（采矿工程专业论文）回采巷道围岩稳定性分类及锚杆支护设计决策系统研制与应用.pdf

辩 f 太原理工大学硕士研究生学位论文 回采巷道围岩稳定性分类及锚杆支护设计决策系统研制与应用 摘要 自锚杆支护技术在我国煤矿应用以来，我国采矿科技人员在支护理论 与实践方面做了大量工作，积累了大量资料，取得了丰富经验。但是，由 于目前真正系统掌握先进的锚杆支护技术的还是少数矿区和工程单位，而 大部分基层生产单位还未了解，仍处在经验支护的状态中。遇到问题先用 一般支护技术来对付，然后反复维修，因而造成每年数以亿计的严重经济 损失。此外，由于锚杆参数计算方法繁多、计算过程比较复杂，需要大量的 理论计算和反复校核过程，现场的工程设计人员难以掌握和应用。也使得 一些设计方法在实际工程中难以得到普及和推广。本文针对我国目前锚杆 支护技术推广过程中存在的问题，在总结以往研究成果基础上，采用模糊数 学理论的多因素综合评判方法，预测巷道围岩稳定性类别。设定评语集合 为非常稳定、稳定、中等稳定、不稳定、极不稳定s 个类别，因素集合为 顶板强度、底板强度、煤层强度、直接顶厚度与采高比值、巷道埋藏深度、 护巷煤柱宽度系数、岩体完整性指数7 个分类指标。并将5 个类别的聚类 中心作为单因素评价矩阵，依据模糊综合评判的结果确定围岩稳定性的类 别，同时给出巷道支护建议。回采巷道锚杆支护设计采用基于围岩松动圈的 锚杆设计方法，主要通过计算巷道顶板破坏高度、两帮破坏深度以及顶板 岩层完整性系数来确定锚杆支护形式。计算巷道锚杆支护的具体参数。并 用v b 6 0 语言编程实现了巷道围岩稳定性评价与支护设计决策系统。同时 运用该系统对神东矿区以及华晋焦煤公司沙曲矿的回采巷道进行了锚杆支 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 护设计研究，从支护效果来看满足了巷道支护的要求，保证了安全生产的 需要，具有科学性和实用性。本文结论及设计方法可以指导工程设计人员 进行回采巷道围岩稳定性分类及锚杆支护设计，实现了巷道特别是回采巷 道的锚杆支护设计的规范化、科学化。 关键词：围岩稳定性，锚杆支护设计，多因素综合评判，围岩松动圈 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n0 ft h es y s t e mt o c l a s s 吖t h es t a b ，1 t yo fg a t e 後ys u r r o u n d i n g r o c k sa n dd e s ) e 唧d e s i g no fb o i js u p p o r t a b s t r a c t e v e rs i n c et h e a p p l i c a t i o no fb o l ts u p p o r tt e c h n o l o g yi nc h i n a sm i n i n g p r a c t i c e ，o u rm i n i n gs c i e n t i s t sa n dr e s e a r c h e r sh a v e d o n em u c hr e s e a r c hw o r k i n b o t ht h e o r ya n dp r a c t i c e ，a c c u m u l a t i n gag r e a td e a lo ff i r s t - h a n dm a t e r i a la n d a b u n d a n te x p e d e n c e h o w e v e r , t ot e l lt h et r u t h ，f o rt h em o m e n to n l yaf e w m i n i n gc a m p sa n dp r o j e c t i n gu n i t sm a s t e rs y s t e m a t i c a l l yt h e a d v a n c e db o l t s u p p o r tt e c h n o l o g yw h i l em o s to ft h eg r a s s - r o o t sp r o d u c t i o nu n i t sa r es t i l lu s i n g t h e i rp a s te x p e r i e n c e w h e nm e e t i n g p r o b l e m s ，t h e yf i r s te m p l o ys o m ec o n l l n o n b o l ts u p p o r tt e c h n i q u e sa n dt h e nm a i n t a i nr e p e a t e d l y , w h i c hr e s u l t si ng r e a t e c o n o m i cl o s so fh u n d r e d so fm i l l i o n se v e r yy e a r m o r e o v e r , d u et ot o om a n y c o m p l i c a t i o nw a