煤顶巷道顶帮变形破坏特征分析 f i g 2 - 1a n a l y s i so f d e f o r m a t i o nf a i l u r eo f t o pw a l li nr o o f r o a d 6 东北大学工程硕士学位论文第二章煤层巷道变形失稳模式与锚杆支护机理分析 两帮煤体变形失稳主要受垂直载荷影响。开挖巷道后，两帮煤体中将分为塑性 区、弹性区和原岩应力区，在塑性区外侧还会出现松动区。帮锚杆支护的主要对象 是塑性区特别是其中的松动区煤体。因此，研究帮锚杆问题必须首先分析这部分煤 体的变形破坏规律。 研究表明，两帮煤体的塑性变形与破坏是两种类型的剪切滑移面形成与发展的 结果。第一种是在煤体内部出现的斜向滑移面( 两组共轭剪切滑移面) ，其分布形态 如图2 2 所示。这种剪切滑移面的成果是顶板载荷对煤体的压剪作用。这种滑移面 形成之后，随着沿滑移面剪切错切 增大，煤体对项板或顶煤的支撑作 用逐渐降低，导致顶板或顶煤实际 跨度增大从而加剧其变形失稳：同 时，由于剪切扩容效应，两帮煤体 会发生侧向膨胀而出现松动，当松 动发展到一定程度时，由滑移面与 煤壁i 临空面所分割出的煤体便会发 生松塌，形成片帮。 第二种剪切滑移面出现在煤层 与顶底板之间的层面上，是层向滑 o oi ， ， r 。一? 热，一 一一i 煤体 j 、j 、 巷道 、_ 、- 层向涝移面叠向灌咎面 图2 2 煤帮剪切滑移分布形态 f i g 。2 。2d i s t r i b u t i o nf o r mo f s h e a r s l u m p o f w a l l 移面。这类滑移面的成因是：塑性区煤体处于极限平稳状态，由于煤体的泊松比大 于顶底板岩石，因而具有从顶底板之间向巷道中挤出的趋势，这种趋势使煤体内以 及煤层与顶板之间的层面上产生剪应力r ，但由于层面的c 。、中。值通常比煤体本身 的c 、中值低，所以煤层上、下层面处总是先于煤体本身达到临界滑移状态，这是 第二种滑移面形成的内因：当煤体因第一种滑移面的形成而出现松动后，对顶板的 支承作用下降，这意味着层面上的正应力仃。减小。同时，松动后煤体侧向变形的增 大又使层面上的剪应力f 随之增大，并最终满足滑移条件，这是第二类滑移面形成 的外因。这类滑移面形成与发展的结果是造成煤体从顶底板之间向外挤出，并且主 要发生在采动阶段，它是采准巷道围岩层状特性与回采动压影响的综合表现。对煤 顶巷道来说，这二种滑移面的影响主要集中在煤层与底板之间的层面上，两帮煤体 与顶部煤体由于二者泊松比相同，一般不会出现这种滑移面而表现为同步变形。 查些垄兰三堡堑主兰堡垒圭 墨三主壁墨查鎏壅兰叁整堡叁量笪堑查望垫墨! 登l 2 4 锚杆支护机理分析 一、锚杆支护的一般机理 1 组合拱理论 物理模拟与光弹性试验表明，既使在碎石中安装预应力锚杆，也可以形成一个 承载结构。只要锚杆间距足够小，就能在岩体中产生一个均匀压缩带，它们承受破 裂区上部破碎岩石的径向荷载( 图2 3 ) ，称之为锚杆组合拱原理。 在新奥法中，也提出了按组合拱原理进行锚喷加固设计。 图2 3 锚秆支护组合拱原理图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a m o f c o m b i n e da r c hi nb o l ts u p p o r t i n g 2 组合梁理论 对于水平层状地层中的地下工程锚杆加固设计，如果顶板岩层中有比较稳固的 岩体可供作为支撑点，应尽量发挥锚杼的悬吊作用。