兴隆庄煤矿煤巷锚杆支护技术研究与实验.pdf

东北大学 硕士学位论文 兴隆庄煤矿煤巷锚杆支护技术研究与实验 姓名唐中华 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师王青;李兴东 20030701 东北大学硕士学位论文摘要 摘要 近几年来，我国的煤巷锚网支护技术得到飞速发展，普遍认识到锚杆支护是巷道支护的先 进技术，是巷道支护技术的一个重要发展方向。锚杆支护作为一种新型的回采巷道支护技术， 以其优越性越来越受到煤炭企业的重视，现己在各大煤矿中广泛应用。 但是，到目前为止，还没有形成一个公认的煤巷锚杆支护设计的理论与方法，因此，本文 介绍了国内外煤巷锚杆支护技术的发展概况及其成功经验并介绍了几种经典的煤巷锚杆支护设 计理论、设计方法，如悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论等。 结合美国、澳大利亚等先进采煤国家的锚杆支护经验与锚杆支护技术的最新进展，介绍了 锚杆支护设计的最新理论最大水平应力理论。 根据我国煤巷锚网的实际情况，介绍了国内常用的几种锚杆支护设计方法，如经验类比法， 理论计算法，数值模拟法等，重点介绍了高预拉力锚杆支护设计思想，认为预拉力是锚杆实现 主动支护的基础，是组合粱形成的关键，无预拉力或低预拉力锚杆支护系统是造成巷道失稳的 主要原因。 利用A N S Y S 设计的煤巷锚杆支护方法在兖矿集团兴隆庄煤矿在不同地质条件下的实体煤 巷道、沿空巷道试验情况，根据现场与试验的反馈信息，利用此方法进行煤巷锚杆支护设计是 可行的，并且支护效果较好，将对煤巷锚杆支护设计有重要的参考价值。 详细介绍了锚杆受力、顶板离层和巷道位移的监测方法、仪器、及数据的处理等，并就兴 隆庄煤矿的几条试验巷道的现场观测数据进行了分析，为完善锚杆支护设计提供了保证。 介绍了兴隆庄煤矿的锚杆结构及其组件优化情况，认为采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆后，增 加了锚固剂与锚杆杆体之间的握裹力以及锚固剂与岩体之间的粘结力，可以有效的提高锚杆的 锚固力。通过锚杆组合件的优化实现了锚杆的快速安装，大大提高了巷道掘进速度。 评价了煤巷锚杆支护的技术和经济效果，采用煤巷锚网支护对于预防煤炭自然发火，有利 于安全生产，改善工作面端头支护，加快工作面推进，降低支护成本有重要的意义。 根据兖矿集团兴隆庄煤矿的井下锚杆支护的实践证明，采用高预拉力锚杆支护系统以 A N S y S 建立的通用化有限元模型不仅可以模拟不同巷道布置形式的锚杆支护设计，而且数值 模拟结果经实践检验是合理的、有效的。 关键词煤巷锚杆支护技术，高预拉力，监测，A N S Y S ， 东北大学硕J j 学位论文 A b s t r a c t A b s tr a c l I nr e c e n ty e a r s ，g a t er o a d w a y sb o l t i n gs u p p o r tt e c h n o l o g yo fo u rc o u n t l “ yh a sr e c e i v e dt h e d e v e l o p m e n ta tf u l ls p e e d ，a n d i t sR na d v a n c e dt e c h n o l o g yo f s u p p o s i n gg a t er o a d w a y s ．A s an e w m e t h o dt os u p p o r tg a t er o a d w a y s ，b o l t i n gh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h eb i gc o a le n t e r p r i s e sf o ri t s s u p e f i o d t y ． B u ta ss of a r ，ar a t i o n a lb a s i sf o ra l lb o l t i n gs y s t e md e s i g n sh a ss t i l ln o tb e e nf u l l ya c h i e v e d ．