y st ow o r ko u tt h eb o l tp a r a m e t e ra n dt h eg r e a te f f o r tn e e d e di n t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dr e p e a t e dp r o o f r e a d i n g ，i ti sr a t h e rd i f f i c u l tf o rt h e p r o j e c td e s i g n e r so ns p o tt om a s t e ra n da p p l yt h eb o l ts u p p o r tt e c h n o l o g y a l s oi t i sm a d ed i f f i c u l tt op o p u l a r i z es o m ed e s i g n i n gw a y si np r a c t i c a l p r o j e c t s t h e r e f o r e ，i ti sf a i r l yn e c e s s a r yt od e v e l o pt h es y s t e mt oc l a s s i f yt h es t a b i l i t yo f g a t e w a ys u r r o u n d i n gr o c k sa n dd e c i d et h ed e s i g no fb o l ts u p p o r ti no r d e rt o s t a n d a r d i z ea n dm a k es c i e n t i f i ct h eb o l ts u p p o r td e s i g ni ng a t e w a y i nv i e wo f t h ep r o b l e m se m e r g i n gr e c e n t l yi nt h ep r o c e s so fp o p u l a r i z i n gb o l ts u p p o r t i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y , b a s i n gi t s e l fo nt h ep r e v i o u sa c h i e v e m e n t s ，t h et h e s i s f o r e c a s t st h et y p e so fs t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k st h r o u g ht h em u l t i f a c t o r i n t e g r a t e dj u d g e m e n tm e a n sf r o mf u z z ym a t h e m a t i c a lt h e o r y r e m a r k sa r e d e s i g n e di nf i v ed e g r e e s ：v e r ys t a b l e ，s t a b l e ，m e d i u ms t a b l e ，i n s t a b l e ，v e r y i n s t a b l e ；f a c t o r sa r es e v e n r o o fi n t e n s i o n ，b o t t o mi n t e n s i o n ，c o a lb e di n t e n s i o n ， i m m e d i a t er o o ft h i c k n e s s ，p i c kh i 曲v a l u e ，b u r y i n gd e p t ho fg a t e w a y , w i d t h c o e f f i c i e n to fc o a lp i n si np r o t e c tg a t e w a ya n dm c k si n t e g r i t yi n d e x t h e c l u s t e r i n gc e n t e ro ft h ef i v et y p e si st a k e na st h es i n g l ef a c t o re v a l u a t em a t r i x t y p e so fs t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n gr o c k sa l ef i x e da n da d v i c ec o n c e r n i n g t u n n e ls u p p o r ti sg i v e na c c o r d i n gt ot h er e s u l to ff u z z ya n dc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n d e s i g n i n gt h eg a t e w