如果在顶板相当距离内不存在 稳定岩层，悬吊作用将仅处于次要地位，锚杆的加固作用可以根据组合梁理论进行 分析。此时，端部锚固式锚杆的夹紧力将增大各岩层间磨擦力，并避免各岩层间的 离层现象，从而避免沿岩层面的滑动与分离。当然，锚杆杆体对于增大层面抗剪滑 动能力也起到有利作用。对于全长锚固式锚杆，由于粘结剂或管壁摩擦力阻止了顶 板岩层离层，而粘结剂与锚杆杆体增大了沿层间抗剪剐度，阻止了岩层水平错动， 3 东北大学工程硕士学位论文第二章煤层巷道变形失毽堡查鱼笪堑查翌垫墨坌堑 从而，防止了顶板岩层的离层和剪切滑动( 图2 4 ) 。因此，也称之为锚杆的磨擦作用。 。 卜i | | 。 o | 二二二二二j 二j 二一一二z 二z 二二二二二。 _ 图2 4 锚杆支护组合粱原理图 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a m o f c o m b i n e dg i r d e ri nb o l ts u p p o r t i n g 另一方面，如果考虑锚杆将各个岩层夹紧组合起来成为一个较厚的“组合梁”， 则该梁的最大弯曲应变可表示为： g 一：堕 ( 2 1 ) g m “。2 e t t 2 ) 式中肜一组合梁自重； 三组合梁跨度； 卜一组合梁高度； e _ 一岩石弹性模量。 上式表明，梁的厚度越大，固端梁的最大应变值越小。 3 锚杆悬吊作用 在层状岩体中开挖的巷道，顶板岩层的滑移和分离可能导致顶板的破碎直至冒 落。在节理裂隙发育的岩体中开挖巷道，松脱岩块的冒落可能造成对生产的主要威 胁。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。如果锚杆加固系统能够提供足够支护力将松脱顶板或危岩悬吊在稳定岩层中， 就能减小和限制地下工程顶板的下沉和离层，或防止不稳定危岩的冒落，这就是锚 杆的悬吊作用，如图2 5 。 4 锚杆加固单元体作用 根据对预应力锚杆的研究结果，有人提出了岩石加固单元体概念，每个单元体 由一根锚杆及它所加固的岩石组成( 图2 6 ) 。根据这个概念得到了岩石锚杆对围岩 加固作用的定量结果。 9 东北大学工程硕士学住论文第二章煤层巷道变形失稳模式与锚杆支护机理分析 二、综放面顺槽锚网索支护机理分析 根据对煤顶巷道变形失稳模式的分析，要控制顶煤的松动首先要控制两帮煤体 的松动即所为“要控顶先护帮”。 o - ：，0 、。? j | 一。0 i 2 _ ij 。1 j 1 0 1 。0 。 一_ j _ _ _。 i i ： ：_ 、 黪 、t 孓j ： _ _ j _ 图2 5 锚杆支护悬吊作用原理图 f i g - 2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f h a n g i n ga c t i o ni nb o l ts u p p o r t i n g l l f f i i i t 。 l lil i1。i j ji ljl ij ij il1 i i ii j i l ii 1i i i1 i l i ii il l i j l f l r tt l 一 e 【- - - - - - 一 图2 6 锚杆支护加固单元体作用原理图 f i g 2 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f r e i n f o r c e du n i ta c t i o ni nb o l t s u p p o r t i n g 1 邦锚杆支护机理 煤巷两帮变形控制的关键在于控制两种类型的剪切滑移面。