（采矿工程专业论文）综放工作面空巷围岩控制理论研究.pdf

棚埘胤文p 5 1 8 2 7 1 、 摘要 本文围绕综放工作面空巷围岩关键结构、小结构稳定性问题，探 讨了该类巷道围岩变形的基本规律，分析了空巷围岩应力特点及其影 响围岩变形的力学机制：建立了上覆岩体关键结构的力学分析模型， 研究了关键结构的稳定性原理，认为该类巷道采用锚杆支护具有先决 的外部条件：对该类巷道围岩特性、锚杆锚固性能和效果研究的基础 上，提出了空巷围岩小结构的观点，探讨了小结构的应力和变形特点； 从小结构整体稳定的前提出发，提出了保持小结构稳定的高强度锚杆 支护体系和实现高强度锚杆支护的锚丰1 。支护技术，从而形成了综放工 作面过空巷时空巷围岩稳定及其控制的理论体系。 关键词；空巷关键结构小结构锚杆支护 太原理工大学硕 研究生论文 a b s t r a c t c e n t e r e da r o t m dt h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c kk e ys t r u c t u r ea n d s m a l ls t r u c t u r eo fr o a d w a yi nf u l l y m e c h a n i z e dc a v i n gf a c e t h eb a s i c p r i n c i p l eo f t h i sk i n do fa b a n d o n e dr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ki si n q u i r e d ， t h es t r e s sc h a r a c t e r i s t i co f t h er o a d w a ya n dt h em e c h a n i cm e c h a n i s mo f t h e s u r r o u n d i n gr o c k d e f o r m a t i o na r ea n a l y z e d t h em e c h a n i ca n a l y s i sm o d e l o ft h eo v e r l y i n gk e ys t r u c t u r ei s b u i l t ；t h es t a b i l i t yp r i n c i p l eo ft h ek e y s t r u c t u r ei ss t u d i e d f o r mt h ea b o v e w eb e l i e v ei th a sp r i o r i t yt oa d o p tt o b o l ts u p p o r t i n gf o rt h i sk i n do f r o a d w a y b a s e do ns t u d y i n g t h es u r r o u n d i n g r o c kc h a r a c t e r i s t i co ft h i sk i n do fr o a d w a y , t h ea n c h o r a g ef u n c t i o na n d a n c h o r a g er e s u l to ft h eb o l t ，t h ev i e wo fr o a d w a ys m a l ls t r u c t u r ei sp u t f o r w a r d ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fs t r e s sa n dd e f o r m a t i o nf o rs m a l ls t r u c t u r ei s i n q u i r e d ，t h eh i g hi n t e n s i t yb o l ts u p p o r t i n gs y s t e mt ok e e ps m a l la m c t u r e s t a b i l i t ya n dt h et e c h n i q u e t or e a l i z et h eh i g hb o l ts u p p o r t i n g s y s t e m a r ep u t f o r w a r d t h et h e o r ys y s t e mo fs t a b i l i t ya n dc o n t r o l l i n gf o rr o a d w a yi n f u l l y m e c h a n i z e dc a v i n gf a c ei sf o r m e d k e y w o r d ：a b a n d o n e dr o a d w a y k e y s t r u c t u r es m a l ls t r u c t u r e b o l t s u p p o r t 太原理工大学硕士研究生论文 1 绪论 1 1 课题研究的意义 我国是世界上主要的产煤大国之一，厚煤层的储量十分丰富，占 总储量的4 5 6 3 ，产量则占原煤产量的4 4 8 以上。