大黄山煤矿大跨度切眼锚杆锚索支护技术研究.pdf

论文题目大黄山煤矿大跨度切眼锚杆锚索支护技术研究 工程领域矿业工程 硕 士 生黎俊民 （签名）___________ 指导教师范公勤 （签名）___________ 摘 要 随着锚杆支护技术在大黄山煤矿的应用与发展， 锚杆支护已在大黄山煤矿的巷道支 护中占据绝对优势，然而，单纯的锚杆支护还不能很好的解决大黄山煤矿中大煤层大跨 度切眼的支护难题。新疆大黄山煤矿中大煤层切眼宽 8m，高 3m，煤层厚度 25.12m，煤 层较软，能否解决好中大煤层大跨度切眼的支护难题，是大黄山煤矿扩大开采规模和保 证安全生产的关键。 本文对锚杆锚索的悬吊、 组合梁和松动圈等支护理论以及锚杆锚索的失稳机理作了 较为全面的分析， 通过等效椭圆的方式和弹塑性极限平衡理论研究了大跨度矩形切眼围 岩的塑性区范围。在分析现有设计方法的基础上，选用基于巷道围岩松动范围的锚杆锚 索动态设计方法。最后以大黄山煤矿708750 中大煤层大跨度切眼锚杆锚索支护为 工程项目，进行了大跨度切眼锚杆锚索支护技术的实践研究。通过对比本文选用的动态 设计方法和传统的设计方法，确定了大黄山煤矿708-750 中大煤层大跨度切眼锚杆锚 索支护方案，并采用有限差分软件 FLAC-3D 对支护效果进行了稳定性分析；初始设计应 用于实践， 监测支护效果， 采用数据处理软件对监测数据进行了分析， 评价了支护效果， 反馈信息后再优化设计，实现了初始设计与工程生产实践结合的动态设计。 本文所采用的支护参数计算理论较好地解决了大黄山煤矿708750 中大煤层大 跨度切眼锚杆锚索支护的技术难题，可供相似切眼设计参考。 关 键 词大跨度切眼；锚杆锚索支护；松动范围；数值模拟；动态设计 研究类型应用研究 万方数据 Subject Sutry on Anchor Cables Supporting in DaHuangShan large Span Section Open-off Cut Specialty Mining engineering Name Li Junmin signature________________ Instructor Fan Gongqin signature________________ ABSTRACT With the application and development of bolt support echnologyinDaHuangShan, bolt support has occupied anabsoluteadvantageinDaHuangShan roadway support, however, simply bolt support is not a good solution to large span open-off cut in large coal seam in DaHuangShan.The width of open-off cut in Xinjiang DaHuangShan coal mineis 8 m,the height is 3 m, and the thickness of coal seam is 25.12 m, coal seam is soft, how to solve the support difficulty in large span open-off cut,is the key to expand production scaleand inprovesafety of production in DaHuangShan. In this paper, it makes a detail analysis about the theory,such as the overhang of anchor bolt ,the combination of bridge , the broken rock zone and the unstability mechanism of anchor bolt, by means of the equivalent ellipse and the elastoplastic limit equilibrium theory ,can learn the plastic zone of large span rectangular open-off cut surrounding rock.Based on the existing design s, choose the anchor bolt dynamicdesign based on the loose range of roadway surrounding rock .Finally put the large span open-off cut bolt supportranging from 708 to 750 as project, we made research