（矿业工程专业论文）刘桥一矿煤巷锚杆支护技术优化研究.pdf

摘要 针对刘桥一矿煤层巷道锚杆支护特点及开拓需要，本论文采用煤岩力学参数 测试及分析、神经网络一专家系统优化、计算机数值模拟、理论分析等综合分 析方法对煤层巷道锚杆支护进行了系统深入的研究，采用动压煤层巷道动态设 计方法对刘桥一矿一6 0 0 m 水平4 、6 煤煤层巷道进行了锚杆支护设计。分析研究 表明，开采地质及技术条件、煤岩力学性质、支护形式及支护参数对煤层巷道 支架一围岩系统的稳定性起主要作用。现场应用表明，动压煤层巷道锚杆支护 设计法是合理的，研究成果为煤层巷道锚杆支护特别是留煤柱护巷及动压煤层 巷道锚杆支护提供了理论依据，有利于改善巷道维护状态和改善安全生产状况， 并为类似条件下的巷道支护提供了有益借鉴。 关键词：煤层巷道；锚杆支护：巷道围岩；系统优化；动态设计 中图分类号：t d 3 2 2 a b s t r 杰c 零 i ta i m sa tt h eb o l ts u p p o r t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fc o a ld r i 啦sa n dt l l ed e v e l o p m e m d e m 糕d si nl i 畦q a ol s tm i 黼越。b y 饿om e 吐a 珏i c 砖p 鑫f 掰弧e t 嚣st e s t i n ga n d a n a 薹y s i so fc o 出a n dr o c k ，垃l eo p t 抽1 i z a 畦o nb a s i so na r t i 蠢c i 懿n e u r a ln e t w o r ka n d e x p e ns y s t e m ( a n n e s ) ，n l em l m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o m p m e r ，m ea n a l y s i so f 饿e 烈冀t h cp a p 锻s y s t e m i c 砖l y 鞠dd e e p l y s t h d i e do 糕氆eb o l t s u p p o r t i n g c b 斟a c t e f i s 醢e so f a i 出i 瓠弧ep 礞e fa d o p t 8t h ed y n a 搬沁s t a t ed e s i 辨f o rw o 瘦i n g s c o a ld r i f t st od y n a m i cp r e s s u r et od e s i g nt h ob o ns u p p o r t i n go f4 t ha 芏l d6 t hc o a 重 s e a 芏l l s g a t e si n 也e “0 0 ml e v e l a n a l y s i sa l l dr e s e a r c hs h o wt h a t 也es t a b i l i 移o f e o a l d 畦彭富q 秽掇n g 媾强n 盛珏gf o 呔a f ea 氐g 穗畦努t h 嚣m 函 l 毽e o 琏礁t i o n 托d t 。h n o l o g y ， 血em e c h a i l i c so fc o a la n dr o c k s ，a n dt h es h a p ea i l dp 黼t e r so f s l l p p o f t l o c a la p p l i c 嘶0 n si n d i c a t et h a tt h ed e 8 i g nm e t h o db a s i so nq u a l i 衄t i v ea i l d 粼i t a t i v e 髓藏y s 主so n 氇e s e 巍c t o f si s 豫舔曲l e 鞑d 挽8 s 逊至c 。繇ep 狳氐c t i o 毪 f i l m i s ht h e t h e o r y8 i s to f t l l eb o hs l 岬o r t i n go f c o a ld r i f t s ，e s p e c i a l l yp r e r v i n gc o a l p i l l a ri nm ec o n d i t i o no fg o b s i d ed r i v i n ga l l dw o r k i n g sc o a l - d r i r 8t od y n a 武c 龚蛩豁鞠秀鑫珏痤l 攥转- o v 。氇e 臻箍i 赫主e 萎a 狂c eo f 霉8 圭e 黼y 蠢珏矗臻嚣e 。矗蠢耋耋o l 撼o fs 蕊耋y p r o d u c t i o n i tw i np m 、，i d es o m ea v a i l a b l er c 融。e n c e sf o ro t l l e rs i m i l a rr o a d w a y s u p p o r t i n g k e yw o r d s ：c o a ld r i f t ；b o l ts u p p o r t i n g ；r o a d w a ys u r r o 妣d 主l l gr o c k ；s y s t e m o p 菸撒i z a 蛙。