根据其滑移条件 查! ! 垄兰兰堡堡主兰堡垒查苎三主鉴墨查蓬奎型鳖! 茎叁量壁堑查芏塑坌堑 要控制巷帮煤体两种滑移面的形成与发展，只有减小滑移上的剪应力r 而增大正应 力盯。从这一点入手，可对帮锚杆支护机理做如下分析： 锚杆通过托板对煤体施加的约束作用力p 在第一种滑移面上的任一点均可分解 成切向p l 的和法向分力p 2 ，如图2 7 。p l 减小了滑移面上的剪应力f ，p 2 则增大 了滑移面上的正应力盯。；另一方面，由于锚杆穿过这种滑移面，因而杆体本身的强 度还直接提供抗剪阻力，同样有助于减小滑移面上的剪应力f ，这种作用也是不可 忽视的，以全长锚固锚杆最为明显。端锚锚杆由于杆体与孔壁之间的间隙，安装初 期其抗剪阻力得不到立即发挥，但随着滑移面的发展，杆体与孔壁之间逐渐贴紧， 其抗阻力也会得以发挥，最终杆体的轴向约束以及自身的抗剪阻力与滑移载荷达到 平衡而使煤体稳定下来。这是帮锚杆对煤体松动的控制作用。 根据有关的理论分析，随帮锚杆约束阻力p f 的增大，塑性区煤体的垂直应力 仃。将以数倍的比例显著增大，对第二种滑移面来说，则意味着作用在其上的正应力 口。增大，显然这有利于阻止这种滑移面的出现。但实际上，由于回采动压的剧烈影 响，帮锚杆要完全阻止这种滑移面形成是不现实的，现场观测表明，即使采用锚杆 支护，两帮仍会发生挤出。但此时的挤出表现出以下特征： 挤出位移明显减小，表现为受控变形，这是因为随仃。的增大，已形成的滑移 面上的滑移阻力相应增大； 挤出本身不会造成锚杆长度范围内煤体的进一步松动，即这部分煤体基本保 持整体外移。此时，对深部煤体来说，锚杆长度范围以内的煤体实际起到了t r 阻挡 层”的作用。( 图2 8 ) 由以上分析可见，对第二种滑移面，帮锚杆主要控制其形成后的发展程度，使 这类滑移面引起的巷帮挤出位移不至于影响巷道的稳定和正常使用。这是帮锚杆对 巷帮煤体挤出的控制作用。 2 顶锚杆支护机理 对两帮煤体采用锚杆加固并达到一定的约束强度后，因自重而对支护体形成载 荷的顶煤范围便缩小。只有把顶煤的松动范围控制在局部范围内，才有可能采用锚 杆对其迸行支护。 东北大学工程硕士学位论文 第二章煤层巷道变形失稳模式与锚杆支护机理分析 j 莎1 乒7i 图2 7 帮锚杆对煤体松动的控制作用 f i g 2 7c o n t r o la c t i o no f b o l ti nw a l lt o c o a lc o n c u s s i o n a 。 。一| ? t ，jj | b j | i ? i | i | 。j 。，。 壁查，一一 腻 j o i ”廿一 打# 面_ 、 h “8 “6 “7 ；“1 “8 口- 图2 8 帮锚杆对煤体挤出的控制作用 f i g 2 + 8c o n t r o la c t i o no f b o l ti n ，a l jt o c o a le x t r u s i o n 顶煤中安设锚杆后，通过顶锚杆的轴向约束和径向约束，可使锚杆长度范围内的顶 煤形成一个似整体结构，防止发生解体性冒落。对此，可以用岩石试样在不同围岩下的 三轴试验结果来解释a 从顶板中取一单元来分析( 图2 9 ) ，则水平载荷相当于加载试验 时的载荷仃- ，锚杆的轴向约束相当于对岩样所施加的围压盯，。