枣泉煤矿大断面煤巷预应力锚固技术的研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 枣泉煤矿大断面煤巷预应力锚固技术的研究 姓名李伟 申请学位级别硕士 专业结构工程 指导教师王晓利 20060418 论文题目 专业 硕士生 导师 枣泉煤矿大断面煤巷预应力锚固技术的研究 结构工程 李伟 签名 王晓利 签名 摘要 本文以枣泉煤矿二煤回风巷为主要研究对象，通过对预应力锚固支护的理论分析、 新计算模型的建立、有限元数值模拟和工业试验的方法对大断面巷道预应力锚固支护技 术进行了全面系统地分析和研究。在组合梁理论的基础上提出了新的煤巷锚杆、锚索联 合支护计算模型，分别给出了平顶巷道和拱型巷道的具体计算公式。从而在上述基础上 利用平顶巷道计算模型建立了枣泉煤矿二煤回风巷新的支护方案；并运用大型有限元软 件A N S Y S ，对采用新的支护方案下的巷道位移、应力分布变化情况进行了模拟分析， 结合施工过程中对巷道矿压的观测与分析，从而验证了计算模型及支护方案的安全和可 靠性。 文中所提出的计算理论及相关技术措施简化了巷道支护的设计，具有一定的经济性 和实用性，较好地解决了枣泉煤矿二煤回风巷支护的技术难题，可供相似巷道的支护设 计参考。 关键词预应力；锚固；组合梁；支护 研究类型应用研究 S u b j e c t R e s e a r c ho nT e c h n o l o g yo fP r e - s t r e s s e dA n c h o ri nB i gC r o s s S e c t i o nC o a lL a n eo fZ a o q u a nC o a lM i n e S p e c i a l t y S t r u c t u r a lE n g i n e e r i n g N a m eL iW e i S i g n a t u r e I n s t y u c t o r W a n gX i a o l i S i g n a t u r e l i 忱J T h i st h e s i sa i m sa tt h er e t u r na i rc o u r s ei ns e c o n dc o a lb e do f t h eZ a o q u a nc o a lm i n em a i n l y , a n ds t u d i e sa n dr e s e a r c h e st h es u p p o r tt e c h n o l o g yo fP r e s t r e s s e dA n c h o ri nB i gC r o s s S e c t i o nC o a lL a n er o u n d l yb yt h e o r e t i c a l l ya n a l y i n g ，e s t a b l i s h i n gt h en e wc o m p u t a t i o nm o d e l ， s i m u l a t i n gw i t hA N S Y Ss o f t w a r ea n dc o m m e r c i a l l yt e s t i n g ．B a s e do nt h eb u i l t u pb e a m t h e o r yf o u n d a t i o n ，s u p p l i e st h en e wc o a ll a n ea n c h o rr o d ，t h ej o i n ta n c h o rc a b l es u p p o r t c o m p u t a t i o nm o d e l ，a n dc o n c r e t ec a l c u l a t ef o r m u l a so ft h ef i a tt o p p i n gt u n n e la n da r c h - t y p e t u n n e lr e s p e c t i v e l y ．