a yb o l ts u p p o r ta d o p t st h em e a n sb a s e do nt h e d e s i g no fs u r r o u n d i n gr o c kr e l e a s i n gr i n gb o l t s ，w h i c hf i x e st h ef o r m so fb o l t s u p p o r tm a i n l yt h r o u g hc a l c u l a t i n gd a m a g i n gh e i g h ti nt h e t u n n e lr o o f , d a m a g i n gd e p t hi nt w os i d e sa n di n t e g r i t yc o e f f i c i e n to ft h er o o fr o c k s c o n c r e t e p a r a m e t e r s a r ew o r k e do u t a n dt h e s y s t e mt oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gm c k sa n dd e c i d et h ed e s i g no fb o l ts u p p o r ti sf m a l l yp r o d u c e d t h r o u g hv b 6 0p r o g r a m m i n g t h es y s t e mh a sb e e np r o v e dt om e e tt h en e e do f t u n n e ls u p p o r tj u d g i n gf r o mt h es u p p o r te f f e c t sa n de n s u r es a f e t yi np r o d u c t i o n w h e ni tw a se m p l o y e di nt h es t u d yo fg a t e w a yb o l ts u p p o r td e s i g ni ns h e n d o n g m i n i n gc a m pa n ds h a q um i n eo fh u a j i nc o a lc o m p a n y s ot h es c i e n t i f i ca n d p r a g l i m t i cq u a l i t yo ft h es y s t e mt oc l a s s i f yt h es t a b i l i t yo fg a t e w a ys u r r o u n d i n g r o c k sa n dd e c i d et h ed e s i g no fb o l ts u p p o r ti st e s t i f i e d ，a n di tc a ng u i d et h e p r o j e c td e s i g n e r sw i t ht h e i rd e s i g n i n gb o l ts u p p o r t i v 奎堡里王盔兰堡主堕生兰篁笙茎 一一一 k e yw o r d s ：s t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n gr o c k s ，b o l ts u p p o r td e s i g n ， m u l t i f a c m ri n t e g r a t e dj u d g e m e n tm e a n s ，s u r r o u n d i n gr o c kr e l e a s i n gr i n g 、3 声明 y9 7 9 , 9 6 8 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：多雾日期：竺! 坌丛 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) 。 签名： 裂聋、 日期：型：! ：12 导师签名：盎逸日期： 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 我国的煤炭资源丰富，煤炭产量居世界首位，而且煤炭在我国一次能源生产和消费 中占7 5 左右。具有关部门预测，未来2 0 一5 0 年内，我国一次能源生产和消费以煤炭 为主的格局不会改变。 由于我国煤炭赋存条件复杂，绝大多数矿井采用井工开采。巷道作为煤矿井下生产 的脉络，每年巷道掘进和维护达千万米，保持其畅通和完好状态对改善井下的劳动条件 和作业环境以及防止巷道顶板事故，保证矿井正常生产和安全生产具有重要意义。 回采巷道围岩稳定性分类是将巷道围岩稳定性按支护的难易程度分类，以便为支护 设计、施工与管理提供科学依据。