那么，比较图2 1 0 所示 的岩样在不同围压下的全应力应变曲线便可看出锚杆轴向约束的作用效果： 二二= 一一一 o 图2 9 顶锚杆控制水平载荷引起的剪切扩容 f i 9 2 9s h e a re x p a n s i o nc a u s e d b yc o n t r o l h o r i z o n t a ll o a do f r o o f b o i t 1 2 图2 1 0 岩石试件全应力应变曲线 f i g 2 1 0t o t a ls t r e s s - s u a i nc u r v eo f t e s tr 0 c k 查! ! 垄芏三堡壁主兰垒笙查 苎三主鉴墨查堕奎兰叁! ! 堡查堂堂堑圭芏垫翌! ：! l 无约束( 围岩仃，：0 ) 时，峰值强度p 1 最低，随着围岩盯，的增大，峰值强 度p 2 、p 3 相应增大，这意味着顶煤由于锚杆的轴向约束，其承受水平载荷的能力相 应增大。 无约束( 盯，= 0 ) 时，一旦达到强度极限则岩石迅速破坏且强度几乎完全 丧失；有约束( 仃0 ) 时，达到强度极限后，岩石破坏呈缓慢发展，并且仍保持着 较高的残余强度，随围压的增大，残余强度相应提高。由此可见，锚杆支护后，顶 煤即使出现破坏，也仍会以其残余强度继续保持较高的传递水平应力的能力，从而 抑制水平应力向上方转移。 在后破坏阶段( 顶煤已发生较大变形) ，锚杆径向约束的效果也非常显著。此时， 径向约束主要是锚杆( 及树脂锚固剂) 所提供的直接抗剪阻力。因此，锚杆对水平 载荷作用下的剪切破坏的控制效果实际上比单纯提供等值围压还要明显。 考虑到煤体中锚杆托盘一般偏小，对顶煤必须增高增设钢带和顶网，即采用锚 梁网结构，才能使顶煤保持一定的似整体性。那么，使顶煤保持为一个似整体结构 就能保证其稳定吗? 回答是：对顶煤体来说不一定。由于煤体传递水平应力的能力 低，有可能“整体”跨下来，特别是当上方为较厚的泥岩伪顶时，这种可能性更大。 当然，这并不是说顶煤一点自稳能力没有，而是说其自稳能力不足以平衡自身及上 部泥岩伪顶的自重载荷。因为锚杆的作用在于利用围岩的自承能力，而煤体强度低， 即使得到充分发挥也不足以保持自稳，而必须在锚梁网支护结构的基础上再辅以有 效补强措施。有两条途径：一是打点柱进行补强；二是加锚索或联接式长锚杆进行 补强。打点柱的办法虽有值得考虑，但并非上策，因为木点柱与锚杆作用不同步， 易造成其周围的锚杆卸载，一旦发生失稳则有被各个击破的可能，而采用单体液压 支柱费用较高；锚索及联接式长锚杆与普通锚杆支护特性完全相同，能共同协调承 载，对支护效果非常有利。这种支护形式国外已得到广泛应用，国内也已起步。开 始曾考虑采用联接式长锚杆，但因巷道上方不稳定岩层厚度太大，故改用锚索。实 际应用时，锚索布置方式及参数按承受整个潜在冒落范围内的煤岩自重考虑，这样 就可以形成这样一种共同作用体系；普通锚杆的加固作用使巷道跨度范围内的顶煤 保持为一个有一定自稳能力的“似整体性结构”，锚索的广义悬吊作用弥补这个“似 整体性结构”自稳能力相对于所受载荷的不足并达到必要的安全裕度，使这个“似 整体性结构”保持稳定，这样，支护的目的便达到了。 东北大学工程硕士学位论文 第三章锚网索支护方法研究 第三章锚网索支护方法研究 3 1锚网支护设计常用方法 锚网支护设计的常用方法主要有：工程类比法和解析法等。目前，应用最为广 泛的还是工程类比法。锚网支护设计的主要内容有三个方面：支护类型选取； 支护参数确定；施工工艺安排。 