（矿业工程专业论文）大倾角综采面沿空留巷综合技术研究.pdf

查! ! 查兰翌主堂堡垒查立l 兰一 摘要 徐州矿务集团公司张集煤矿为煤与瓦斯突出矿井，导致煤巷施工速度慢，采 煤工作面接续十分紧张，为减少巷道掘进工程量和保证综采面正常接续r 在7 4 2 3 综采面进行了前进式开采沿空留巷试验。该工作面埋藏深度为6 8 3 8 3 6 m ，煤层倾 角2 8 3 4 。，平均3 1 。，煤层平均厚度3 2 4 m ，属深井、大倾角、中厚煤层。此条 件下的前进式沿空留巷试验研究，国内外尚不多见，本课题的研究对扩大沿空留 巷使用范围，解决张集矿采面接续困难有重要应用价值。 本文以该试验巷道为具体研究对象，重点对沿空留巷巷内锚杆支护、巷旁充 填及通风防灭火等问题进行了系统分析研究，并成功地进行了现场试验，顺利地 完成了7 4 2 3 综放面的全部回采工作，取得了较显著的安全技术经济效益。 论文通过分析研究了锚杆支护与巷道围岩的相互作用，认为锚杆支护对巷道 围岩的强度强化主要是提高了巷道围岩的内摩擦角( 由原来的p 提高到妒) ，而内 聚力c 值基本不变，这主要由于内聚力决定于岩石结构，与应力状态无关，内摩 擦角决定于内摩擦力。与正应力成正比关系。合理的锚杆及时安装后，由于锚杆 轴向力和锚杆群相互作用，锚杆群在巷道顶板及两帮煤体内部形成连续挤压加固 型支护结构，论文给出了该支护结构承载能力表达式和稳定性判别公式，对项板 锚杆长度和间排距进行了初步设计。并通过计算机数值模拟，结合工程经验提出 试验巷道锚杆支护方案。 论文根据实验室配比试验。确定了充填体配比为0 6 9 ：1 2 ：1 7 ( 水：水泥：煤) ， 此充填体1 天强度大于8 m p a ，能够满足顶板压力要求。采用计算机数值模拟法优 化分析了充填体的合理几何尺寸，决定采用上宽1 2 m ，下宽2 1 5 m ，高为3 3 m 的 梯形墙体。 从对巷旁充填沿空留巷矿压显现规律分析，沿空留巷从工作面到后方1 5 5 0 m 范围内围岩活动剧烈，矿压显现明显，对该范围内巷道设计了临时加强支护。7 4 2 3 综采面煤层有自然发火危险，工作面采用前进式沿空留巷工艺，可能出现由留巷 向采空区内漏风导致采空区碎煤自燃的危险。因此，采取了专门防灭火措施，包 括向采空区注泥浆、砌防火墙、喷洒m e a 防灭火剂、气体及温度监测等措施，保 证了工作面生产安全进行。 东北大学硕士学住论文 摘要 论文最后对7 4 2 3 面沿空留巷进行矿压观测。结果表明，工作面后方3 0 m 的范 围内，巷道变形速度较大，在工作面后方8 0 l o o m 以外。巷道变形速度较小，说 明巷道围岩及充填体已基本稳定。留巷期间，总的顶底板相对移近量为4 9 2 m m ，平 均移近速度为1 6 m m d ，两帮相对移近量为6 0 9 m m ，平均移近速度为2 2 m m d 。其中 顶底板相对移近量以底鼓为主，约占8 0 。两帮相对移近量主要为充填体的整体下 滑和煤帮变形所致。埋设在充填体内的液压枕压力测试结果表明，巷旁充填体载 荷在工作面后方l o m 开始增加，但载荷较小，后方2 0 m 开始急剧增加，在后方4 0 6 0 m 范围内达到最大，而后载荷逐渐降低并趋于稳定。现场观测表明，7 4 2 3 工作 面回采结束后，充填体变形较小，没有出现明显破坏。充填体能有效起到护顶和 切顶作用，巷道围岩的整体稳定性较好，仅局部地段由于地质条件复杂、施工质 量较差等原因变形量较大。 7 4 2 3 综放面前进式沿空留巷试验，获得了显著的技术经济效益和社会效益， 仅巷道掘进费用一项节省2 0 多万元。论文研究成果，对扩大前进式沿空留巷使用 范围和类似条件下推广应用有较大意义，试验取得了良好的安全技术经济效果。 关键词：沿空留巷锚杆支护巷旁充填现场试验 查! ! 苎兰堡主兰堡垒查垒型翌垦垒l a b s t r a c t z h a n g j im i n eo f x u z h o um i n i n gg r o u pi sac o a la n dg a si n r u s hm i n e ，w h i c hl e a d s t os l o w r o a d w a ye x c a v a t i n gs p e e d a n di n s u f f i c i e n tc o a lm i n i n gf a c e s i no r d e r t oi n d u c e r o a d w a ye x c a v a t i n gw o r k a n di n s m ea m p l ew o r k i n gf a c e s ，at e s t i n ga b o u ta d v a n c i n g m i n i n g a n dr o a dm t a i n e df o rn e x ts u b l e v e lw a st a k e ni n7 4 2 3f u l l ym e c h a n i z e dm i n i n g f a c e s t h ef a c ei s6 8 3 8 3 6 md e p t h ：c o a ls l o p ea n g