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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 已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 日期 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 指导教师签名 年 月 日 论文题目锚碹支护技术在薄顶板巷道支护中应用研究 专 业结构工程 硕 士 生吴海峰 （签名） 指导老师王晓利 （签名） 摘 要 锚碹支护技术是一种新型实用的支护技术， 该技术首次将柔模泵注混凝土技术与锚 杆支护技术相结合应用于地下工程支护领域， 为人类开发地下空间和开采地下资源提供 了一种新手段。 锚碹支护是预先制作柔性模板， 将柔性模板通过短锚杆固定在巷道周边， 用混凝土泵将大流动性免振捣自密实混凝土拌和物泵入巷道柔模中， 在巷道周边形成锚 碹支护结构，而锚碹支护（砌混凝土碹）与锚网支护（不砌碹）可间隔布置，形成锚杆 可缩性条带碹式支护结构。砌碹段是刚性支护段，是抵抗围岩压力主体段，锚杆段是柔 性支护段、岩石应力缓冲段。这种支护方式刚柔并举，先柔后刚，抗让结合，随时自动 调整巷道围岩压力，使巷道保持动态稳定。此法取消锚索，避免了锚索穿透顶板进入上 部采空区，而且一次施工面积大，形成的结构整体性好，是一种工艺简单、造价低、机 械化程度高、施工速度快的新型支护方式。 本文在结合组合拱理论、普氏理论及公路隧道设计规范、厚壁筒理论的基础上， 提出锚碹联合支护结构计算模型。 根据结构力学等知识推导出岩碹组合梁的弯矩计算公 式，从理论上证明了岩碹组合梁能够有效降低柔模碹的弯矩。本文提出柔性模板、钢筋 网、锚杆几何尺寸与布置以及混凝土支护厚度的计算方法。在计算过程中，按公路隧 道设计规范计算顶部围岩压力，按普式理论计算帮部压力，结合隧道设计安全系数按 厚壁筒理论计算拱部混凝土厚度，帮部支护厚度通过混凝土强度及稳定性验算取值。 本文结合比德煤矿得工程实际情况，对锚碹支护结构进行了模拟计算验证，通过分 析得出该结构强度及稳定性满足设计要求， 并结合工程实际提出了具体的施工方法及施 工工艺。 数值模拟、理论计算及工程实际证明了该支护结构的合理性。提出的锚杆条带碹支 护方法简单可行，实用性很强，为以后的工程支护设计提供较好的参考依据。 关 键 词柔模泵注混凝土；锚杆条带碹支护；支护原理；数值模拟 研究类型应用研究 Subject The Applied Research of Arch Rock Bands Support in Thin Roof Roadway Specialty Structural Engineering Name Wu Hai-feng Signature Instructor Wang Xiao-li Signature ABSTRACT Anchor rock bands support technology is a new type of practical support technology, which combines the flexible work pump-concreted support technology and bolt supporting technology, and firstly used in underground support. It provides a new means for development of underground space and exploitation of underground resources. The technical process of Anchor rock bands support technology was that firstly produced flexible templates, and fixed to the roadway surrounding rocks by short bolts, and then pumped self-compacting concrete into the soft modes by the pump, finally Anchor rock bands support molding completed. Anchor net arranged in Anchor rock bands support molding and then ed the strip arch type supporting structure, in which the anchors were retractable. Arching section is rigid support segment, which can resistance surrounding rock pressure; anchor segment is flexible retaining section to buffer rock stress. This technology combined rigid and soft supporting, first soft and then rigid, and the pressure of surrounding rock of roadway automatically adjusted, which maintained dynamic stability. This , without cable, avoided the cable penetrated roof to the upper goaf. While its construction area was large, the structure keep good entirety, then anchor ARCH support was not only a simple process, low cost, and high mechanization degree, but rapid construction and new support technology. The calculation model of Anchor rock bands support structure was established on four theories, which were the combined arch theory, pu’s theory, design code for highway tunnel, thick tube theory. According to the structural mechanics knowledge，this paper deduced a bending moment calculate ula for rock-arch combination beam. Results calculated from the ula proved that rock-arch combination beam could effectively reduce the bending moment of soft mold arch. Based on those theories, these papers not only present s to calculate the geometric dimensions of flexible template, reinforcement net and anchor, but arrangement mode. In addition, it proposed to calculate thickness of concrete support. Surrounding rock mass pressure calculation according to design code for highway tunnel, roadway side pressure of calculation used general type theory and thickness of concrete support