一、锚网支护设计工程类比法 工程类比法，是根据已有巷道锚喷支护设计的成功经验，要么是在巷道深度、 围岩条件、巷道形状与尺寸等相同或相近的条件下，直接应用已有巷道的支护设计 方案；要么是在某一因素少量变化的条件下，适当调整支护参数，基本沿用已有支 护设计方案。 工程类比法，一般以岩体分类为依据。根据锚杆喷射混凝土支护技术规范 的图象标准( g b j 8 6 8 5 ) ，我国锚喷支护使用的围岩分类表将围岩分为五类，综合考 虑了岩体结构、构造影响程度、岩石强度、岩体声波速度、岩体强度应力比，以及 毛硐稳定性和地下水等因素。我国煤炭行业，根据煤矿巷道支护的工程特点，总结 各矿区多年来巷道支护的成功经验，制定了煤矿巷道围岩分类和巷道、硐室锚喷支 护参数表( 表3 1 ) 。 二、围岩松动圈分类与锚网支护设计方法 巷道开挖之后，在巷道周边围岩中会形成应力集中区，应力集中区的岩石沿巷 道径向应力为0 或很小，而切向应力却很大，所以很容易发生破坏或出现塑性变形， 形成破裂区或塑性变形区，巷道周边的这种破裂区或塑性区，称之为围岩松动圈。 围岩松动圈的外部是围岩弹性变形我，围岩弹性变形区再向外是原岩应力区。 围岩松动圈的稳定性决定了巷道的稳定性，松动圈越大，破裂岩体的碎胀变形 越大作用于支架上的载荷也就越大，巷道支护也就越困难。巷道支护的任务，也就 是保持围岩松动圈的稳定性，避免围岩碎块的脱落和松动圈的扩大，从而保障巷道 的稳定性。 围岩松动圈的大小，主要取决于地应力、岩体结构、岩石强度、巷道形状与尺 寸等因素。根据围岩松动圈的大小，可以将围岩划分为i v 等等级( 表3 2 ) ，针 对围岩的不同类别，采用相应的支护方案。 1 4 披器赠攀非晤鞲罂匠蝴晷理赫卜鼎+牛勰乜】糕i，一|i，=：穗 暑 * 厦 童? 奏量? 量 i 占 担 噬 善 匿 i ? 帮 - 一 n 占o占 8 一 暑 2 占 曩嚣 囊篓蜊 22 ? 2 ?2l o 赧 走 嚣琶墼 ooo 2 高 2eo n 3 一 抵 甍 誊 量2 曼景2 量? 萤 k 厘一 墨 至 拓 霸 日 i n 拯 鲢 暑 匿 匿 2 ? 据 = 一 r 鹾 n 一 吾2景 营 ? 7 ? 槭廿 傲 藩 o - v 卜o 球 舟 罡 螫 斟 量2 重量? 量量? 量 土墨 靶 重 岬 巨 担 鹱 o 量 匿 n 螺 8 一 v 一 占 2 占 含暑 27? 2 密 誊琶醚 o 最 3高 蠹 鲤 量? 星 基2 萤善? 基量? 晷 营 七 厘 2 龉 殛 莩 暑童2 量量? 墓87 昌 匿 7 担 昌 22 ：2：2 r出 丞篓蜊 i222j o 宾 22：2 受 蓍蓬畦 3 一 辐 诋 酲 萤2 量? 蚤 生 厘 墨 量擐 量? 量? 量量2 量 匿 霸 日 嶷 宝 2擐 醛 n 槭廿 留 瓣 占 2 ：28 高 2 r 酿 始 ? 7 7 2 ?2 睡 2 o 2 昌 ! 瞽 v 卜 璺 一 哥 量? 量? 嚣孽? 萤 担 奄 厘 要 擐 囊 导0 暑导? 8暑? 量 v 担 一 州 一一 龆 蠹 撂 o g o 8 璺 f 2 2 2 o 2 o nn 卜呈 棰侧蹬 器蓍蛩! 辩删蹬 器誊裴喽霪整巡 粕称 婶稽相。嚣湘 匿众 一 乏 轹 巨e邕口3_)o厶ou曲口头2苗uo c勺pl王-o口。一董；暑ou-o u一苜暑。上u|d暑is一n嚣互 ulg商一斟 簌舔器似瞥据槲晤，旱f粕一n椎 5 东北大学工程硕士学位论文第三章锚网索支护方法研究 表3 2 巷道围岩