B a s e do nt h ea b o v ef o u n d a t i o n ，t h i st h e s i se s t a b l i s h e st h es u p p o r ta n d p r o t e c tp l a ni nt h er e t u r na i rc o u r s eo fZ a o q u a nc o a lm i n es e c o n dc o a lb e dn e w l yu s i n gt h e f l a tt o p p i n gt u n n e lc o m p u t a t i o nm o d e l ，a n ds i m u l a t e sn e w s u p p o r tu n d e rt h ep l a nt h et u n n e lt o m o v e ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o nc h a n g es i t u a t i o nw i t ht h el a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e A N S Y S ，a n dc o n f i r m st h es e c u r i t ya n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ec o m p u t a t i o nm o d e la n dt h e s u p p o r t sa n dp r o t e c t sp l a nb yo b s e r v i n ga n da n a l y z i n gt h ep r e s s e dt ot h et u n n e lo r ei nt h e c o n s t r u c t i o np r o c e s s ． T h ec o m p u t a t i o nt h e o r ya n dc o n c e r n e dt e c h n o l o g ym e a s u r ew h i c ho f f e r e di nt h ea r t i c l e s i m p l i f yt h ed e s i g no ft u n n e ls u p p o r t ，h a v ec e r t a i ne f f i c i e n c ya n du s a b i l i t y , a n ds o l v es o m e t e c h n i c a ld i f f i c u kp r o b l e m si nt h es e c o n dc o a lb e do fZ a o q u a nc o a lm i n ew e l l ，a n ds u p p l yt h e d e s i g nr e f e r e n c eo f t h es i m i l a rt u n n e lr e t u r na i rc o u r s es u p p o r t ． K e y w o r d s P r e s t r e s s e dA n c h o r B u i l t - u pb e a mS u p p o r t T h e s i sR e s e a r c hf o rA p p l i c a t i o n 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名夕多件日期 一f 歹．观 I 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名彦戽 指导教师签名乡彬∽ ug 年j 『月习日 1 绪论 1 ．1 问题的提出 随着我国国民经济的迅速发展，对于地下资源的开发利用也日趋广泛。我国已探明 的煤炭资源占世界总量的1 1 ．1 ％，在今后相当长的历史时期内，仍需保证煤炭的高产稳 产。根据“十五”规划，预计“十五”期间宁夏自治区经济将以高于全国平均水平的速度增 长，特别是西部大开发战略的实施，为宁夏煤业集团提供了广阔的发展空间。