calculation combined tunnel design safety factor and thick tube theory in the calculation process. This paper simulation validation the Anchor rock bands support simulation based on the practical engineering of Bide coal. Through the analysis of the structure, it proved that the structure strength and stability meet the design requirements, and then presented the concrete construction and construction process. Comparative analysis of numerical simulation, the theoretical calculation and engineering practical, it proved that Anchor rock bands support technology were reasonable support structure. In addition, it was not only simple but practicality strong, so that it is valuable reference for the following engineering supporting design. KeywordsFlexible work and Pump-concreted Support Anchor rock bands support Support Principle Numerical Simulation Thesis Application Research 目 录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 问题的提出 ...................................................................................................................... 1 1.2 原支护方案存在的问题及分析 ...................................................................................... 2 1.2.1 工作面原支护方案 ................................................................................................... 2 1.2.2 原支护方案存在的问题 ........................................................................................... 3 1.2.3 原支护破环原因分析 ............................................................................................... 3 1.3 本文主要研究内容及方法 .............................................................................................. 5 2 锚杆条带碹支护原理研究 ..................................................................................................... 6 2.1 支护设计指导思想 .......................................................................................................... 6 2.2 锚杆条带碹支护结构 ...................................................................................................... 7 2.3 锚杆条带碹支护原理研究 ............................................................................................ 10 2.3.1 岩碹组合梁原理 ..................................................................................................... 10 2.3.2 围岩与柔模碹共同作用原理 ................................................................................. 14 2.4 锚碹支护原理数值模拟研究 ........................................................................................ 16 2.4.1 数值模拟方法概述 ................................................................................................. 16 2.4.2 数值模拟软件介绍 ................................................................................................. 17 2.4.3 锚碹支护机理数值模拟 ......................................................................................... 18 2.5 本章小结 ........................................................................................................................ 23 3 锚杆条带碹支护参数设计 ................................................................................................... 24 3.1 锚杆条带碹支护结构模型 ............................................................................................ 24 3.1.1 普氏理论 ................................................................................................................. 24 3.1.2 公路隧道地压计算方法 ......................................................................................... 26 3.2 钢筋网设计 .................................................................................................................... 