旧采区二次掘进巷道围岩控制机理研究.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名丛垒玺E I I 苛I p } g ．s 。气 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文 ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名；必望 日A t , H 导师签名整垒 p 良。’ 日期27 够f 万方数据 旧采区二次掘进巷道围岩控制机理研究 摘要 Ⅲ咖㈣㈣Ⅲ㈣4 删咖I Y 2 7 9 7 5 7 8 本文以山西晋煤集团泽州天安圣华煤业有限公司的3 号煤层旧 采残煤为背景，研究分析旧采区二次掘进巷道围岩控制技术。根据现 场钻孔顶板取样并进行岩性力学分析以及现场实地勘察分析，得出了 旧采区巷道的现状，和旧采区二次掘进巷道尺寸等相关参数，以及二 次掘进时的巷道穿越情况。依据工程类比法，及工程经验，选定锚杆 支护方案。通过R F P A 软件数值模拟二次掘进巷道通过空巷、空区、 冒落区时，顶板在不同的锚杆支护方案下的支护效果，得出以下结论 1 实体煤中掘进巷道与旧采区二次巷道掘进穿越空巷对比， 实体煤中掘进时，巷道破坏程度小于旧采区二次巷道掘进穿越空巷。 旧采区二次掘进无支护巷道穿越空巷、空区、冒落区时，顶板局部破 坏严重，存在冒顶的隐患，都需要进行支护。 2 旧采区二次掘进巷道穿越空巷时，影响项板支护效果的因 素由大到小依次是锚杆强度、锚杆间距、锚杆长度。支护方案选用锚 杆强度6 0 0M P a ，锚杆长度2 ．0m ，锚杆间距6 0 0m m 的支护方案组 合最为合理，对顶板控制效果较好。 3 旧采区二次掘进巷道穿越空区时，影响顶板支护效果的因 素由大到小依次是锚杆强度、锚杆长度、锚杆问距。旧采区二次掘进 巷道穿越空区时，支护方案选用锚杆强度5 0 0M P a ，锚杆长度2 ．0m ， 锚杆间距8 0 0m m 的支护方案组合最为合理，对顶板控制效果较好。 4 旧采区二次掘进巷道穿越冒落区时，影响顶板支护效果的 因素由大到小依次是锚杆强度、锚杆长度、锚杆间距，但锚杆长度和 锚杆间距对支护效果的影响几乎相同。旧采区二次掘进巷道穿越冒落 区时，支护方案选用锚杆强度5 0 0M P a ，锚杆长度2 ．0m ，锚杆间距 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 0 0m m 的支护方案组合最为合理，对顶板控制效果较好。 关键词旧采残煤，围岩控制，数值模拟，锚杆支护 万方数据 S T U D YO NS U R R o U N D I N GR O C KC o N T R O L O FO L DM I N I NGA E R AR O A D ⅥA Y T h ea r t i cl ea c c o r d i n gt oN o ．3c o a ls e a mo ft h eo l dm i n i n gr e si d u e s o fS h a n x iJ i n c h e n gC o a lC o ．S h e n g h u ac o a lm i n ec o m p a n ya s t h e b a c k g r o u n d ，r e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h eo l dm i n i n ga r e ao fs e c o n d a r y r o a d w a ye x c a v a t i o ns u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o lt e c h n o l o g y ．A c c o r d i n gt o t h es i t ed r i l l i n gr o o fs a m p l i n ga n dl i t h o l o g ym e c h a n i c a la n a l y s i sa n d o n - s i t ef i e l ds u r v e ya n a l y si s ，t h es t a t u sq u oo ft h eo l dm i n i n ga r e ao f r o a d w a y , a n dt h es i z eo f t h eo l dm i n i n ga r e ar o a d w a ya n do t h e rr e l e v a n t p a r a m e t e r s ；t h e s i t u a t i o no fs e c o n d a r yr o a d w a ye x c a v a t i o nw h e n c r o s s i n g ；b a s e de n g i n e e r i n ga n a l o g yb o l t i n gp r o g r a ms e l e c t e dd i f f e r e n t s u p p o r t i n gp m g r a m ；s u p