宁夏自治 区政府适时提出了在宁夏建设河东能源重化工基地的战略目标，河东能源重化工基地是 一个集电力、煤炭、煤化工为一体的综合性集团项目，计划将此作为“西电东输”北通道 的重要电源基地，向华北和山东送电。 枣泉井田煤炭为低灰、低硫、特低磷和较高发热量的不粘煤，古称“香砟子”，是良 好的动力用煤和我国最好的气化用煤之一，用途十分广泛，尤其是有害成分含量低，更 适合于大中城市用煤的环保要求。 该矿井二煤厚度为7 ．8 ～9 ．O m ，分二层开采，每分层厚约4 m ，首采面位于二煤上分 层，埋深1 5 0 ～3 5 0 m 之问，共3 条顺槽，分别为回风巷、运输巷及辅助运输巷。该矿初 期采用中煤国际工程集团武汉设计研究院设计支护参数。 在正式开挖后，巷道时常产生冒顶、片帮及顶板离层下沉等现象，并己经严重影响 到矿井安全生产。分析原因主要是由于枣泉矿区地质条件复杂，顶板离层深度增大，简 单锚杆支护不可能有效控制巷道变形。大断面巷道围岩稳定性、施工开挖和支护、监控 设计是工程建设的关键技术问题。巷道的开挖与支护是一个多步骤的复杂的动态过程， 而围岩发生的物理力学效应一般都是非线性和不可逆的，因而不同的开挖顺序、支护形 式、支护刚度、支护时机等，都将导致不同的围岩应力分布，得到不同的围岩稳定效果。 因此，如何运用合理锚固方式对大断面全煤巷道围岩进行有效控制，成了枣泉煤矿实现 高产、高效的先决条件【l 】。 基于上述认识，作者在导师的指导下，选择“大断面煤巷预应力锚固技术的研究”作 为硕士论文的主攻方向，以枣泉矿地质条件为典型研究素材，把大断面全煤巷道围岩稳 定性作为研究对象。采用现场调研、理论分析、计算机模拟、现场应用及观测相结合的 综合研究途径和方法，在分析总结国内外围岩锚杆锚索支护控制及支护机理的基础上， 对大断面全煤巷道分别从工程地质基础、稳定性分析与评价、稳定性控制三方面进行系 统深入的研究，探讨适应枣泉矿大断面巷道预应力锚固支护的技术方案和设计参数，试 图解决工程实际问题的同时在大断面巷道预应力锚固支护研究的基础理论和方法方面 取得一些进展，并初步建立大断面巷道预应力锚固支护计算模型和技术方法体系。 西安科技大学硕士学位论文 1 ．2 预应力锚固技术的发展及现状 锚固技术是采矿工程领域的一个重要分支。采矿工程中采用锚固技术，能较充分地 调用和提高围岩体的自身强度和稳固能力，大大缩小支护结构物体积和减轻结构物自 重，显著节约工程材料，利于施工安全，已经成为提高采矿工程稳定性和解决复杂的采 矿工程问题最经济最有效的方法之一。锚固技术已经在我国边坡、基坑、矿井、隧道、 地下工程、坝体、航道、水库、机场、及抗倾、抗浮结构等工程建设中获得广泛的应用。 1 ．2 ．1 预应力锚固技术的发展 合理的巷道支护技术应既能确保地下工程的安全，又具有明显的技术经济效益。随 着我国矿山开采深度和广度的不断发展，以及基本建设规模的不断扩大，对巷道支护技 术提出了更新、更高的要求。煤矿巷道支护经历了棚式支护到锚杆支护的过程。锚杆支 护具有明显的优越性可显著提高支护效果、降低成本、减轻工人劳动强度、改善作业环 境、保证安全生产、有利于采煤工作面快速推进。 预应力锚固技术是在预应力混凝上技术及楔式锚杆原理基础上发展起来的新的两 点式预应力结构【2 1 。其对于地下洞室周围的破碎岩体或坝基及高边坡岩体的加固，是通 过在岩体中钻孔并对孔中锚固的锚杆或锚索施加预应力，起到稳定岩体的作用。预应力 锚固技术的最大特点，是尽可能少地扰动被锚固的土体或岩体，并通过锚固措施合理地 提高可利用岩体或土体的强度，变被动支护为主动支护。所以预应力锚固技术是最为高 效和经济的加固技术，因此得到了各行各业的高度重视和迅速的发展。 在土木工程中，利用钢丝或钢绞线具有较高抗拉强度的特性，用于建筑和加固各种 工程，已取得良好的效果。早在二十世纪初，预应力锚杆就作为一种新的支护手段，用 于西利西安的矿山开采。进入3 0 年代以后，阿尔及利亚的舍尔法坝采用预应力锚杆加 固取得成功【2 ～6 1 。二十世纪5 0 ～7 0 年代，越来越多的工程应用了预应力锚固技术。目 前，预应力锚固技术己经应用到地下工程围岩加固、各种边坡加固、各种建筑物基础的 加固、不稳定土体的加固、高层建筑物的深基坑加固以及结构物内部应力调整等多个领 域[ 7 1 ，其中应用最为广泛和成熟的是各种边坡的N N [ 8 ] 。