莪；d 弦瓣i es 瞧 ed o s i 秽l c b c n ：t d 3 2 2 i l 独创性声翡 本人声明所垦交的学位论文是本人在导烬指导下进行的研究王 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方l ；乏外，论文中不包含其毽人魏经发表或撰鼍过蕊磺究残皋，也不包 含为获得塞擞堡王太堂或其他教育机构的学位或证书面使用 过的材料。与我一蔺工作的同志对本研究所散昀任何贡献筠已在论文 中髂了明确的说明并表示谢意。 ，3 ， 学位论文作者签名舫 签字嚣辩癣多月弦爵 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完金了解塞邀堡王盘堂有保留、使用学 位论文酶规定，犟：磅究垒在棱攻读学位絮阏论文王律簿知谖产彀_ 单 位属于安徽理工犬学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送爽论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阗。本人授权塞缝毽王 盍堂可以将学位论文的全部或部分内容犏入露关数据库进行捡 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密瓣学位论文在解密髫透耀本授蔽书) 。溪时本人保证，毕韭羞结合 学位论文研究课题再撰碍的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 燃撕枷 签字鏊豢痧磷y 曩蠢 导魉签名： 签字嚣期： 午基 哆 产 市锄 l 综述 l 综述 。 瓣题翡鬟疆 1 1 煤巷中推广镂榜支护的意义 煤炭是我国的主骤能源，也是重要的化正原料。建国以来，在我国的一次 毪蕤滚结穆孛煤炭辑占戆魄薰一壹奁7 镑s 蠢密。煤炭被誉兔王韭瀚粮食，煤炭 工业猩我国国民经济中占有举足轻重的作用。近些年来，煤炭供给不能很好地 灌跫缎济发菠耱嚣求，2 0 辫冬我国滚媒产豢这1 9 辎亿l ，仍不戆满是器求。 在未来的2 0 5 0 年内，我国一次能源生产和消费以煤为主的格局不会改变。然 瑟我鬻煤炭斌存条终复杂，绝大多数矿劳采建共z 搿采。巷灌终荧煤矿势下生 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并下 懿劳动条传和作业蓼境欧及貉壹巷瀵溪援事载，傈谖矿势安全、正鬻生产其有 重要意义。由千巷道所处地层条件复杂多样，围岩性质千差万别，鼠多数糁道 在照务年限内还要经受采动蛉强烈影戆，疑以，煤矿巷遴戆掘进与维护存褒若 难度大、安全性差、成本高等问题，而其中的支护赞用往往高达巷邋工程总费 用的5 0 以上。嚣此，聂展煤巷链枵支护参数优化设诗研究具有十分重要豹理 论和实践意义。 镌桎支护作为一耪有效的采准巷遴支护宠式，由于对巷道匿岩强度懿强健 作用，可显著提高围糟的稳定性，加乏具有支护成本低、成巷速度快、劳动强 度减轻、提高巷遴断蕊利用攀、簿化回采厦端头维护工艺、明显改装作业环境 和安全生产条件等优点，可擞高矿井的经济效益，因而成为世界各翻矿井巷道 的一种主要支护形式。实践表明，锚杼支护技术是答遂支护中的先避技术，是 当今世界巷道支护技术的主要发展趋势，在我国煤巷中广泛推广锚杆支护势在 必行。 煤层巷遂围岩其有菲均匀性和分层性鼗著、受采动影响后嗣岩斑力和燮形 剧烈变化的特点，巷遒围岩破碎区和塑性区较大、易霹落、强度较低，因而巷 道交形速度蔫，交形豢丈，而且常幕有强烈的底擞。因此辩于该类麓道，熊否 保证巷道的安全可靠，关键怒能否有效地提简巷道围岩结构的整体炎护能力， 有效遗貉壶巷邋煤壁辫帮及底黻豹发生。敲在该类赣遘串对锚秆支护设计掇出 了新的课题，对支护设计有着更高特殊的要求，不能简单套用其它嘲采巷邋锚 符支护设诗方浃，登须采用薪静锚耔支护设诗技术。 刘桥一矿煤巷锚杆支护技术优化研究 + 2 阚题戆攥囊 刘桥矿区位于淮北煤田中西部，在地展区划分上属于华北地层区鲁西地层 分馘徐宿小区。本区地层出鼹甚少，多为第四系冲、洪积平原覆盏。刘桥一矿 赴予大吴集复舞勰素部秘起臻，总体主必一不完整魏国耱稳造形态，撬造较灸 发商，地层倾角一般在8 2 7 。，受构造影响局部倾角变化较大。本矿井煤系 地屡为华北晚古缴界二叠系下石盒子组及山西组地层，主要由粒度较小的碎屑 卷、粘土岩及煤鼷组成。主鼗可采煤层为4 煤和6 煤，憨厚为5 6 m ，分三个 承警开采，鏊魏燕要开采l 、珏永乎。 多年来刘桥一矿一直坚持开展支护澈革，大力发展锚杆支护技术并取得了 初步的良好经济效益，但锚枰支护配套形式( 镪网、锚梁网等) 、支护参数的选 择发支护质蠢方薅还零够宠装，涎善瑟袋深度靛苓酝壤觳、煤层赋档条终复杂 多变，煤巷锚秆支护闯题就愈显突出。歼发研究刘桥一矿水平复杂条件下的 煤端锚杆支护设计技术、完蛰支护理论体添已迫在眉髓，煤巷支护潋革必须走 技术截新的路予。 1 2 煤巷锚杆支护研究现状及发展趋势 。2 1 国外煤巷锚杆支护应粥概况 锚秆支护其肖显著靛技术经济优越性，主要表现森：由被动支护交为主 动支护；劳动强度低、旌工方便：辅助运输简单；工作面超前维护简单， 可大幅度提高工作面的生产效率；初鬏投入低、直接成本低。镪籽支护现已 发袋袋为整赛备黧矿并巷遂戮及其它蘧下工程支护兹一狰主要形式。 自上世纪4 0 年代至今，锵杆支护发展迅速，已成为世界主要产煤国家煤矿 支护的主要形式。