顶板网格化锚固控制机理及运动规律研究(1).pdf

分类号 TD325 分类号 TD325 密 级 公 开 密 级 公 开 U D C U D C 单位代码 10424 单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 顶板网格化锚固控制机理及顶板网格化锚固控制机理及 运动规律研究运动规律研究 陈陈 璐璐 申请学位级别申请学位级别 硕士学位硕士学位 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名 谭谭 云云 亮亮 职职 称称 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一二年五月二零一二年五月 国 家国 家 973 项 目项 目 “ 煤 炭 深 部 开 采 中 的 动 力 灾 害 机 理 与 防 治 基 础 研 究煤 炭 深 部 开 采 中 的 动 力 灾 害 机 理 与 防 治 基 础 研 究 ” 2010CB226805; 煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金项目煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金项目No. SKLCRSM10KFB03；； 国家自然科学基金项目国家自然科学基金项目51074099、、51004068; 国家自然基金青年科学基金项目国家自然基金青年科学基金项目51104093; 教育部长江学者和创新团队发展计划（教育部长江学者和创新团队发展计划（IRT0843; 山东科技大学“矿山压力与岩层控制”创新团队基金山东科技大学“矿山压力与岩层控制”创新团队基金2010KYTD105. 论文题目论文题目 顶板网格化锚固控制机理及运动规律研究顶板网格化锚固控制机理及运动规律研究 作者姓名作者姓名 陈陈 璐璐 入学时间入学时间2010 年年 9 月月 专业名称采矿工程专业名称采矿工程 研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师谭指导教师谭 云云 亮亮 职职 称称 教教 授授 臧臧 传传 伟伟 副教授副教授 论文提交日期论文提交日期 2012 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期 2012 年年 5 月月 授予学位日期授予学位日期 MECHANISM AND MOVEMENT LAW OF ROOF REINFORCED BY GRIDDING BOLT A dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Chen Lu Supervisor Professor Tan Yunliang College of Natural Resources and Environmental Engineering May 2012 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文 献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机 关作鉴定。 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文 献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机 关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学硕士学位论文 摘 要 摘 要 摘 要 本文以北京昊华能源股份有限公司长沟峪煤矿三槽无人工作面开采为工程背景，采 用力学试验、理论分析、数值模拟和现场监测相结合的研究方法，对顶板网格化锚固机 理及其运动规律进行了研究。 采用煤矿煤层顶板岩石试块作为基体，用钢丝模拟锚杆、薄钢片模拟钢带，对加锚 （钢带）岩石进行了单轴压缩、巴西劈裂、压剪、三点弯试验研究。试验结果表明岩 石加锚后， 裂纹的扩展受到锚杆限制， 其抗压强度提高了 34.6， 抗拉强度提高了 59.1； 岩石加锚杆、钢带后，试件内部的应力分布状态得到改善，特别是当岩石基体出现塑性 屈服后， 钢带逐步取代岩石基体成为拉应力的承载主体， 不仅增强了锚固体的抗弯能力， 还使其破坏特征由脆性向延性转变。由三点弯试验结果可知加锚后试件的抗弯能力提 高了 39.4；加 0.4mm、0.6mm 厚钢带试件抗弯能力分别提升高了 110.2、148.3。基 于力学试验研究结果，运用复合材料结构力学原理，分析了锚杆支护阻止离层产生及扩 展的作用机制，探讨了锚杆、钢带对顶板岩层的增韧、增强等作用，结果表明锚杆体 积比率、粘结强度及锚杆钢带强度越大，锚杆对顶板力学性能的改善效果越明显。 采用 FLAC3D 软件，分析了网格化锚固控制对顶板动规律的影响，模拟结果表明 网格化锚固后，顶板塑性区体积明显减小，顶板的极限垮落步距有所增加，锚杆锚固控 制比率为 25.6、30.5、37.6时，垮落步距增长比率分别为 11.3、11.8、12.3， 说明顶板垮落步距的增加比率随着锚固控制比率的增加而增加，锚固控制效果明显。基 于力学试验、理论分析、数值模拟结果，结合具体的地质条件，在长沟峪煤矿进行工程 实践。通过顶板钻孔电视探测、顶板离层及运动规律的监测，得到以下结论锚杆锚固 范围内，没有发现明显的离层，离层区集中在 2.42.8m 和 4.14.4m 这两个范围内，说 明锚杆锚固对顶板离层的发展具有一定的控制作用；锚固顶板的冒落分为两种形式一 是分层冒落形式，即锚杆影响范围内下位直接顶和伪顶首先冒落，上部直接顶滞后冒落 的分层冒落形式，二是整体冒落形式，即直接顶整体一起冒落形式。 总的研究结果表明，顶板网格化锚固控制后，其力学性能得到改善，裂纹扩展受到 限制，顶板的垮落步距有所提高，自稳时间边长，顶板的冒落方式在一定程度上得到了 控制，达到了安全开采的目的。 