on anchor bolt and anchor rope support technology for large span open-off cut.By comparing the dynamic design inthis articleand the traditional design , putthe large span open-off cut bolt supportranging from 708 to 750 asscheme, and make the stability analysis of support effect software FLAC 3 d. Initial design is applied in practice,to monitor the supporting effect,and use the data dispose softwareto analyse the monitor data, uate the supporting effect, feedback ination after optimization design, it can realize the dynamic designof combiningthe initial design and engineering production practice. In this paper, the calculate theory of supporting parameters can solve the problem that anchor bolt and anchor rope supporting technical in large span open-off cut ranging from 708 to 750 inDaHuangShan,it can provide a reference for the similar open-off cut design. 万方数据 Key words Large span open-off cut anchor cables supporting releasing rang Numerical simulation dynamic design Thesis Application research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 ................................................................................................................................. 1 1.1 选题背景及研究意义 .......................................................................................... 1 1.2 国内外锚杆锚索支护技术研究现状 .................................................................. 2 1.2.1 国内外锚杆支护技术研究概况 ............................................................... 2 1.2.2 国内外锚索支护技术研究概况 ............................................................... 4 1.3 论文研究的主要内容 .......................................................................................... 5 2 大跨度切眼锚杆锚索支护理论分析及参数设计研究 ................................................. 7 2.1 大跨度切眼锚杆锚索支护理论分析 .................................................................. 7 2.1.1 悬吊理论 ................................................................................................... 7 2.1.2 组合梁理论 ............................................................................................... 8 2.1.3 组合拱压缩拱理论 ................................................................................ 