由于地下工程面临的地层结构 非常复杂、工作空间也十分有限，预应力锚固技术在地下工程中的应用受到了限制，发 展比较缓慢，尤其是在像大断面复杂环境煤巷这样地质条件复杂、工作环境恶劣、安全 事故多发的工程中发展预应力锚固技术更为困难。 1 ．2 ．2 预应力锚固技术的现状 自6 0 年代以后，我国矿山巷道和交通隧洞工程中，2 ～5 m 的非预应力或低预应力的岩 石锚杆和喷射混凝土支护得到广泛应用，对加速我国矿山和交通隧洞工程建设发挥了重 2 1 绪论 大作用【9 1 。我国煤矿原巷道支护以棚式支护为主，煤巷锚杆支护仅占3 ％～5 ％。棚式支 护效果差、成本高，需要多次维修，严重影响矿井安全和效益。我国岩土锚固的应用在 八十年代进入旺盛时期。伴随着我国高强钢绞线生产和灌浆技术的进展，长度大于1 5 m 的高和较高预应力的锚杆，在我国地下洞室加固、边坡稳定、深基坑支护、坝基加固和抗 浮结构等工程中广泛应用，标志着我国岩土预应力锚固的设计、材料、施工水平进入了新 的阶段。举世瞩目的三峡水利枢纽工程，长1 6 0 7 m 、高1 7 0 m 的船闸边坡处于风化程度不 等的闪云斜长花岗岩中，采用4 0 0 0 余根长2 5 - - 6 1 m 的3 0 0 0 K N 部分为l o o o i 州 的预应力 锚杆和近1 0 0 0 0 0 根8 - - - 1 4 m 的高强锚杆作系统加固或局部加固。它对阻止不稳定块体的 塌滑，改善边坡的应力状态，抑制塑性区的扩展，提高边坡的整体稳定性发挥了重要作用。 高预应力锚杆能够在巷道顶部形成组合梁，并有效控制顶板的离层，因而巷道的跨 度得到加大，顶板变形也能得到有效控制，安全状况得到改善。采用预应力锚杆可以增 加巷道挖掘空问，加大锚杆的间排距，减少锚杆的用量，提高掘进速度，降低掘进成本， 具有巨大的发展空间和良好的发展前景。实践证明，预应力锚固技术是一种先进的岩土 加固技术，特别是对围岩软弱、薄弱的部位，或围岩深部的构造对围岩稳定有影响时， 或者由于围岩中的构造应力值较大出现塑性变形时，采用预应力锚杆支护可以收到良好 的效果。由于我国煤矿的地质条件相对较复杂，含煤地层的围岩比较软弱且破碎，而且 多种锚固机具的配套设备不够完善，因此预应力锚杆在煤矿中的应用和发展受到了很大 的限制，现在还很不成熟、不完善。尽管现在已有少数煤矿采用了预应力锚杆来加固巷 道围岩，但由于预应力锚固技术的作用机理比较复杂，没有统一的认识，主要采用工程 类比法进行设计[ 1 0 1 ，存在很大的不确定因素，预应力锚固技术的优越性得不到充分体现。 虽然预应力锚固技术在煤矿中的应用发展较慢且存在很多问题，但其良好的支护效果己 经被国内外的矿山支护实践所证实。随着煤矿丌采深度的增加以及巷道断面的增大，原 有棚式支护以及普通锚杆支护方式已经滞后于煤矿生产高产高效的需要，预应力锚杆的 优势将得到进一步的体现，具有良好的应用前景。 1 ．3 本文研究的主要内容 鉴于以上原因，本课题从锚杆、锚索支护的实质入手，结合大断面煤巷的特点，进 行大断面煤巷预应力锚固支护技术研究。 本文以宁煤集团枣泉煤矿二煤回风巷为主要研究对象，针对二煤赋存条件、开采状 况及巷道几何特征，通过对二煤岩层力学参数和原有锚杆支护方案系统的理论分析的基 础上，研究了预应力锚固支护理论。并运用理论分析计算、数值模拟等手段，对大跨度 全煤巷道支护进行设计，在现场实践得以成功应用。本文所提出的预应力锚固支护技术 研究，提高了围岩抵抗变形和破坏能力，有利于发挥巷道围岩的自身承载能力，丰富和 完善了锚索支护理论，促进了锚索支护在大断面煤巷中的应用。 3 西安科技大学硕士擘位论文 本文主要研究内容为 1 预应力锚固支护理论研究 根据锚索支护作用原理，研究预应力锚固支护理论支护理论，建立锚索支护计算模 型并对锚索支护参数进行确定。 2 煤巷设计参数的确定 利用分析获得的规律，确定枣泉煤矿巷道支护设计的基本参数，提出新的预应力锚 固支护方案，并与原有支护方案进行比较。 3 大跨度煤巷变形破坏数值模拟研究 利用有限元分析软件A N S Y S ，对枣泉二煤巷回风巷预应力锚固支护进行数值模拟 分析计算，研究大断面煤巷的应力分布规律及变形位移特征。