l ei s2 8 - 3 4 0 ，3 1o a ta v e r a g e ；c o a l t h i c k n e s si s3 2 4 m t h em i n ei sa ( 1 c 印，b i gs l o p ea n g l ea n dm e d i u m t h i c k n e s sm i n e ， u n d e rw h i c hc o n d i t i o nt h es t u d yo fa d v a n c i n gm i n i n ga n dr o a dr e t a i n e d f o rn e x t s u b l e v e l i sl e s si na n do u tn a t i o n t h es t u d yw i l le x t e n dt h er a n g eo fr e a dr e t m n e df o r n e x ts u b l e v e la n dc a ns o l v et h ed i 伍c u l t yo fz h a n g i im i n e su n a m p l ew o r k i n gf a c e s w h i c hh a si m p o r t a n ta p p l i e dv a l u e t h e p a p e r f a k e st h e t e s t i n gr o a d w a y a ss t u d yt a r g e ta n df o c u so n b o l t i n gi nr o a do f r o a dr e t a i n e df o rn e x ts u b l e v e l ，a n ds oo n f i n a l l yt h e s p o tt e s t i n g w a sm a d e s u c c e s s f u l l ya n df m i s h e dt h ef u l l ym e c h a n i z e dm i i l i i l g f a c e7 4 2 3w e l l ，t h es a f e t y , t e c h n o l o g ya n de c o n o m i c b e n e f i tw a sa t t a i n e d t h ep a p e r ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ee a c ho t h e r sf u n c t i o n sb 咖o o na n c h o r s u p p o r ta n dr o a d w a yr o c k ，i n d i c a t e st h es u e n g t h e n i n go fa n c h o rt or o a d w a yr o c k s i n t e n s i t yi n e r e a s e st h er o a d w a y r o c k 。si n t e r n a lf r i c t i o na n g l e ( f r o mo r i g i n a l p t op ) ， b u tt h er o c k sc o h e s i o nr e t a i n su n c h a n g e d 1 1 1 er e a o ni st h ec o h e s i o ni sd e c i d e db y r o c k ss t r u c t u r ea n dh a sn or e l a t i o nt os t r e s ss t a t e b u tt h ei n t e r n a l 嫩c t i o na n g l ei s d e c i d e dc o h e s i o na n dh a st h ed i r e c tr a t i or e l a t i o nt on o r m a ls t r e s s a f t e rs e a i n gu p r a t i o n a la n c h o ri nt i m e d u et of u n c t i e a c h0 也e rb e t 、= v e e na n c h o r sa x i a lf o r c ea n d a n c h o rg r o u p t h ea n c h o r g r o u p f o r m sc o n t i n u e d e x t r u d i n gs u p p o r t s t r u c t u r ei n r o a d w a y st o ps e a ma n dt w os i d e sc o a l 1 1 1 ep a p e rs h o w st h ef o r m u l a r st h es u p p o r t s t r u c t u r e sb e a r i n ga b i l i t ya