美国、澳犬制照因煤层赋存条件好，糯道酱遍采用锚杆支护， 其熏妒魄铡这裂l o e ，楚予懿器矮先蟪经。瑟荚、法、德、爨罗凝等贯一些 主簧产煤国家麓锚杆支护经历了一波三拼的反复过程，特别是煤巷锚秆支护， 到8 0 年代以后才陆续得到推广。目前煤锩锚杆支护在遮些国家已很酱遍，例如 法圜、英国煤巷锚枵支护的跳例分别占5 0 、8 0 以上。 8 0 年代双爝，国终链杼支护迅速发艨豹主要原麓悬矿劳开采深度日益增 加，巷道断面不断扩大、压力增大、围者变形严重、锩遒维护条件困难，原来 用袅属支架的矿井型钢重量不断增加，棚躐逐渐减小，仍难以满足麟道维护的 要求。不毽巷遴嶷护费月增麓，瑟嚣藏王、运赣更热毽潦复杂。在遮耱馕况下， l 综述 各国纷纷寻求成本较低、运输、施工篱单方便、控制围岩变形效果较好的镟枵 支护。几十年来，从世界范丽来看，煤巷锚杆支护经历如下发展历程：1 9 4 5 1 9 5 0 ，机械式锚杼的研究与威用；1 9 5 0 1 9 6 0 ，采矿业广泛采用机械式锚枵， 并对锚杆进行系统研究；1 9 6 0 1 9 7 0 ，发明了树脂药卷，葶i 发锚秆技术的一次 革命，树脂锚杆在矿山得到威用：1 9 7 0 1 9 8 0 ，发明管缝式锚杆、水力胀铃式 锚秤并应用，同时研究新的镪秆设计方法，长锈索产生；1 9 8 0 1 9 9 0 ，混含镭 头锚杆、组合锚杼、桁架锚杆及各种特种锚杆得到威用，树脂锚固材料得到改 进。 由于各豳的技术、经济状况及煤层地质条件的差异比较大，煤巷锚杆 支护的发展掰程也表现出备自不阍的特点。 奖国是墩界上最早使用锚杼作为煤矿顶板支护方式的国家( 1 9 1 2 年) ， 依据装得天独厚的她质条件及先避的科技、经济实力，在锚杆支护技术方面 一直处于世男领先水平，是羁翦世器上锚枵支护技术最先进、最成熟、锻抒 使用数量最多的国家，每年锚杆使用量在8 0 0 0 万根以上，约2 5 0 0 0 k m 的煤 巷使耀锚枵支护。由予使用锻抒有效地控制强岩的稳定性，美国敷有的势工 巷道都布置谯煤层中，并认为不能采用锚杆支护的煤层，开采是不经济的。 在6 0 年代末，出予檄鼹镬弱裁憨发明，镞姆健鼹瓣褪当一邦分魄镶都怒鞋 树脂锚固剂全长胶结的形式，并且锚杆的赢径和强度都脊所提高( 直径火约 必1 9 瓣毽，强度大约鸯3 0 0 瓣p 鑫) 。蘧蓑入朝对金长黢缤锤杼瓣撬理及痤曩条箨 的认识，认为商预拉力对于熙大限度地提高顶板的稳定性具有特别重要的意 义。褒7 9 零代末，焚嚣蓄次将涨巍式镶头与撼籍镶霾麓联合傻掰，使褥锈 杆能够实现报高的预拉力，同时锚杆的直径和强度有了进一步的提高( 盥径 这到2 2 瑶毽羁2 5 蕊，强度这翻5 1 7 醚p a ) ，镶籽戆嵩添拉秀掰戮这蠲释律本身 强度的5 0 7 5 。这种锚杆系统的安装速度很快，安装机具不需等到树脂 霜结簸胃虢移至安装下一裰锚释静魏方，溺嚣胃激采用中逮或幔涟耱精锻固 剂。其主要经验有：将锚杆加工产般化；锚杆支护作为一门技术，而非材料 消耗、废品利薅，形成了锈秆产品静多样张、多系捌，戳灞应各种不同静条 件；锚杆设计、制造、服务一体化；将高新技术用予锚杆设计；强调锚杼的 高强震、商预拉力，并将锚秆的预挝力作为锚秆支护的主蘩参数进行设计， 形成了不同与其它国家的锚枰支护方法。 3 刘娇一矿煤巷锚杆支护技术优化研究 澳大利皿锚杆支护技术已经形成比较完整的体系，处于国际领先水平。 澳大利亚绝大多数煤巷采用锚杆支护，主要推广全长树脂锚固锚杆，强调锚 杆强度要高。其锚杆参数设计方法有其独到之处，将地质调研、设计、施工、 监测、信息反馈等相互关联、相互制约的各部分作为一个系统工程进行考察， 使它们形成一个有机的整体，形成了锚杆支护系统设计方法。设计步骤主要 包括以下几个基本部分：地质力学评估，地应力状况和围岩力学性质是地质 力学评估的主要内容；锚杆支护参数设计，在巷道围岩力学评估的基础上， 应用有限差分数值模拟分析辅以工程类比和理论计算进行锚杆支护参数设 计；对初始设计选定的方案进行围岩稳定性分析；现场施工；现场监测、信 息反馈和优化调整设计。 英国在1 9 4 6 年首次试验机械涨壳式锚杆，1 9 5 2 年在n c b 矿大规模使用 机械式锚杆，但由于机械式锚秆不适宜英国较软弱的煤系地层，到6 0 年代 中期，英国逐渐开始不使用锚杆支护技术；8 0 年代中后期开始重新发展锚 杆支护技术，使用比重达到8 0 ，主要引进澳大利亚锚杆技术，包括：采 用高强度的澳大利亚锚杆支护系统( a t 锚杆) ，包括高强度树脂锚杆全长锚 固技术、清洁钻孔的做法、锚杆与钻孔需紧密配合等等，树脂粘结强度达到 5 1 0 m p a ，锚杆锚固力达到2 5 0 k n 以上；根据实际的地质、开采条件，研 究围岩的应力状态，掌握岩层移动、锚杆载荷的分布和发展，合理设计锚杆 支护参数。 德国自1 9 3 2 年发明u 型钢支架以来，u 型钢支架发展迅速，支护比重 达到9 0 以上；自8 0 年代以来，由于采深加大，u 型钢支架支护费用高， 巷道维护日益困难，开始使用锚杆支护；8 0 年代初期，锚杆支护在鲁尔矿 区试验成功后获得推广，现已应用到千米的深井巷道中，取得了很多有益的 经验。另外，法国在6 0 年代中后期引进由德国发明树脂全长锚固技术后， 对树脂锚杆进行深入研究，煤巷锚杆支护技术的发展也很迅速，到1 9 8 6 年 其比重已达5 0 。 