8 2.1.4 最大水平应力理论 ................................................................................... 9 2.1.5 松动圈支护理论 ....................................................................................... 9 2.2 大跨度切眼锚杆锚索支护参数设计研究 ........................................................ 10 2.2.1 工程类比法 ............................................................................................. 10 2.2.2 理论设计方法 ......................................................................................... 10 2.2.3 数值计算法 ............................................................................................. 11 2.2.4 监测法 ..................................................................................................... 11 2.3 大跨度切眼锚杆锚索支护参数设计 ................................................................ 11 2.4 大跨度矩形切眼顶板松动范围的研究 ............................................................ 13 2.4.1 矩形切眼顶板松动范围确定的传统方法 ............................................. 13 2.4.2 基于等效椭圆矩形切眼顶板松动范围的研究 ..................................... 15 2.5 大跨度矩形切眼两帮破坏范围的研究 ............................................................ 18 3 大跨度切眼锚杆锚索支护技术在大黄山煤矿的应用 ............................................... 22 3.1 大黄山煤矿708-750 中大煤层大跨度切眼概况 ......................................... 22 3.1.1 大黄山煤矿交通位置 ............................................................................. 22 3.1.2708-750 中大煤层大跨度切眼工程水文地质情况 ........................... 23 3.1.3708-750 中大煤层大跨度切眼围岩物理学特性 ............................... 23 3.2708-750 中大煤层大跨度切眼顶锚杆参数设计 .......................................... 24 3.2.1 基于普氏冒落拱法 ................................................................................. 25 万方数据 目录 II 3.2.2 基于等效圆法 ......................................................................................... 26 3.2.3 基于等效椭圆法 ..................................................................................... 27 3.2.4708-750 中大煤层大跨度切眼顶锚杆参数的确定 ........................... 29 3.3708-750 中大煤层大跨度切眼帮锚杆支护参数设计 .................................. 29 3.4708-750 中大煤层大跨度切眼锚索支护参数设计 ...................................... 