据1 9 9 8 年我国国 有大中型煤矿统计，拥有5 米以上厚煤层的生产矿井数量为生产矿井 总数的4 0 6 ，长期以来，由于煤层赋存条件、开采习惯、以及开采设 备等因素的制约，厚煤层的开采一般采用整层开采、分层开采和放顶 煤开采三种方法进行。其中综放技术自1 9 8 2 年被引进到我国后，1 9 8 4 年便开始了工业性试验。十几年来，综放技术以其高产、高效、低耗、 安全等优势在我国得到了迅速发展。目前，我国综采放顶煤已走在了 世界的前列。 综采放顶煤技术在我国已取得了较好的技术经济效益，并且有广 阔的发展前景。大量的生产实践表明，综放开采在采场和回采巷道的 矿压显现规律及围岩控制方面与其它开采方法明显不同。近几年，关 于综放采场的煤岩稳定性及其控制的研究得到了国内外学者的重视， 并取得了大量的成果。 伴随着生产技术水平的提高和生产需求的扩大，一些矿井通过对 原设计生产能力的“改型”，实际生产能力远远大予最初的设计生产能 力，导致一部分矿井的服务年限缩短，提前进入衰老期。对于这些矿 井来说，实现残留煤柱的回收，不但可以延长矿井的服务年限，提高 资源的回收率，而且对于保证一方社会的稳定具有重要意义。 残留煤柱中，分布着为原来采区服务的各种巷道，要想实现煤柱 的回收，工作面如何安全通过空巷是一个不得不面对的闯题。目前， 工作面过空巷( 在工作面前方一般与工作萄相平行的巷道) 一直是煤矿 开采中未能很好解决的技术难题，由于综放工作面设备体积大、数量 多，回采过程中需要更大的安全稳定空间，特别是综放工作面通过已 经发生大范围的片帮、冒顶的空巷更加困难。当工作面推进到空巷附 近时，由于巷道原有支架难以承受工作面超前支承压力而导致巷道顶 板垮落，甚至发生老顶断裂，引起煤壁片帮，使工作面不能正常推进。 太原理工大学碗士研究生论文 借鉴国内外传统的方法，可以总结出以下几种：用密集支柱或木垛加 强空巷支护，由于密集支护或木垛支护阻力小，可缩量大，在工作面 超前支承压力的作用下，易发生密集支柱折断、木垛过度压缩，引起 顶板下沉、冒落：密集支护和木垛的稳定性差，在侧向力的作用下极 易倾倒面失效，不能有效支护顶板；密集支柱和木垛也不能对两帮提 供支护，极易引起大面积的片帮而加剧冒顼，采场恶性循环，为工作 面过空巷造成很大困难。实践证明，采用这种方法不仅成本高，而且 工作面过空巷时常产生大范围的冒顶、片帮和压死支架等事故，存在 严重的安全隐患 2 3 1 。用锚杆和锚索加固空巷顶板和两帮。以空巷 为切眼重新布置工作面。这种方法主要用于炮采或普采等较易搬家的 工作面，综采或综放工作面一般采用前两种方法。 综放工作面要通过其内部冒落高度较大的空巷，如果不采取有效 加固空巷的技术措施，预计工作面过空巷时将极为困难，安全生产没 有保障，甚至不能通过。本论文的研究中，将对综采工作面过空巷时 上覆岩层的活动规律、支架的受力状况及空巷上方老顶岩块的稳定性 做系统的分析，进而揭示出工作面过空巷时的矿压显现规律，充实和 完善采场矿压控制理论，从而对综采工作面过空巷提供理论指导。 1 2 课惹的研究现状及存在的问题 1 2 1 采场上疆岩层结构研究简史 我国是世界上采矿最早的国家之一，明代末年的天工开物中， 已具体记述了用立井开采及在井下进行支护与充填的情况，证明我国 在采矿事业发展初期，人们就已认识到矿压的危害和需要加以控制， 欧洲国家对矿压的认识大约开始于1 5 世纪，据文献记载，英国曾发生 过由于开采造成地表破坏而引起诉讼的事件。1 4 8 7 年，欧洲一些国家 因地下开采发生庙宇及城市供水的事件增多，制定了防止采矿工作破 坏地表的协定。1 8 3 0 年以后，比利时、德国、法国等国家为了防止地 表建筑物遭破坏也提出过一些确定保护煤柱的方法。 1 9 世纪后期到2 0 世纪初，可以认为是采场矿压假说的萌芽阶段， 这一时期开始利用比较简单的力学原理解释实际中出现的一些矿压现 2 太原理工大学硕士研究生论文 象，并提出了一些初步的矿压假说，具有代表性的是认为巷道上方能 形成自然平衡拱的所谓“压力拱假说”。此外，对巷道围岩机理和支架 所受的岩石压力大小，也开始进行了初步的理论研究。尽管当时提出 的一些理论和假说本身尚存在许多不足之处，而且只能在局部的条件 下应用，但它在矿压发展过程中起到过重要的历史作用。这个时期还 提出了岩石坚固性系数f ( 普氏系数) 为定量指标的岩石分类方法，并 曾得到了广泛应用，至今也未完全失去意义。 2 0 世纪3 0 年代至5 0 年代是以连续介质力学为理论基础的研究阶 段。这一阶段开始了把巷道周围直到地表的整个岩体作为连续的各向 同性弹性体来进行研究和建立假说，利用弹性力学理论研究矿山岩石 力学问题。以后又考虑了岩体非均质和各向异性对理想弹性体的影响 以及层状岩体层理的影响。这一时期3 0 年代德国回采工作面开始使用 摩擦式金属支柱，5 0 年代英国回采工作面出现了自移式液压支架。随 着支护设备的改进，长壁开采得到发展，顶板岩层控制问题日益受到 重视。在生产实践的召唤下，采场顶板控制研究进入了新的发展阶段。 本世纪6 0 年代到8 0 年代初是采场项板结构学说百花齐放的阶段， 也是“砌体梁”结构学说的形成时期。