论证新的支护方案的可行 性与可靠性，最终确定支护方案。 ㈣变形观测及分析 采用现场观测、数据处理和分析的方法，对枣泉二煤巷回风巷变形进行观测。 4 2 工程概况及原支护方案评价 2 ．1 矿区工程概况 2 工程概况及原支护方案评价 2 ．1 ．1 矿区交通位置 本井田位于宁夏灵武市东南6 2 k m 的毛乌素沙漠的边缘，行政区划属灵武市马家滩 乡管辖。其地理坐标为东经1 0 6 0 3 0 ’～1 0 6 。3 5 ’北纬3 7 0 5 2 ’～3 8 。0 27 。根据灵武矿区总体设 计及其批复文件，井田东北边界以赵儿塔向斜轴为界，与羊场湾井田相邻，正北以2 9 勘探线为界与英予梁井田相接，东、南、西三面均以1 层煤 6 0 0 m 水平煤层底板等高线 在地面的投影线为界。井田南北长1 3 k m ，东西宽平均约4 k m ，井田面积为5 2 k m 2 。 本井田距黎 家新庄 一羊 场湾 矿区公路约l O k m ，黎羊公路与3 0 7 国道、 银 川 一古 窑子 一盐 池 高速公路相连。3 0 7 国道向西经灵武市 3 0 k m 、吴 忠市 7 0 k m 、青铜峡 6 0 k m 与包 头 兰 州 公路和西 安 银 川 公路相接， 向东经盐池 1 1 0k m 、定边可达陕西榆林、延安等地，由银古高速公路向北 约6 0 k m 可直达银川市，该公路紧靠矿区黎家新庄中心区处通过。井田中心至银川市约8 0k m 。 矿区内部及矿区与外部联系的运输系统已形成，公路交通便利。 2 ．1 ．2 地质构造 本区域位于鄂尔多斯盆地西缘，地层区划属华北地层区、陕甘宁盆缘地层分区、马 家滩地层小区，主要为下奥陶统至第四系的沉积，中间缺失下石炭统、志留系、泥盆系 和上奥陶统的沉积。区域地层详见表2 ．1 。井田内绝大部分地层被第四系风成沙层覆盖， 仅在大沙河两侧有中侏罗统地层零星出露。 矿区位于鄂尔多斯高原西南之一隅，多为低丘台地地貌景观，个别为低山。井田位 于走向呈南北的两山之间，东侧为四耳山，山势南高北低，主峰杨家窑位于南部，标高 1 6 5 2 ．1 m ，北部标高1 5 0 0 m 左右。西侧是狭长条带状山，自南向北为猪头岭、六道梁和 面子山，其最高点分别为1 4 3 6 ．5 m 、1 4 3 5 ．4 m 和1 4 5 1 ．9 m 。 井田内广布有相对高差为2 0 m 左右的沙丘，由南向北渐低。南部碱水梁标高1 3 9 0 m ， 北部标高1 3 3 0 m ；井田内最高点为1 4 3 5 m 左右，最低点为1 3 0 0 m 左右 东部边界处 。 地形总体比较简单。在全井田竣工的3 2 2 个钻孔中，仅在井田北部地段内的少数钻孔见 到了断层点，分别见到了部分煤层缺失或重复现象，其余少数钻孔虽亦见有产状变陡、 岩芯破碎迹象，但未能证实其有断层存在。在井田北部发现落差大于2 0 ～3 0 m 的断层有 3 条。 5 表2 ．1 区域地层表 年代、岩石地层单位分布及厚度变化 第四系 Q 全新统、上更新统、下更 新统 第三系 R 中～上新统甘肃群 N 。 、 渐新统清水营组 E 3 。 白垩系 K 下统志丹群 K l z d 侏罗系 J 三叠系 T 上统永坪组 T 3 Y 即T 3 y 4 中、下统各组 二叠系 P 上二叠统石千峰组 p 2 2 s 、 上石盒子 P 1 2 S ，下二叠统下石盒子组 P 2 l s 、山西组 P l l s 石炭系 c 上石炭统太原群 c 3 。 、中 石炭统本溪组 c 2 b 奥陶系 o 中奥陶统平凉组 0 2 。 、 三道沟组 0 2 。 ，下奥陶统水泉岭组 0 1 。 区内广布，主要于河谷阶地，总厚1 4 6 ～3 4 3 m ，其 中风积层一般厚3 ～5 m ，局部可达2 5 m 分布局限。零星．厚度自北往南减薄，北部最大厚度 4 2 0 m ，南部一般3 0 ．1 3 0 m 分布于碎石井、陈家大粱以东。环河、华池组厚度北 部1 2 0 0 m ，南部减薄为8 0 0 m 洛河、宜君组厚度北 部1 3 0 ～1 6 0 m ，南部加大至5 2 0 m 。 详见井田地层叙述 零星出露．主要分布于西沟台、陈家大梁、石沟驿、 甜水堡一带，总厚1 4 6 1 ～2 1 2 7 m 。 