1 2 2 国内煤巷锚杆支护应用概况 自上世纪5 0 年代以来，锚杆支护技术在我国也得到了逐步应用，煤矿 于1 9 5 6 年开始使用锚杆，主要是机械端锚和钢丝绳砂浆无托盘锚杆，用在 较稳定的岩石巷道中：7 0 8 0 年代，国家科技攻关中一直将软岩锚杆支护 列为主攻方向之一；8 0 年代末期，开始引进澳大利亚技术，树脂锚杆研制 1 综述 成功并推广应用，煤巷锚杆进入发展的快车道，i 、i i 、i i i 类巷道锚杆支护 很快取得成功，、v 类巷道也积累了很多经验，煤巷锚杆的推广应用力度 进一步加强，但由于我国煤矿地质条件相对于美国、澳大利亚、英国等更加 复杂，我国煤巷锚杆支护不仅要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的i 、 i i 、类回采巷道。而且要使用在软岩回采巷道、深井巷道、沿空掘巷等复 杂困难条件下，所以总体使用比重较低，各地区发展很不平衡。 我国煤巷锚杆支护技术发展大体上经历了四个阶段： 1 ) 8 0 年代中后期的起步阶段：主要进行一些基础性的研究和试验，煤 巷锚杆支护的应用主要集中在少数几个矿区，如徐州、新汶、淮南、西山等； 2 ) 1 9 9 l 1 9 9 5 年的攻关阶段：煤巷锚杆支护技术作为国家“八五”期 间的重点项目进行攻关，取得了一大批科研成果，锚杆支护应用范围明显扩 大； 3 ) 1 9 9 6 1 9 9 7 年的引进和消化阶段：引进国外技术，推动我国煤巷锚 杆支护技术的发展和提高。在引进、吸收和消化的基础上，结合我国具体情 况，集中现场、科研院所及大专院校等多方面的优势，经过两年大规模研究 和试验，初步形成了适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护成套技术； 4 ) 1 9 9 8 年至今的推广和提高阶段：国内各大矿区广泛推广应用，取得 了显著的技术经济效益。煤巷锚杆支护的比例已达到2 0 以上，少数矿区已 超过5 0 ，全国每年约有2 6 0 k m 的煤巷采用锚杆支护。 随着市场经济的建立与完善，价格的高低往往成为支护形式取舍的主导 因素，进一步刺激了煤矿现场使用锚杆支护技术的兴趣与决心，要求在软岩、 动压巷道及煤巷中采用锚杆支护的呼声越来越高。如原煤炭工业部1 9 9 5 年 也提出：“煤巷锚杆支护是我国煤矿继综合机械化采煤之后的第二次支护技 术革命”，并将“煤巷锚杆支护技术”列为煤炭工业“九五”重点科技攻关 项目的五个项目之一，在攻关研究的基础上，在我国煤矿大力推广煤巷锚秆 支护技术，已基本形成了由设计方法、支护材料、施工机具、工程监测等构 成的煤巷锚杆支护成套技术。但煤巷锚杆支护1 9 9 8 年仅占2 0 1 4 ，和世界 先进水平相比存在较大差距，因此在煤巷中发展锚杆支护有很大潜力。 1 2 3 煤巷锚杆支护发展的特点 综合世界主要产煤国家煤巷锚杆支护发展经验，其主要特点是： 1 ) 在支护设计上，以巷道围岩地质力学评估及井下实测数据为基础，强 刘桥一矿煤巷锚杆支护技术优化研究 调最大水平应力在巷道布置与支护参数设计上的应用，形成一整套比较科学 的设计方法。 2 ) 有比较可靠的配套机具，采用掘锚一体化联合掘进机或性能良好的单 体锚杆钻机，满足施工要求，并能实现快速掘进。 3 ) 采用高强魔、超高强度材料制造锚杆，加工精细，将锚杆作为产品、 实现了产业化、商品化，而不是简单的支护材料，并形成适用于不同条件的 系列化产品。 4 ) 采用可靠的监测手段，大力推广应用顶板光纤窥视仪、顶板离层指示 仪、围岩深部多点位移计、测力锚杆等监测仪器。 5 ) 坚持科学管理，严格质量监测，形成了从理论到实践的完善的锚杆支 护技术体系。 透过世界各国锚杆支护的应用历史，单从锚固技术和手段的演变看可将 其归结为3 个阶段： 1 ) 机械式端头点锚固锚杆的应用阶段。4 0 年代开始，在5 0 6 0 年代广 为推广的锚杆支护主要型式是机械端头锚固，分为楔缝式、涨壳式、倒楔式 等，其特点为锚固力低、系统刚度小、可靠性差，受岩性影响大，不易在软 岩中使用，英国煤矿采用该类锚杆支护的实践表明它不适宜在软弱煤层中应 用，一度停止在煤巷中使用锚杆支护。机械式端头点锚固锚杆的技术特征客 观上导致了使用的局限性，并出现锚杆支护技术和使用的徘徊期。 2 ) 全锚锚杆的提出。7 0 8 0 年代各种新型锚杆相继问世，如砂浆锚杆、 树脂锚杆、管缝式锚杆、水胀锚秆等，它们的特点为全长锚固、锚固力大、 可靠性高，适应性强。b c a v e r s o n 在w h i t ep i n e 矿研究聚脂树脂锚杆和涨 壳式锚杆的拉拔试验，得出粘结式锚杆比机械式锚杆的锚固力大1 7 3 倍： e w p a r s o n s 和l o s e n 的测试证实粘结式锚杆锚固力随围岩变形的增加而 逐步增大，机械式点锚固锚杆的锚固力初期总有个急剧下降的过程，然后就 维持在较低的水平。上述研究成果对机械式点锚固锚杆的淘汰和全锚锚杆尤 其是树脂锚杆的推广应用发挥了重要作用。 3 ) 树脂锚杆占领市场阶段。8 0 年代以后，树脂锚杆以其优越的锚固性 能和简易的操作工艺逐渐占领了锚杆市场。砂浆锚杆由于灌浆工艺复杂，凝 固时间长，胶结质量难以保证，管缝式锚杆和水胀锚杆易锈蚀，锚固力受到 钢材和围岩松弛的影响，只能在某些条件下发展应用，此外各种适应特殊要 求的锚杆得到发展，如适应可切割要求的玻璃纤维锚杆、塑料锚杆，适应软 6 l 综述 岩大变形要求的等塑性锚杆，适应大跨度的桁架和锚索等。 