I n t h i st h e s i s ，s o m en e wm e t h o d sa n ds u c c e s s f u l e x p e r i e n c e s o fg a t e r o a d w a y sb o l t i n gs u p p o r t t e c h n o l o g y ，s u c ha ss u s p e n d i n gt h e o r y ，c o m b i n e dp l a t et h e o r y ，c o m b i n e d a r c ht h e o r y ，e t c 。， C o m b i n ea d v a n c e db o l t i n gs u p p o r tt e c h n o l o g ya n de x p e r i e n c e si nU ．S ．A ．，A u s t r a l i a ，e t c ．t h e l a t e s tt h e o r yo f b o l t i n gs u p p o r td e s i g n i n gi si n 竹o d u c e da l s o ，w h i c hi st h em a x t m u mh o r i z o n t a ls t r e s s t h e o r y ． A c c o r d i n gt h ep r a c t i c a lc o n d i t i o no fg a t er o a d w a y sb o l t i n gs u p p o r ti n o u rc o u n t r y ，t h i st e x t i n t r o d u c e ss o m ec o m m o n b o l t i n gm e t h o d s ，s u c h a se x p e r i e n c ec o m p a r i s o nm e t h o d ，t h e o r yc a l c u l a t i n g m e t h o d ，n u m b e rs i m u l a t i o nm e t h o d e t c ．，e s p e c i a l l yt h ed e s i g nt h o u g h to f h i g h s t r e s sb o l t i n gd e s i g n i n g w h i c ht h i n ki t ’st h eb a s i so fv o l u n t a r ys u p p o F ta n dt h ek e yo fc o m b i n e dp l a t e ．L o ws 灯e s sO rr i o s t r e s si st h em a i nr e a s o nt h a tb o l t i n gs u p p o r ts y s t e mf a l l s ． U t i l i z i n gt h ei n f o r m a t i o nc o m ef e e d b a c kf r o mX i n g L o n gc o l l i e r yo f Y a n z h o uM i n i n gG r o u p ， i t sp r o v e dt h a tt h eg a t er o a d w a y sb o l t i n gs u p p o r tm e t h o db a s e do nA N S Y Si sf e a s i b l e ，a n di th a s g o o d e f f e c t ，w h i c hw i l lb ei m p o r t a n tr e f e r e n c et ob o l t i n gs y s t e md e s i g n s ． T h i st h e s i sa l s oi n t r o d u c e st h em e t h o d so fm o n i t o r i n gb o l t i n g ，r o a dd i s p l a c e m e n ta n dt h e i n s t r u m e n t sn e e d e T h i st e x ta n a l y z i n gt e s td a t aa b o u ts e