30 4 大黄山大跨度切眼锚杆锚索支护数值模拟分析与监测分析 ................................... 32 4.1 大黄山708-750 大跨度切眼支护数值模拟稳定性分析 ............................. 32 4.1.1 支护设计数值模拟方法与计算程序介绍 ............................................. 32 4.1.2 应用 FLAC 对大黄山煤矿大跨度切眼进行数值模拟 ........................ 32 4.1.3 数值模拟结果 ......................................................................................... 32 4.2708-750 中大煤层大跨度切眼锚杆锚索支护监测与分析 .......................... 35 4.2.1 监控量测的作用和意义 ......................................................................... 35 4.2.2708-750 中大煤层大跨度切眼监测项目的选择 ............................... 36 4.2.3708-750 中大煤层大跨度切眼支护监测原则 ................................... 36 4.2.4708-750 中大煤层大跨度切眼支护监测方案 ................................... 37 4.2.5708-750 中大煤层大跨度切眼监控量测数据的处理与分析 ........... 39 4.2.6708-750 中大煤层大跨度切眼监测结果 ........................................... 42 4.2.7708-750 中大煤层大跨度切眼信息反馈优化设计 ........................... 44 4.2.8708-750 中大煤层大跨度切眼监测结果分析 ................................... 46 5 结论 ............................................................................................................................... 48 致 谢 ................................................................................................................................ 49 参考文献 .......................................................................................................................... 50 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 煤炭是世界上最丰富的化石资源，被称为工业的粮食。2013 年煤炭开产总量是 37 亿吨，预计到 2014 年煤炭开采总量将达到 39 亿吨，目前在我国一次能源生产和消费结 构中，煤炭占 65左右。因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。 由于我国的煤炭赋存条件复杂，绝大多数矿井采用井工开采，为了把地下煤炭资源 开采出来，需要开掘出一系列巷道，巷道实际已经成为矿井的经脉，作为产煤大国，我 国每年新掘进的巷道和维修的巷道达几千万米，那么，保证巷道的稳定和完好状态，不 但能改善职工的作业环境和条件， 而且对提高职工入井的安全性和保持矿井的完全系数 都很有意义，所以，巷道支护技术就显得特别重要。 随着我国煤矿工程技术人员对煤矿掘进实践总结的不断完善和对巷道支护理论研 究的不断深入，我国巷道支护技术发展非常迅速，支护理念已经由传统的支架被动支护 发展到锚杆锚索主动支护。同时由于巷道围岩物理力学性质，围岩自身具有相应的自承 能力，同时，锚杆锚索支护由于其能及时主动支护巷道围岩，并且能与巷道围岩共同变 形，锚杆支护后能大大提高巷道围岩的自我承载能力，所以，锚杆锚索支护能大大提高 巷道稳定性。 锚杆对巷道围岩的加固强化，可以大大提高巷道围岩的稳定性，同时，锚杆相对于 支架而言，材料消耗少，施工机械化程度高，工人操作强度低，施工速度快，对巷道断 面的利用率高，巷道返修率低，维修量小，劳动作业环境大大改善，显著改善矿井安全 生产状况和形势，代表了世界煤矿支护技术的发展方向 进入 21 世纪，随着煤矿支护技术迅速提升，锚杆完全能够达到在一般地质条件下 对巷道的支护加固作用。