n ds t a b i l i t yd i s t i n gu i s h r n e n ta n dd e s i g n e da n c h o rl e n 【g t ha n d i n t e r v a ls p a l ei n i t i a l l y n i r o u g ht h ec o m p u t e r sn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e s t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n ，t h ep r o j e c t t e s t i n gr o a d w a y sb o l t i n gw a sp o s e d t h e p a p e r , a c c o r d i n gt of i tt e s ti nl a b ，d e c i d e dt h a tt h ef i l l i n gm a t e r i a l sp r o p o r t i o n i so 6 9 ：1 2 ：1 7 ( w a t e r ：c e m e n t ：c o a l ) t h ef i l l i n gm a t e r i a l ss t r e n g t hi so v e r8 m p aa f t e r o n ed a ya n dc a nm e e tt h e t o p ss t r e s s t h r o u g t ho p t i m u ma n a l y s i sb yc o m p u t e r n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ed e g r e ef i l l i n gi sd e c i d e dr c a s o n a l l ya n d p o r c h w a l lw a st a k e n w i t h1 2 mw i d et h e t o p 2 15 m w i d et h ed i pa n d3 3 mh i g h t h r o u g h t h ea n a l y s i sg r o u n db e h a v i o u r , w ec o n s i d e rr o c kb e t w e e n1 5 - 5 0 m r a n g e b e h i n dt h ef a c eb e h i n dv i o l a t e l ya n d g r o u n db e h a w i o u r i so b v i o u s s ow e d e s i g n e dt h e t e m p o r c rs t r e n g t h e n i n gs u p p o r tf o rt h es e c t i o n t h ef u l l ym e c h a n i z e dm i n i n gf a c e i v - 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 7 4 2 3 sc o a lh a ss p o n t a n e o u si g n i t i o n a f t e ra d o p t i n ga d v a n c i n gm i n i n ga n dr o a d - w a y r e t a i n e df o rn e a ts u b l e v e l ，a i rl e a k a g ef r o mr e t a i n e dr o a dt og o o fa n dl e a dt ot h ed a n g e r o f b r o k e nc o a l si g n i t i o n f o rt h es i t u a t i o n ，s o m em e a s u r e sw e r et a k e n ，s u c ha s ，i n j e c t i n g m a df l u i dt og o o f , s e r i n gf i r ed a m ，s p i t t i n gm e a f i r e p r o o fm e d i u m ，m o n i t o r i n go fg a s a n d t e m p e r a t u r e 。