v e r a lr o a d so fX i n g L o n gc o l l i e r yw h i c h s u p p o r to f f e r st op e r f e c t t h eb o l t i n gs u p p o r tt e c h n o l o g y ． A n dt h e ni ti n t r o d u c e st h eb o l t i n gs t r u c t u r ea n di t ’sp a r t so f X i n g L o n gc o l l i e r y ，a n di tt h i n kt h a t i m p r o v i n gt h es t r e s sb e t w e e n b o l ta n dr o c kb o d ys t r e n a e nb o l t i n ge f f e c t ，a n do p t i m i z a t i o no ft h e p a r t so f b o l tc a n a c c e l e r a t ei n s t a l l a t i o ns p e e da n d i m p r o v et u n n e l i n gs p e e dg r e a t l y ． A n di t a p p r a i s e sb o l t i n gs u p p o r tt e c h n o l o g ya n de c o n o m i cr e s u l t ．I fw ea d o p tb o l t i n gs u p p o r t t e c h n o l o g y ，w ec a np r e v e n tn a t u r a lc o a lf i r e ，a n dw e C a l lp r o d u c ei nm o r es a f e t y ，a n di m p r o v e w o r k i n gs u p p o a ，a n d a c c e l e r a t et h ew o r k i n gr a n g em o v e f o r w a r da n dr e d u c et h ec o s to f s u p p o r t ． A c c o r d i n gt op r a c t i c ei nX i n g L o n gc o l l i e r yo fY a n z h o uM i n i n gG r o u p ，i t sp r o v e dt h a t t h e m o d e l sb a s e do nA N S Y Sn o to n l yc a ns i m u l a t et h ed e s i g no f b o l t i n gi nd i f f e r e n tr o a d w a yp a U e m s ， t h er e s u l t so f t h es i m u l a t i o ni sa l s or e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e ． K e yw o r d s g a t er o a d w a y sb o l t i n gs u p p o r tt e c h n o l o g y ，h i g hs t r e s s ，m o n i t o r i n g ，A N S Y S ．I I I - 东北大学硕士学位论文声叫 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，不包含其他人已经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。与我一同工作过的同志对本研究所做的贡 献都已经作了明确地说明并表示谢意。 本人签名瞄 日期丝 i Z ，9 东北大学硕士学位论文 1 绪论 1绪论 1 ．1 课题研究的意义 煤炭是我国的主要能源，也是重要的化工原料，建国以来，在我国的一次性能源结构中煤 炭所占的比重一直在7 0 ％以上。