这一阶段对覆岩可能形成的结 构提出了众多假说，用以解释采场各种矿压现象。各派学说的争鸣， 促进了顶板结构学说的发展与成熟，其中主要有压力拱与悬臂梁假说， 以及比利时学者a 拉巴斯提出的预成裂隙假说和原苏联学者h 库兹涅 佐夫提出的铰接岩块假说。到7 0 年代末8 0 年代初，钱鸣高院士、李 鸿昌教授在岩层移动观测和分析的蒸础上提出了采场上覆岩层砌体梁 力学模型。后来，钱鸣高院士、缪协兴教授又成功地给出了其整体力 学形态的受力分析。通过上覆岩层整体结构模型分析，提出了“砌体 梁”结构的关键块理论，从而使项板结构分析大大简化，方便了工程 应用。找出了关键块，认为这两个岩块的稳定性决定着砌体梁整体力 学模型的稳定性。其“骷_ r ”稳定条件，即滑落失稳( s l i d i n g ) 和回 转变形失稳( r o t a t i o n ) 条件为： 矗+ 如s 蠡m 驴+ 三s i n 0 0 ( s 条件) 查堕墨三查堂堡主型塑生兰塞 一一 h + h ，翌! “2 3 i s i n 鼠+ 1 s i n 鼠) 2 ( r 条件) 。 2 p g 2 。 2 式中h 载荷层厚度； 口，承载层抗压强度； 艘岩体容重； 0 ，关键块回转角； t a n t p 岩块间摩擦因数，根据经验取o 3 ； f 块度( 岩块厚度与长度之比) 。 现场最需要的是对顶板控制的定量化分析，丽过去的“砌体梁”结 构理论主要是定性分析，在一定程度上限制了该理论的应用范围。“砌 体梁”结构关键块的“s r ”稳定理论，开创了顶板定量化分析的新 局面。砌体梁结构理论代表了我国学者对采场上覆岩层理论的贡献， 并成为这一时期的代表作。 自8 0 年代后期至今，是砌体梁结构理论的大实践与大发展时期， 也是砌体梁结构理论由力学模型向体系化和定量化的发展阶段。在8 0 年代中后期，展开了对老顶岩层形成砌体梁结构前的连续介质力学模 型分析，视其为弹性地基梁和板结构，分析了这些结构的断裂形态及 断裂前后对工作面来压的影响，奠定了采场超前矿压预报的理论基础。 钱鸣高院士提出的砌体梁理论已被广泛应用，并在不断的实践中得到 发展。进入9 0 年代后，研究又取得了重大的突破，砌体梁理论更加完 善，给出了砌体梁结构受力的理论解和岩层内部移动曲线定量解”； 建立了砌体梁关键块体盼“s r 。稳定理论；证明了顶扳下沉与支架 载荷的p 一1 双曲线关系；建立了采场矿山压力整体力学模型，阐明 了支架受力来源闯题，成功地解释了包括放顶煤采场在内的支架受力 问题：提出了岩层控制中的关键层理论；特别是钱鸣高院士及其博士 后缪协兴完成的砌体梁结构分析与应用，使砌体梁理论更加系统化。 至此，砌体梁理论经历了“假说一力学模型一定量分析”三个阶段， 初步完成了理论发展的一个大循环。 目前，砌体梁理论正深入地应用于放顶煤采场顶板岩层控制、采场 底板突水机理及其控制、地表沉陷控制等领域，相信该理论将随着在 工程实践中的广泛应用而不断完善和发展。 4 太原理工大学硕士研究生论文 1 2 2 相关假说和理论研究 1 ) 压力拱假说 此假说认为，在回采工作面空间上方由于岩层自然平衡的结果而 形成一个“压力拱”。拱的一个支撑点是在工作面前方煤体内，而另一 个支撑点是在采空区内已垮落的矸石上或采空区的充填体上，这样就 形成了前拱脚与后拱脚。随着工作面的推进，前、后拱脚将向前移动。 前后拱脚之间，无论在顶板或底板中都形成了一减压区，回采工作面 的支架只承受压力拱内的岩石重量。 此假说对回采工作面前后的支承压力及回采工作空间处于减压范 围作出了初略的但却是经典的解释，而对于此拱的特性、岩层移动时 各层的力学关系并没有作任何分析。 2 ) 悬梁( 或悬板) 假说 这个假说认为，顶板岩层是一种连续介质。在初次垮落以后，可 以看作一端固定在工作面前方煤体上的悬臂梁。当顶板由多层岩层组 成时，就形成了组合悬梁。当岩梁悬伸长度较长时，将发生有规律的 周期性折断，因而对回采工作面造成了周期性来压。此假说认为，靠 近煤帮处顶板下沉量最小，表现的顶板压力也小。 3 ) 预成裂隙假说 此假说由比利时学者a 拉巴斯提出，假塑性梁是他提出的预成裂 隙矿山压力假说中的一部分。此假说认为：由于开采的影响，回采工 作上覆岩层的连续性被破坏，从而成为非连续体。并且认为，在回采 工作面周围存在着应力降低区、应力升高区和采动影响区。随着工作 面的推进，三个区域同时相应的向前移动。由于工作面前方支承压力 的作用，使顶板岩体中形成了矿压裂隙。它可能是平行于正压应力( 与 层面垂直) 的张开裂隙，也可能是与正压应力成一定交角的剪切裂隙。 一般随工作面的推进而成组地出现。由于开采后上覆岩层中存在有各 种裂隙。这些岩层将似塑性体那样可以发生很大的变形。因此可以将 其视为“假塑性体”。 这种被各种裂隙破坏了的假塑性体处于一种彼此被压紧的状态 时，形成了预应力梁。当下部煤层被采空后，这种“梁”在自重及上 太原理工大学硕上研究生论文 覆岩层的作用下，将发生明显的假塑性弯曲。此时原来被挤紧的裂隙 有可能张开，被裂隙分割开的岩块之间产生相对滑移，致使顶板发生 f 沉以至于垮落。当下部岩层的下沉量大于七部岩层时，就产生离层。 