a f t e rt h ea d o p t e ds t e p s ，t h ef a c e sm i n i n g w e n to n s a f e l y f i n a l l y , t h ep a p e rm e a s u r e dt h eg r o u n db e b a v i o u r t h er e s u l ti n d i c a t e si nt h e3 0 m r a n g eb e h i n df a c e ，r o a d w a y d e f o r m a t i o nv e l o c i t yi sh i g h e ra n do v e r8 0 1 0 0 mb e h i n d f a c er o a d w a yd e f o r r n a t i o ns p e e di sl o w e r t l l i si n d i c a t e st h ef i l l i n gh a ss t a b i l i z e d i nt h e t i m eo f r e t a i n i n gr o a d w a y , t h et o t a ld e f o r m a t i o nb e t w e e n t o pa n dd i p i s4 9 2 m r n , a v e r a g e s p e e d i s1 6 r a m d ；t w os i d e s 。d e f o r m a t i o ni s6 0 9 r a m ，a v e r a g es p e e di s2 2 m m d ，a n dt h e f l o o rl i f td o m i n a t e di nd e f o r m a t i o n ，a n di t sp r o p o n i o ni sa b o u t8 0 t h ed e f o r m a t i o n o ft w os i d e si sd u et o s l i p i n gf i l l i n g m a t e r i a la n dc o a l s i d e sd e f o r m a t i o n t h e m e a s u r i n g d a t ao f b u r i e d h y d r a u l i cp i l l o wi nf i l l i n gs h o w e dt h ef i l l i n g 。sl o a di n c r e a s e d b e h i n df a c el o m ，b u tt h el o a di ss m a l l ；a f t e r2 0 m a w a y t h el o a di n c r e a s e dr u p t e l ya n d a t a i n e dt h em a x i m u mv a l u eb e t w e e n4 0 - - 6 0 m r a n g ea w a y a f t e rw h i c h ，t h el o a dw e n t t o s t a b i l i t y 强。s p o tm e a s u r es h o w e dt h ef i b i n g sd e f o r m a t i o nw a ss m a l l e ra f t e rf i n i s h i n g f a c e7 4 2 3 sm i n i n g t h ef i l l i n gc a ne f f e c ta sc u t t i n g - o f f f u n c t i o na n dt h ew h o l e s t a b i l i t y r e t a i n e dr o a d w a yi s g o o d o n l yl o c a ls e c t i o n sd e f o r m a t i o nw a ss e r o u sd u et ot h e c o m p l e xg e o l o 酎c a lc o n d i t i o na n d b a dc o n s t r u c t i o n t h ef u l l ym e c h a n i z e d m i n i n gf a c e7 4 2 y sa d v a n c i n gm i n i n ga n dr o a dr e t a i n e df o r n e x ts u b l e v e li ss u c c e s s f u la n dt e c h n i c a la n de c o n o m i ce f f e c ta n ds o c i a le f f e c tw e r e g o r e n ，w h i c hs a v e do v e r2 0 0 ，0 0 0y u a ni nr o a d w a ye x c a v a t i o nc o s t t h er e s u l to ft h e s t u d yc a ns p r e a dr a n g eo fu s i n gr o a dr e t a i n e df o rn e x ts u b l e v e la n dg o tg o o ds a f e t y , t e c h n i c sa n de c o n o m i e se f f e c t k e y w o r d s ：r o a d r e t a i n e df