零星出露，主要分布于韦州太阳山一带，各组岩性、 岩相稳定，厚度变化小。石千峰组3 5 0 m ，上石盒子 组2 7 0 ．3 4 0 m ，下石盒子组；白北往南加厚，1 0 0 ～ 1 5 0 m ，山西组白北往南加厚，4 0 ．9 5 m 。 零星出露，主要分布于韦州太阳山地区及韦州以南地 区，厚度变化大。 太原群北部7 7 ～1 5 0 m ，南部5 0 0 ～6 0 0 m 。本 溪组北部1 0 ～3 5 m ，南部2 5 0 ～3 0 0 m 。 平凉组、三道沟组地表未见出露。水泉岭组在萌 城、太阳山及横山堡一带有零星出露。 各组厚度及变化均不明。 2 ．2 二煤工程地质概况 该矿井二煤厚度为7 ．8 ～9 ．0 m ，分二层开采，每分层厚约4 m ，首采面位于二煤上分 层，共3 条顺槽，分别为回风巷、运输巷及辅助运输巷。二煤伪顶为碳质泥岩，厚度为 0 ．3 m ，松软破碎。直接顶为炭质泥岩和炭质细砂岩，厚度分别为2 ．4 m 和2 ．1 m ；老顶为细 粒砂岩，厚度为4 ．5 m 。煤层底板为炭质粉砂岩，厚度为1 ．S m ，顶底板岩石均遇水膨胀 软化。煤质为黑色半暗淡型，参差断口下部为半亮型沥青丝绢光泽，性质结构单一，稳 定性好，中下部偶有1 ～2 层夹矸，厚约O ．0 2 ～O ．0 5 m ，炭质细砂岩为主。岩性情况见表 2 ．2 煤岩层综合柱状图，岩层力学参数见表2 _ 3 。 首采1 2 2 0 5 工作面顺槽与碎石顶背斜斜交，因靠近背斜巷道穿过地层，地质构造复 杂。掘进2 0 0 米附近可能揭露断层，在D F 2 0 断层内大约要穿越2 4 米左右的断层破碎带。 D F 2 0 断层为正断层，走向为2 1 8 0 ，倾向为1 2 8 0 ，倾角为7 2 0 ，落差大约为1 ．5 m ～1 ．8 m 。 6 2 工程概况及原支护方案评价 局部预计有滴水～淋水现象，在D F 2 0 断层破碎带中有淋水现象。正常涌水量为1 ～5 m 3 m 。 表2 ．2 二煤层综合柱状图 柱状厚度 岩石名称名层号 煤岩性特征描述 1 1 0 0 m 灰色、深灰色，水 细粒砂岩 74 ．5 平层理，块状。 ⋯●⋯4 ⋯ 灰黑色，碳质含量 碳质细砂岩 l ⋯4 ⋯ 62 ．1 自上而下逐渐增 ⋯4 ⋯4 ⋯ 高，含沥青质 l _ | _ ．_ ． 灰黑色，片状、波 碳质泥岩 一l _ 1 - 1 一 52 ．4 状层理，具滑面， _ 1 1 _ | 完整性不好，易脱 碳质泥岩 卜_ 1 1 40 _ 3 灰黑色、松软破碎 黑色，半暗型，参 差状断口，下部为 、P 亮型，沥青丝绢 光泽，结构单一， 二煤38 ．3 稳定性好。中下部 偶见1 2 层5 0 毫米 以内夹矸，碳质细 纱岩为主。 一I 1 1 一 211_10，5灰黑色，遇水变软 碳质泥岩 一l - | _ | 一 ⋯一⋯● 13 ．O碳质灰青色，稍硬 ⋯一⋯● ⋯一⋯● 西安科技大学硕士学位论文 2 ．3 原支护方案评价 2 ．3 ．1 原支护方案及支护参数 原设计回风 辅助运输 巷梯形断面，净宽度3 ．8 米，净高度3 ．4 5 米，净断面1 4 ．3 m 2 ， 巷道服务年限2 ．5 ～3 a ，采用锚喷网索支护，喷浆厚度3 0 ～5 0 m m 。顶部采用Q 2 0 螺纹 钢树脂锚杆端头锚固，锚杆长度2 ．O m ，杆间排距8 0 0 m 8 0 0 m 。帮部考虑回采时割煤选 用竹锚杆，锚杆长度1 ．6 m ，快硬水泥锚固剂，锚固长度1 ．O m 。锚索直径1 5 ．5 m m ，长 度7 ．O m ，间排距2 ．O m 3 ．2 m 。金属网采用6 ．5 m m 焊接钢筋网，网孔尺寸1 5 0 m m 1 5 0 m m 。 托板规格1 2 0 m m 1 2 0 m m x 8 m m 。工作面胶带运输巷梯形断面，净宽度3 ．8 m ，净高度 2 ．5 m ，净断面l O ．8 m 2 ，支护形式及参数同工作面回风巷。 2 ．3 ．2 原支护方案支护情况及分析 根据枣泉煤矿的需求，我们对原支护方案条件下井下巷道支护现状进行了实地调查 研究，调查情况如下 1 总体来讲巷道支护效果较差，巷道的稳定性出现了问题，产生冒顶及顶板离层 下沉等现象，并已经严重影响到安全生产，应立即采取措施进行处理。 