假说还认为，为了有效地控制顶板，应保证支架具有足够的初撑力和 工作阻力，并应及时支撑住顶板岩层，使各岩层岩块之间保持彼此挤 紧状态，借助于彼此之间的高摩擦力，阻l e 它们之间的相对滑移、张 裂与离层。 4 ) 铰接岩块假说 此假说是由苏联学者r h 库兹涅佐夫提出的。假说认为若直接顶 岩层分层厚度b m ( m 为采商) ，则在采空区形成冒落带。并根据模型试 验认为，当满足( 2 2 5 ) h m 时，则成为不规则垮落带，此处岩块排 列不整齐，碎胀系数可达1 2 5 15 。当采空区已冒落的矸石堆积有一 定的高度后，它与上部尚未垮落岩层之间的间隙为埘时，如果h m ， 但m 1 0 一 f5 0 图3 4 煤样压裂试验曲线 3 2 2 巷道围岩的裂隙演化趣律 e l ，h “ 围岩裂隙作为控制围岩变形破坏的内在主导因素，综放工作面内 空巷周围煤体的裂隙演化受其原生裂隙发育特点和外部力学环境的影 响，可分为三个发展演化阶段。 1 ) 煤体原生裂隙的发育特点 煤体的原生裂隙是指在成煤过程中，受到自然界的各种应力的影 响而产生的裂开现象，一般分为内生和外生裂隙。 内生裂隙是在煤化作用过程中，煤的凝胶化物质受到地温和地压 等因素的影响，使其体积均匀收缩，产生内张力丽形成的一种张裂隙。 裂隙面常较为平坦光滑，方向大致成互相垂直或斜交的露组，交叉成 四方形或菱形。其中较发育的一组为主要裂隙组，较疏的一组为次要 裂隙组。 外生裂隙一般是在煤层形成以后，受构造应力作用而产生的。它 的特点是一般出现在煤层的任何部位，往往同时穿过几个煤层分层， 裂隙常以不同的角度与煤层的层理面相交。 2 ) 巷道开挖对围岩裂隙发育的影响 综放工作面内的空巷多采用矩形断面，掘进后围岩应力重新分布， 由此对煤体裂隙产生影响，因为巷道开挖引起的应力集中程度较大， 太原理工大学硕士研究生论文 故不仅导致煤体中新裂隙的出现，并会使开挖前已存在的原生裂隙张 开程度增大，这也是巷道掘进期间围岩变形的主要影响因素。表现为 巷道一旦开挖，其围岩立即产生移动和变形。但掘进巷道仅对小范围 岩体造成扰动，矿压显现不会很剧烈。 3 ) 空巷在维护阶段的变形机理 这个阶段的围岩移动主要是由于流变所引起，即变形量是时间的 函数。由于随时间增长变形的增量极为微小，一般不会导致煤体中新 裂隙的出现，只能使已经存在的围岩裂隙张开程度增大。 3 3 软弱破碎煤体的锚固性能分析 锚杆支护的理论和实践证明，锚杆和围岩的相互作用是通过一定 的锚固手段实现的。例如，管缝锚杼是通过锚杆在全长范围内与围岩 挤压摩擦而起作用，全长锚固锚杆则是通过粘结剂在锚秆垒长范固内 与围岩的粘结而起作用。因此，在综放工作面内空卷髓岩赣弱破碎煤 体条件下，锚杆与围岩的锚固牲能，悬锚抒发挥其支护作用裔臼荚镌。 3 3 1 镶耔撼竣力构实质 长期以来，在锚杆的支护实践中，随着锚杆作用研究的深入，对 锚杆拉拔力的实质也基本有了明确的认识。 对砂浆锚固锸杆拉拔力的数值分析如图3 5 所示，箕中谪验l 为锚 杆锚固段位于孔口，试验2 为锻秆锚露段位予魏底。可擞，冤谗锚杆 锚固在什么位羹，当锚杼长度达到一定纛盛，瓣撕镰幕长纛黪灞拣提 高锚杆的擅拨力圈中为1 2 0 c m ) 。 拉拔力在锚杆杆体内的传播规律如何? 国外通过对锚圈在漏凝土 ( r c = 2 4 1 m p ) 中的树脂锚杆拉拔力的研究【3 2 3 63 9 】得出如图3 6 所示的结 论。图中的纵坐标为锚杆的轴力，横坐标是锚秆孔口到孔底的距离。 可见，在锚杆拉拔试验时，其轴力在杆体上呈负指数分布。 上面的研究表明，锚杆的拉拔力与锚杆的实际受力状况是完全不 同的，故不能直接以之作为锚杆实际锚圃能力的检测指标。但从另 个角度说，在特定围岩条件下，锚杆的拉拔力对确定锚杆的最小锚固 长度却是比较有效的，而只有在锚秆锚周长度超过一定值时，锚杆的 太原理工大学硕士研究生论文 作用才能充分发挥。因此，在本论文的研究中，将根据拉拔力来研究 软弱破碎煤体合理的锚固长度，以便进一步分析其锚固性能。 图3 5 锚杆拉拔力的数值分析 a 石膏灰浆锚固的锚杆b 树脂锚周的锚杆 图3 6 拉拔力在锚杆杆体中的传播规律 3 3 2 软弱破碎煤体的临界嗣长度 我们把一定条件下，锚杆在围岩中获得极限拉拔力时的最小锚周 长度定义为锚杆的临界锚周长度。当锚杆的锚固长度小于临界锚囿长 度时，锚杆的锚固系统将不能达到它的最大支护作用，因此，研究软 弱破碎煤体条件下锚杆的临界锚豳长度是必要的。 影响锚杆锚圃长度的因素主要包括：锚杆本身的特性、“三径”关 系、锚固剂的性能及锚固对象一围岩的特性。可见，这四个因素中任何 一个因素不同时，其临界锚固长度均是不相同的，比如在图3 5 的计算 条件下，其临界锚固长度约为1 2 m 。那么，综放开采条件下，软弱破 4 太原理工大学硕士研究生论文 碎煤体的临界锚固长度又是多少呢? 我似将通过以下两种方法来确定。 1 ) 方法一 锚杆的临界锚固长度可根据锚杆的最大拉拔力来进行计算，假设 在空巷的软弱破碎煤体中，锚杆为全长锚固，则在此条件下，锚杆的 极限锚固长度b 可用下式计算p 封； r、 铲一藏1 寸卜南j 1 ) 式中： a 一残余粘结剪应力的影响系数，取1 5 ； 【t 】粘结强度，m p - ； d 一锚杆直径，m ； f 。