1 2 4 煤巷锚杆支护理论研究现状 锚杆支护是通过围岩内部的杆体，改变围岩本身的力学状态，提高围岩的 强度，从而在巷道周围岩体内形成一个完整稳定的承载圈，与围岩共同作用， 达到维护巷道的目的。如何正确认识锚杆及锚杆系统的作用机理，对于正确地 设计和应用锚杆支护，最大限度地发挥锚杆系统的主动支护能力，具有重要的 意义。因此，研究锚杆支护作用机理的目的在于弄清锚杆支护与围岩之间的相 互作用关系，从而为锚杆支护设计奠定坚实的理论基础。 自从锚杆支护问世以来，人们一直把锚杆支护作用机理作为一个重点，进 行了广泛、深入的研究。到目前为止，已提出多达十几种锚杆支护理论，这些 支护理论在生产实践中起到了积极作用。 锚杆支护理论有悬吊理论、组合梁理论、组合拱( 压缩拱) 理论、最大水 平应力理论、围岩松动圈理论等。悬吊是最早的锚杆支护理论，它具有直观、 易懂及使用方便等特点。特别是在顶板上部有稳定岩层，而其下部存在松散、 破碎岩层的条件下，这种支护理论应用比较广泛。其主要缺陷是仅考虑了锚杆 的抗拉作用，没有涉及其抗剪能力及对破碎岩层整体强度的提高。组合粱理论 充分考虑了锚杆对岩层离层与滑动的约束作用，适用于层状岩层。该理论认为， 锚杆提供的轴向力将对岩层离层产生约束，并且增大了各岩层间的摩擦力，与 锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相对滑动。加固拱理论认为，即使 在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，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，它可以承受破坏区上部破碎 岩石的载荷。加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软岩巷道中得到 较为广泛的应用。 ( 1 ) 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1 1 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，顶板出现松动破 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。 7 刘桥一矿煤巷锚杆支护技术优化研究 这是悬吊理论的进一步发展，如图1 2 所示。 根据悬吊岩层的重量就可以进行锚杆支护设计。 悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用，在分析过程中不考虑围岩的自承 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。悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。如果项板中没有坚 硬稳定岩层或顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范围较大，无法将锚杆锚固到上 面坚硬岩层或者未松动岩层上，悬吊理论就不适用。 ，i 、 i3 、 之1x 图1 - l 锚杆的悬吊作用 图1 2 顶板锚杆悬吊松动破裂岩层 ( 2 ) 组合梁理论 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，锚杆的悬吊作用居次要地位。 如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚 固力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； 另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，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) 。这种组 合厚岩层在上覆岩层载荷的作用下，其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，如图1 3 所示。 根据组合梁的强度大小，可以确定锚杆支护参数。 ( a ) 未打锚杆( b ) 布置顶板锸杆 图1 3 顶板锚杆的组合粱作用 l 黥遮 组台梁理论熙对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释。在分析中，将锚 秆律恩与罄者韵翻稳佟惩箭齐，与实际情况蠢定差距，并越随着饔麓条件麴 交纯，程顶板较破碎、连续往受掰酸环霹，缀合粱也就不存在7 。 组合粱理论哭逶含于艨状顼叛罐抒支护戆设计，对予巷道约攒、底不嚣用。 ( 3 ) 缀合拱匿缩拱) 理论 缀含擞理论认为；在拱形巷遵溺者的破裂隧中安装预斑力锚秆时，在秆体 两端将形成菡锥形分稚的驻疲力，鲡采沿巷邋箍遍布置镄秆群，廷要锚辑褥躐 足够小，各个镄糁形成豹熊应力毅镞髂将楣纛变锩，就越农岩体中形成一个均 匀豹压缨带，即承压拱( 亦褥组仑拱域压缭拱) ，这个承聪拱可以承受其上郏破 碎潘石旋加的径向荷栽。程承隧拱内的岩石校向及切向筠受压，处予三向应力 状态，其围岩强度得蠲提黼，赢撵麓力也相威加大，如阉1 4 所示。因此，锚 移支护麴关键在予凝壤较大戆零运拱殍发麴较舞豹强度，冀厚痍越大，越鸯剩 于潮岩的稳定和支承熊力豹提蹇。 