煤炭被誉为工业的粮食，煤炭在我国国民经济中占有举足轻重 的地位，我国的煤炭多数采用井工开采，巷道总长约3 万公里，由于巷道所处的地质条件复杂 多样，围岩性质千差万别，所以煤矿巷道的掘进与维护存在着难度大、安全性差、成本高等问 题，其中巷道的支护费用往往高达巷道工程总费用的5 0 ％以上。因此选用合理的巷道支护形式 与方法，确定经济合理的支护参数以及使用高效的施工工艺，对于煤矿来说具有重大意义。 锚杆使用最早是从1 9 世纪末期英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡开始的，美 国1 9 1 0 开始使用锚杆支护技术，1 9 4 0 年后半期在煤矿井下支护方面得到了广泛推广，1 9 5 0 年 以后，欧洲各国也广泛地推广使用。由于锚杆支护具有使用方便、节省钢材、价格便宜、易于 实现机械化操作、可与传统支护形式联合使用、适合于多种地质条件等诸多优点，锚杆支护技 术在我国自5 0 年代以来，也取得了广泛的应用，特别是2 0 世纪九十年代以来，随着我国市场 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要因素，这进一步刺激了煤矿使用 锚杆支护技术的兴趣与决心。在我国，锚杆支护在岩巷中发展迅速，1 9 9 8 年锚杆支护比重己高 达6 0 ．8 5 ％，但是，由于煤层巷道围岩松软、地应力大、受采动影响强烈，加之煤巷锚杆支护的 理论和技术还不够完善，因而发展比较缓慢。”九五”前的1 9 9 5 年，国有重点煤矿中煤巷锚杆支 护所占比重仅为1 5 ．1 5 ％，主要用在围岩稳定条件较好的I 、I I 类巷道，在I I I 、Ⅳ类巷道中应用 较少。从矿井安全、经济、高产高效的需要出发，迫切需要迅速发展我国煤巷锚杆支护技术。 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杆支护技术。 充州矿业集团兴隆庄煤矿在推广煤巷锚杆支护技术走在了全国煤炭系统的前列，特别是兴 隆庄矿在埋深大，顶板破碎的情况下，成功地实现了综放工作面煤巷全锚杆支护，取得了较好 的经济效益，但是却在实践中遇到了以下问题 1 煤巷掘进速度较慢。充州矿业集团公司各煤矿采用梯形工字钢支护时，煤巷掘进速度 一般在4 5 0 ～6 0 0 m ／月，而采用锚杆支护后，在地质条件非常好的情况下，掘进速度可达到3 0 0 4 0 0m ／月，在一般地质条件下只能达到2 7 0m ／月，这与兴隆庄煤矿综放开采技术不相适应，制 约了兴隆庄煤矿作为高产高效矿井的发展。 2 巷道支护成本依然较高。在困难地质条件下，巷道的直接支护成本在9 0 0 ～1 2 0 0 元／m ， 费用仍然较高。 3 某些地质条件下，支护效果不甚理想。有些煤巷在受采动影响之前顶板下沉量已达 2 0 0 m m ，受采动影响后变形更大，增加了工作面的超前支护工作量。 在岩巷中掘进时存在同样的问题，如何进一步最大限度的发挥锚杆支护技术的潜力，提高 巷道掘进速度、降低巷道支护成本、改善巷道支护效果，是锚杆支护技术的发展方向。若要最 大限度的提高锚杆支护巷道的掘进速度、降低支护成本，必须最大限度的减少单位巷道锚杆的 使用数量，要做到这一点，必须充分认识锚杆的作用机理，改变现有锚杆的支护方式，即变被 动支护为积极主动的支护方式。 美国是世界上最甲使用锚杆并以锚杆作为唯一顶板支护方式的国家，也是世界上锚杆支护 技术最先进、最成熟、使用数量最多的国家。由于使用锚杆能有效的控制围岩的稳定性，美国 东北大学硕士学位论文1 绪论 所有的井丁巷道都布置在煤层中。美国的应用实践证明，高预应力锚杆系统在原始水平应力大， 顶板为层理极端发育的复合顶板及破碎顶扳的情况下使用起来是比较成功的。 可见，美国在复杂的地质条件F 成功使用锚杆的经验是采用高预拉力锚杆，这种对巷道顶 扳采取积极主动支护的观点，极大的提高了巷道的稳定性，从而达到了减少锚杆数量，提高掘 进速度，降低巷道支护成本的目的。美国的这种支护思想及成功经验最近已影响到加拿大、澳 大利弧、英国、中国等国家，导致这些国家的锚杆技术也朝这个方向发展。 因此，研究探索与我国煤层地质条件相适应的高预应力锚杆支护方式，改善巷道的支护效 果，降低掘进费用，提高掘进速度这对于我国的众多煤矿来说有非常重要的现实意义。本课题 着重就锚杆支护设计的理论、设计方法，并结合在兴隆庄煤矿的应用进行分析，从而得出适合 于不同条件F 的煤巷锚杆支护形式、参数，以期为煤巷锚杆支护提供理论依据及技术支持。 1 ．