r 锚杆的最大拉拔力，k n ； e - 一锚杆的弹性模量，m p 。i l ，一锚杆锚固后的剪切刚度，k - - 哉，k l 、k 2 分别为粘结剂 和围岩体的剪切剐度，m r 。 在软弱破碎煤体中，假设各参数分别为：最大拉拔力为7 0 k n ， 【t 】= 6 m p 。，d = 2 0 m m ，e k = 8 0 0 ，则根据上式憩锚轩的临界锚圃长度 l i j 4 - 5 4 0 m m 。 2 ) 方法二 一般地，通过现场的锚秆爆锚圈试麓嵌两戥灏出镳抒的临界锚固 长度。这种方法是通过对不同镨嗣长度的锚擀避杼多次试验后得出， 其值更接近真实情况。不网类型的皱杆、锚团方式及锚周长度，在同 样的围岩条件下，锚杆的拉拔力是不同的 国外通过在厚煤层中的短镪嗣披拔试验，对此傲了详细分析后认 为m 1 4 3 1 ：对于机械胀壳式锚杆来说，其投拔力一般为4 0 k n ：树脂锚固 的螺纹钢锚杆( 锚杆直径为由2 0 r a m ) 在锚圈长度大于6 0 0 r a m 时，再 增加锚固长度，其拉拔力一般均在1 0 0 k n 左右，相应地，其临界锚固 长度为6 0 0 m m 。 在综放工作面内的空巷顶板支护中，采用高强度螺纹钢锚杆树脂 太原理工大学硕士研究生论文 锚固时，只要锚固可靠，其临界锚固长度一般在7 0 0 r a m 左右，此时， 锚杆的拉拔力可达到最大值。也即，锚杆的锚团长度只有超过此值对 锚杆才有可能充分发挥其锚固作用。 3 3 3 软弱破碎煤体的锚同性能 本论文以锚杆的最大纵向承载能力p 作为衡量软弱破碎煤体的锚 固性能的指标，下面分两种情况来讨论： 1 ) 当锚固长度，厶时，此时锚杆的最大纵向承载能力p 可用锚 杆的轴力来代替，也即是该锚固长度下锚杆的拉拔力f 。 2 ) 当锚固长度，( 厶时，此时锚杆的最大纵向承载能力p 可用锚杆 的最大拉拔力、临界锚固长度及锚固长度来衡量，可记为： f p = 二卫堕，( 3 2 ) 岛 假设锚杆在某种围岩中的临界锚固长度l u = 6 5 0 m m ，相应地获得最 大拉拔力为7 0 k n 。考虑：当实际的锚固长度小于临界锚同长度，如为 5 0 0 m m ，此时锚杆将不能获得最大拉拔力，假设为6 0 k n ，则此时最大 纵向承载能力p = 6 0 k n ；当实际的锚固长度大于临界锚周长度，如为 9 0 0 m m ，此时锚杆将获得其最大拉拔力为7 0 k n ，则此时最大纵向承载 能力p 一9 7 k n 。可见，锚杆的最大纵向承载能力取决于锚固长度和最 大拉拔力( 实际是锚杆与围岩的粘结情况) 。 由上面的分析可见，在综放工作面内空巷的软弱破碎煤体中，要 想使锚杆获得较为理想的锚固性能，即提高锚杼的最大纵向承载能力， 可通过三种主要途径实现：一是提高该条件下锚杆的最大拉拔力；二 是减小锚杆的临界锚固长度；三是增加锚杆的实际锚固长度。事实上， 前两种途径是一致的，均可从提高锚杆的锚固特性、合理的“三径” 匹配关系、改善锚同剂性能方面来实现。途径三实际上是要求锚杆尽 可能实现全长锚固。 3 4 锚杆对软弱破碎煤体的锚固作用分析 太熏理工大学硕士研究生论文 锚杆对围岩的锚固机理是一个非常复杂的问题，国内外均对此做 了大量的研究工作3 03 1 1 。根据以往的研究，我们认为，锚杆对于综放 工作面内空巷的软弱破碎煤体的锚固机理在于：通过其轴向作用改变 围岩的受力状态，使围岩由二向应力状态向三向应力状态转化，改善 围岩的应力状态；通过其横向作用，阻止围岩沿裂隙等弱面发生相对 运动，提高弱面的抗剪能力。在锚杆的上述作用下，将使其锚圃范围 的力学性质和强度得到提高。 3 4 1 1 惯杆的轴向作用机氆 锚杆作用于软弱破碎煤体时，在不同的锚固形式下，锚杆的轴力 是不同的，对于端镶锚杆来说，除锚固端外，锚杆中的轴力是相等的； 而全长锚固的锚杆，其轴力的分布是不均匀的，一般是两头小、中间 大。在锚杆的轴力作用下。将在围岩中产生的附加应力f 为； 、0 - - - - 6 ( 3 3 ) 式中： f 嘲i 秆的轴力，l ( 】嚼 a 、渊杆的间、搀瓤，t t i 。 由上式可见，阔爱缒羲镰在于锚杆的轴力如 碍获得? 对予端锚锚 杆来说，锚杆全长范嚣斑麴轴力是一致的，在实践中可通过镶杆液压 枕很方便媳测锝；雨对予垒长锚嗣羽锚秆，由于饿籽在其垒镌张圈内 的轴力分布并不均匀，瞧翻应力的计算比较困难d ，一般认为，全 长锚固时，锚杆的轴力道避测力锚杆确定。 根据锚固体的相似材料试验3 3 州，得到锚杆在全长锚嚣时，锚固 体处于极限强度和残余强度时附加应力和盯与锚秆布重密度的 关系如图3 7 所示( 图中酒距与排距相等) 。 可见，在全长锚同时，附加应力的大小随锚杆密度的增加丽增加， 在特定锚杆阻力的条件下，锚杆布置密度位于o 6 0 9 根l n 2 后，附 加应力上升的很快，从曲线中可以看出。在锚杆布置密度相同时，锚 固体处于残余强度阶段时的附加应力要稍大于极限强度时的附加应 查堡墨王查堂堡主塑壅生堕苎一 力。 图3 7 全锚时附加应力与锚杆密度的关系 对于综放工作面内空巷的支护来讲，锚杆锚固范围内的围岩是已 发生一定程度变形的煤体，围岩处于峰后残余变形区域。在空巷受工 作面采动影响时，随着应力的不断变化，该残余强度将会进一步降低。 此时，其降低程度主要与其应力环境有关。