o rn e x t s u b l e v e l ，b a t i n g ，f i l l i n gb e s i d er o a d w a y , s p o tt e s t i n g v 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，不包含其他入已发表或撰写过的研究成果，也不 包括本人为获得其它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 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：季六彳f 日期： 炒；7 m 东北大学硕士学位论文 第一章前言 第一章前言 1 1 问题的提出及研究意义 徐州矿务集团公司张集煤矿，2 0 0 0 年初被江苏省煤炭局定为煤与瓦斯突出矿 井，在可采的七、九层煤中，九层煤为突出煤层。因在突出煤层中掘进，需采取 防突措施，掘进速度较低，打乱了原有的开拓布局，至2 0 0 0 年初，综采工作面预 计脱节8 个月，为保证矿井的正常生产，提出了在无突出危险的七层煤中的7 4 2 3 工作面进行进式开采沿空留巷试验。即不提前掘进巷道，而是超前采煤工作面3 4 m 掘进，并在工作面后方加以维护形成沿空留巷，形成工作面生产系统。这样就 可避免综采工作面生产脱节，稳定矿井安全生产形势。 本课题的研究意义在于： ( 1 ) 由于不需提前准备采煤工作面的回采巷道，所以可避免因巷道掘进速度慢， 造成接续紧张局面，并有利于相邻工作面的接续及掘进准备工作。 ( 2 ) 由于掘进出煤可以利用采煤工作面运输设备，因而可节省煤巷施工设备及 费用，而且所留巷道可以为下一工作面服务，可降低巷道掘进率和掘进费用，对 象张集煤矿这样因煤与瓦斯突出危险，致使煤巷掘进速度本来就很低和施工费用 较高的矿井，效益更为明显。 ( 3 ) 沿空留巷技术彻底取消了护巷煤柱，可有效提高综采面煤炭回收率，经济 社会效益显著。 所以，本课题的研究具有较大理论和应用价值。 1 2 大倾角综采面前进式开采沿空留巷应用研究现状 前进式开采沿空留巷在各主要采煤国家都有应用。但我国一般采用后退式采 煤方法，前进式开采应用很少。沿空留巷，作为一种无煤柱护巷方法，在国内也 曾有过试验和应用，但只是在后退式采煤方法中采用，试验表明，后退式采煤方 法中采用沿空留巷有利于降低巷道掘进率、减小煤柱损失、利于相邻工作面接续。 但存在留巷支护困难、影响工作面推进速度等问题。沿空留巷的关键，是要有合 理的巷内支护和合适的巷旁充填工艺。 以往沿空留巷巷内基本支护一般为金属支架，该种支护为被动支护，支护阻 东北大学硕士学住论文 第一章前言 力低，对围岩内部煤岩体的加固作用甚微，因而采动期间围岩破坏严重，不利于 沿空留巷。这是沿空留巷技术发展缓慢、和难以推广的主要原因之一。目前，新 的煤巷高强树脂锚杆支护技术已得到成功应用，煤巷维护状态发生了根本性的变 化，围岩稳定性显著提高。徐州矿区回采巷道锚杆支护技术实践表明，在采用了 高强锚网支护后。原来架棚支护时巷道变形严重的状况得到极大改善。甚至在工 作面推过之后仍有较大范围的悬顶存在，这为采用沿空留巷提供了十分有利的条 件。 我国八十年代阳泉四矿、平顶山矿务局引进英国高水速凝材料、设备和技术 进行了井下巷旁充填试验。在此期间中国矿业大学、中国矿业大学北京研究生部 和中国建筑材料研究院先后研究成功了高水速凝材料，在此基础之上，中国矿业 大学承担了国家“八五”科技攻关项目“沿空留巷机械化构筑护巷带技术”，将我 国国产高水速凝材料质量提高到一个新的水平，各项技术指标达到( 部分超过) 了处于世界前列的英国同类材料标准；研制成功了能输送粒径5 m m 以下的 b y z - 1 2 0 1 0 型充填设备；用塑料袋充填净浆材料和用活动钢模板充填灰渣材料构 筑巷旁充填体工艺等，并成功地在新汶矿务局翟镇矿井下进行了工业性试验。试 验沿空留巷巷旁充填巷道长度8 0 0 m ，巷道百米漏风率为2 9 8 ，复用前只需清理 和少量的维修，试验取得了成功。 张集煤矿7 4 2 3 工作面，埋藏深度6 8 3 4 8 3 6 2 m 倾角2 8 3 4 度平均3 1 度、 煤层平均厚度3 2 4 m ，地质条件较为复杂，属深井、大倾角、厚煤层，留巷难度较 大。所以，本课题的研究具有较大理论和应用价值。 1 3 主要研究内容 本课题的目的，是结合张集煤矿7 4 2 3 工作面下顺槽运煤巷具体条件，研究合 理的留巷支护和巷旁充填体参数。以及安全可靠的通风防灭火措施，并通过井下 试验和矿压观测，分析支护设计和通风防灭火措施的合理性，为该方法在该矿和 相似条件下的推广应用提供依据。 具体包括： ( i ) 研究以锚杆支护为基础的留巷支护技术。形成高阻让压的支护围岩结构， 以适应综采面采动压力影响。 ( 2 ) 通过综采面沿空留巷护巷带与顶板的相互作用机理研究及实验室配比强 度试验，分析巷旁充填体载荷及沿空留巷的围岩结构，进行巷旁充填体参数设计。 东北大学硕士学位论文 第一章前言 施等。 荷等。 ( 3 ) 巷旁充填体施工工艺设计，包括充填体保护、大倾角条件下墙体防滑措 ( 4 ) 前进式开采沿空留巷系统通风防灭火措施。 ( 5 ) 矿压观测研究，包括留巷变形规律、充填体载荷变化规律、加强支护载 东北大学硕士学位论文 第二章7 4 2 3 工作面及其运输巷概况 第二章7 4 2 3 工作面及其运输巷概况 7 4 2 3 工作面位于- 7 0 0 m 水平东一采区，工作面上部为7 4 1 6 工作面采空区，下 部为f 2 断层自然边界，f 2 下部为未采区，东部为东一皮带下山，西部为未采区。 工作面标高一6 4 8 m 一8 0 0 m ，地面标高+ 3 5 4 + 3 6 2 m ，埋藏深度6 8 3 4 8 3 6 2 m 。 该工作面回采的7 。2 煤层呈单斜构造，地层走向n e 3 0 4 0 度，倾向n w ，煤层倾 角2 8 3 4 度，平均3 1 度，东部较缓，西部较陡。据上部揭露地质资料分析，落 差在1 o m 左右的断层发育。 煤层平均厚度3 2 4 m ，结构简单，东部受火成岩体影响煤层局部变为天然焦， 煤层中下部夹有一层泥岩夹矸，厚o 2 6 m ，在西部小面切眼附近发育较厚，局部 达2 6 m ，煤层东部较厚，向西夹矸逐渐增厚，使煤层变为上下两个分层。 工作面走向长3 1 4 4 4 2 m ，倾斜长1 4 3 2 0 8 m ，综合机械化采煤方法，全部 冒落法管理顶板。采用前进式回采工艺。工作面下顺槽沿上帮老塘侧砌水泥墙进 行巷旁支护，以实现沿空留巷。工作面采用下行通风系统，工作面供风量 8 5 0 m 3 r n i n 。该工作面瓦斯分布不均匀，应加强瓦斯管理，工作面掘进过程中，瓦 斯涌出量平均o 4 m 3 m i n ，预计在工作面回采过程中，瓦斯涌出量为1 5 m 3 m i n 。 图2 1 7 4 2 3 工作面布置平面图 f i g2 - l p i a n oc o n f i g u r a t i o no f 7 4 2 3w o r k i n gf a c el a y - o u t 该面煤尘易飞扬，煤层具爆炸危险性。据煤样测试，有自然发火倾向，发火 期为三个月。该面最大涌水量0 3 3m 3 m i n ，正常涌水量0 0 3 0 0 5m 3 m i n 。煤层 查查垄兰塑主兰垒垒查墨三主! 竺! 三笪墨垒叁兰垒查童! ! l 直接顶为粉砂质泥岩，厚o o 5 0 m ，平均0 3 0 m ，灰色，岩性较脆，易碎。煤层 老顶为中细砂岩，厚1 0 2 0 1 8 5 7 m ，平均1 4 3 7 m ，灰白色，以石英为主，次为长 石，下部含大量泥质色体，深灰色，波状层理。夹细砂岩薄层a 层 柱状层厚岩石名称 次 l 中砂岩 2 f 糟砂时扼者 3 7 堪 4 、格曲鲁 5 糟砂署 、 精移岩 6 图2 2 工作面综合柱状图 f i g2 , 2w o r k i n gb m ec o m p r e h e n s i v es t t a t i g r a p h i cc o u m r t 东北大学硕士学位论文 第三章7 4 2 3 沿空留巷锚杆支护设计 第三章7 4 2 3 沿空留巷锚杆支护设计 3 1 锚杆支护设计思路 在巷道支护中，锚杆支护与传统的棚式支护相比，具有显著的技术经济优越 性。近年来在深井，三软，复合顶板，厚煤层沿空巷道等复杂困难条件下，采用 新型高强( 超高强) 树脂锚杆支护取得了许多成功经验，同时对高强树脂锚杆支 护系统控制回采巷道围岩交形和稳定性机理及其适应巷道大变形的能力等方面有 了新的认识。煤巷锚杆支护理论及实践方面均取得了显著进步。 为此根据7 4 2 3 工作面运输巷的地质及生产条件，提出如下锚杆支护设计思路： ( 1 ) 采用加长锚固的高强锚杆支护系统。 ( 2 ) 研究锚杆对巷道围岩的强化作用，分析锚杆在顶板内部形成的支护结构 及其承载能力，结合数值模拟计算进行科学的锚杆支护设计。 ( 3 ) 煤帮采用普通圆钢锚杆。 ( 4 ) 巷道顶板安装锚索，以增加顶板的安全系数。 ( 5 ) 顶板尽可能采用w 钢带或钢筋梯子梁，增加锚杆支护系统的整体稳定 性。 3 2 锚杆与巷道围岩的相互作用 巷道开掘后，原来处于平衡状态的围岩应力受到破坏而产生应力集中并重新 分布，在这一过程中，巷道围岩应力由原来的三向应力状态变为两向或单向应力 状态，围岩出现破坏区和塑性区。此时若巷道未得到及时有效的支护，则巷道的 破坏区和塑性区会愈来愈大，巷道围岩不可能处于稳定状态，但应力重新分布， 破坏区和塑性区的扩大不是一下子完成的。若巷道掘进后及时采用合适的锚杆支 护巷道顶板和两帮，一开始就通过螺母的拧紧给巷道围岩提供支护阻力，此时锚 杆群使巷道表面围岩变为三向应力状态，且在其内部形成一支护结构。在巷道围 岩变形和应力调整过程中，锚杆与巷道围岩产生作用与反作用，其支护阻力随之 增大。锚杆群的共同作用，使锚杆在其长度范围内的岩体内部形成具有一定承载 能力的支护结构，从而有效防止巷道围岩内聚力及内摩擦角的大幅度降低，阻止 巷道围岩塑性区的扩大，大大降低围岩的变形量，使巷道处于稳定状态。对于巷 东北大学硕士学位论文 第三章7 4 2 3 沿空留巷锚杆支护设计 道顶板，该支护结构在巷道掘进初期，有可能使其上部的顶板处于暂时的弹性状 态，它不仅承受顶板方向的载荷，而且承受两帮方向的水平载荷。 