p o r t i n gq u a l i t y i nd i f f e r e n tb o l t i n gs o l u t i o n s w h e ns e c o n d a r yr o a d w a ye x c a v a t i o np a s st h ee m p t yl a n e ，e m p t ya r e a , c a v i n g z o n ew i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eI 江P 氏D r a wt h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n s F i r s t ，t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nw i t ht h eo l dr o a d w a yi nt w or o a d w a y e x c a v a t i o ne n t i t yi nc o a l , c o a le x c a v a t i o ne n t i t y , d a m a g ed e g r e eo ft u n n e l i sl e s st h a nt h eo l dm i n i n ga r e ao fr o a d w a ye x c a v a t i o nt h r o u g hg o b ；t h e o l dm i n i n ga r e ae x c a v a t i o nw i t h o u ts u p p o r to fr o a d w a yc r o s s i n gg o b ，g o b 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 c a v i n gz o n er o o fd a m a g ei n c r e a s el o c a ld a m a g ea n de v e ns e r i o u sr o o f r o o fs e p a r a t i o n , t h e r ea r eh i d d e nd a n g e r s ，t h en e e df o rs u p p o r t ； S e c o n d ，T h eo l dm i n i n ga r e ar o a d w a yc r o s s i n gr o a d w a y , t h ef a c t o r s a f f e c t i n gt h em a g n i t u d eo fr o o fs u p p o r te f f e c t i nb o l t s t r e n g t h , b o l t s p a c i n g ，a n c h o rl e n g t h ；s u p p o r t i n gs c h e m es e l e c t i o no f a n c h o rs t r e n g t ho f 6 0 0M P a , t h el e n g t ho f a n c h o rb o l ts p a c i n gi s2r n , 6 0 0m i l lc o m b i n a t i o n s u p p o r t i n gs c h e m ei st h em o s tr e a s o n a b l e ，g O o dc o n t r o le f f e c to nt h er o o f ； T h i r d ，t h eo l dm i n i n ga r e ar o a d w a yt h r o u g ht h ee m p t ya r e a , t h es i z e o ft h ei n f l u e n c ef a c t o r so fr o o fs u p p o r te f f e c ti n s t r e n g t h ．a n c h o rb o l t l e n g t h , b o l ts p a c i n g ；o l dm 证i I 培a r e ar o a d w a yt h r o u g ht h ee m p t ya r e a , s u p p o r t i n gs c h e m es e l e c t i o no fa n c h o rb o l tl e n g t hs t r e n g t h5 0 0M P a , 2n ．