大量的研究认为，增加围 压，可以较大幅度地提高围岩的残余强度，尤其是当围压在0 1 m p 。 范围内变化时，残余强度对围压敏感性越大。如图3 8 所示。 4 0 叠3 0 枣2 0 i l o o 234 恤) 图3 , 8 围压与残余强度的关系 当锚杆被拉断或剪断时，不同锚阉方式锚杆的轴向作用大不相同： 对于端锚锚杆来讲，锚杆破断后，其轴向作用很快丧失，其锚固范围 内围岩的残余强度急剧下降，围岩破坏；丽对于全锚锚杆来说，锚杆 发生破断后，其残余强度下降较慢，锚杆的锚固作用仍能保持在较高 太原理工大学硕士研究生论文 的水平。从这个意义上说，全锚锚杆对软弱破碎围岩的轴向作用明显 要好于端锚锚杆。 因此，锚杆通过其轴向作用可以有效提高其锚固范围内围岩的强 度，增加围岩的整体承载能力，有利于空巷的稳定。 3 4 1 2 锚杆的横向作用机理 锚杆改善软弱破碎煤体弱面性能的途径主要有三种： 1 ) 当破碎块沿弱面剪切位移时，发生剪胀扩容，锚杆拉伸，对弱 面施加法向力，增加弱面的摩擦阻力。 2 ) 当锚杆与弱面斜交时，锚杆通过其对弱面变形的约束，产生沿 弱面切向的阻力，相当于增加了弱面的摩擦力。 3 ) 依靠锚杆本身的抗剪能力限制破裂块沿弱面的相对错动。 综合以上分析，认为单体锚杆穿过单裂隙时，弱面抗剪能力的提 高量a f 可用下式表示： ar$l+72十73(3-4) 式中； f l 锚杆杆体本身的抗剪能力引起的等效抗剪强度，m p ； f 锚杆轴力的法向分量引起的等效抗剪强度，m p l ； 厶锚杆轴力的切向分量引起的等效抗剪强度，m p 。 在此基础上，分析国内外对此问题的研究成果，作者认为：在综 放工作面内空巷的软弱破碎围岩条件下，锚杆提高弱面抗剪能力的程 度与锚杆的锚固方式有很大的关系，对予端镟锚秆丽言。瓣蕊抗剪能 力的提高主要依赖于锚扦的预紧力和锚杆本身的抗剪能力；全锚锚杆 则要复杂的多，但可以肯定的是，在提离围岩的抗剪能力方砸要优于 端锚锚杆。 3 4 2 锚杆的锚躁作用效果分析 从巷道支护的角度来看，锚杆及其锚固范围内的圈岩是相互作用 的统一体，应作为统一的承载结构来分析，该结构的力学特性就是锚 杆锚固作用的综合反映。分析国内外的一些研究成果1 2 82 9 3 们，作者认为， 锚杆对软弱破碎煤体的锚固效果主要表现在以下两个方面： 太原理工大学硕i ：研究生论文 3 4 2 1 提高锚同范围内煤体的强度 根据3 1 1 节中煤样的压裂试验，认为煤块的强度取决于围压和煤 块的本征强度。则其强度盯可用下式表示： o - = r ( 0 2 ，o - 3 ) + 厂( c ，纠 ( 3 - 5 ) 式( 3 - 5 ) 中的第一项代表围压对强度的影响；第二项为煤块的本 征强度，也即煤块的单轴抗压强度。 相应地，对于锚杼锚固范围内的煤体来说。考虑在平面应变 条件下，得到锚固煤体的极限强度盯，和残余强度仃+ 表达式如下： 仃，= _ 厂( 盯) + i ( c ，妒) ( 3 6 ) 盯+ = f ( a o ) + ，g + ，t , o + ) ( 3 7 ) 上面两式中的第一项均为布置锚杆后附加应力增加对强度的影 响，第二项为锚杆提高c 、p 对强度的贡献。下面分别分析： 1 ) 厂( 仃) 和厂( 厶盯) 的影响 引入锚固体强度强化系数的概念1 3 ”，即：锚杆布置后锚固体强度 与布置锚杆前岩体强度的比值为强度强化系数。则有： 锚固体极限强度强化系数r j 为：k ，= o 眨 ( 3 - 8 ) 。 ，u 锚固体残余强度强化系数k 为：k ，= o i ( 3 - 9 ) 仃。 根据对锚固体相似材料模拟数据的整理分析2 ”6 1 ，得出平均应变 条件下附加应力增加与锚固体强度( 分别包含了锚杆布置提高c 、口和 c 、驴的作用) 强化系数的关系如图3 9 和图3 1 0 所示。 2 ) ，( c 、9 ) 和，【c + 、矿j 的影响 对这部分的影响，中国矿业大学勾攀峰博士通过研究后认为： 1 ) 弹性模量e 的变化 安装锚杆后，锚固体的弹性模量有较大提高，且随着锚杆强度与 布置密度的增加而增加。特别地，在弹性阶段，即使围岩沿锚杆轴向 方向并不发生变形，但安装锚杆对锚圈体的e 也产生了影响，说明只 4 7 查曼里三盔兰堡主! 塞生堡塞。一 图3 9 a f t 对l 的影响关系 图3 1 0 a d 对的影响关系 要安装锚杆，即使在非预应力条件下，其对控制围岩的变形已产生作 用。 2 ) 锚固体破坏前c 、聋值盼燮化 安装锚杆对锚阂体的c 值变化影响不大，在试验条件下最大可提 高1 0 左右，但对锚固体的p 值影响较大，且随着锚杆布置密度的增加， 其增加的幅度逐渐减小。 3 ) 固体处于残余强度时c 、p 的变化 在锚固体变形至残余强度时，破坏后锚固体的c 、妒+ 与无锚固时 相比均有不同程度提高，锚杼密度越大，锚固体残余阶段的c 。越大， 试验条件下最大可提高到无锚时的9 6 ；口的变化较小。 由上可见，布置锚杆可以使其锚固范围内岩体的强度得到不同程 太原理工大学硕士研究生论文 度的强化。对综放工作面内空巷的软弱破碎煤体来说，通过布置锚杆 可使其围岩强度得到强化。 