锚杆支护作为一种有效的采准巷道支护方式，由于对 巷道围岩强度的强化作用，可显著提高围岩稳定性，加之具有支护成本较低、成巷速度 快、劳动强度减轻、提高巷道断面利用率、简化回采工作面端头维护工艺、明显改善作 业环境和安全生产条件等优点，可提高矿井的经济效益，因而成为世界各国矿井巷道的 一种主要支护形式，代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。 1 1 研究的意义 自1 9 8 8 年我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类提出以来，全国许 多矿区以此为基础，结合本矿区具体条件，进行回采巷道围岩稳定性的分类工作，并提 出了本矿区的回采巷道围岩稳定性分类方案。这对于提高回采巷道支护的技术经济效 益，改善安全生产条件起到了推动作用。经过多年的试用实践，发现了一些问题和不足 之处。例如在急倾斜、薄煤层、厚煤层分层开采及深部开采条件下，得到的分类结果与 实际情况出入较大；某些分类指标需进行适当的调整；所确定的i v 类围岩聚类中心 存在一定的问题，表现在、类聚类中心差别不明显，同样地，、v 类聚类中心也分 辨不够理想，实际使用时因而出现了一些问题。 另一方面，自锚杆支护技术在国内煤矿应用以来，我国采矿科技人员在支护理论与 试验研究方面作了很多工作，大大促进了煤矿巷道锚杆支护新理论、新设计、新技术和 新方法的推广。由于各方面的原因，国内煤矿巷道锚杆支护在理论与设计上仍然存在一 些问题，主要表现在以下几个方面： 塑堡三查兰堡主婴窒生兰焦堡塞 ( 1 ) 理论研究的重复性 对于研究单位已经解决的难题，在各大矿区遇到同样问题的情况下，缺乏信息沟通， 又重新立项，从最低点开始研究，形成理论的重复性研究，投入大量的人力物力，造成 不必要的人力，财力的浪费。 ( 2 ) 理论与实践相脱节 目前，真正系统掌握先进的锚杆支护技术的还是少数矿区和单位，而大部分基层生 产单位还未了解，仍处在经验支护的状态中。遇到问题先用一般支护技术来对付，然后 反复维修，因而造成每年数以亿计的严重经济损失。造成这一局面的原因是科研院所所 掌握的科技成果和生产、基建单位的工程技术人员严重脱节，从而导致在实践上盲目性 大、针对性差、成功率低，在人力、物力、财力上造成严重浪费。 ( 3 ) 现有理论技术的实践难度 在国内锚杆支护技术推广过程中，形成了各种各样的技术规范和技术标准，对于规 范与标准中所做的大量规定，设计人员难以实施，执行起来也存在很大的难度。同时， 由于锚杆参数计算方法繁多、计算过程比较复杂，需要大量的理论计算和反复校核过程， 现场的工程设计人员难以掌握和应用。也使得一些设计方法在实际工程中难以得到普及 和推广。 本文运用v b 6 0 语言编程实现了巷道围岩稳定性评价与支护设计决策系统，实现了 巷道特别是回采巷道的锚杆支护设计的规范化、科学化。 1 2 巷道支护围岩分类方法现状 围岩分类方法的研究工作历史悠久，早在1 8 世纪，在采矿及各种地下工程已开始 用分类的方法研究围岩的稳定性。在地下工程方面，较早的分类系统有普氏岩石坚固性 系数分类法和太沙基分类方法。随着采矿、隧道等地下工程建设的发展和人们对岩体物 理力学性质认识的不断深入，国内外岩体及围岩分类研究得到迅速发展，提出了多种有 关岩体及围岩分类方法，据不完全统计，有影响的围岩分类有五六十种之多。 随着支护理论的发展，围岩分类理论经历了三个发展阶段：最早认为岩石性质决 定支护难度，如普氏和r q d 分类方法，属于单指标分类方法；随后人们认识到围岩应 力是不可忽视的重要影响因素，岩石性质与岩体性质有着重大差异，所以发展了多因素 分类方法，分类指标多达6 7 个，这类方法由于未能建立起多因素之间的有机关系和 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 主要指标获取困难等原因，分类时主观因素较强；近期的分类方法多采用与支护有直 接关系的综合指标分类方法，既考虑围岩稳定性的各方面影响因素，又用单一定量指标 表达出来。综合指标虽然是单一的，但反映的是多因素综合作用的结果，如围岩变形量 分类法和围岩松动圈分类方法等。下面就几种代表性的围岩分类方法作简单的介绍。 1 2 1 锚喷支护围岩分类方法 锚喷支护围岩分类综合考虑了岩石的单向抗压强度、岩体结构和结构面发育状况、 岩体波速、岩体完整性系数k ，、围岩自稳定时间以及地应力状况多种因素，是一种典型 的多指标分类方法。 地应力因素由岩体强度与应力之比s 反映。 s 。：k v x r o ( 1 1 ) 吼 式中：r c 岩石单向抗压强度； 仃。垂直巷道轴线平面上较大的主应力( 无实测地应力数值时，以自重应力仃。 = 1 h 代入，其中1 为上覆岩层体积质量；h 为巷道埋深) 。 这种分类方法综合考虑了影响围岩稳定性的多种因素，是比较全面的分类方法。但 是多指标之间分类不一致时如何处理，构造应力的显著程度将影响该分类的准确性。 1 2 2 围岩变形量分类方法 围岩变形量分类方法是根据围岩变形量的大小定量评估支护难度的一种分类方法。 围岩变形的影响因素主要是两大类：一是地质力学因素，如原岩应力、岩体结构、岩石 的物理力学性质和岩石的矿物组成等；另一类是工程因素即施工方法、支护结构、巷道 断面形状等。围岩变形量是多因素的作用结果，变形量的大小直接反映出支护所承受的 变形压力大小。利用变形量的数值对围岩稳定性进行分类，形式简单，使用方便，便于 工程应用，但是，由于围岩变形量的数值与支护形式和支护强度密切相关，如不支护， 进行大变形量的观测较为困难。 