组合拱理论猩一定程度上搦示了锚杆支护的你用机理，但在分析过程中没 有深入考虑阐岩一支护的相互作用，只是将各支护结构静最太支护力简单榻热， 鼓嚣褥劐复含支护结褥总豹最大支护力，缺芝对被热露瓣访零隽力学黪凑耱进 一步分辑探讨，诗冀魄与实嚣壤凝存在一定熬难，一般琴裁终为准确瓣定爨设 计，但可作为锚枰加围设计和施工的重要参考。 塑l 。4 镰耪的缎套拱擐理 ( 4 ) 阉岩松动躁嶷护理论 围岩松渤圈理论认为：地应力与围岩相筮作用会产生围岩松动阐；松 9 刘桥一矿煤巷锚杆支护技术优化研究 泰、骨悄 j j 鼗髓朗断酉 曩佳方向 量劣方向 ( 8 ) 巷遒平行于主应力( b ) 巷道与主应力呈4 5 。夹角( c ) 巷道与主应力里9 0 。夹角 圈1 5 应力场效应 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( 图1 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。 最大水平应力理论，论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚 杆支护所起的作用。 在设计方法上，借助于计算机数值模拟不同支护情况下锚杆对围岩的控制 效果，进行优化设计，在使用中强调监测的重要性，并根据监测结果修改完善 初始设计。 1 0 1 综述 ( a ) 约束岩层膨胀( b ) 约束岩层错动 图1 6 锚杆加固作用示意图 ( 6 ) 围岩强度强化理论 随着锚杆支护理论研究的深入，开始涉及到锚杆支护机理的实质问题，国 内外学者对锚固后围岩岩体力学性能的改善进行了研究，深度不同地探讨了锚 杆加固后提高岩石强度d 、弹性模量e 、粘聚力c 和内摩擦角书等问题，取得了 相应的研究成果。这些研究成果，在一定程度上定性或定量地再清了一些重要 问题，例如锚固体的极限强度和e 、c 、由的提高等，但这些研究成果主要偏重 于地表加固工程和浅埋隧道工程。对于煤矿巷道特别是煤巷，由于围岩松软、 埋藏深，受采动、构造应力的影响，地应力很大，巷道围岩破坏严重，因而， 其周围存在着破碎区、塑性区和弹性区，相应巷道周围锚杆锚固区域的岩体则 处于破碎区或处于上述两个或三个区域之中，相应锚固区域的岩石强度处于峰 后强度或残余强度。只有掌握围岩峰值后强度和变形的特点以及锚杆对提高围 岩峰值后强度和残余强度的作用，才能从根本上揭示锚杆支护的作用机理。 国内外学者对锚杆锚固前后岩体力学性能的变化也进行了比较全面、系统 的研究。研究结果表明，岩体锚固后可不同程度地提高其强度、弹性模量、凝 聚力和内摩擦角等力学参数。而且，锚杆的主要作用是改善破碎区、塑性区内 岩石的力学性质，提高其屈服后的强度。有无锚杆约束时岩石应力应变曲线如 图1 7 所示。可见，锚杆显著增加了岩石屈服后的强度，使岩石的破坏变得比 较平缓。 刘桥一矿煤巷锚杆支护技术优化研究 o 图1 7 锚固前后岩石应力一应变关系 综上所述，根据煤巷围岩变形、破坏的特点对煤巷锚杆支护机理进行概括， 其要点如下： 1 ) 回采巷道围岩变形和破坏的规律在回采期间不同阶段具有明显差别，因 此，锚杆支护的作用在巷道不同受力阶段有其不同的特点； 2 ) 锚杆的早期作用主要是阻止破碎岩块掉落并抑制浅部围岩扩容和离层， 减小岩层压曲和弯曲失稳的可能性，锚杆安装越及时，预紧力越太，支护效果 越好； 3 ) 随着时间的推移和受到采动影响，巷道围岩的破坏范围会逐渐扩大，当 锚杆能伸入稳定岩层中时，其作用主要表现为，将破坏区岩层与稳定层相连， 阻止破坏岩层垮落，同时，锚杆提供径向和切向约束，提高破坏岩石强度，阻 止破坏区岩层扩容、离层、滑动，从而提高其承载能力； 4 ) 锚杆不能伸入稳定岩层时，锚杆的作用主要是提高破坏岩层的整体强度， 在破坏区内形成承载结构，它不仅可保持自身平衡，而且可以阻止上部破坏岩 层的进一步扩容和离层，同时使围岩深部的应力分布趋于均匀和内移； 5 ) 钢带和钢筋托梁等组合构件的早期作用主要是防止锚杆间的破碎岩块掉 落，随着锚固区岩层扩容、离层的增大，钢带受力逐渐增加，对锚杆间的围岩 施以径向约束，阻止其产生进一步的扩容和离层，从而增加岩层承载能力； 6 ) 当锚固岩层发生压曲和弯曲失稳后，钢带和倾斜锚杆形成组合支护系统， 阻止破坏岩层垮落和发生较大的转动； 7 ) 回采巷道煤帮的变形破坏特征主要是扩容、松动和挤出，由于煤层强度 较低且受到采动影响，所以回采巷道两帮支护显得尤为重要，打锚杆后对煤帮 的两种变形均有控制作用。加钢带后效果会更好。 l 综述 1 2 5 发展趋势 从世界各国的应用情况看，高强螺纹钢树脂锚杆技术较好地解决了支护 系统本身的强度和锚杆与围岩的锚固技术问题，并形成了一套相对成熟的体 系。国内外很多学者对大量巷道冒顶事故及顶板严重离层变形的现象进行了 分析，发现导致冒顶的原因不仅仅是锚杆强度不够造成的，也不能通过增加 锚杆密度来解决。锚杆的预拉力( 初锚力) 起到了更为关键的作用。美国 a w a h a bk h a i r ( 1 9 9 2 ) 观测了高水平地应力与巷道顶板产生的离层及剪切破 坏程度的关系，并提出了采用锚杆桁架控制巷道顶板的措施。美国 j s t a n k u s ( 1 9 9 4 、1 9 9 7 ) 和s o n gg u o ( 郭颂，1 9 9 7 、1 9 9 8 ) 系统地研究了水平 地应力对巷道稳定性的影响，认为水平地应力是造成巷道顶板离层垮冒、底 板鼓起的主要原因，但可以通过提高巷道顶板锚杆预拉力，将水平地应力的 消极影响变为积极的作用，从而极大地提高巷道的稳定性，并开始在锚杆支 护设计中考虑锚杆预拉力的影响。