2 巷道破坏现象呈局域性分布，主要集中在交叉点以及地质构造带部位，这些地 方有多处产生冒顶、片帮和顶板严重下沉现象，是目前井下巷道稳定性控制的关键部位。 f 3 从顶板岩层钻孔窥视情况看出，窥视结果与原来结果有较大变化，发现项板岩 层已产生离层、破碎和错动，局部钻孔出现岩层挤压破碎堵孔现象。 4 有三处出现冒顶，冒顶高度在l m ～3 m 之间，顶板砂质泥岩以下泥岩层和煤层 是产生冒顶的主要范围。巷道顶板离层下沉，锚杆支护失效，托板脱落，这些地方虽未 冒顶，但己经失稳，若不及时采取措施处理，会很快产生冒顶坍落。 不良现象主要原因分析 8 2 工程概况及原支护方案评价 1 顶板岩层变化。通过钻孔取芯和钻孔窥视分析，顶板岩层出现较大变化，在较 大范围内均有泥岩岩层，且层理发育，强度偏低，没有强度较高的砂岩层。与原提供的 地质资料及力学特性差别较大。 2 1 地质构造引起巷道失稳破坏。从井下观察，巷道失稳破坏地点均发生在地质构 造部位，这些地方均有明显的节理发育带，断层和褶皱。 f 3 1 施工不当引起巷道跨度增大。支护安全系数下降引起破坏，原设计巷道跨度为 3 ．8 m ，从井下观察，局部巷道跨度己超过4 m 以上，交叉点跨度在4 ．5 m 以上，巷道失 稳破坏地点也均发生在巷道跨度增大部位和交岔点处。 2 ．3 ．3 方案评价依据 锚杆支护在于有效地形成整体支护结构体，有效地控制地层压力和围岩变形，保证 工程在服务年限内的稳定性，满足生产安全要求。 巷道支护方案的评价依据主要包括下列几个方面 1 是否符合围岩的地质力学特征 2 1 是否符合围岩控制理论 3 是否符合所适用的支护理论 4 是否能够有效地控制围岩的变形 5 是否能够有效地改善围岩受力状态 6 锚杆受力状态是否合理 f 7 1 支护安全系数是否得当。 依据上述支护方案评价标准，结合枣泉煤矿二煤煤层围岩状况、围岩控制及锚杆支 护理论、井下观测结果分析，对原有支护方案综合评价结果为 该方案设计依据的原始地质条件发生变化。为准确掌握井下巷道的实际地质力学状 况，进行了两次井下巷道顶底板岩层钻孔取样分析，发现井下实际地质状况和巷道顶底 板岩层力学特性与原提供的资料数据不同，原有支护方案只能适应原地质状况，而不能 适应现已发生变化的实际地质状况和巷道顶底板岩层力学特性。 从井下观测结果和对原有支护方案的分析看出，顶板锚固区内、外围岩变形量较大 且不稳定，并伴有离层现象，原有支护方案在目前实际地质条件下未形成理想的支护结 构体，不能有效地控制围岩的变形和破坏。 根据上述分析，应加强现场堪查工作，掌握井下地质构造变化，及时预报井下地质 变化情况。针对井下地质变化特征进行分析研究，提出合理的锚固支护方案。顶板拟采 用锚杆锚索联合支护，顶板锚杆支护范围为炭质泥岩，锚索支护应能有效地限制锚杆锚 固区外的岩层离层和变形，并锚固到坚硬的砂岩层中。帮锚杆应在巷道两侧形成坚固的 挤压加固带，限制煤帮塑性区的变形和内移。 9 西安科技大学硕士学位论文 3 预应力锚杆、锚索联合支护基本计算研究 3 ．1 地下洞室加固的基本原则 在地下工程中，对围岩的加固往往采用以下几点原则【l l J 1 在地下工程中，围岩稳定是至关重要的问题，也是设计应首先考虑的问题。一 般来讲，如果围岩自稳能力比较强，采用普通锚杆、钢筋网喷射混凝土支护的支护抗力、 钢筋网喷射混凝土提供的支护抗力和预应力锚杆提供的支护抗力之和，应大于围岩稳定 需要的最小支护抗力，并应满足围岩稳定的安全系数要求。 2 按“新奥法”理论，在地下洞室开挖后，需要适时支护。应经济和快捷实现对围 岩的支护，迅速有效地限制围岩中有害变形的发展，在支护方式的选择时，应优先采用 普通锚杆、钢筋网喷射混凝土支护。当稳定分析表明围岩塑性区较深，需要提供的支护 抗力较大，仅普通锚杆和钢筋网喷射混凝土支护提供的支护抗力，不能满足围岩稳定的 要求时，则应采用预应力锚杆、普通锚杆和钢筋网联合的支护方式。为了提高联合支护 整体效果，在结构处理上三者必须形成整体。 3 1 地下洞室中，顶拱的塌落，边墙的滑动，岩壁吊车梁的失稳，均由不利组合的 结构面引起，属局部加固的范围。对较大体积的塌落和滑动，以普通锚杆难维持稳定时， 应采用预应力锚杆加固方案，其设计方法与边坡的加固方法基本一致。