1 2 3 围岩松动圈分类方法 井下巷道开挖后，围岩应力超过围岩强度，围岩即产生变形松动现象。围岩在原始 状态，是一个被压密实的实体，处于应力平衡状态。巷道开挖后，破坏了围岩的原始应 力平衡状态，即产生松动变形。如不急时支护，任其发展，就会产生岩层破坏，围岩冒 落。这种由于巷道开挖而使围岩应力平衡状态破坏，产生松动变形的范围被称为围岩松 动圈。围岩松动圈的大小与工程因素( 巷道断面的形状大小、施工方法和支护形式等) 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 有关，同时，也和地质因素有关，都是围岩应力和围岩强度的函数。因此，它是一个定 量的综合指标。测取围岩松动圈范围值比较简单、实用。用围岩松动圈进行围岩分类， 确定支护结构和参数，是一种有效的方法。 经过大量的现场松动圈测试及松动圈与巷道支护难易程度相关关系的调研，结合锚 喷支护机理，依据围岩松动圈的大小将围岩分为小松动圈稳定围岩，中松动圈一般稳定 围岩和大松动圈不稳定围岩三大类，如表1 1 所示。 表1 1 巷道支护围岩松动圈分类表 围岩类别分类名称 松动圈l p l c m 支护机理及方法备注 小松围岩整体性好，不易风化 i稳定围岩 0 _ 4 0 喷射混凝土支护 动圈的可不支护 较稳定围岩 4 0 1 0 0 锚杆悬吊理论喷层局部支护 中松一般围岩 1 0 0 1 5 0 锚杆悬吊理论喷层局部支护f 9 | 性支护局部破坏 动圈 一般不稳定锚杆组合梁理论喷层、金属 1 5 0 2 0 0 刚性支护大面积破坏 围岩网局部支护 锚杆组合梁理论喷层、金属 v不稳定围岩2 0 0 _ 3 0 0 围岩变形有稳定期 大松网局部支护 动圈极不稳定围围岩变形在一般支护条 3 0 0 二次支护理论 岩件下无稳定期 1 2 4 煤巷围岩极限平衡区分类方法 极限平衡区分类方法是以极限平衡区深入巷道围岩的深度( ) 为主要指标，以巷 道周边位移( u ) 为辅助指标进行巷道围岩分类的一种方法。极限平衡区深入巷道围岩 的深度( ) 和巷道周边位移( u ) 二者都是影响巷道围岩稳定性各种因素的综合反映， 用主要指标划分围岩类别，以及进行锚杆支护设计，用辅助指标和实测结果的差异反馈 初始设计中可能存在的问题，并以此为依据，修改初始设计。 1 3 巷道锚杆支护设计方法现状 目前的巷道锚杆支护设计方法基本上可归纳为四大类：第一类是工程类比法，包含 简单的的经验公式进行设计；第二类是理论计算法；第三类是以计算机数值模拟为基础 的设计方法；第四类是监测法。工程类比法在中国巷道锚杆支护设计中应用相当广泛， 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 主要有以回采巷道围岩稳定性分类为基础的锚杆支护设计方法和巷道围岩松动圈分类 与支护设计建议等。理论计算方法很多，主要有悬吊理论法、冒落拱理论法、组合梁理 论法、组合拱理论法等。 随着计算机的广泛使用，借助数值模拟进行锚杆支护设计得到了较大的发展，数值 模拟应力应变分析是地下岩石结构设计和分析的重要手段。英国、澳大利亚建立了以地 应力测试为基础的煤巷锚杆支护设计方法，其核心是首先根据地应力测试结果，以岩体 地质力学评估为基础，结合数值模拟分析进行锚杆支护初始设计，然后再根据现场监测 结果对原设计进行修正和完善。这种设计方法通过多方案的比较分析有可能选择到最佳 方案，值得借鉴。 中国煤炭系统的许多专家、学者、工程技术人员在巷道锚杆支护研究、设计与施工 中做了大量工作，积累了丰富的经验，提出了极限平衡区锚杆支护设计方法、预应力锚 杆( 索) 支护设计方法、围岩松动圈锚杆设计方法等。并在现场进行了成功应用，极大 推动了中国锚杆支护技术的发展。 1 3 1 常规锚杆支护设计 目前，中国地下工程锚杆支护设计方法主要是工程类比法和经验公式设计法。特别 是矿山井巷锚杆支护设计，面对岩性和岩体结构变化大，荷载影响因素多，采准巷道维 护时间短，支护材料和结构可能选择的范围小等实际情况，在设计时，使用工程类比法 和经验公式计算方法，设计简单、推广容易、实用性强、效果较好。 ( 1 ) 经验公式计算法 锚杆长度 l = n 0 5 + w 1 0 ) ( 1 2 ) 式中：瞒道或硐室跨度，m ； i 广_ 锚杆总长度，m ； n 一围岩影响系数( 表1 2 ) ( 围岩类别按煤矿井巷工程锚杆、喷浆、喷射混凝 土支护设计试行规范中的围岩分类) 。 表1 2 围岩影响系数表 卫l b l e l - 2c o e f f i c i e n to fw a l lr o c ki n f e c t i o n 围岩类别 v 影响系数n o 91 01 11 2 锚杆间距 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 ms 0 9 n ( 1 3 ) 锚杆直径 d = l 1 1 1 0 ( 1 4 经验公式计算法用于锚杆支护设计，计算得到的仅为锚杆支护的主要参数，是锚杆 支护设计的一部分，不是全部，还要对其他参数和材料做出选择。例如，锚杆杆体的结 构形式、材质，锚固剂材料、锚固长度，托板、螺母结构形式和强度等。 ( 2 ) 工程类比法 工程类比法通常有直接类比法和间接类比法两种。直接类比法一般是把已开掘巷道 ( 采用锚杆支护并取得成功) 的地质开采条件与待开掘巷道进行比较，在条件基本相同 的情况下，可以参照已开掘巷道，凭借工程师的经验和对工程的分析判断能力选定待开 掘工程的锚杆支护类型和参数。间接类比法一般是根据现行锚喷支护技术规范，按照围 岩分类和锚喷支护设计参数表确定待开掘工程的锚喷支护类型和参数。 中国部分矿区在做了大量和长期的巷道支护技术基础工作后，为更有效地发展锚杆 支护，提出了自己矿区地巷道围岩稳定性分类和锚杆支护设计推荐参数。这些根据自己 矿区的实际建立起来的围岩分类和锚杆支护设计推荐参数，使用起来简明扼要、直观易 行，更具有针对性。 1 3 2 极限平衡区锚杆支护设计方法 简单地讲，极限平衡法煤巷锚杆支护设计的理论基础有两个：一是弹塑性理论；二 是悬吊理论。众所周知，弹塑性理论有他的局限性，它是建立在均质弹塑性体、圆形巷 道基础上的力学模型。为此，引入了煤岩体物理力学参数修正系数和采动影响系数加以 修正，以克服其局限性。 井下巷道的开掘工作，破坏了地层原岩应力的平衡状态，导致巷道周边岩体内应力 的重新分布和集中。如果巷道周边围岩的集中应力小于煤岩体强度，这时围岩的物性状 态保持不变，煤岩体仍处于弹性状态；如果围岩局部区域的应力超过煤岩体强度，则这 部分围岩的物性状态就要改变，巷道周围就会产生一定范围的极限平衡区，同时引起应 力向围岩深部转移。 显然，处于弹性状态的巷道围岩，由于其自身处于弹性状态，具有承载能力，因此， 不需要对其进行人为加固。巷道支护或加固所要考虑的仅仅是巷道周围已处于极限平衡 状态下的煤岩体。因此，在划分巷道围岩类别时，我们以极限平衡区深入巷道围岩的深 度为主要指标，从而把巷道的围岩类别与支护设计必然联系在一起。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 煤巷锚杆支护设计流程：煤岩体物理力学参数测量影响煤巷围岩分类指标各因素 的数值选取分类指标的计算和煤巷围岩类别的确定煤巷锚杆支护参数的量化设计。 1 3 3 煤层巷道围岩预应力锚杆支护设计方法 这种方法是利用三维有限元大模型，先确定巷道的应力状况。大模型的主要输入参 数包括：最大水平应力( 盯。) ；最小水平应力( 盯：) ；夹角( o ) ；图示的几何尺寸( 工 作面、采空区、煤柱、巷道等) ；岩石力学性质；采深。在上述大模型的基础上切割出 所关心的局部区域，此区域称之为子模型。子模型的边界条件由大模型输出而自动附加 在子模型的边界上。在子模型中考虑锚杆单元及岩石层理单元。只要子模型的外边界选 的合适，这种做法是合乎逻辑的，因为受锚杆影响的应力范围非常有限，从而避免在大 模型上进行非线性分析。子模型输入参数包括：锚杆预拉力、锚杆直径、锚杆长度、岩 石层里面的力学性质、锚杆间距。 层状岩体在水平地应力的作用下，顶、底板岩层易于发生剪切破坏，出现离层现象， 顶板的承载能力将大幅度下降，因而应将巷道顶板是否离层作为巷道稳定性判别的标 准。离层与否是顶板预应力结构形成的基本要素，因而可以将二者统一起来，把锚杆预 拉力纳入锚杆支护参数设计当中，以顶板离层作为分析的原则和依据，提供一个避免或 大大减少巷道冒顶事故的设计方法。 1 3 4 围岩松动圈锚喷支护设计方法 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，还处于理论加经验 的阶段。但是，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。它的设计方法是从松动圈分类表出发，根据锚杆作用机理，即可设计锚喷支护参数。 锚喷参数设计以围岩分类为基础，根据工程要求以松动圈的三大类来进行锚喷支护参数 的设计。 1 4 本文的主要内容、研究的目标和方法 本文在总结以往研究成果的基础上，利用v b 语言作为开发工具，把繁琐的规定和复 杂的计算通过系统的操作，很方便地应用于常规巷道设计中去。为煤层巷道围岩稳定性 分类预测和锚杆支护设计，提供了科学实用的设计手段。本文的主要内容有： 1 、巷道围岩稳定性评价采用模糊数学理论的多因素综合评判方法，根据全国缓倾 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 斜煤层回采巷道围岩稳定性分类的研究成果，设定评语集合和分类指标，参考“分类方 案”中5 个类别的聚类中心，用“距离”度量模糊性，构造评价矩阵。依据模糊综合评 判的结果确定围岩稳定性类别。同时给出巷道支护建议。 2 、锚杆( 基本) 支护参数设计利用、，b 6 0 编程工具，形成界面非常友好、操作十 分方便的智能设计分析系统。采用基于围岩松动圈的锚杆支护理论，根据破坏区的范围 值( 巷道破坏深度c ，顶板破坏高度b ) 确定支护形式，设计结果包括锚杆个数、长度、 直径、间排距以及锚杆提供的锚固力；钢带的排距、长度、宽度、高度；倾斜锚杆长度； 等参数。 3 、锚索( 补强) 支护参数设计采用最先进的锚索支护设计原则，确定出巷道支护 所需要的锚索根数、锚索长度、锚索的间排距及树脂药卷的长度等主要参数。 4 、以神东矿区大柳塔、榆家梁及华晋焦煤公司沙曲矿为例，用该系统进行了巷道 围岩稳定性分类及锚杆参数设计，并给出了巷道锚杆支护的最优设计方案。