2 锚杆支护技术的发展概况 1 ．2 ．1 国外煤巷锚杆支护技术发展概况 自从1 9 世纪末期英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡起，锚杆支护方法逐渐被 广泛应用于水利、交通、矿山等岩土工程领域，此后锚杆支护技术得以改进和提高，锚杆支护 理论也不断得到完善和发展。1 9 1 2 年，德国谢列兹矿最先将锚杆支护技术应用于地下巷道的围 岩控制。2 0 世纪4 0 年代以后，锚杆支护技术发展迅速，现已成为世界主要产煤国家煤矿的主 要支护形式，美国，澳大利亚因煤层赋存条件好，巷道全部采用锚杆支护，处于世界领先水平。 而英、德、俄罗斯等另外一些产煤国家的锚杆支护则经历了一波三折的过程，特别是煤巷锚杆 支护直到8 0 年代以后才得到陆续推广。 8 0 年代以后，国外锚杆支护技术迅速发展的主要原因是矿井开采深度日益增加，巷道断面 不断增大、压力增大、围岩变形严重、巷道维护困难，原来用金属支架的矿井型钢重量不断增 加，棚距不断减小，但仍难以满足巷道维护的要求。不但巷道支护费用增高，而且施工、运输 更加困难复杂，掘进速度降低，严重影响了煤炭企业的生产经营。在这种情况下，各国纷纷寻 求成本低；施工简单方便、控制围岩变形效果较好的锚杆支护。 锚杆支护技术经济优越性主要表现在经济上初期成本低、直接成本低；技术上表现在 由被动支护变主动支护；劳动强度低，施工方便；辅助运输简单，可大幅提高工作面的生产效 率；在保持相同安全间隙的条件下，减小了巷道尺寸；为悬挂管道、电缆等提供了自然的支撑。 从世界范围来看，煤巷锚杆支护技术的主要发展历程是 1 1 9 4 5 1 9 5 0 机械式锚杆的研究与应用阶段； 2 1 9 5 0 - 1 9 6 0 采矿业广泛应用机械式锚杆，并开始对锚杆进行系统的研究； f 3 1 9 6 0 , - , 1 9 7 0 发明了树脂药卷，引发了锚杆支护技术的一次革命，树脂锚杆在矿山得到 广泛应J ；} j ； 4 1 9 7 0 ～1 9 8 0 ；发明管缝式锚杆、涨壳式锚杆并应用，开始研究锚杆的设计方法，长锚索 产生 5 1 9 8 0 ～1 9 9 0 混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆及各种特种锚杆得到应用，树脂锚 固材料得到改进。 由于各国具体经济状况及煤层地质条件的不同，世界上各国的锚杆支护的发展水平也所不 同，呈现出各自的特点。 1 ．2 ．1 ．1 美国锚杆支护的发展概况 美国是世界上产煤大国之一。全年煤炭产量在1 0 亿t 左右，仅次于中国，排行世界第二。 依据其得天独厚的地质条件和先进的科技、经济实力，美国在锚杆支护技术方面一直处于世界 东北大学硕士学位论文 1 绪论 领先水平，美国是世界上较早使用锚杆并以锚杆作为唯一的煤矿顶板支护方式的国家，也是目 前世界上锚杆支护技术最先进、最成熟、锚杆使用数量最多的国家。美国每年锚杆使用量在8 0 0 0 万根以上，美国每年有2 5 0 0 0 k m 的煤巷使用锚杆支护。 由于使用锚杆有效地控制围岩的稳定性，美国所有井工巷道都布置在煤层中。全年由于顶 板冒顶造成的死亡人数不到1 0 人。并认为不能采用锚杆支护的煤层，开采是不经济的。美国 的锚杆的使用概况如下 1 美国最早开创性的使用锚杆可以追溯到上世纪3 0 年代初，到1 9 4 3 年开始有计划有系 统的使用锚杆； 2 1 9 4 7 年在美国矿务局研究中心旨在减少顶板事故的努力下，锚杆普遍受到欢迎。在 不到两年的时间里，锚杆在采矿工业中得到普及； 3 5 0 年代初，美国发明了世界上第一个涨壳式锚头，由此带来了美国采矿工业的一场 革命； 4 6 0 年代末，由于树脂锚固剂的发明，锚杆使用的相当一部分比例都是以树脂锚同全 长锚固的形式应用的 5 7 0 年代末，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，使得锚杆有很强的预拉 力成为可能，锚杆的高预拉力达到锚杆本身强度的5 0 ％一7 5 ％； 美国的主要经验是将锚杆的加工产业化；锚杆支护作为- - I “ 1 技术而非材料消耗、废r 铺利 用；形成了锚杆产品的多样化、系列化，以适应各种不同的地质条件；锚杆设计、制造、服务 一体化；将高新技术应用于锚杆设计；强调锚杆的高强度、高预拉力，并将锚杆的预拉力作为 锚杆支护的主要参数进行设计，形成了其独有的锚杆设计方法。 