关键词关键词加锚岩石；力学试验；网格化；锚固控制；离层扩展；垮落 山东科技大学硕士学位论文 Abstract Abstract Based on the manless exploitation of No.3 coal seam in Changgouyu Coal Mine in Beijing Haohua Energy Resource Co., Ltd, The reinforcement mechanism of gridding bolts and movement law of the reinforced roof was investigated by combination of mechanical test, theoretical analysis, numerical simulation and field monitoring. Using roof rock of coal mine as matrix, steel wire simulated as bolt, and thin steel sheet as steel strip, the uniaxial compression, Brazilian split, pressure shear and three-point-bend test of anchored rock with steel strip or not was done. The results show that the crack propagation of anchored rock is limited by blots; the compressive strength and tensile strength rises respectively by 34.6 and 59.1. The stress distribution is improved in anchored rock specimen. In particular, when plastic yield zone appears in rock, the steel trip replaces rock and becomes the main part to bear tensile stress load, which not only improves the bending resistance of anchored body, but also makes failure characteristics change from brittle to ductile. With comparison between the test results, it can be learnt that bending resistance of anchored specimen advance by 39.4. When steel strips with thickness of 0.4mm and 0.6mm are used, bending resistance rises respectively by 110.2 and 148.3. According to the above-mentioned tests’ results, structural mechanics of composite materials was applied to analyze the bolt mechanical role on generation and propagation of roof bedding separation. The effect of bolt and steel strip on toughness and enhancement of roof is discussed. Research shows that the bigger volume ratio, bond strength and bolt steel strip strength is, the more significant roof mechanical properties is changed. FLAC3D was applied to analyze the influence of gridding anchor on roof. Simulated results show that when the roof was reinforced by gridded bolt, the plastic zone significantly reduces, and the caving span also increases. When the anchor volume control ratio is 25.6, 30.5 and 37.6, the caving span ratio are respectively increased 11.3, 11.8 and 12.3. It can be concluded that caving span ratio increases with the anchor volume control ratio, and the anchor effect is obvious. Base on the mechanical test, theoretical analysis and numerical simulation, considering geological conditions， the engineering practice is done in Changgouyu 山东科技大学硕士学位论文 Abstract Coal Mine. With borehole camera detection, monitoring of roof separation and movement observation, it can be found that in the range of anchorage, the obvious separation is not found, and separation focuses on two ranges, which are 2.42.8m and 4.14.4m deep. It proves that propagation of roof bedding separation is controlled by bolt obviously. Roof falling can be divided into two kinds