中国学者朱浮声教授( 1 9 9 3 ) 、郑雨天教授 ( 1 9 9 5 ) 的研究表明：当锚杆预拉力达到6 0 7 0 k n 时，就可以有效控制巷道顶 板的下沉量，并通过加大锚杆的间排距，减少锚杆用量；陆士良教授( 2 0 0 0 ) 、 漆泰岳博士( 2 0 0 2 ) 阐述了锚杆锚固力随巷道围岩变形损伤而呈现的上升、稳 定、衰减和失效的变化规律，论述了锚杆阻力下降和失效是大变形巷道锚杆 支护所具有的基本规律，提出了锚杆预应力，采用全长树脂锚固，可明显改 善锚杆的实际工作特性，实现锚杆强初撑、急增阻和高阻力，提高围岩的自 承力，从而有效控制围岩变形；候朝炯教授、何满潮教授、董方庭教授等对 困难复杂困难条件下巷道预应力锚杆锚固技术及锚固机理进行了全面系统 的研究，形成了一套完整的锚杆支护体系。 如何把握锚杆支护技术的演变趋势，应用预应力技术成果，从普通圆钢 锚杆、高强度螺纹钢锚杆，进一步发展到预拉力锚杆支护技术，是非常值得 研究的问题。张农等在淮南新区锚杆支护技术攻关中，充分强调和应用了高 预拉力锚杆支护技术的预应力支护思想，提出控制离层或从根本上消除离层 的最直接最有效手段是利用高预拉力锚杆支护形成“刚性化”预应力顶板结 构，最大限度地控制顶板初期变形，消除或大大减缓顶板离层，并从根本上 控制巷道围岩的最终变形量，这一思路己得到大量实践的证实，在十分复杂 1 3 划耩一矿煤巷链轩支护技术捷纯磷究 鲍离殿破碎擞顶板下采用琰痤力支妒技术取褥成功。颈应力技术体系不仅艟 够克服高强锚符存在的主要技术问藤，有效控制顶板离层破坏，谳且大大提 离了支护围崽系统的安全可靠性。 在传统锚杆承载能力及预应力普遍非常小的情况下，锚杆支护对于麓道 周边威力场的影响很小，基本上可以忽略举计，所以很多支护理谂方面黻褫 巷道镝秆应其有一寇的让舔性能，并由此发明了可拉伸锚秆。但黻着树脂锚 固剂、高强度及超高强度锚杆、预按力锚索等新材料、颏技术在矿山巷邋支 护中的应用，使大幅度提高顶板豹预应力成为可能，并可洳此调獠巷道周边 的应力场，利用水平地应力的积极作用，最大限度地提高辫体本身的承载能 力，这到事率功倍的支护效莱。 锚杆支护形式和参数的设计是锚杆支护设计的关键因素，是关系到巷邀锚 秆支护工鬏酶菝董饶劣、是嚣安全可靠班及经济是番合理等薰要阏惩，函蕊广 泛被阑内外学者所重视。巷邋支护情况的好坏主要取决于锚杆支护形式和参数 懿设诗。 1 。3 煤巷锚杼支护设计方法研究现状 在国外，锚杆支护技术研究和应用较早，目前国外主要产煤国家均有适合 垂身条释静爨穗罐籽嶷护设诗方法。攥交簸，德国巢耀有隈嚣、骞辍差分遴行 分析、计算，对煤巷锚杆支护参数设计。法圆因地质条件变化相对较大，设计 方法虢经验炎蒺秘。澳丈裂鼗、英謇等摄据实溅取褥酶蚕者力学蛙壤摇标魏逡 应力基础数据，进行地质力学评估，熏视水平应力的作用，采用了“地质力学 评嫠谤葵撬数篷模羧透露袭始设计- 瑗场薅工、整溯一售塞凝馊，骖改完蓑设 计”。美国在现场监测、信息凝馈的基础上进行煤巷锚杆支护设计，搬顶板特性 与镶移支护参数缝会起来，形成一令逶月戆方程式或诺模霆，爨选撵会瑾黪链 杆类型和支护参数。两班牙利用计算机进行信息贮存与检索获取现场资料，经 计冀樵处理，提供可选择的支妒参数。最近，美莺沁藏珏m a f 公司窝鞭势吉懋囊 大学联合开发出一种新计算机软件，在实际成用时，将各煤矿的具体地质参数、 生产技术参数按照设计规范辕入，遁过计算枧熬自动运算攘壤，最蕊确定感会 理的镄杆支护参数。 在国内，煤巷锚籽支护技术研究起步较魄，8 0 年代后期，睫着支护成本黪 不断增加，促进了煤糕锚秆支护技术的研究。 1 4 1 综述 1 3 1 经验类比法 这是一种理论研究与广泛进行现场监测数据分析相结合的方法，是建立在 已有工程设计和大量工程实践成功经验的基础上，在围岩条件、施工条件及各 种影响因素基本一致的情况下，根据相似条件的已有经验，进行待建巷道锚杆 支护类型和参数设计。实践表明，在工程条件相近时，采用工程类比法进行锚 杆支护设计可能十分成功。然而，由于我国在综放回采巷道中采用锚杆支护尚 处于试验阶段，另外煤层赋存条件千差万别，巷道锚杆支护常处于动压影响范 围，其围岩应力分布、围岩运动有其自身的特点，使用时须参照多方面的经验 加以应用。 1 3 2 理论计算法 对于顶板为煤层的综放回采巷道而言，锚杆支护的悬吊理论、组合梁理论 和加固拱理论，都无法解释锚杆支护对全煤巷道的作用机理。为了解决综放工 作面全煤巷道锚杆支护难题，北京开采所选择了煤质比较松软的邢台煤矿全煤 巷道和埋深大、矿压显现剧烈的东滩煤矿全煤巷道进行研究，提出了一种全煤 巷道锚杆支护机理锚固平衡拱原理，该原理认为，锚杆支护对于提高围岩 ( 特别是松散围岩) 自身的最大承载能力没有明显效果，但当围岩产生塑性破 坏后，对提高围岩的残余强度及承载能力有显著作用；锚杆与其锚固范围内的 煤体构成一种组合型锚固支护体，在锚杆的约束与抗剪作用下，使塑性破坏后 易于松动的煤体或煤顶形成具有一定承载能力，并可适应围岩变形的平衡拱， 从而提高了煤体的整体性，防止顶煤松散冒落，锚固平衡拱内存在着关键承载 环，对巷道顶板具有良好的支承作用。并根据该原理，对上述两巷道成功了组 合锚杆支护技术，经受住回采动压影响，取得显著的技术经济效益，为厚煤层 综采放顶煤全煤巷道合理支护，提供了可靠的技术保证。 