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章回采巷道围岩稳定性分类决策系统研制 巷道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条件下支 护的难易程度，以便为支护设计、施工与管理提供科学依据。它是一个宏观的概念，旨 在给人以粗线条的认识，在没有支护理论或支护理论发展的初期，它曾一度是我们进行 支护设计的方法，但其实质是经验类比型设计方法。围岩分类结果只能用来宏观确定支 护形式，而无法直接进行支护参数的设计与优化。围岩分类工作和支护参数设计工作是 整个支护设计过程的两个阶段。两者既有密切联系又相互独立，不能互为替代。围岩分 类的结果用来进行支护方案的选择，参数设计则是支护方案的具体量化体现 因此，围岩稳定性分类的任务是以围岩稳定性为主线，在众多的影响因素及其纷繁 变化的组合中建立一种秩序，识别影响围岩稳定性的最显著因素，判明巷道主要支护对 象和支护难度，为锚杆支护参数设计提供定量的依据。分类指标的综合性、相似性、定 量方便性以及准确可靠性如何，是评价围岩稳定性分类方法科学性和适用性的重要方 面。 2 1 分类的依据 分类的依据就是如何选择和确定分类指标的问题。在研究影响回采巷道围岩稳定性 的因素时，应注意巷道矿压显现的两个主要特点，一是采煤工作面采动的影响，二是临 近采空区的影响。 2 1 1 影响煤巷围岩稳定性的因素 研究表明，煤巷围岩稳定性受多种因素的影响，它不仅取决于地质因素，同时也取 决于生产技术因素。巷道围岩变形是其稳定性的反映，是多种因素综合影响的结果。如 果以k 表示围岩移近率，在考察某个因素对巷道围岩稳定性的影响程度时，就视其与k 的关系如何。 根据井下巷道实测数据，影响煤巷围岩稳定性的因素主要有巷道围岩状况、地应力、 开采影响等方面。 ( 1 ) 巷道围岩强度 围岩强度的大小对其稳定性所起的作用是显而易见的。通常，较软弱的围岩容易产 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 生变形和破坏，巷道的维护比较困难；与此相反，较坚硬的围岩就不易变形和破坏，巷 道容易维护。 对井下观测数据的回归分析结果( 图2 一l 图2 4 ) 表明，巷道顶、底板移近率k ( ) 同围岩强度o r ( m p a ) 呈如下关系： 巷道一侧采空时为 k = 5 3 1 2 e o 。1 ”7 4 ( 2 1 ) 巷道两侧为实体煤时，则 k = 0 7 8 3 e 蝴1 ”7 4 ( 2 2 ) 式中：h 巷道埋藏深度，m 。 一4 0 曼3 0 基z 。 嚣- 。 0 口，v h 图2 1 圈岩移近率与围岩强度同自重应力之比 的关系( 巷道一侧采空) f i 9 2 - 1r e l a t i o no f1 km o v i n gr a t i oo fw a l lr o c k a n dt h er a d i oo f t h ei n t e n t i o na n dd e a d w e i g h ts 订e s s o f w a l l r o e k ( 1 a n e w a y b e i n ge m p f i d eo n es i d 曲 口，y m 图2 2 围岩移近率与围岩强度同自重应力 之比的关系( 巷道两侧为实体煤) f i 萨2r e l a t i o no f1 km o v i n gr a t i oo fw a l l r o c ka n dt h el l l d i oo ft h ei n t e n t i o na n d d e a d w e i g h ts t r e s so fw a l lr o c k ( e n t i t yc o a l ) 围岩强度口cm p a ) 图2 3 项底板移近率与围岩强度的关系( 巷 道一侧采空) f i 9 2 3r e l a t i o no fm o v i n gr a t i ob e t w e e nt o pa n d f l o o ra n dt h ei n t e n t i o no fw a l lr o c k ( 1 a n e w a y b e i n ge m p t i d eo n es i d e ) 1 0 围岩强度口( 盱 ) 图2 4 顶底板移近率与围岩强度的关系( 巷 道两侧为实体煤) f i 9 2 - 4 r e l a t i o no fm o v i n gr a t i ob e t w e e nt o pa n d f l o o ra n dt h ei n t e n t i o no f w a l lr o c k ( e n t i t yc o a l ) 邑盏西螽瑶一肾 太原理工大学硕士研究生学位论文 由图可见，顶底板移近率随围岩强度增加而降低。当围岩强度低于某一值时( 如 3 0 m p a ) 时，移近率随强度的降低而急剧增加；当强度大于某一值( 如5 0 m p a ) 时，顶底 板移近率随强度的变化就不明显了。 ( 2 ) 地应力 地应力是引起围岩变形和破坏的根本作用力。在生产实践中，掘进巷道的投资、巷 道参数的设计及巷道的维护，在很大程度上取决于地应力的大小。