when controlled by bolts stratified collapse, which meanse the anchorage range of immediate roof and false roof collapse at first, and out anchorage range of immediate roof collapse after; whole collapse, which meanse the immediate roof collapse entirely. In summary, when the roof is reinforced by gridding bolts, the mechanical property of roof is improved, crack propagation is limited; caving span and self-stabilization time rises, the kinds of roof falling is controlled in a certain degree, safety of working is kept. Keywords anchored rock, mechanical test, gridding, anchoring control, crack propagation, caving span 山东科技大学硕士学位论文 Contents 目目 录录 1 绪论绪论 ..................................................................................................................1 1.1 课题的研究背景及意义...................................................................................................1 1.2 国内外研究现状...............................................................................................................2 1.3 研究内容与技术路线.......................................................................................................9 2 加锚岩石力学试验研究加锚岩石力学试验研究................................................................................10 2.1 加锚方案设计.................................................................................................................10 2.2 试件制作以及锚杆拉拔力测试.....................................................................................11 2.3 加锚岩石力学试验及结果分析.....................................................................................14 2.4 本章小结.........................................................................................................................43 3 锚杆及钢带对顶板岩层力学性能改善机理分析锚杆及钢带对顶板岩层力学性能改善机理分析........................................44 3.1 锚杆阻止顶板离层产生及扩展作用分析.....................................................................44 3.2 锚杆钢带组合对顶板增韧分析.....................................................................................49 3.3 锚杆对顶板增强作用分析.............................................................................................51 3.4 本章小结.........................................................................................................................53 4 网格化锚固顶板运动规律研究网格化锚固顶板运动规律研究....................................................................54 4.1 工程概况.........................................................................................................................54 4.2 不同网格尺寸顶板破坏规律模拟分析.........................................................................55 4.3 锚固控制顶板无人工作面开采实践.............................................................................66 4.4 