潞安矿务局对全煤巷道( 两帮实体煤) 的锚杆支护技术进行了研究，主要 思路是应用松动圈理论设计锚杆支护参数，该理论认为，当围岩应力超过围岩 强度时，将在围岩中产生围岩松动圈，当围岩强度已定，则围岩松动圈的大小 将随围岩压力的增大而增大，在普通巷道中围岩松动圈的大小决定于原岩应力， 在受采动影响的巷道中，采动集中应力将决定围岩的松动圈尺寸和形状，因此， 支护的主要对象是围岩松动圈在形成过程的碎胀力，松动圈越大支护越困难， 锚杆支护具有使松动圈内的围岩恢复强度和主动支护的能力，因此按采动影响 最大松动圈的支护要求设计锚杆支护参数，可以将平巷支护一次完成。 1 5 刘桥一矿煤巷锚杆支护技术优化研究 中国矿业大学矿山压力研究所，在分析已有研究成果的基础上研究并提出 了巷道锚杆支护围岩强度强化理论。该理论揭示了锚杆的作用机理和加固巷道 围岩的实质，并为合理确定锚杆支护参数提供了理论依据。其基本内容如下： 由于围岩松软、埋藏深、受采动和构造应力影响等原因，煤层巷道围岩破坏严 重，其周围存在破碎区、塑性区和弹性区，锚杆锚固区域的岩体则处于破碎区 或处于上述两个或三个区域中，相应地锚固区域的岩石强度处于峰后强度或残 余强度。煤巷锚杆支护的作用就是对锚固体提供围压，使巷道围岩特别是处于 蜂后区围岩强度得到强化，提高峰值强度和残余强度，改善峰后岩体力学性能。 南屯煤矿结合本矿的地质条件，依据悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用 对其1 3 上0 3 综放面上顺槽进行了锚杆支护设计，设计出的参数满足了生产和 安全要求。从上述可看出理论分析法是在一定条件下提出的，并且在分析过程 中，对围岩的力学参数作了许多简单假设，计算中的若干参数还难以获得，因 此，理论计算结果与实际差别较大，理论分析法还需进一步研究和完善。 1 3 3 数值模拟法 当前，最流行的是以计算机数值模拟计算为基础的锚杆支护设计。数值模 拟方法是通过对结构系统构造数学模型，利用计算机求解大规模的代数联立方 程组来模拟结构系统的反映过程的。数值模拟方法主要借助于有限元、离散元 和有限差分等专用计算机软件来实现。 徐州师范大学技术教育学院陆德平根据三河尖矿据东一采区矿煤层的具体 条件，在大型平面应变试验台上对综放回采巷道的矿压显现特点以及支护参数 和煤柱尺寸的影响进行了模拟试验研究，获得不同支护参数和支护方式下的巷 道变形规律和围岩破裂范围，所得结论对确定综放回采巷道锚网支护参数具有 指导意义。 鲍店煤矿应用数值分析和物理模拟分析了综放沿空巷道锚杆支护时的围岩 应力分布情况和变形破坏规律，从模拟结果表明，鲍店煤矿综放面沿空掘巷采 用锚杆支护技术是可行的，从而对确定巷道支护形式和支护参数具有一定的指 导意义。 中国矿业大学的张农、侯朝炯等应用采场关键层围岩结构理论分析及 f l a c 3 3 程序开展了详细的综放沿空掘巷采掘过程数值模拟研究，深刻揭示了 综放采空侧下位煤岩体变形和运动特点，提出综放采空侧巷道上覆围岩结构稳 定的基本规律，为确定及采用锚杆支护奠定了理论基础。 1 6 l 综述 但数值模拟方法也存在不足，其优缺点随着所研究的介质类型、计算精度 以及计算机硬件的不同而不同。数值模拟方法的应用不仅对各种计算机软件要 有充分的理解，而且对所研究的问题、介质类型、求解精度以及边界条件、参 数选取等也要有清楚的认识。否则，数值模拟分析结果与实际差别较大，起不 到应有的作用。 1 3 4 专家系统法 1 9 9 5 年淮南工业学院郭兰波教授等与平顶山煤矿集团公司联合开发了煤 及半煤岩巷锚梁网支护专家系统( p m z e s ) ，利用该系统可对煤及半煤巷锚梁 网支护系列选型。煤科总院北京开采所的康红普高工等人，基于巷道围岩的关 键承载圈理论开发了锚杆支护设计软件b o l t i n g 。1 9 9 6 1 9 9 7 年邢台矿务局与 中国矿业大学、煤科总院北京开采所和北京建井所、上海分院合作，进行了“邢 台矿务局煤巷锚杆支护成套技术研究”，研制了以地应力为基础的煤巷锚杆支护 设计方法，并开发了相应软件。山东矿业学院谭云亮教授等对顺槽巷道锚杆支 护决策咨询系统进行了研究，并开发研制了锚杆支护决策专家系统( b d e s ) 。 专家系统方法存在一定的局限性，如p m z e s 专家系统和b d e s 专家系统 设计中采用模糊聚类法进行围岩分类，分类中指标权值的分配等受人为因素影 响较大，且知识库收集的数据仅局限于部分的局、矿，应用范围受到一定的限 制。 1 3 5 系统设计法 该设计方法主要包括现场地质力学评估( 地应力测试、地质状况调查等) 、 数值模拟及理论分析，确定初始设计方案、现场施工、监测，根据监测反馈信 息修改、完善设计等几个步骤。焦作矿务局古汉山矿在煤科院北京开采所帮助 下，开展了全煤巷锚网支护试验研究，采用动态设计方法，对1 1 0 6 1 工作面上 巷进行了锚杆支护设计，根据锚杆支护巷道围岩地质力学调查，首先采用煤巷 锚杆支护设计系统的b o l t i n g 软件，提出设计方案，进行数值模拟，并结合经 验法，确定锚杆支护方案，并在实施中，对围岩运动进行监测，已确保支护安 全可靠。实践表明，这是一种比较科学合理的锚杆支护设计方法。但该方法是 已地应力为基础，地应力测试需要先进的仪器和设备，工作难度大，煤矿现场 因受条件所限，短期内还难以推广应用。 上述锚杆支护设计方法的开发应用为促进我国煤巷锚杆支护技术的推广应 1 7 鲻辑一矿攥巷镟耪支护技