因此，在考虑巷道围 岩稳定性时，地应力是不可忽视的一个因素。 一般地应力包括上覆岩层的自重应力、地质构造应力及采动引起的集中应力。但在 目前的条件下，仅考虑了自重应力( 习惯地表示为岩层容重与巷道埋深之积1 h ) 的影响。 式 2 1 ) 与式( 2 2 ) 也同样表示了巷道顶底板移近率同自重应力的关系。从图2 5 、图2 6 中可以看出巷道埋深f 自重应力) 对巷道围岩稳定性的影响。顶底板移近率随 巷道埋深的增加而增加，其增加的幅度，侧采空的巷道大于两侧为实体煤的巷道。围 岩强度( 如2 0 m p a ) 较小时，巷道埋深对其围岩变形影响强烈；当围岩强度大于某值( 如 5 0 m p a ) 时，在一定深度范围内，巷道埋深的变化对围岩变形的影响不大。 巷道埋i 栗m _ ) 图2 5 不同围岩顶底板移近率与巷道埋深的关 系( 巷道一侧采空) f i 9 2 5r e l a t i o no ft h ed i 伍e r e n tm o v i n gr a t i oo f t o p - f l o o ra n dd e e po fl a n e w a y ( 1 a n e w a yb e i n g e m p d d eo n es i d e ) ( 3 ) 岩体完整性 善已丝 巷道埋深m _ ) 图2 6 不同围岩顶底板移近率与巷道埋深 的关系( 巷道两侧为实体煤) f i 9 2 - 6r e l a t i o no ft h e 础e r e n tm o v i n gr a t i o o f t o p - f l o o ra n dd e e po fl a n e w a y ( e n t i t yc o a l ) 一般岩体都程度不同地含有地质弱面和构造，比如层理、节理、裂隙、断层及褶皱 等，这将降低岩体的强度。把反映地质弱面和构造的程度称为岩体完整性( 以岩体完整 性指数表示) 。显然，在节理裂隙不发育、构造少、完整性好的岩体中，巷道围岩稳定 性就好，反之，则比较差。 目前在各种有关分类中表示岩体完整性的指标很多，适于煤系地层特点的应以围岩 1 1 学vx甜判簿辎臀 畔ux惜魍簿辎肾 太原理工大学硕士研究生学位论文 的节理裂隙间距与分层厚度表示岩体完整性为宜。图2 7 、图2 8 表明了顶板冒落状 况与顶板裂隙和分层厚度有密切关系，即顶板冒落高度随顶板裂隙数目和分层数目的增 加而增加。 另外直接顶初次垮落步距与节理裂隙间距及分层厚度有密切关系( 图2 9 ) 。因此， 直接顶初次垮落步距可以作为反映岩体完整性的一个综合指标，它能反映顶板结构和构 造的影响。 ( 4 ) 开采影响 由于采煤工作面大面积回采，在工作面前( 后) 方形成的移动支承压力是很大的。这 个支承压力的影响是回采巷道在整个服务期间内围岩变形和破坏的主要原因。 煤层、直接顶、老顶强度和厚度以及层位结构都影响移动支承压力的状况。井下实 测资料表明，直接顶厚度与采高的比值( n l 可以反映老顶来压的强度，即在同样老顶条 件下，n 值越大，老顶来压强度越小，反之亦然。一般，当n 4 时，老顶的垮落和错动 对巷道维护状况无多大影响；当n 4 时，取n = 4 ，n 值无量纲。 ( 5 ) 护巷煤柱宽度( x ) 护巷煤柱宽度( x ) 是指顺槽一侧的实际煤柱宽度，单位为m 。当巷道两侧为实体煤时， 取x = 1 0 0 m ；当无煤柱护巷时，取x = 0 。 2 2 分类方法与巷道类别的预测的方法 2 2 1 分类方法 由于巷道围岩稳定性受多因素、多指标的影响，尤其指标界限的确定与样本之间的 亲疏界限都具有很强的模糊性，本分类利用了现代的模糊聚类分析方法。该方法分五个 步骤进行。 ( 1 ) 分类指标原始数据的预处理 为了简化巷道围岩稳定性与其影响因素的关系，并尽可能将这种关系转换成线性关 系，在进行分类或预测巷道类别时不直接应用分类指标的原始数据，而对其进行预处理。 对7 个分类指标原始数据预处理的结果如表2 1 所示。 ( 2 ) 数据标准化 数据标准化的目的主要是消除分类指标量纲及绝对值大小之间差别的影响。由于所 研究的各个变量的量纲和量级可能不同，直接用分类指标的原始数据进行计算就会突出 那些绝对值大的变量而压低了那些绝对值小的变量的作用。此外，为满足模糊聚类运算， 需要将指标数值压缩到( 0 ，1 ) 闭区间。因此，在进行模糊聚类分析前要解决数据标准 化问题。数据标准化可分两步进行。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 1 原始数据处理结果 t a b 2 1t h er e s u l to f o r i g i n a ld a t dp r o c e s s i n g 原始数据预处理后的数据原始数据预处理后的数据 o c ， o ：4 | e 一2 0 h 墨兰盟) 2 d c c d ：4 厄。 w 赫= e 8 x d 玎 o d2 、| o i 一埘兰= 婴) 2 w 矗= e 。 ；如果n 4 ，取n = 4 h 名硬= ( o 3 0 4 ) 日h d ( 1 )d ( 1 ) 无量纲化，计算公式为 x = 等 弘a ， 式中：x 7 无量纲化后的原始数据； 豆，c 原始数据的平均值和