L 8 0 0m l T lf r o mt h ea n c h o rs u p p o r t i n gs c h e m et h em o s tr e a s o n a b l e ，g O o d c o n t r ole f f e c to nt h er o o f F i n a l y , t h eo l dm i n i n ga r e a a c r o s st h er o a d w a yc a v i n gz o n e ，t h e f a c t o r sa f f e c t i n gt h em a g n i t u d eo fr o o f s u p p o r te f f e c ti nb o l ts t r e n g t h , b o l t l e n g t h , b o l ts p a c i n g ，b u tt h el e n g t ho fa n c h o ra n da n c h o rs p a c i n go nt h e s u p p o r t i n ge f f e c ti sa l m o s tt h es a m e ；ol dr o a d w a yc r o s s i n gm i n i n gc a v i n g z o n e ，s u p p o r t i n gs c h e m es e l e c t i o no fa n c h o rs t r e n g t h50 0M P at h ea n c h o r l e n g t hi s2 驰8 0 0r n m , b o l ts p a c i n ga n ds u p p o r t i n gs c h e m ec o m b i n a t i o n i st h em o s tr e a s o n a b l e ，g o o dc o n t r o le f f e c to nt h er o o f ． K E YW O R D S o l dr e s i d u a lc o a lm i n i n g , s u r r o u n d i n gr o c k c o n t r o l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , b o l t i n g 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1 破碎围岩控制研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．2 锚杆支护理论现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 研究的主要内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 1 ．4 研究路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 第二章旧采区概况及锚固稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．1 地质概括⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．1 ．1 矿井概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．1 ．2 旧采区地质情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．1 ．3 旧采区岩石力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．2 旧采区煤层及巷道赋存状况分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．2 ．1 旧采区采煤方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．2 ．2 旧采区煤层现状分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．2 ．3 旧采区顶板稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．2 ．4 旧采区巷道现状分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 2 ．3 旧采区巷道围岩加固及支护技术方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．4 锚固稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 2 ．4 ．1 锚固体失稳机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 2 ．4 ．2 锚杆支护稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 2 ．4 ．3 锚索支护稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 第三章旧采区二次掘进穿越空巷数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．1 正交模拟方案设计介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．