本章小结.........................................................................................................................75 5 结论与展望结论与展望....................................................................................................77 5.1 主要结论.........................................................................................................................77 5.2 主要创新点.....................................................................................................................78 5.3 问题与展望.....................................................................................................................79 致致 谢谢 ..................................................................................................................80 参考文献参考文献 ..............................................................................................................81 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果......................................................................................85 山东科技大学硕士学位论文 Contents Contents 1 Introduction1 1.1 Research background and significant of research ....1 1.2 Present situation of the related study...2 1.3 Main research contents and technology route...9 2 Mechanical test of anchored rock10 2.1 Anchored scheme design...................... ...10 2.2 Production of specimens and pull force test of anchors .. .11 2.3 Anchored rock’s mechanical test and results analysis ..14 2.4 Chapter summary....43 3 Bolt and strip’s mechanism role onroof seam44 3.1 Mechanical model of bolt prevent separation generation and propagation .44 3.2 Analysis for bolt and steel strip role on toughness of roof49 3.3 Analysis for bolt role on strength of roof51 3.4 Chapter summary.......53 4 Movement law of roof reinforced by gridding bolt54 4.1 General engineering situation.54 4.2 Analysis for failure law of roof reinforced by different grid dimensions55 4.3 Roof reinforced by gridding bolt and manless mining practice 66 4.5 Chapter summary77 5 Conclusion77 5.1 Main conclusion...........77 5.2 Main innovation........78 5.3 Deficiency and prospect...........79 Acknowledges80 Academic achievements81 References85 山东科技大学硕士学位论文 绪 论 1 1 绪论绪论 1.1 课题的研究背景及意义课题的研究背景及意义 随着我国经济的迅猛发展，对能源的需要也日益增大，而煤炭资源在我国能源消耗 中占有非常重要的地位，因此，煤炭工业是我国经济发展的支柱产业。近六年来，我国 煤炭产量持续增长， 2011年产量为34.35亿吨， 与2006年20.66亿吨相比， 增加了66.26， 煤炭为主体的能源格局不会在短期内改变。而从国家能源安全战略出发，在今后相当长 得时期内必须保证煤炭的高产稳定和安全开采。虽然我国煤炭资源储量大、分布广，但 煤层赋存条件差异大，如北京、福建、湖南、贵州、山东的临沂等地区含煤地层属含煤 层数多，煤层厚度变化大且不稳定，多数为连续性差的多煤层群。煤层受后期多次构造 运动的作用，褶皱、断裂发育，常被切割成幅度大小不一的若干可采块段，致使煤层厚 度变化大，赋存状态千姿百态，给开采带来很大的困难，严重影响煤炭资源的回收。统 计表明[1]，经过长期大规模的开采赋存稳定、地质条件简单的煤炭资源越来越少，现阶 段国有重点煤矿中，地质构造复杂或者及其复杂的煤炭储量占 36，地质构造简单的煤 炭储量只占 23；水文地质条件复杂或者及其复杂的煤炭储量占 37，水文地质条件简 单的煤炭储量只占 34。地方煤矿条件复杂的煤炭储量所占比例更大。虽然，目前复杂 难采煤炭的产量在我国原煤产量中所占的比例不大，但是其储量相对较多。