上述的支护结构能否形成，及该支护结构的承载能力的大小，主要与锚杆的 性能和锚杆支护参数有关。 3 3 锚杆对巷道围岩的强化作用 巷道采用锚杆支护后，其围岩的强度变化可用强度曲线与莫尔圆的关系加以 表示。巷道开挖后，巷道周边岩体处于双向应力状态，应力圆切于坐标原点，在 极限平衡状态时，应力圆与强度曲线相切( 图3 1 中之应力圆1 ) 。安装锚杆并提 供一定的预紧力后，在锚杆群 3 时， 巷道顶弦中部倒“鱼腹型”的高度d 为：d ，= l - b ；n = 3 时，d ，= d 。 在某一锚杆的支护条件下，根据巷道顶板跨度中部倒“鱼腹”处的弯矩及轴 力，可计算锚杆在顶板内部支护结构承受的最大压应力口一。考虑巷道在服务期 间顶板下部原始强度的降低( 塑性破坏后处于残余强度状态) 以及受到采动时高应 力的影响，取安全系数n s = 5 6 。 则顶板能够保证安全的条件为：仃。0 1 m o t 可按式( 3 1 ) 计算，为方便计算，式中甲的值可近似取币值。此时锚杆 在巷道顶板内部形成支护结构的的承载能力p f 为： p f 锇叫 ( 3 1 4 ) 张集煤矿7 4 2 3 工作面开采煤层平均厚度3 2 4 m ，煤层倾角平均为3 r 。顶板内 东北大学硕士学位论文第三章7 4 23 沿空留巷锚杆支护设计 聚力平均取6 7 m p a ，内摩擦角3 2 6 。，泊松比取0 2 3 ，巷道平均埋深7 5 8 8 m ，巷 道顶跨度4 5 m ，中高2 7 7 m ，采用锚杆支护，该巷道拟定的锚杆支护的主要参数 为：锚杆长度2 4 m 、2 2 m 、1 8 m ，锚杆间排距为0 8 m 或1 o m 。根据以上有关公 式，可计算出顶板两肩角锚杆不同安装角a 时，顶板内部支护结构的最大压应力 a ，如图3 4 所示，图中“2 4 1 ，0 ”表示锚杆长度2 , 4 m ，闾排距1 o r e ，其余类 同。 际拄躲 l 卜1 8 1 o 二：= 五2 枷41 f o _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l - _ _ _ _ ，_ _ - * 一- o 卜一1 8 - 0 8 v 一， ? ，哆钐 - 一一一一一一一一j珍一“ t ：一，_ 一一 l o2 0 3 0 譬秆安麓角d + ) 图3 ：_ 二二_ ：i 板内部结构的最大压应力 n 醇4 絮：薰、嚣警8 0 m 酊 设锚杆的屈服值为1 1 0 k n ，取安全系数为5 ，则对照图3 4 可知，在锚杆安装 角小于2 5 时，锚杆支护方案为( 锚杼长度间排距) 2 4 m x l 0 m 、2 , 4 m o ，8 m 和 2 2 m x 0 8 m 比较合适。为确保顶板内部支护结构的厚度，保证顶板锚杆支护的可 靠性，并考虑到锚杆安装角的误差较大，锚杆安装不及时等不利因素的影响，同 时根据矿工钢支架的排距，高强锚杆的主要支护参数选择2 2 m ( 长度) x o 8 m ( 间 排距) 。 3 5 数值模拟计算分析 3 5 1 数值模拟程序简介 数值模拟计算是一种解决采矿与岩土力学问题的常用工具，此次锚杆支护系 统设计采用先进的f l a c 程序计算，f l a c ( f a s tl a g r a n g i a na n l y s i so f c o n t i n u a ) 是一种用于工程力学计算的显式有限差分程序。该程序可模拟土、岩石等材料的 查! ! 垄茎堡主兰堡垒查 苎三兰! 丝! 丝窒堕查堂堑圭竺苎生 力学行为，f l a c 2 5 程序采用了显式拉格朗日算法及混合离散划分单元技术，内 部含有多个模型，如库仑一摩尔模型，应变软化，硬化模型，节理模型及双屈服模 型等用于模拟高度非线形、不可逆等地质材料的变形。f l a c 中含有的界面单元可 以模拟岩层中的梁、锚杆、桩及支柱单元可以模拟各种支护构件，此外，用户可 以用它编制自定义函数、变量等，也可以引入自定义的力学模型，使得该程序能 够精确模拟有关材料的塑性流动和破坏。 3 5 2 数值模拟模型及模拟方案 模拟范围为6 6 6 5 x 2 5 8 4 m ( 长x 高) ，共划分1 6 3 8 个单元，模型采用应力边 界条件，模型的上表面施加垂直压应力，两侧面旌加随深度变化的水平应力，模 型下表面垂直位移固定不变，左右两侧的水平位移固定不变，现根据工程类比法 及经验法，将相关合理支护方案列于表3 1 中，模型的网格划分见图4 1 。数值模 拟主要根据设计的不同支护方案，计算各支护方案条件巷道围岩的变形量，应力 及塑性区分布情况，从中分析优化，选择合理、可靠的支护参数。图3 5 3 9 为 相关的应力等值线。图3 1 0 为锚杆长度及其数量对巷道围岩变形量的影响。 表3 1 模拟的支护方案 t a b l e3 1s i m u l a t i v es u p p o r t i n gp r o g r a m 锚杆 模拟方案数量顶板锚杆规格帮锚杆规格备注 代号 n o 1 3 7 *62 0 x 2 4 0 0 西1 6 1 8 0 0 a m顶板为高强度螺纹钢 n o 23 8由2 0 x 2 4 0 0 m由1 6 1 8 0 0 哪锚杆两帮为圆钢锚 n o 33 7m2 0 2 2 0 0 m由1 6 x 1 8 0 0 u 杆。 