2R F P A - 2 D 模拟软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ．3 旧采区二次掘进穿越空巷数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．3 ．1 旧采区二次掘进穿越空区数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．3 ．2 无支护下数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 3 ．3 ．3 不同支护方案数值模拟对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 第四章旧采区二次掘进穿越空区数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．1 旧采区二次掘进穿越空区数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．2 无支护下数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．3 不同支护方案数值模拟对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 第五章旧采区二次掘进穿越冒落区数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．1 旧采区二次掘进穿越冒落区数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．2 无支护下数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．3 不同支护方案数值模拟对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．1 结j 沧⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 V 万方数据 1 ．1 研究背景 第一章绪论 在我国自然能源储量体系中，煤炭资源的消耗占到很大的比重。目前我国已 探明的煤炭可采储量占到世界总储量的1 1 ．6 7 ％，并位居世界第三。我国不仅是 世界上煤炭资源消耗量最大的国家，同时也是煤炭生产量最大的国家之一，煤炭 生产量占世界总量的3 5 ％以上。与此同时，长久以来人们对煤炭资源的持续开采 挖掘，导致煤炭资源总量逐渐减少，对于减少煤炭开采，提高煤炭使用率也变的 尤为重要。因此，如何合理、高效、有计划地开发和利用煤炭资源，特别是稀缺 的煤炭资源，对于保障我国国民经济的稳步发展，以及国家的安全具有着重要的 意义。 目前，我国建成了一大批高产高效的集约化生产矿井和大型煤炭基地，为我 国煤炭工业持续稳步发展奠定了基础。但同时必须需要指出的是，我国的煤炭企 业普遍存在‘‘采易弃难’现象，主要体现在采用落后的房柱式、巷柱式等传统的 开采方法损害了采空区的残留煤炭资源。 据调查显示，国外发达国家的矿井残余煤炭利用率可以达到6 0 ％，对于一些 机械建设完善矿井甚至可以达到7 0 ％，然而国内的矿井残余煤炭利用率只有不到 3 0 ％，对于一些小型矿井而言这一数值会更低，对残余煤炭资源造成了相当大的 浪费。据不完全统计，仅是山西地区的矿井中残余的煤炭资源储量就达到了约2 6 0 亿吨，这种现状在我国其他地区的矿井中同样存在。以山西省晋城阳城地区的3 号煤为例，3 号煤为优质无烟煤，是享誉世界的“兰花炭”，1 9 7 0 至1 9 8 0 十年间该 地区对3 号煤开采一直采用“留顶、留底、采中”的刀柱式开采方法，此方法回采 率低，对该地区煤炭资源造成了很大的损耗。类似于晋城地区这样的情况在省内 及国内是比较多的，特别是对被浪费的优质煤炭，不进行回收实属可惜。对这样 已废弃煤炭资源 简称旧采区资源 进行二次回收 亦称旧采区残煤复采 是解 决煤炭资源紧缺的有效方法之一，也是对煤炭资源的一种有效保护。目前开展的 资源整合，许多旧采区资源被大型国有煤矿合并，为旧采区煤炭资源的回收开采 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 提供了有力的资金和技术支持。 山西晋煤集团泽州天安圣华煤业有限公司，由于矿井自身规模小、生产能力 小、生产条件简陋、生产模式单调等客观原因，长期以来一直采用以掘代采和巷 柱式开采的传统开采方法，使得井田3 号残余煤炭资源受到重创。晋城市的3 号 煤为优质无烟煤，是享誉世界的“兰花炭”，属稀缺煤种，吨煤售价可达8 0 0 ～1 0 0 0 元，由于3 号煤被旧采破坏，很多企业不得不开采下组煤层，并且对上部3 号煤 残留资源更进一步的破坏，导致大量的优质3 号旧采区残煤永远无法开采。3 号 煤层除了村庄、工业广场及井筒煤柱为实体煤，其它区域都是旧采破坏区，对3 号煤层旧采区残留煤炭实施复采从而回收其剩余煤炭，不仅增加了矿井服务年 限，同时也能够增加煤炭资源回收量l O O 余万吨，可以给企业带来巨大的经济效 益和社会效益。 