3 4 2 2 改善锚同范围内煤体的变形特征 结合锚固体的相似材料模拟试验【1 21 6 3 6 1 ，认为锚杆锚固软弱破碎煤 体后，该锚固体的变形特性主要有以下特点： 1 ) 破坏类型 一般认为，岩石的破坏类型主要有两种92 1 “3j ：脆性破坏和延性 破坏。脆性破坏是指岩石在变形很小时，由弹性变形直接发展为急剧、 迅速的破坏，破坏后的应力下降较大；而延性破坏是指岩石在发生较 大的永久变形后导致破坏的情况，且破坏后应力下降很小。许多试验 证明，较大的围压可以使岩石的破坏类型由脆性向延性转化。 2 ) 变形特征 锚固体试块在单轴加载时，在锚固体屈服前，其变形主要是沿着 加载方向产生的压缩变形，量值很小，锚固体屈服后，仍以沿加载方 向的压缩变形为主，但沿锚杆轴向也开始了变形；锚固体位于峰值后， 以沿锚杆轴向的变形为主，且量级较大，体积发生膨胀，表现出明显 的结构效应。 3 ) 强度特征 在综放工作面内的空巷中，锚杆主要锚固在浅部较破裂的区域， 此区围压较低，围岩对支护提供的径向约束很敏感，因此，安设锚秆 可以较大程度地改善锚固区内的综合强度。 4 ) 破坏特征 研究认为呻“ 】，破裂后岩石的力学特征主要表现为结构特征，受 破裂面控制，当围压较低时，岩体的破坏将沿原有的破裂丽滑移，强 度较低，并呈现良好的塑像；围压高时可能形成新的破裂面。故作者 认为，软弱破碎煤体链固后，也具有与之相似的破坏特征。锚杆锚固 软弱破碎煤体后，其残余强度和抗变形性能明显提高，破坏方式变得 易于控制，可以大大提高其承载能力：同时，锚固体具有良好的适应 变形的能力，使其在相当大的变形范围内保持承载能力。 此外，该类围岩对围压很敏感，特别是在较低的围压范围内，随 太原理工大学硕士研究生论文 围压的增大加固效果显著增大，而巷道周边浅部围岩主要是通过支护 提供围压，因此，提高支护强度意义重大，这就要求锚杆支护能提供 高的预紧力和工作阻力，在巷道变形发展过程中增阻速度快，锚固力 高。 3 5 综放工作面内空巷围岩小结构的概念 3 5 1 小结构观点的提出 工程实践证明，锚杆支护是一种十分有效的支护手段，但锚杆与 围岩的相互作用关系则是一个极为复杂的问题，国内外对此做了大量 的研究。 就单根锚杆来说，其作用可归结为锚杆的轴向作用和横向作用： 锚杆的轴向作用是阻止其锚圆范围内围岩沿杆体轴向变形和离层作 用：锚杆的横向作用是指锚杆阻止其锚固范恩内破裂块体之阍沿弱面 发生相对运动的作用。锚杆通过其轴向和横向作用，一方面可以控制 围岩的变形和错动，另一方面还可以改善围岩的应力状态，撼离围岩 强度，增加鼹卷抵抗变形的能力。 从巷道的整体稳定性方面来考虑，单根锚杆的上述作用。并不是 巷道支护中锚杆的本质作用，锚杆支护保持巷道稳定的实质在于：锚 杆及其附件与其锚固范围内的围岩是相互作用的统一体，应餐稼统一 的承载结构来分析。通过对锚圃体的橱似楷辩试验，认为系燃布置 锚杆，不仅可以使锚固范围内围岩的强度得捌凝煮，两且可溯黢瞢锚 固体的变形破坏特性，在此基础上提出了圈者强度强纯醣避谁。作者 认为，对锚固体强度和变形特性的研究，更为接近锚杆豹本质作用， 为我们研究巷道锚杆支护原理提供了新的思路。 实际上，锚枰支护巷遒的稳定是通过在巷遒围岩中系统布鼍锚杆， 使锚杆群、锚秆的辅助构件及其锚固范围内的困岩形成一个整体承载 结构，通过该结构良好的承载性能和对其外部嘲岩变形的逸虚性，成 分发挥较深部围岩的自承能力，从而保证巷道的稳定性。相对于空巷 上覆岩体的关键结构而言，我们把这个由空巷周围锚杆组合支护与围 岩形成的统一承载结构称为空巷围岩小结构。 太原理工大学硕士研究生论文 3 5 。2 小结构的基本特性 由定义可见，小结构事实上是作为一个支护体在巷道支护中发挥 作用，实践和理论研究均表明，该结构具有以下三个显著的特性： 1 ) 锚杆与锚固区围岩组成整体承载结构，较未加锚杆的围岩显著 提高了峰值强度和残余强度，形成加强的锚固体。 2 ) 小结构具有较大的承载能力，对其外部围岩可以起到“支” 的作用。小结构是由锚杆及其锚固范围内的围岩组成，由于锚杆对围 岩强度的强化作用，相当于提高了巷道周围锚固区的整体强度，因此， 小结构的承载能力得到了较大的提高，在支护中可以发挥其对外部围 岩的“支承作用”。 3 ) 小结构对围岩应力具有良好的适应性，对其外部围岩可以起到 “让”的作用。在锚杆支护实践中，巷道发生了较大的变形而不破坏 的例子很多，其根本原因在于锚杆及其锚固范围内的围岩向巷道内移 近而不破坏，使巷道围岩应力熏新分布，将小结构支护体上的压力向 其外部围岩转移，避免支护体的破坏，起到一定“让”的作用。 3 5 3 小结构的组成特征 空巷围岩小结构巷道围岩包括巷道顶板、底板及两帮围岩四部分。 在综放工作面内的空巷的顶板和两帮均为煤体，作者进一步将综放工 作面内空巷围岩小结构看作是一个由巷道顶板煤体锚固结构、底板无 锚岩体结构、实体煤帮锚固结构和工作面与空巷之间煤柱帮锚固结构 组成的复合结构。小结构的稳定性取决于各组成结构的稳定性及各结 构间的相互影响关系。 综放工作面内空巷围岩的稳定性与其上覆岩体关键结构的影响有 很大关系，关键结构的稳定性受到影响时，传递到空巷餍围的应力有 一定的规律，将造成小结构各个部位应力状态和量值上的较大差异。 提出小结构是一个复合结构的目的，也就在于分析其稳定性时能有较 强的针对性，一方面便于我们对闷题的研究，另一方面又不会使所要 研究的问题失去其本质。 