n o 4 3 8击2 0 x 2 2 0 0 m由1 6 x 1 8 0 0 m 杠_ 表中“锚杆数量代 n o 53 7 小2 0 x 1 8 0 0 册由1 6 1 8 0 0 b 号”中的两个数字自 左到右分别为下帮、 n o 63 862 0 x 1 8 0 0 m e 母1 6 x 1 8 0 0 m 顶板的锚杆数量。 图3 5 巷道周围u 应力等值线 f i g3 5i s o l i n e o fa 口s u r r o u n d i n gr o a d w a y 东北大学硕士学位论文 第三章7 4 2 3 沿空留巷锚杆支护设计 图3 6 巷道周围ox x 应力等值线 f i g3 6 i s o l i n eo f 盯s u r r o u n d i n gr o a d w a y 图3 7 巷道周围t 斟应力等值线 f 够7i s o l i n eo f s u r r o u n d i n gr o a d w a y 图3 8 巷道周围x 方向位移等值线 f i g3 8 i s o l i n eo f xd i r e c t i o nd i s p l a c e m e n ta r o u n dr o a d w a y 图3 9 巷道周围y 方向位移等值线 f i g3 9 i s o l i n eo f yd i r e c t i o nd i s p l a c e m e n ta r o u n dr o a d w a y - 1 3 - 东北大学硕士学住论文 第三章7 4 2 3 沿空留巷锚杆支护设计 2 2 顶饭惜杆长度m 图3 1 0 锚杆长度及数量不同时，对巷道围岩变形量的影响 f i 醇1 0 e f f e c to f fd e f o r m a t i o no f s u r r o u n d i n gr o c ko f r o a d w a y u n d e rd i f f e r e ml e n g t ha n dq u a n t i t yo f a n c h o r 对数值模拟结果图3 5 3 1 0 分析可知，7 4 2 3 工作面运输巷采用方案4 比较合 理，即下帮采用3 根规格为由1 6 x1 8 0 0 r a m 的圆钢锚杆支护，巷道顶板采用8 根规 格为m 2 0 x 2 2 0 0 m m 的高强度螺纹钢锚杆支护，顶板间距o 8 m 。 在其它的支护参数给定时，锚杆的支护效果取决于锚杆的间排距，锚杆间排 距的大小是影响巷道围岩内部形成的支护结构的厚度及其承载能力的关键之一， 研究结果表明，当锚杆的间距为锚杆长度的一半时，围岩内部加固带的厚度为锚 杆有效长度的l 3 。锚杆间排距还应考虑巷道的断面尺寸，据此分析可知。对于7 4 2 3 工作面运输巷的顶板锚杆，其间排距取8 0 0 m m 合适。 3 5 3 关于锚杆直径 锚杆直径的确定主要应考虑锚杆具有可靠支护阻力的同时，在技术上可行， 经济上合理。 ( 1 ) 满足支护阻力的要求 为有效控制顶板岩层的变形和离层，顶板锚杆必须给予顶板岩层可靠的支护 阻力，在锚杆密度和杆体材料一定时，影响支护阻力大小的主要因素是锚杆的直 径，锚杆支护阻力的大小与杆体直径成正比，即锚杆直径愈大，锚杆的支护阻力 也愈大，同时锚杆支护系统的刚度也较大。较高的支护阻力和较大的系统刚度可 以有效地约束顶板的变形，保证巷道的稳定性。因此，单从提高锚杆支护阻力和 系统刚度的角度看，锚杆直径愈大愈好。 ( 2 ) 技术上可行 这主要是针对锚固效果而言的，国外研究结果表明，锚孔直径与锚杆直径相 差4 l o m m 时，全长锚固效果较好。但是国内锚孔一般是分段形成的，其成形质 量及直度均较差，根据这一特点，我们在实验室实验及理论研究结果表明，锚孔 东北大学硕士学位论文 g _ - 章7 4 23 沿空留巷锚杆支护设计 与锚杆直径相差6 1 2 m m 为宜。7 4 2 3 工作面运输巷顶板采用9 2 7 m m 钻头钻成的 锚孔，故顶板锚杆直径为9 1 8 2 2 r t u n 时较为合适。 ( 3 ) 经济合理性 在锚杆采用树脂药卷( 即树脂锚固剂) 全长锚固时，同一钻孔内的锚固剂体 积是互补关系，亦即它们二者之和为一常量( 等于锚孔的体积) ，增大锚杆直径可 减少树脂锚固剂的用量。 对于普通圆钢锚杆，若锚固长度为2 0 0 0 m m ，锚孔直径9 2 8 m m ，每孔的锚固 成本随锚杆直径的不同而不同，其变化关系如图3 1 1 所示。 普通圆钢锚杆直径为1 6 m m ，锚固长度1 8 0 0 m m 时，锚孔直径对锚固成本的影 响如图3 1 2 所示。 可见树脂药卷全长锚固时，在锚孔直径一定的情况下( 9 2 8 m m ) ，随着锚杆 直径的加大，每孔的锚固成本也逐渐增加，9 3 3 m m 锚孔的锚固成本比9 2 8 m m 锚孔 的锚固成本增加5 0 左右，9 4 5 m m 的锚固成本比9 2 8 m m 锚孔增加1 6 8 左右。从 这里也可以得出，巷道煤帮锚杆采用树脂锚固，并采用们2 m m 钻头打锚孔时，不 宜使用全长锚固。 1 41 61 b2