随着采煤技术的提高，尤其是综采技术的革新、采掘设备更新、巷道维护方 法的完善，在社会经济大发展的背景下，对过去由于落后的采煤方法而损失的煤 炭资源进行二次回采这一课题的研究显得尤为重要，对提升煤炭资源的利用率有 实际的意义。对旧采区损失资源进行二次回采可以取得巨大的社会经济效益，其 中包括 1 节省了不可再生的煤炭资源，进而丰富了煤炭资源含量 2 延长 了矿井的寿命，增加了煤炭企业的投资效益 3 矿井均衡服务期延长，煤炭生 产量稳定，能够满足国民经济对煤炭产量的持续需求； 4 在满足国民经济发展 对煤炭产量需求的前提下，资源占用量少，环境破坏范围小，环境保护效率高 5 残留的煤炭资源采空区积水积气严重，二次回采可以及时解决矿井重大的 安全隐患。显而易见，对旧采区煤炭资源实施二次回采，保证了煤炭可用总量和 煤炭使用率。 旧采区二次掘进巷道围岩控制是旧采区二次回采必须首先解决的问题之一。 对旧采区煤炭资源进行二次回采涉及到很多的技术难题，需要我们对多方面的采 矿问题进行科学研究，这其中就包括对旧采区围岩应力及破坏规律的研究。旧采 区由于第一次采煤的影响，围岩的应力已经进行过了一次重新分布，存在着应力 集中及减弱区，有些巷道及煤柱保持原状、有些则发生破坏及失稳；二次掘进时， 这些空巷及垮落区可能再次发生冒落及破坏，这些都是我们在进行二次回采时常 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 见的围岩现状及可预见的情况，这对二次回采技术的可行性及安全性造成了严重 影响。因此旧采区围岩应力的分布情况及破坏规律是进行二次巷道掘进的基础资 料及依据，在充分了解旧采区的围岩应力分布的特点及与原岩应力的区别；了解 I E t 采区进行二次掘进围岩破坏及应力进行再次分布规律，了解旧采区进行二次掘 进时遇空巷、空区、垮落区时采用不同的锚杆支护方案下支护效果，确保了旧采 区进行二次掘进的安全性。 1 ．2 研究现状 1 ．2 ．1 破碎围岩控制研究现状 破碎巷道的掘进、维护始终是煤矿生产面临的一大棘手问题。在破碎围岩中 掘进巷道时，围岩原有的平衡状态会受到破坏，围岩中的节理裂隙等若面进一步 被破坏，在采动时候围岩会出现变形、松动甚至破坏等现象，直接影响了回采工 作的进行。在围岩平衡状态遭受破坏的巷道回采，采用与巷道情况不相适应的支 护手段往往不能满足现场的支护要求，有时随着回采工作的进行还会进一步引起 巷道围岩的变形破坏，使巷道支护更加困难。通常情况下，可以通过改善围岩结 构性能或采用合理有效支护两种方式来缓解或改善巷道变形破坏情况，减小维护 的困难程度。 在我国以及国外早期的矿山地下工程中，巷道支护主要采用木垛支护、砌喧 支护、金属支架支护以及锚喷支护，随着锚杆锚索支护技术的发明及推广应用， 目前全球大部分国家主要采用锚杆支护巷道。到目前为止，没有一种能够针对破 碎的支护方式，破碎围岩支护也主要采用以锚杆锚索支护的方式，并结合其他的 上述支护方式。在不稳定围岩中，一般采用锚网、组合锚杆 网 、高强度超长 描杆 网 等支护方式；在极不稳定的围岩中，主要采用组合锚杆析架和锚索支护。 对于破碎围岩，由于其自身的特殊的变形较大的特点，使得对其维护起来比 较困难也比较复杂。单独采用一种支护方式不能达到理想的支护效果，需要多次 对巷道进行维护，不仅需要投入大量人力物力，还影响工作的正常进行。在破碎 围岩巷道方面，就出现了多种支护方式。由于我国各矿区软岩性质多种多样，井下 地质条件及生产条件复杂且多变，再加上施工习惯的不同，因此，软岩巷道的支护 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 形式也是多种多样的。总结起来，主要有以下几种形式喷铺支护、金属支架支护、 砌暄支护及联合支护等多种方式。 目前国内专家、学者很少有人提出解决关于软岩巷道维护的合适理论【2 】【3 】【4 】 [ 5 1 。国r 彤, f - 研究人员对软岩巷道的掘进和维护进行了大量的研究，奥地利工程师 L ．V R a b c e v i c 一6 ] 提出的隧道设计施工方法，成功的应用了软岩工程实践的支护理 论，简称新奥法，该方法将围岩自身的自承受力作为一种支护性能和锚杆支护结 合在一起，让两者共同承担顶板的支护。随后，M ．D ．S a h n [ 】0 u 等人又提出了基于 能量的支护理论啊【8 】刚，该理论认为围岩和支护在共同支护的过程中产生了相应 的变形，在这个变形的过程中伴随着能量的传递转移和能量守恒。因此，建议采 用支护结构将围岩的变形约束在一个安全范围之内。 上世纪5 0 年代，由于当时煤矿开采技术不发达，开采深度较浅，导致支护 理论体系不够完善，之后随着煤矿开采深度的增加，软岩巷道支护理论和技术也 有了充分的发展，关于软岩巷道的掘进、维护理论也得到了进一步完善。 1 由于学馥【1 0 】等人提出的c 轴变理论”，该理论认为巷道塌落可以自行稳 定，巷道围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限所致，塌落是改变巷道轴比，导 致应力重新分布，直到自稳平衡，应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比。 