1 ．2 ．1 ．2 澳大利亚锚杆支护发展概况 澳大利亚能源结构以煤炭为主，煤炭占澳大利亚能源产量的7 0 ％，占一次能源消费量的 4 4 ．1 ％。1 9 8 3 ～1 9 8 4 年度，澳大利亚煤炭出口量超过美国，成为世界最大煤炭山口国，至今仍 保持这一地位。1 9 9 5 ～1 9 9 6 年度，澳大利弧生产煤炭2 ．9 1 亿t ，是世界第6 大煤炭生产国。澳 大利亚煤炭资源极其丰富，可采煤炭储量9 0 9 ．4 亿t ，占世界可采煤炭总储量的8 ，8 ％，位居美 国、中国之后排世界第三位。其中使用量最多的是树脂锚杆，占锚杆使用量的9 8 ％。 澳大利亚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，使他们形成一个有机的整体，形成了锚杆支护设计的系统设计方法。其设计 步骤主要包括以下5 个部分 1 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； 2 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并辅 以T 程类比和理论计算进行锚杆支护参数设计 3 对初始设计选定的方案进行围岩稳定性分析； 4 现场施工； 5 现场监测，监测内容包括巷道围岩表面位移；巷道围岩深部位移；全长锚杆的受力 分布；端锚锚杆的荷载分布锚杆锚固区内、外的离层值等等。 1 ．2 ．1 ．3 英国锚杆支护发展概况 1 9 5 2 年大规模使用机械式锚杆，但最终证明英国较软弱的煤系地层不适宜用机械式锚杆； 6 0 年代中期，英国逐渐开始不使用锚杆支护技术；1 9 8 7 年，由于煤矿亏损，煤矿开始私有化。 英国煤炭公司参观澳大利亚煤矿后，引进澳大利亚锚杆支护技术，在全行业中推广锚杆支护技 术，并开始赢利。其主要工作是 1 用高强度的澳大利弧A T 锚杆支护系统 A u s t r a l i aT e c h n o l o g y 锚杆 ，包括树脂锚杆 东北大学硕 学位论文1 绪论 全长锚杆加固技术、清洁钻孔的方法、锚杆与钻孔需紧密配合等，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 2 结合煤矿的地质条件、围岩的虑力状态，掌握岩层移动、锚杆荷载的分布和发展，合 理设计锚杆支护参数。 1 ．2 ．1 ．4 德国锚杆支护发展概况 1 9 3 2 年发明u 型钢支架以来，主要采用u 钢支架支护巷道，支护比重达到9 0 ％以上；自 8 0 年代以来，由于采深加人，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 技术8 0 年代初期，锚杆支护在鲁尔矿区试验成功。 综合世界主要产煤国煤巷锚杆支护发展的经验，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验数据为依据和基础，强调最大 水平应力在巷道布置和支护参数设计中的应用，形成了一整套比较科学的锚杆支护设计方法。 2 有比较可靠的配套机具，采用掘锚一体化掘进机和机动性能良好的单体锚杆钻机，满 足旋工要求，并实现快速掘进。 3 采用高强度、超高强度材料制造锚杆、加工锚杆，将锚杆作为一种产品，实现了锚杆 的产业化、商品化，而不是简单的支护材料，并形成了适用于不同地质条件的系列化产品。 4 采用可靠的监测手段，大力推广应用应用顶板光纤窥测仪、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。 1 ．2 ．2 我国煤巷锚杆支护技术发展概况 由于锚杆支护具有使用方便、节省钢材、价格便宜、易于实现机械化操作、可与传统支护 形式联合使用，适用于多种地质条件的诸多优点，我国1 9 5 6 年开始在煤矿岩巷中使H | I 锚杆，至 今已有4 0 多年的历史，6 0 年代锚杆支护开始进入采区，但由于煤层巷道围岩松软，受采动影 响后围岩变形量很大，对支护技术要求很高，加之锚杆支护理论、设计方法、锚杆材料、施工 机具、监测手段等还不够完善，因而发展缓慢8 0 年代开始在煤巷中使用锚杆，以后锚杆开始 在我国得到了广泛的应用，特别是进入9 0 年代以来，锚杆支护更逐渐在各大煤矿得到全面的推 广和应用，锚杆支护在煤矿的支护比例逐渐提高，但在煤巷掘进中锚杆的支护比例仅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。 