至 2012 年，大黄山煤矿的锚杆支护经过近 15 年的发展也已经 很成熟，但是，随着大黄山煤矿产业升级改造完成，大黄山煤矿开始引进放顶煤综采工 艺，切眼跨度和高度明显增加，大黄山煤矿中大煤层切眼宽度 8m，高度 3m，由于切眼 跨度和高度都很大，导致切眼围岩应力大大增加，单纯的锚杆支护已经无法保证开切眼 正常掘进，巷道变形量大，片帮和顶部脱层严重，导致中大煤层切眼施工非常困难，巷 道返修工作量很大，有时由于顶部脱层严重甚至无法保证施工人员安全，造成切眼掘进 面停掘，工期拖延，影响后期采面安装和采面瓦斯抽放，直接影响大黄山煤矿整体采掘 接替，制约大黄山煤矿经济健康发展。为解决此问题，急需找出一套适合大黄山煤矿中 大煤层大断面切眼的锚杆锚索复合支护技术， 保证切眼正常掘进和后期综采设备顺利安 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 装。 1.2 国内外锚杆锚索支护技术研究现状 锚杆锚索支护技术是煤炭开采的一个重要研究分支， 煤矿井下掘进中采用锚杆锚索 支护技术，和被动支架支护相比，锚杆锚索对巷道围岩的加固强化，可以大大提高巷道 围岩的稳定性，同时，锚杆相对于支架而言，材料消耗少，施工机械化程度高，工人操 作强度低，施工速度快，对巷道断面的利用率高，巷道返修率低，维修量小，劳动作业 环境大大改善，显著改善矿井安全生产状况和形势。在国内外的煤矿、隧道、水库等工 程建设中已经广泛的使用锚杆锚索支护技术。 1.2.1 国内外锚杆支护技术研究概况 相比传统的支架被动支护，锚杆能及时主动的支护巷道围岩，操作机械化程度高， 施工便利，操作简单，具有传统支架支护所没有的技术和经济优势，所以，得到世界各 国煤炭行业的广泛使用和快速推广。 锚杆支护技术最早出现在国外， 世界上最早是英国于 1872 年在露天矿使用锚杆的， 其次是德国最早于 1912 年在井下使用锚杆的， 距今已经有 100 多年了。 到上世纪 40-50 年代，西方国家包括前苏联已经开始在井下研究锚杆支护技术，并且出现了喷浆机和开 始使用速凝剂，进入上世纪 60 年代，锚杆支护技术已经在煤矿、桥梁、堤坝等工程领 域广泛推广使用。目前，澳大利亚和美国锚杆支护发展较快，锚杆支护已经在巷道支护 中超过 90 [1]，欧洲主要产煤大国锚杆在巷道支护中所占比重也超过了 80[2]。 世界上对锚杆锚索支护技术的研究较为先进和成熟的当属澳大利亚， 尤其对全长树 脂锚固锚杆的研究十分成熟，此种锚杆占澳大利亚煤矿锚杆使用量的 98 [3]。澳大利亚 锚杆支护技术把巷道地质调研、支护初始设计、施工、支护监测以及信息反馈优化设计 等部分作为整体工程来研究，经过长期实践和理论研究，形成了独特而完善锚杆支护设 计体系和方法 [3]。 上世纪 80 年代末，英国借鉴澳大利亚的锚杆锚索支护技术，并通过本国工程技术 人员对支护理论及支护材料物理性质和对工程施工监控量测等一系列环节深入研究和 不断改善，逐步探索出适合英国煤田地质条件的系统的锚杆支护设计体系，因此，英国 锚杆的使用范围迅速扩大。美国是世界上主要产煤大国之一，依据其得天都厚的煤炭埋 藏条件和发达的科技研发能力， 在世界煤矿锚杆支护技术理论研究和实践应用方面一直 处领先地位。 美国同时也是世界上唯一一个把锚杆支护当作巷道顶板唯一支护形式的国 家，美国每年使用锚杆超过 8000 万根。德国主要使用刚性金属支架作为巷道支护形式， 但是，目前也在研究适合本国地质条件的锚杆支护技术。日本和印度等国也在引进英国 万方数据 1 绪论 3 和澳大利亚的锚杆支护技术。 通过世界各国对锚杆支护技术研究和实践应用的重视程度 可以看出，锚杆支护已经成为世界煤炭行业巷道支护技术发展的必然趋势。 总体而言，国外锚杆技术发展特点如下 （1）根据本国煤炭埋藏条件和煤炭特性， 在实践中探索出适合本国煤层条件的的锚杆支护技术和锚杆支护设计方法。 如澳大利亚 把巷道地质调研、巷道支护初始设计、巷道施工、支护监测以及信息反馈优化设计等部 分作为整体工程来研究，经过长期实践和理论研究，形成了独特而完善锚杆支护设计体 系和方法，此设计方法已在英国、波兰等国得到应用 [4][5][6]；美国有两种影响较大的锚 杆设计方法一是经验法，该法是根据以往条件相似巷道围岩支护的成功经验，来制定 巷道支护设计的方法。二是理论法,该法首先确定巷道围岩物理力学性质，其次根据岩 石力学理论计算相关支护参数。但是在实践中常常不是单独使用某一种方法，而是结合 两种法使用。同时，美国的锚杆加工制造业非常发达，锚杆加工已经形成产业化，产品 形成诸多系列，可适应不同的煤层地质条件，锚杆向高预紧力和高强度发展；（2）结 合本国巷道围岩的特点，针对性地解决了困扰本国锚杆支护发展的技术难题，推动了锚 杆支护技术的发展；（3）不断完善锚杆施工配套机具；（4）同步发展监测技术，运用 监测技术提高锚杆支护巷道的安全性和施工的经济性。 