2 由冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉[ 1 1 】等人在总结新奥法支护的基础上， 又提出了“联合支护理论”，其核心为对软岩巷道支护，要“先柔后刚、先挖后 让、柔让适度、稳定支护”，并由此发展起来了锚喷网索、锚喷网架、锚带网架、 锚带喷架、锚喷弧板等联合支护技术。 3 由孙均、郑雨天[ 1 2 】教授为代表的学者提出了‘锚喷．弧板支护理论”，该 理论认为对软岩不能总是强调放压，放压到一定程度，要坚决顶住，联合支护 理论的先柔后刚的刚性支护形式为‘钥筋混凝土弧板”，要坚决限制和顶住围岩向 中空的位移。 4 由董方庭【1 3 ] [ 1 4 】教授等人提出的“围岩松动圈理论”，其基本观点是凡 是硬岩裸体巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存 在，但并不需要支护，松动圈越大，收敛变形越大，支护越困难，支护的目的在 于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 由侯朝炯、勾攀峰【1 5 ] [ 1 叼[ 1 7 】【18 】[ 1 9 】口0 ] 教授等人提出的锚杆“围岩强度强化 理论”，提出锚杆与锚固区岩体相互作用形成一个整体结构，该结构为锚固体， 该整体结构共同受力；锚固体结构的受力状态可通过提高其力学参数而改变，这 种力学参数包括受力整体被破坏前与后的力学参数受开挖扰动的巷道围岩往往 会产生破碎区、塑性区及弹性区，锚固作用范围内的岩体的峰值、峰后及残余强 度比未支护前高；锚杆支护作用影响巷道围岩的应力状态，可通过改变围岩的承 载能力来改变围岩支护效果；提高锚杆与围岩相互作用结构的强度，使受扰动围 岩的破碎区、塑性区范围的发展受到限制，巷道围岩更易于维持稳定。该理论揭 示了破碎围岩条件下锚杆支护的作用机理．为深井巷道围岩控制应用锚杆支护奠 定了理论基础。 6 由何满潮[ 2 1 】口2 ] 【2 3 ] 口4 】教授提出的“关键部位耦合组合支护理论”，认为 巷道支护破坏大多是由于支护体与围岩体在强度、刚度和结构等方面存在不耦合 造成的。软岩巷道支护要分为两次进行支护，第一次进行柔性的面支护，第二次 进行关键部位的点支护。 7 康红普[ 2 5 】口司认为巷道围岩稳定性与承受较大应力的围岩变形和破坏有 很大关系，围岩稳定性取决于承受较大切向应力的围岩体，称之为关键承载圈，它 的稳定性决定了巷道的稳定性。巷道支护的任务就是维护关键承载圈的稳定，该 理论认为巷道开挖后，围岩内均存在关键承载圈，承载圈内承受应力越小，其厚度 越大，分布越均匀，越容易维护；承载圈内应力分布越均匀，承载能力越大；没有支护 前，承载圈离巷道越近，巷道越容易维护；承载圈有向厚度大、受力和分布均匀方向 发展的趋势。 8 杨双锁、钱呜高、康立勋【2 7 ] 认为在适当的控制条件下，松动区围岩仍 然可以形成具有一定的传力及承载能力的稳定结构，并且该结构随着应力场或支 护条件的变化而发生，这种结构将经历一种平衡．失稳．再平衡的周期性变化过程。 1 ．2 ．2 锚杆支护理论现状 如今，煤矿巷道锚杆支护理论的发展较为迅速，而且国内外很多学者在该方 面做了大量研究，对于锚杆支护的范畴，总体来说归结为以下几个方耐2 8 】 1 从布置锚杆、提高锚固岩层 或称锚固体、锚岩支护体、锚岩承载体 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 的力学参数出发研究锚杆支护作用机理【冽[ 3 o ] 【3 1 】【3 2 】【3 3 】p4 ] ； 2 基于树脂锚杆端头锚固段应力特征及其分布规律，研究树脂锚杆对巷道 围岩裂隙、松散结构体的移动、变形的抑制机理，以及锚杆本身对松散、裂隙结 构的“闭锁”作用机制，由此分析探讨被锚固岩体自身的本构特点以及围岩的移 动、变形规律等【3 5 1 口6 口7 】； 3 区别锚杆、锚索对直接顶围岩以及两帮的锚、支加固作用与围岩的原位 自稳作用，不考虑围岩的承载能力。 以锚杆锚固后岩体力学性能改善【2 8 】为思路研究锚杆支护的作用机理．最早在 岩土锚同领域得到了重视。我国学者朱敬民等人应用相似材料模拟试验研究了岩 石锚杆组合材料在单轴和三轴压缩下峰值前的变形待征，试验结果表明锚杆影 响区域内围岩具有正交异性，在锚杆沿着试件的轴线方向，围岩的弹性模量随着 锚杆的密度增加而增加，围岩强度的提高主要是内摩擦角的提高，而黏聚力几乎 没有变化。德国学者D 伍尔斯菜格通过模型试验和有限元计算后认为，锚固体 具有各向异性，加载方向上弹性模量不变，与加载方向垂直的锚杆轴线方向上弹 性模量增加。锚固体的承载能力取决于黏聚力C ，而C 是锚杆密度的函数，并且 认为锚固体与原岩体具有相同的内摩擦角。邹志晖通过模拟试验认为，合理的锚 杆支护可以改变围岩的应力状态和应力应变特性。不同弹模的带锚岩体所表现的 锚固效应不同。朱维申、朱浮声、陈进、麦稠曾等人也从不同角度研究了锚固体 的特性【3 2 】[ 3 3 ] [ 3 4 】[ 3 5 ] [ 3 6 ] [ 3 7 ] 。这些研究成果表明锚杆支护对岩体峰值前的影响，与 地表加固工程和浅埋隧道工程围岩的应力状态相适应。 