3 5 4 小结构与巷道稳定的关系 太原理工大学硕士研，生论文 提出综放工作面内空巷围岩小结构的概念，最主要的是这可以反 映锚杆支护巷道的实际工作原理：其一，锚杆与巷道围岩的直接作用 仅限于锚杆锚固区域的围岩，即围岩小结构；其二，锚固区域外的围 岩与围岩小结构相互作用，是锚杆的间接作用。因此，锚杆支护巷道 围岩的原理实际上是小结构与其外部岩体的相互作用关系。 小结构作为一个支护体而言，其整体力学特性是一个非常复杂的 问题，它与锚杆本身的特性、锚杆支护对象的性质、支护体外部的力 学环境均有很大的关系。在目前的研究中，一般都是取出一个加固的 岩体试块通过数值计算或材料的相似模拟来进行，取得了一些有益的 结论。 从巷道支护的整体稳定性来考虑，综放工作面内空巷圉岩小结构 无论是在围岩本身特性、还是在加固后的力学特性上，均具有明显的 非均衡现象。因此，保持小结构本身的稳定是综放工作面安全通过空 巷的根本。 3 5 5 对小鳍构变藩穰簿几点认识 空巷固岩小结构作为顶板、底板、实体煤帮和工作西与空巷之间 煤柱锚固区组成的一个有机整体，其变形和破坏是各组成部分相互作 用、相互影响的综合结果。由于在工作疆趣前支承压力的作用下，空 巷围岩处于明显的不均锸性，故其变形和破坏也将呈现非均匀的特点。 通过现场的实践释以上研究，作者对空巷圈岩小结构的破坏变形机理 有以下几点认识： 1 ) 工作面与空巷麓阿攥控的诱导墅破坏 随着综放工作露的推进，工作面与空巷之间煤柱作为空巷围岩小 结构的重要组成部分，由予煤柱本身受工作面回采的影响很大，煤体 的破坏程度较高，当它发生变形破坏时，将使空巷顶板的承载基础作 用降低，进而导致顶扳向煤柱侧的采空区下沉破坏，从而造成空巷围 岩小结构的变形破坏。 2 ) 顶板诱导型破坏 由于受巷道上覆岩体关键结构的影响，空巷顶板煤体在其自重及 上覆岩体压缩产生的变形压力作用下发生明显的下沉，甚至冒落。随 太原理工大学硕士研究生论文 着顶板下沉量的增加，顶板上方的载荷将向煤柱和实体煤帮移动，结 果可能会使煤柱载荷加大而破碎失稳，同时实体煤帮及底板的稳定状 态也会发生变化，促使空巷围岩小结构破坏。 3 ) 实体煤帮诱导型变形破坏 实体煤帮的围岩性质相对于顶板及煤柱要好一些，但相对于空巷 的其他部位来说，由于在工作面超前支承压力的作用下，实体煤帮的 应力集中程度是最大的。实践中，实体煤帮常常因过大的垂直应力而 向空巷内强烈位移和显著下沉，其过大的移近量将会使顶板在实体煤 侧发生一定程度的回转下沉，同时也会诱导靠近实体煤侧的底板严重 鼓起。 4 ) 底板诱导型破坏 综放工作面内的空巷底板一般为强度较低的软弱岩体，在不受工 作面采动的剧烈影响阶段，底板一定深度虽有较大程度的水平应力集 中作用，但底板一般均能保持稳定。但在受到工作面采动的剧烈影响 时，上覆岩体将引起空巷围岩应力的上升，增大的垂直应力作用在实 体煤帮，并有效地传递到底板岩层中，使原来的水平应力发挥作用， 从而导致空巷底板严重底鼓。由于底扳中垂直应力集中程度的不同， 空巷底板的鼓起程度也不同，在石圪节矿的条件下，靠近实体煤帮侧 的底板鼓起量明显较大。 底板的鼓起一般发生在底板深度1 5 m 以内的岩层中，它是由于两 帮的下沉而引起的，两帮的下沉量越大，底鼓量也越大，如果底鼓量 过大，对综放工作面顺利推过空巷将产生很大困难。 3 5 6 影响小结构稳定的几个关键问蕊 在特定的煤层开采条件下，空巷围岩小结构的稳定性是决定空巷 稳定的主要因素，因此，保持小结构的稳定性就成了一个极其重要的 问题。根据综放工作面内空巷的特点和上节对小结构变形破坏的力学 机制研究，认为保持围岩小结构稳定的关键问题主要有以下几个： 1 ) 工作面的推进速度 工作面与空巷之间煤柱的变形破坏与工作面的推进速度有很大关 系，当工作面推进到空巷附近时，加快工作面的推进速度，一方面可 以缩短煤柱的变形时间，降低变形程度；另一方面，上覆岩层的变形 程度降低，有利于空巷的维护。 2 ) 顶板煤体的合理支护 现场实践和理论研究发现，在工作面超前支承压力的作用下，空 巷顶板煤体都比较破碎，极易发生冒顶事故，因此，通过合理的锚杆 支护方式，保持顶板煤体的稳定性是小结构稳定的另一个关键问题所 在。 3 ) 重视实体煤帮的支护问题 在空巷围岩中，实体煤帮的破坏程度相对于顶板和煤柱要好一些， 但对实体煤帮最为不利的是：空巷因受综放工作蕊超前支承压力的作 用，垂直应力在该帮的集中程度明显较大。当实体煤帮产生过大变形 时，将会造成顶板的回转下沉和底板的严重鼓起。因此，重视实体煤 帮的支护问题，将对空巷围岩小结构的稳定性起到很大作用。 4 ) 熏视空巷帮角的加固 空巷围岩应力与变形的实测结果表明，空巷圉岩应力在空巷帮角 的集中程度较高，因此，控制空巷帮角是保持小结构稳定的又一个重 要闯题，通过合理的锚杆布置加固空巷帮角，使帮角应力集中向围岩 较深部转移，从而达至b 提高小结构稳定的目的。 3 6 锚秆支护设计 3 6 1 镥抨曩鬃力的确定 随着锚杆支护实践和相关理论研究的进一步发怒，关于键抒支护 中的预紧力问题越来越受到重视，研究表明1 2 3 3 6 埘；当锚轩预紧力达到 6 0 7 0 k n 时，就可以有效控制巷道顶扳的下沉量