我国在上世纪 60 年代开始研究锚杆支护技术,大致分为三个阶段。一是起步阶段， 20 世纪 60 年代至 80 年代初期，这个时期，我国的锚杆支护技术才刚刚起步，还不是 很成熟，煤矿主要使用是钢丝绳或契缝式砂浆锚固锚杆，这种锚杆强度低，被动承载而 不是主动支护，并且锚杆之间没有联系，当时盲目推广此类锚杆，实际上对锚杆支护技 术不但没有起到促进作用反而起到阻碍作用；二是发展阶段，上世纪 80-90 年代，煤矿 软岩锚杆支护连续被列为国家“七五”和“八五”科技攻关课题，这一时期，出现了锚 网梁和锚网加钢带等支护技术；三是成熟阶段，国家煤炭部在 95 年把锚杆支护再次列 为“九五”科技攻关课题，重点完善在Ⅰ～Ⅲ类巷道的锚杆支护技术，并在国内各大矿 井开始广泛推广， 同时， 重点研究在Ⅳ、 Ⅴ类软岩巷道顶板的锚杆支护技术。 这一时期， 国家开始引进澳大利亚系统的锚杆支护技术，并在三东邢台、新汶等矿务局井下进行锚 杆支护实验，组织中国国矿大、西安科技大学、湘潭矿院等科研院校参与技术攻关，极 大地推动了全国煤巷锚杆支护技术的快速发展。目前，我国在 I-III 类围岩中的锚杆技 术已经完全达到安全生产的要求，全国应用非常普遍 [7]。 虽然，我国锚杆支护技术发展很快，但还存在以下缺点 1对锚杆支护加固围岩 作用机理的认识不够。现阶段，对锚杆支护机理的认识主要是悬吊理论、组合拱理 论和松动圈支护理论等，这些理论只是对一般巷道而言，还不能很好的解决大跨度 大断面巷道支护问题，尤其是大跨度软岩切眼的支护。我国锚杆支护设计目前还主 要是经验法，急需探索出一套适合我国煤炭埋藏条件的锚杆设计规范；2虽然我 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 国煤炭资源很丰富，但是煤炭赋存条件却十分复杂，有的煤田赋存条件甚至极其恶劣， 部分巷道不仅围岩的强度低，还受采动影响。围岩变形量和破裂范围很大，这就要求锚 杆在围岩变形的同时，还能提供足够的承载能力以达到对巷道围岩的约束和加固，这在 一定程度上制约了我国锚杆支护技术的发展；3锚杆施工机具发展滞后。施工机具的 性能决定着锚杆支护的速度和加固质量，我国煤矿目前使用的主要是风动锚杆机、液压 锚杆机、电煤钻和风煤钻等施工机具，但是性能和结构还不尽合理，各有其使用缺点， 不论气动还是液压锚杆机都不能施工垂直于两帮的锚杆， 风煤钻和电煤钻施工锚杆孔时 无法清洗钻孔内的煤岩屑，相对而言，锚杆施工机具发展缓慢，急需加大对锚杆施工机 具的研发力度，以实现掘锚平衡；4锚杆支护监测技术滞后。锚杆施工完毕后，对支 护效果进行监测分析，是检验支护效果，改进支护参数的重要手段。我国在研究锚杆支 护技术的同时，也在研发锚杆支护的监测技术，已经研制成了一些仪器设备，如锚杆拉 拔力量测仪，监测锚杆，锚固力检测盒等，但监测结果还不能完全反映围岩和锚杆支护 的真实状态， 急需加大研发力度。 同时， 由于监测理念还没有受到矿井管理人员的重视， 所以，监测工作在实际生产中还没有起到应有的指导生产的作用。 综合以上分析，对于软岩、受采动影响大以及跨度大的大黄山煤矿切眼，单纯采 用锚杆支护很难解决实际问题，必须采用锚杆锚索锚网联合支护，才能解决大黄山煤矿 大跨度软岩切眼支护难题。 1.2.2 国内外锚索支护技术研究概况 （1）国内外锚索支护技术发展概况 锚索支护技术最早出现在国外，最早在地面工程中使用的是 1934 年，当时使用预 应力锚索对水坝加固，最早在矿井使用的是 1918 年，在西里西安矿井。随着各国工程 技术人员对锚索技术研究的不断深入，同时锚索材料也逐步向高强度发展，出现了高强 度钢绞线材料，锚索支护开始形成系统的理论和设计方法 我国对锚索技术的研究在上世纪 60 年代开始，1964 年我国首次成功将锚索应用到 工程施工，使用锚索对梅山水库堤坝加固，锚索加固非常成功 [10]。随着我国改革开放的 进程，我国各行各业蓬勃发展，预应力锚索支护技术也迅速发展，锚索支护理论、设计 方法也较为成熟。目前，在我国很多工程领域锚索的使用非常普遍，如山体危岩加固、 大跨度桥梁加固、部分危险建筑物加固、水库堤坝加固和矿山巷道加强支护等。 近年来，世界各国都非常重视预应力锚索在煤矿支护中的研究和应用，尤其是澳大 利亚、英国、中国和美国等采矿大国 [8]。在采深较大、围岩松散破碎或受采动影响大的 巷道、大跨度大断面硐室、断层及其附近、巷道交叉地段使用锚索加强支护是非常有效 的方法 [11]。 随着我国开采深度不断增加， 巷道围岩压力越来越大， 巷道变形也越来越大， 万方数据 1 绪论 5 为保证回采安全和通风要求，回采巷道断面尺寸越来越大，尤其近些年综放采煤技术的 发展，切眼跨度和高度更是大幅增加，单纯锚杆锚网支护很难解决顶帮脱层，巷顶下沉 和两帮收缩移近等问题，采用锚杆、锚索联合支护方案方可较好解决此问题 [12]。 