29 3.3 锚杆设计 ........................................................................................................................ 30 3.4 混凝土厚度设计 ............................................................................................................ 32 3.5 泵注混凝土配合比设计 ................................................................................................ 36 3.6 总体支护参数 ................................................................................................................ 36 3.7 本章小结 ........................................................................................................................ 38 4 锚碹支护技术在比德煤矿中的实际应用 ........................................................................... 39 4.1 支护参数设计 ................................................................................................................ 39 4.2 数值模拟 ........................................................................................................................ 39 目 录 II 4.2.1 建立模型 ................................................................................................................. 39 4.2.2 计算结果 ................................................................................................................. 41 4.2.3 强度及稳定性验算 ................................................................................................. 42 4.3 位移监测 ........................................................................................................................ 42 4.3.1 位移监测的意义 ..................................................................................................... 42 4.3.2 位移监测的标准 ..................................................................................................... 42 4.3.3 监测点位置 ............................................................................................................. 43 4.3.4 监测数据处理及分析 ............................................................................................. 44 4.4 本章小结 ........................................................................................................................ 45 5 施工工艺及质量控制 ........................................................................................................... 46 5.1 施工材料及工具 ............................................................................................................ 46 5.2 施工准备 ........................................................................................................................ 47 5.3 施工流程 ........................................................................................................................ 48 5.4 施工设备选择与布置 .................................................................................................... 48 5.4.1 地面设备及布置 ..................................................................................................... 48 5.4.2 井下设备及布置 ..................................................................................................... 49 5.5 劳动生产组织 ................................................................................................................ 53 5.6 施工规范 ........................................................................................................................ 53 5.7 施工质量控制及验收标准 ............................................................................................ 56 5.8 本章小结 ........................................................................................................................ 59 6 结论与展望 ........................................................................................................................... 