而且我国大 部产煤区的易采煤炭资源已逐步枯竭。由此带来了我国东部地区经济发展对煤炭资源大 量需求与煤炭高效、安全开采之间矛盾日渐突出，一方面复杂地质条件开采难度大，煤 炭回收率、生产效率低，工人劳动强度大；另一方面，虽然西部煤炭开采逐步发展，但 今后一段时期内西部煤炭资源因远距离运输等原因，还无法满足东部发达经济地区的高 需求，造成巨大煤炭供应量缺口将无法弥补。因此在有效防治各类灾害发生的基础上， 科学开采东部复杂地质条件煤炭资源、提高矿井的服务年限、降低开采成本、提高资源 回收率满足我国东部地区发展对能源的迫切需求，具有重要意义。 近些年来针对复杂煤层开采难题，选择什么样的采煤方法，如何合理的提高采出率 等问题，已经成为复杂难采煤矿的重点攻关任务。而对于新汶、枣庄等老的矿区如何对 边角煤安全合理开采已经成为企业生存和发展的急需。即使像兖州、潞安等现代化的大 型企业，边角煤的开采问题也渐渐暴露出来。由于边角煤的开采，现代化的大型综采设 山东科技大学硕士学位论文 绪 论 2 备已经无用武之地，研究效益高、安全可靠的先进采煤方法，解决这些工程实际问题， 逐步成为这些老矿区需要攻关的重要课题。面对这些难题，以谭云亮教授为首的课题组 提出了网格状超前锚固无人工作面开采方法，并在北京、新汶等地现场试用，获取了良 好的经济效益。 其实质就是对顶板进行超前网格化锚固控制， 工人不进入采煤工作面内， 而是在安全地点控制工作面的机械设备，完成采煤、装运煤、顶板管理和采空区处理等 工序的一种先进的、高效率的采煤方法。它不仅适应各种复杂地质条件，更重要的是彻 底把工人从危险、恶劣、狭窄的工作环境中解放了出来，是减轻工人劳动强度、提高劳 动生产率、降低成本、提高煤矿生产经济效益和社会效益的优秀方法之一。而从现场应 用的结果可知，影响其开采效率的关键问题是顶板的超前网格状锚固控制效果。 因此，本文以北京昊华能源股份有限公司长沟峪煤矿三槽煤的开采为依托，通过锚 杆与岩石基体组合及锚杆、钢带岩石基体组合的力学试验，分析锚杆对裂纹扩展的限制 作用，获得加锚（钢带）岩石的力学参数；基于试验结果，讨论锚杆阻止离层产生、扩 展及对顶板的增韧、增强等作用；结合数值模拟与现场应用，探索顶板网格化锚固后的 顶板运动规律，进而指导现场对顶板的超前锚固控制，实现工作面的安全开采，提高煤 炭资源回收率。本课题的研究成果，可为锚固机理的研究提供依据，为以后更深入系统 的研究提供参考，对完善锚固控制理论具有着重要的理论意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 锚固理论及其机理研究现状锚固理论及其机理研究现状 1.2.1.1 锚杆支护理论研究 自 1872 年英国露天页岩矿首次采用锚杆加固边坡以来， 锚固技术至今已有 100 多年 的发展历史，目前，锚固技术作为一种优越的加固手段，广泛应用于各种工程领域[2]。 随着锚杆支护技术的广泛应用，广大学者对锚杆作用机制进行了深入广泛的分析，锚固 理论迅速发展。五十年代末，Louls A. Panek，Jacob，T.L.V. Rabeewicz 和 TA.Lang 等人 相继提出的悬吊理论、组合梁理论以及压力拱等理论[3]，为锚杆支护技术的推广应用提 供了理论基础。 （1）悬吊作用理论即锚杆将直接顶悬吊在上覆坚硬岩层，或者将软弱岩层破碎岩 石悬吊在其上部的自然平衡拱上，使之不与母体脱落。 （2）组合梁理论该理论适合于项板为层状岩体的情况，其实质是通过锚杆的径向 山东科技大学硕士学位论文 绪 论 3 压力作用，挤压岩层，增加岩层间的摩擦力，使叠合梁向组合梁转化。 （3）压力拱理论早在 1955 年，Rabcewicz 首先提出锚杆安装后使围岩中形成连 续的压缩带，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，便能在 岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱（亦称组合拱或压缩拱） ，这个承压拱可以承受 其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力 状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。因此，锚杆支护的关键在于获取较 大的承压拱厚度和较高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支承能力的提高。 （4）销钉理论锚杆的销钉作用主要表现为①锚杆将不稳定块体钉到深部稳定岩 层上；②锚杆穿过裂隙面，借助杆体本身的抗剪能力限制节理面的相对滑移，提高围岩 的抗滑和抗剪强度。 1.2.1.2 解析研究 朱浮声，郑雨天[4]研究了全长粘结式锚杆的锚固机理，研究结果表明锚杆能等效 的改善围岩力学性能，从而起到对围岩的加固作用，并给出了加锚岩体的等效力学参数 解析表达式。等效力学参数可直接应用于围岩-支护相互作用分析的己有解析式中，并通 过对围岩边界位移量的控制进行锚杆支护设计。 Gunn Wijk[5]应用弹性理论中的 Mindlin 解讨论了预应力锚杆的加固机理。尤春安[6] 则利用 Mindlin 问题的位移解导出了全长粘结式锚受力状态的弹性解，并探讨此类锚杆 受力特征与岩体力学性质的关系，为锚杆支护参数的设计提供理论依据。 谭云亮、 徐思虎等[7-8]利用了复合材料力学理论， 研究了锚杆对岩石介质的弹性模量、 抗拉强度增强的力学机理，其结果表明加锚岩体是一种典型的横观各向异性材料，锚 杆对岩石基体抗拉强度的增加主要取决于岩石基体的内聚力，抗拉强度和锚杆的数量。 并通过脆性损伤分析，提出了锚杆加固围岩稳定性潜力分析力学模型，为锚杆加固巷道 顶板的方案设计及稳定性评价提供了依据。 李术才[9]为弄清裂纹扩展形态与锚杆的增强止裂作用及岩体自身稳定性之间的关 系。应用损伤力学与断裂力学理论，对节理岩体的本构模型及其损伤断裂机制进行了大 量的研究，结合应变能等效的方法和自洽理论，建立了加锚节理岩体在压剪、拉剪应力 状态下的断裂损伤本构模型，并推导了裂纹在压剪和拉剪状态下的损伤演变方程。 张强勇、朱维申等[10-11]依托水电工程和矿山工程项目背景，研究了锚杆对节理裂隙 岩体的加固机理，提出了相应的岩体损伤断裂模型和锚固分析模型，其建立的力学模型 应用于滑坡地质灾害治理等工程项目，取得了良好的经济效益。