煤矿使用的锚索经过多年的研究和改进，目前，应用最广泛的锚索技术是小孔径树 脂锚固剂锚固技术，这种锚索适合煤巷掘进期间的正规工作循环。其最大特点是可用锚 杆机钻眼，孔径只有 28mm，采用钢绞线制作锚索索体，树脂锚固剂锚固，通过普通锚 杆机就可以完成施工。 （2）锚索结构 锚索一般由锚固段、锚索体和外锚头三部分组成。锚索作为一种科学高效的支护技 术，在国内外的工程领域中应用广泛。锚索是先钻孔，一般钻孔要达到顶板岩石或稳定 坚硬的煤层，再把钢绞线索体通过锚固材料锚固在顶板岩石或稳定坚硬煤层上，最后通 过紧缩器把锚索体张拉并锁紧，从而对巷道进行加固。锚索支护应根据支护工程岩体物 理力学性质、加固工程规模及锚索体自身材料性质确定锚索体材料。一般常用的材料有 高强度钢绞线、钢丝和无粘结筋等，锚索体材料要求柔性好，强度大和延展性低。 锚索材料质量及其施工质量的好坏直接关系到锚索加固工程的质量、 效果和使用寿 命，因此，不仅要科学合理选择锚索材料，还应对锚索材料及锚索施工建立科学严谨的 管理和验收制度，以使锚索支护达到预期效果。 （3）锚索支护原理 锚索的支护原理是通过对锚索体的张拉， 形成对巷道围岩的压力作用以提高岩体抗 破坏能力，同时，当巷道顶部岩体有可能出现拉应力时被这部分作用力所抵消，可以减 少巷道顶部岩体的拉应力，因此，顶部岩体处于预应力作用状态将大大提高岩体的强度 值。锚索不但具有普通锚杆的组合梁作用、悬吊作用、楔固作用，锚索支护与加固是一 种真正意义上的主动作用，它靠高预应力提供的高抗滑动阻力以实现岩体的稳定，而普 通锚杆支护主要是由岩体变形而被动地引起锚杆的约束作用实现岩体稳定， 因此预应力 锚索支护性能明显优于普通锚杆 [13]。 锚索深层补强支护给巷道围岩的高预紧力和高承载力， 使得锚索和锚杆作用耦合叠 加，大大增强所支护围岩的强度，使得顶部作用力通过两帮传递到两帮深部，改善了巷 道受力状态，有效改善巷道顶部脱层下沉状况，两帮脱层松动情况也得到改善，锚杆锚 索联合支护技术优越性很明显。 1.3 论文研究的主要内容 以大黄山煤矿708750 中大煤层大跨度切眼支护为工程实例，对大跨度切眼锚 杆锚索联合支护进行了深入研究分析。在深入分析锚杆锚索作用机理的基础上，分析了 三种大跨度矩形切眼顶部塑性区的确定方法， 运用三种方法分别对大黄山煤矿大跨度切 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 6 眼进行顶锚杆支护设计，通过比较，选取基于等效椭圆的确定方法。运用本文采用的设 计方法对大黄山煤矿708750 中大煤层大跨度切眼进行支护设计，并对初始设计进 行数值分析和对支护效果进行现场监测分析。论文研究主要内容如下 （1）广泛查阅资料，研究分析锚杆锚索支护作用机理，同时深入分析了现有的锚 杆锚索支护理论。 （2）采用矩形巷道外接等效椭圆的方法和弹塑性极限平衡理论，确定了大跨度矩 形切眼围岩的松动破坏范围。 （3）针对大跨度切眼的特点，采用基于切眼围岩松动破坏范围的锚杆锚索动态设 计方法。 （4）用三种顶锚杆设计方法分别对大黄山煤矿708750 中大煤层大跨度切眼进 行顶锚杆支护设计，比较三种设计结果，选取基于等效椭圆的顶锚杆设计方法。 （5）使用软件 FLAC3D 对708-750 中大切眼锚杆锚索支护初始设计进行稳定性分 析。 （6）对大黄山煤矿708750 中大煤层大跨度切眼进行支护效果监控量测，收集 数据并科学处理和分析，将分析信息反馈设计，进一步修改完善设计。 万方数据 2 大跨度切眼锚杆锚索支护理论分析及参数设计研究 7 2 大跨度切眼锚杆锚索支护理论分析及参数设计研究 2.1 大跨度切眼锚杆锚索支护理论分析 现有的锚杆锚索支护理论主要是基于悬吊作用的悬吊理论、 基于叠梁作用的组合梁 理论、基于加固作用的组合（加固）拱理论、基于松动范围的松动圈理论和最大水平应 力理论 [14-29]等。 2.1.1 悬吊理论 悬吊理论 采用锚杆支护主要把巷道顶部软弱破碎围岩悬吊到深部坚硬岩层或煤层 上，每一根锚杆悬吊其周围一部分软岩，承担一部分载荷，锚杆本身的承载力大于其悬 吊的围岩重力，其原理如图 2.1 所示。 图 2.1 悬吊作用示意图 悬吊理论适用于巷道跨度小并且巷道顶部存在硬岩或硬煤情况， 单独的悬吊理论还 不能解决大跨度顶部存在软岩的切眼情况，因为，大跨度切眼由于其跨度大，巷顶的压 力非常大，顶煤一般较软弱破碎，根据悬吊理论计算出的顶部冒落拱高度很大，超过巷 道高度和实际使用的锚杆长度，但是实际使用的锚杆对切眼的支护也是成功的，此种情 况悬吊理论无法解释。如果能正确确定切眼顶部松散范围，再用悬吊理论计算锚杆支护 参数是可行的。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 8 2.1.2 组合梁理论 组合梁理论 组合梁理论假定巷道顶部岩层是层状分布的， 并且各层之间粘结度低， 受压后各层容易相互滑移，造成顶部围岩破裂蠕变，锚杆穿过各层，并实施挤压力把各 层紧固