60 6.1 结论 ................................................................................................................................ 60 6.2 展望 ................................................................................................................................ 60 致 谢 ...................................................................................................................................... 61 参考文献 .................................................................................................................................. 62 附 录 ...................................................................................................................................... 64 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出 支护是矿山开采、水利水电隧道、公路交通隧道等地下工程的一项关键技术。合理 的支护技术应既能确保地下工程的安全,又具有明显的社会经济效益。 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。 目前, 我国现有的矿山井巷、铁路、水利、公路、国防工程的隧道一般采用锚喷支 护、锚索支护、棚式支护、现浇混凝土或砌暄支护等。我国自七十年代以来，在煤炭、 冶金、土建、水电、铁路、公路、人防等行业遇到的地下软岩工程越来越多，使得地下 巷道有相当一部份分布于软岩中，支护困难。软岩支护问题已成为国内外地下工程维护 的一个难题。 支护理论是实施地下工程支护的指导思想及设计依据。早期，在传统的松动地压支 护理论的指导下， 人们采用的支护方式都为被动式支架支护随着弹塑性理论的建立和应 用，逐步形成了，变形地压支护理论，也产生了新奥法NATM，主动式支护技术的采 用给支护带来了一场革命。然而软岩工程支护问题的不断出现，充分表现出对软岩支护 理论研究的不足。 三十多年来，国内外岩石力学界对软岩工程问题进行了广泛的研究工作。自 l982 年东京召开了第一届软岩国际研讨会以来，软岩方面的国际性会议已开过多次。中国岩 石力学与工程学会于 1995 年专门成立了软岩工程专业委员会， 经许多学者的共同努力， 如对甘肃金川矿区软岩问题的全国性科技攻关等， 使得我国在软岩支护技术和软岩支护 理论研究方面取得，较大的进展，持别是在软岩支护技术方面发展较快，形成了钢架支 护系列技术、料石碹支护系列技术、锚、喷、网支护系列技术、注浆加固系列、预应力 锚索支护系列技术以及以上各种支护组合的联合支护系列等。 比德煤矿属于贵州省第一批“西电东送”项目纳雍电厂的主要供煤矿井之一,矿 井含煤地层为二叠纪龙潭煤组,主采其中、 上煤组,井田可采及局部可采煤层共6层,煤层倾 角12 ～20 ,属于薄及中厚近距离煤层群。 西安科技大学硕士学位论文 2 表表 1.1 煤层顶底板情况表煤层顶底板情况表 顶底板名称 岩石类别 硬度 厚度 岩 性 顶 板 基本顶 Ⅳ类 坚硬 f6～8 5～13m 粉砂岩 直接顶 Ⅴ类 中硬 f4～6 1.0m 灰色薄层泥岩 伪顶 / / / 底 板 直接底 Ⅴ类 中硬 f3～5 1.0m 灰色泥岩、遇水易膨胀 基本底 Ⅳ类 较硬 f4～7 1.5～9m 粉砂岩 比德煤矿薄及中厚近距煤层群开采与水文地质条件给巷道支护带来了困难。煤层间 距离近，上部煤层开采后，下部煤层顶板薄，锚索穿透顶板，伸入上部采空区，锚索锚 固易失效，并将上部采空区的积水导入巷内，弱化顶板、底板，不利于巷道支护安全， 尤其 1064 工作面，两巷顶底板为泥岩，锚索支护不适合该巷道。而且巷道顶板薄易带 来冒顶，锚杆支护强度不足，必须采用可靠的支护形式。 比德煤矿目前采用 25U 型钢支架铺设钢筋网支护。支护初期效果好，但是在后期， 随着围岩顶板的风化和顶板以上含水层的渗入，围岩逐渐软化、泥化、膨胀和崩解，巷 道变形逐渐加剧，有些地段甚至发生破坏，严重影响了矿井的正常生产。 25U 型钢支架铺设钢筋网支护造价高、机械化程度低、工人劳动强度大。 要保证比德煤矿的快速开发，安全生产，持续发展。必须研究出一种适合巷道复杂 环境的支护方式及快速施工方法。 柔模泵注混凝土支护技术（亦称锚碹支护）是以柔模作为混凝土模板，柔模具有强 度高、透水不透浆、一次性使用、支模速度快等特点；混凝土采用免振捣自密实混凝土， 以水泥、砂、石子及外加剂为材料，材料来源广，价格便宜，混凝土强度及凝固时间可 调；施工设备主要有混凝土泵；施工工艺简单，施工速度快（不影响掘进或回采速度） ， 安全可靠，投入少。 1.2 原支护方案存在的问题及分析 1.2.1 工作面原支护方案 根据公司 1064 工作面原设计， 采用 25 号 U 型钢支架铺设钢筋网支护， 支架架设间 距中中 0.8m， 每架间采用 3 根拉杆连接； 全断面铺设钢筋网； 采用半圆木背帮背顶， 半圆木宽度 120-240mm。 具体原巷道支护断面如图 1.1 所示 1 绪论 3 S掘13.77m2 S净12.17m2 4200 500 25U型钢 250 轨道中心线 巷道中心线 卡缆 轨面水平 40012704001200930 500 300 300 570 200 半园木 4540 1500 6号煤 0.8m宽皮带 500 2100 3350 1101250 400 200 图 1.1 原巷道支护断面 1.2.2 原支护方案存在的问题 比德煤矿目前采用 25U 型钢支架铺设钢筋网支护。支护初期效果好，但是在后期， 随着围岩顶板的风化和顶板以上含水层的渗入，围岩逐渐软化、泥化、膨胀和崩解，巷 道变形逐渐加剧，有些地段甚至发生破坏，严重影响了矿井的正常生产。 25U 型钢支架铺设钢筋网支护造价高、机械化程度低、工人劳动强度大。 1.2.3 原支护破环原因分析 经研究发现比德煤矿支护破坏的原因主要有以下几个原因 ⑴巷道围岩条件差 回采巷道一般顶板为粉砂岩、砂岩及泥岩，上覆含水层，顶板泥岩、砂岩易风化且 有强烈的吸水软化、泥化、膨胀的特性，属不良工程岩体。特别是煤层顶、底板的泥岩 及泥质胶结的砂岩，岩体孔隙发育且其上部岩层为含水层，遇水软化失稳，后巷维护量 庞大。煤层间距离近，上部煤层开采后，下部煤层顶板薄，锚索穿透顶板，伸入上部采 空区，锚索锚固易失效，并将上部采空区的积水导入巷内，弱化顶板、底板，不利于巷 道支护安全，尤其1064工作面，两巷顶底板为泥岩，锚索支护不适合该巷道。而且巷道 西安科技大学硕士学位论文 4 顶板薄易带来冒顶，锚杆支护强度不足，必须采用可靠的支护形式。褶曲多，有断层， 构造处上下岩层贯通，上部水侵入巷道。 ⑵断面大，走向长； ⑶支护断面形状不尽合理； 现行回采巷道断面形状多为异形断面，而拱形断面巷道稳定性明显优于异形断面； ⑷支护形式及参数不适合地层条件。 比德煤矿井下巷道施工多采用锚网索梁联合支护，煤层顶底板一般为泥岩，其上部 具有含水层，上部含水层的水通过锚孔和巷道顶板变形裂隙，进入顶板泥岩，顶板泥岩 遇水迅速破坏。同时，锚索锚固端孔壁遇水软化，加上围岩应力降低减少对锚固端的握 裹力，锚固力大幅度降低。这样使得锚网索支护的巷道维修量大，给安全生产增加很大 困难，并加大了生产成本。 1）上部水侵入巷道顶板泥岩，导致围岩强度弱化破坏 ①断层直接将水导入巷道顶板泥岩； ②褶曲轴部围岩破碎、裂隙发育，裂隙贯通后将水导入； ③锚杆锚索孔导水入侵； ④断面大走向长，服务年限长，顶板受力弱化时间长，产生裂隙导水； 2）锚杆锚索支护本身特点导致支护失效 ①锚杆锚索锚固段周边围岩遇水泥化，锚固力降低或丧失