目前在巷道全断面混凝土喷层联合锚杆支护中，最常用一种方式是预应力锚 喷支护方式。该种联合支护方式是利用锚杆的主动支护原理，联合喷射混凝土被 动支护，两种支护方式相结合后，共同控制巷道围岩的完整性和稳定性 包括围 岩移动变形、裂隙持续发展 。在该种联合的支护方式下，巷道围岩充分发挥其 自身的稳定承载性能，使得巷道围岩支护控制取得良好的效果。 1 悬吊理论 锚杆的悬吊理论，简而言之，就是利用锚杆锚固段与锚杆外露端托盘，在张 拉预紧后，将巷道上方直接顶岩层中较为软弱的层面拉锚于上方较为坚硬、稳定 6 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 的岩层中，每根锚杆在其支护有效区范围内承载其作用范围内上覆岩层重量，此 时锚杆锚固端与岩石之间的粘结力应大于原覆岩重力。如图1 ．1 所示组合锚杆的 悬吊作用原理示意图。 一l ∑} 量～} 工i7 、i ≈i t I 中．申申 。对 锚固力 锚杆长度 一H o I l I ’一1 图1 - 1 锚杆支护的悬吊作用 F i g ．1 - 1S u s p e n s i o na c t i o no fa n c h o r Q2 1 ．5 ～2 w L k H L I L 2 式中工J 、三广埋入稳定岩层的深度和外露长度。 锚杆问排距 d f 上 ≮脚’ 锚杆悬吊理论主要适用在巷道围岩直接顶松散、破碎的条件下，因为松散、 破碎的直接项在多根锚杆的组合作用下，处于一种自身“闭锁’，状态，破碎岩石将 被限制于一定的空间范围内，移动变形甚至塌落得到遏制，或者对于裂隙岩层来 说，悬吊作用使得裂隙闭合，增大了层间的摩擦力，较大程度的控制了围岩沿层 面间的滑移错动。 2 组合梁理论 层状顶板中，较薄的顶板岩层容易发生离层、开裂，锚杆支护的组合梁作用 是通过锚杆的锚固力把数层薄的岩层组合起来，增大了岩层问的摩擦力，同时锚 杆本身也提供一定的抗剪力，阻止岩层层间的相对移动，从而形成类似锚钉加固 的组合梁，而起到支护的作用。组合梁作用原理如图1 ．2 、图1 ．3 所示。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 2 普氏拱效应实验示意图 F 远．1 - 2N a t u r a la r c he f f e c td i a g r a m 彝鞠目， 图I - 3 板梁组合前后的挠曲应力对比 F 远．1 3T h ed e f l e c t i o na n ds t r e s so f b e a mp l a t ec o m p o s i t e 对于简支梁，最大弯矩产生在简支跨距的1 亿处，则 虬 丢g ，z o 对于多层迭合梁，其最大拉应力为 其最大挠度为 式 1 - 4 ‰2 争2 器 三嚣 ⋯， ‰ 壶筹 面5 丽q 而1 4 对于多层组合梁，其最大拉应力为 其最大挠度为 式 1 - 6 ‰， 可m K x 器 ；羔加州 式 1 ．8 目 一氇 扩一㈣ 一6 一上幢 ，一斛 。 一3 扩百 一■寸-5一勰 戕名 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 二者比较可知 t Y m a x ．．．1 ⋯生三 盯m 一胛 ／m a x 甩‘ 式 1 - 9 结合以上分析可知，锚杆组合梁支护巷道顶板的优点在于它能够较好的发挥 巷道围岩上方若干岩层问的相互支撑作用，即分层围岩对其上方岩层起到支撑作 用的同时还能为下方岩层提供着力点锚杆组合梁所能承受的拉应力是多层叠合 梁的1 ／n 倍，岩层最大下沉挠度是多层叠合梁的1 ／n 2 倍；分析认为，锚杆组合梁 对围岩的组合支护作用能够较好的遏制围岩的横向滑移变形，增大了层间摩擦 力，较大程度的提高了巷道围岩的承受冲击载荷的能力。 3 均匀压缩带 拱 理论 锚杆的均匀压缩拱的形成是由于单根锚杆分别形成自身的支护应力极限压 缩区，与此同时每根锚杆所形成的支护应力极限压缩区相互叠加、相互渗透，致 使顶板密集锚杆在巷道上方围岩内形成区域相连、组合叠加的均匀压缩拱区，该 压缩区内围岩应力较大，顶板承载强度较高。 均匀压缩带 拱 理论认为，在锚杆锚固力的作用下，每根锚杆周围形成一 个两头带圆锥的筒状压缩区。各锚杆所形成的压缩区彼此连成一个有一定厚度的 均匀压缩带，该带具有较大的承载能力，如图1 ．4 所示。如果是拱形或圆形巷道， 把锚杆以适当的间距沿拱形系统安装，就会在巷道周围形成连续的均匀压缩带， 并起到拱的作用，如图1 ．5 所示。 图1 ．4 锚固体的均匀压缩带 F i g ．1 4T h ea n c h o rs o l i du n i f o r mc o m p r e s s i o n 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 5 锚杆支护的均匀压缩拱 F i g ．1 - 5B o l t i n gu n i f o r mc o m p r e s s i o na r c h 按组合拱理论，锚杆的间距与压缩拱厚度的关系可由下式确定 b t - 墨塑 式 1 - 1 0 t a n 口 式中b ’一组合拱 压缩拱 厚度； L _ 一锚杆的有效长度； c 广锚杆在破裂岩体中的控制角； 口一锚杆的间排距