12 ．2 ．1 我国煤巷锚杆支护技术的发展阶段 1 1 9 5 6 ～8 0 年代中后期的起步阶段。主要进行一些起步性研究和试验，锚杆支护的应 用主要集中在少数儿个矿区，如徐州、新汶、淮南、西山等。 2 1 9 9 1 ～1 9 9 5 年的攻关阶段。煤巷锚杆支护技术作为国家“八五”期问的重点项目进 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。在引进、吸收、和消化的基础上，结合我国的具 体国情，集中现场、科研院所及大中专院校的优势，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 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，少数矿区超过5 0 ％，全国每年约有2 6 0 k r n 的煤巷 采用锚杆支护。 1 ．2 ．2 ．2 我国煤矿使用的锚杆种类 由丁我国的地质条件的复杂性与多样性，我国现已使用的锚杆种类也有多种样式。目前，我 国的锚杆类型主要有以下儿种楔缝式锚杆，涨圈式锚杆，倒楔式锚杆，倒刺式锚杆，螺纹钢 锚杆，开缝钢管式锚杆，砂浆锚杆，木锚杆，竹锚杆，可拉伸式锚杆，树脂锚杆，桁架式锚杆 东北大学硕士学位论文 1 绪论 等等。锚杆支护的类型有单一锚杆支护，喷射混凝十支护，锚杆与喷射混凝土支护，钢筋网 喷射混凝土支护，锚杆与钢筋 网 喷射混凝土支护，锚杆、钢筋网、喷射混凝十和钢架联合 支护等种类。 1 ．2 ．2 ．3 我国煤巷锚杆支护设计取得的成果 锚杆支护的大量应用，使人们在锚杆的结构性能、锚固方式、支护设计方法等各方面积累了 大量的实践经验。主要体现在 1 锚杆研制方面积累了丰富的经验。能采用多种材料制作各种形式的适用于不同条件的 锚杆。目前使用的锚杆主要有木锚杆、竹锚杆、金属锚杆、钢筋混凝土锚杆以及螺纹钢树脂锚 杆等；锚杆的结构主要有机械式、粘结式及摩擦式等三大类；有适用于小变形的刚性锚杆，也 有适用于大变形的柔性 增阻型及恒阻型 可伸长锚杆。所有这些成果都为扩大锚杆支护的适用 范围提供了必要的条件。 2 研究山了适用于不同围岩条件的锚固方式，如端头锚固、全长锚固、无预应力的被动 承载型锚固以及有预应力的主动施力型锚固等。 3 1 摸索出了多种实用的锚杆支护结构形式。在稳定围岩条件下分别成功运用了单体锚杆 支护形式，在裂隙体围岩条件下采用了组合锚杆 锚网、锚梁等 支护形式，在复杂围岩条件下 采用了联合 锚杆与喷射混凝土、锚杆与棚子支架、锚杆与注浆等 支护，在大断面条件下采用 了锚杆桁架支护等。 4 锚杆施工机具不断改进。实行机械化施工是提高锚杆支护效果和普及应用程度的重要 因素之一，是提高施工速度、保证工程质量、减轻劳动强度以及改善劳动条件等的有效途径， 因此，锚杆机具的改进一直受到重视，高新科技不断得到应用。近几年我国已从国外引进了掘 进机和锚杆机两机一体的新式掘、装设备，使支护时间进一步缩短，支护效果进一步提高。 f 5 1 锚杆支护工程监测手段更加丰富。目前，可利用测力锚杆、及单点和多点位移计等等 对巷道锚杆支护结构的表面及内部一定深处进行位移测量；利用锚杆拉力计、托盘式压力盒、 传感器及空芯锚杆等可对锚杆的锚固力及轴向力进行量测，用预板离层指示仪进行顶板离层的 监测等，为巷道锚杆支护设计提供了必要的事实依据。 1 ．2 ．3 兴隆庄煤矿锚杆支护的发展 充矿集团公司兴隆庄煤矿是我国自行设计、建设的第一座年产3 0 0 万吨的大型现代化矿井， 于1 9 7 5 年2 月2 0 日动工兴建，1 9 8 1 年1 2 月2 1 日正式投产。随着煤炭科学技术的不断进步和 生产力水平的不断提高，摧个矿井正朝着高产高效方向迅速发展，1 9 9 9 年兴隆庄煤矿年生产超 过6 0 0 万吨，2 0 0 0 年产量6 5 0 万吨，2 0 0 1 年矿井年产量6 6 0 万吨，2 0 0 2 年达到了7 0 0 万吨， 对于这样的矿井要求有更加完善的生产系统与之相适应，除了先进的采煤方法和设备外，井下 巷道的维护状况及维护成本是制约矿井生产的重要因素，由于产量高，推进速度快，因此巷道 掘进量大，特别是2 0 0 1 年，通过优化掘进工艺，使掘进进尺达到了2 2 0 4 6 米，2 0 0 2 年掘进进 尺达到2 4 0 0 0 米。现已积累了丰富的岩巷锚杆支护设计经验。 