由于地下洞室的 空间有限，周围岩体的嵌固作用较为明显，在充分分析结构面组合和周围岩体的嵌固作 用后，进行锚固设计，将合理地减少锚杆的数量，这是十分经济的。 4 1 对地下工程围岩的整体加固，应使预应力锚杆穿越塑性区，锚固段应置于弹性 区域内，塑性区深度应由数值计算确定。如果影响围岩稳定的区域中存在构造面，预应 力锚杆则应穿越该结构面。 5 在地下洞室中，经常遇到相距较近的两洞室在同一高程附近，洞室间岩墙的稳 定需要采用预应力锚杆实现。为减少锚杆的预应力损失，提高锚固效果，改善两洞室边 墙的应力状态，采用两端设置外锚头的对拉式锚杆是最为有利的，也是十分经济的。 6 在地下工程中，由于岩体结构复杂，不可预见因素很多，有些地质情况在勘测 设计阶段难以完全查清，也不可能查得非常准确，设计所选取的岩体力学参数也会有很 大出入。为保证地下洞室的安全，加固设计时一定要留有足够的安全余度，其安全系数 应比地面结构物的略大。 3 ．2 预应力锚杆的基本工作机制 I 对围岩的整体加固作用 1 0 3 预应力锚杆、锚索联合支护基本计算研究 ①由于受构造运动和各种自然因素的影响，岩体通常是非均质和各向异性的，不 仅完整程度不同，其力学性质也有很大差异。在物理力学性能差异较大的岩体上和岩体 中修建巷道会遇到各种各样的工程问题，其中最为常见的是稳定问题。此外，为了节省 工程投资，减少工程量，设计者往往千方百计地利用岩体的固有承载能力，但岩体中固 有承载能力如何利用，软弱破碎岩体如何改造，都是工程设计者所需解决的问题。 预应力锚固技术因能充分发挥岩体固有承载能力，并可根据岩体的实际情况，有效 改造软弱破碎及不稳定岩体，因此是合理利用其承载能力的最好方法之一。预应力锚杆 对围岩的整体加固主要有以下作用[ 1 2 , 1 3 】限制围岩有害变形发展，对围岩提供支护抗力。 图3 ．1 是巷道开挖后围岩变形△ 与支护抗力 P ． 之间关系的特征曲线。 圈3 ．1围岩变形与支护特征曲线 它清楚地表明，欲使围岩产生的变形越小，则需提供的支护抗力越大。如果允许围 岩产生较大的变形，则可施加较小的支护抗力，当围岩变形超过允许值时，围岩就产生 破坏，形成作用于结构体上的“松散压力”，此时支护结构所承受的荷载反而增大。因此 理想的设计是，以最小的支护抗力维护围岩稳定，及时有效地限制围岩有害变形的发展。 在特征曲线的K 点处进行支护是最合理和最经济的。采用预应力锚固技术，可以及时、 提供均匀支护抗力，有效地限制围岩有害变形的发展，维护围岩的整体稳定。 预应力锚杆对围岩整体的锚固作用，主要表现在可以充分利用预应力钢材具有较高 的抗拉强度和一定程度的抗剪强度来加固岩层；还可以采用预应力锚杆锁紧围岩介质， 提高围岩之间的摩擦阻力，通过咬合作用，使不稳定的表层与未遭破坏影响并依然具有 较高承载能力的深层岩体形成整体。 预应力锚固技术对松散岩层的锚固作用，己被美国L a n g 用砾石在下述试验中证实 在一个金属桶中填满了粒径为l O m m 的砾石，填石料桶中预先设置许多螺栓，将砾石振 动捣实至一定程度，然后在砾石表面对螺栓施加压力，此时当料桶旋转向下时，不但砾 石不滚出，而且由于预应力产生侧向压力的作用，还能使砾石从中间向桶壁传递较大荷 载。这充分证明了预应力锚杆对松散岩体的锚固作用。井下巷道的开挖，改变了围岩的 原始应力状态。在围岩中设置预应力锚杆后，将在围岩中产生附加的锚固应力，尤其在 西安科技大学硕士学位论文 锚杆群作用下，围岩又变成了三向应力状态【l ⋯。由于岩石的抗压强度远大于其抗拉强度， 可通过调整围岩的应力状态来有效地提高围岩的稳定性。实践表明，当围压为零时，残 余强度接近于零；当围压为1 M P a 时，残余强度约为9 M p a ；随着围压的增高，岩石的 应变软化程度逐步降低，残余强度逐步增大，尤其是当围压在O ～1 M P a 范围内变化时， 残余强度表现出对围压很强的敏感性，即围压稍微增大，残余强度增长很快【l “。 根据弹塑性理论口5 l ，巷道开挖后，围岩将产生二次应力分布，结果为巷道周围岩体 的径向应力减小，切向应力增大，这种应力分布状态将导致围岩产生压剪破坏。在高预 应力锚杆的作用下，围岩的径向应力加大，径向应力的增大使应力分布趋向均匀，应力 集中减缓，围岩的二次应力分布得以改善，而且使拉应力区向围岩内部转移，有利于巷