兴隆庄煤矿在使用锚杆的种类方面，也由最初的钢丝绳砂浆锚杆、倒楔式锚杆、管缝式金 属锚杆、普通快硬水泥锚杆到现在的树脂锚杆、桁架锚杆等。锚杆的种类也逐渐多样化逐渐形 成了一定的锚杆支护设计经验和具有一支熟练的煤巷锚杆支护设计与施工队伍。 作为煤炭行业的排头兵，兴隆庄煤矿于1 9 9 7 年在巷道埋藏深度大、煤层破碎的情况F ，成 功地实现了综放工作面煤巷全锚网支护。给矿井生产带来了巨大的经济效益。2 0 0 0 年兴隆庄煤 矿在煤炭科学研究总院北京开采研究所协助下，开展了受采动影响的煤层底板岩巷锚杆支护的 研究，找到了合理的支护形式、参数及加强锚固的方法，极大地改善了顶、底板岩巷的支护状 况，减少了巷道维护费用，同时也为煤巷锚杆支护提供了参考依据。 东北大学碗上学位论文 1 绪论 1 ．2 ．4 锚喷支护与锚网粱支护 1 ．2 ．4 ．1 锚喷支护 锚喷支护是喷射混凝土支护与锚杆支护的简称，锚喷支护的实质是利用锚杆加固围岩，用 喷层封闭巷道表面，防止围岩风化，抵抗围岩压力。喷射混凝土是将一定比例的水泥、河砂、 碎石均匀搅拌后，用运送机械装入混凝 喷射机，借助压缩空气作为动力，使混合料连续地沿 管路压送至喷头处与水混合后，以较高速度O o ～] o o m ／s 喷射在岩面上凝结硬化而成。由于混合 料以高速喷射，使砂、石骨料和水泥颗粒经重复碰撞冲击，相当于得到连续的冲实和压密，而 喷射工艺义可使用较小的水灰比，这就保证了喷射混凝土具有较高的物理力学性能。 从支护作用原理上讲，喷锚支护能充分发挥围岩自撑能力，从而使围岩压力降低，支护厚 度减小。在施工工艺上，喷射混凝土支护，实现了混凝土的运输、浇注和捣固的联合作业，且 机械化程度高，施工简单，因而有利于减轻劳动强度和提高工效。据我国统计，喷射混凝土支 护与现浇混凝土支护相比，支护厚度可减薄1 ／2 ～1 ／3 ，节省岩体开挖量1 0 ％- - t 5 ％，加快支护速 度2 0 倍，节省劳动力5 0 ％以上，降低支护成本3 0 ％以上。在工程质量上，通过国内外工程实 践表明是可靠的。在我国各类巷道使用喷锚支护，相继解决了一批传统支护难以解决的技术难 题，显示出了喷锚支护具有的独特优越性。 喷锚支护是建立在岩石力学的现代支护原理基础上的一神科学支护方法，它的设计与施工 是以理论为指导，采用有现场监测手段相配合的科学施工方法。巷道使用期间继续进行各种监 测工作，检查工程质量，以保证良好的技术经济效果。因此，喷锚支护具有广阔的发展前途。 1 ．2 ．4 ．2 锚翻粱支护 锚梁网组台支护，是指巷道的支护由锚杆、梁及网等组合而成。 锚杆一般为金属锚杆，如普通圆钢锚杆、可延伸锚杆、高强度或超高强度锚杆等。锚杆的 锚固形式主要有树脂药卷全长锚固、加长锚固或端头锚固。粱的形式主要为w 型钢带和钢筋梯 子梁 也称钢筋梁 。w 型钢带由薄钢板 厚2 ．5 ～3 ．O m m 、宽2 5 0 ～3 0 0 m m 轧成”w “型的横 截面，其抗弯强度高、护顶 帮 面积大，主要用顶板。钢筋梯子粱一般用两根直径为1 2 ～1 8 r a m 的圆钢焊接成梯子形，钢筋梯子梁价格较w 钢带便宜，但其抗弯能力和护顶 帮 的面积不如 w 钢带。采用两根直径为1 6 m m 的圆钢焊接成的钢筋梯子梁，其抗弯能力与厚2 ．5 n m a 、宽2 5 0 m m 的w 钢带的抗弯能力接近。它可用于顶板支护，也可用于两帮支护。 锚梁网组合支护的网主要有金属菱形网、金属经纬网、塑料网和钢筋网等。 锚梁网组合支护的主要作用机理是巷道横向及纵向两个方向的锚杆群相互联系，在巷道围 岩锚固区内形成整体性的支护结构，该支护结构一方面可加固巷道的围岩、控制巷道围岩内部 破坏范围和塑性区的进一步扩大，另一方面，由于锚杆预紧力和锚杆工作阻力的作用，可提高 巷道围岩的C 、p 值，增加巷道顶板和两帮的承载能力。锚粱网组台支护中锚杆的作用是对锚 固体提供围压，使处于峰后区的围岩得到强化，提高峰值强度和残余强度，改善峰后岩体的力 学性能。锚杆与梁和网共同作用后，不仅能使巷道围岩的整体性得到加强，使锚杆、梁及顶板 之间共同协调作用。提高巷道加粱部位的抗弯能力，同时梁可使巷道表面所受锚杆的“支托力” 相对均匀。网能有效防l E 因巷道两帮的片帮和顶板危岩的冒落而导致锚、梁支护作用的丧失， 同时可为锚杆与锚杆之间的巷道暴露面提供一定的“托护力“，托护力的大小在于网的强度和 网的绷紧程度。梁对顶板的支托力是在顶板变形后顶板与梁发生相互作用时才能产生