巷道锚索破断机理及弹射防护措施研究.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 给- 1 t 厶 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 乏釜尘些 日期丝垡』盔 导师签名 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 巷道锚索破断机理及弹射防护措施研究 摘要 由于煤矿井下地质条件变化无常，同一巷道中的围岩会产生不同的岩性 变化，同一个支护理论、同一种支护设计不能解决千变万化的地质条件所对 应的巷道支护。对于不同地质条件下的巷道，对支护技术的要求是各不相同 的。就回采顺槽而言，在回采时，围岩会产生较大的变形，大变形压力作用 下的锚索在支护时，超过其所能承受的极限强度而发生破断现象。大变形致 使巷道发生严重的变形，造成巷道支护困难、成本高、锚杆锚索返修率高等 不良后果，不能正常的安全生产。同时在锚索发生断裂时，若果其断裂外部 的索体没有被周围的煤体或者岩体所充分夹持住，并且在极大大的轴向拉力 作用下，会以非常大的速度弹射出来，使人员设备受到了极大的威胁。我国 煤矿井下出现锚索拉断弹射现象屡见不鲜，其中工人受伤事件也不在少数， 也造成严重的社会影响。出于对井下工作人员生命安全的负责，有必要对此 缺陷进行充分的分析研究，找出问题发生的原因，寻求科学的、有效的解决 方案。 从力学的角度来看，锚索破断大致有两种情况一、剪切破坏；二、轴 向破坏。具体阐述为锚索的剪切破坏是由于锚索周围锚固体沿锚索切向的变 形引起了剪切力，若其切向所受应力超过所能承受的极限抗剪强度时，锚索 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 破断。锚索的轴向破断是由于在锚索轴向受力大于其抗拉强度所致，锚索安 装时的轴向力可视为施加在锚索上的预紧力，在工作面在受到采动的影响， 采场围岩常常发生剧烈的松动和破碎，一般情况下变形量都相当大，尤其是 横向变形，这势必将导致锚索所承受的轴向力在短时间内快速增加，当达到 其临界抗拉强度，即会发生轴向受拉破断。其破坏的机理可以从三个因素考 虑第一，巷道的地质构造；第二，对锚索施加的预紧力；第三，锚索自身 的结构。锚索在发生破断时，如果未被煤岩体充分夹持，会以非常大的速度 弹射出来，使人员设备受到了极大的威胁，很有可能会发生人伤事件，会产 生很严重的后果。对锚索破断的研究以及如何防止破断后弹射有很大社会意 义的。 本文以长治三元南耀小常煤业有限公司3 0 2 11 工作面为工程背景，对该 工作面3 号煤巷道锚索破断弹射问题进行分析研究并提出了可行的防护措施。 通过实地考察巷道变形情况，现场观测锚索破断情况，通过理论分析锚索破 断机理，并用F L A C 3 D 数值模拟巷道回采时产生的变形与锚索的受力情况，分 析了锚索在回采时断裂的过程，最终研究得出了3 0 2 1l 工作面顺槽问题的原 因。对锚索破断后弹射现象的机理做出了解释，结合目前一些行之有效的技 术路径，给出锚索破断弹射的防护措施，形成了一套较完整有效的锚索破断 弹射防护体系，并针对3 0 2 1 1 工作面的情况提出了相应的解决方法。 本文的研究成果将为其它相似条件下工作面锚索破断修复提供一定的理 Ⅱ 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 论基础和参考价值。 关键字回采巷道，锚索破断，弹射，防治措施 Ⅲ 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 T h er e s e a r c ho nm e c h a n i s mo fb r o k e n a n c h o rw i r ei nR o a d w a ya n d p r o t e c t i v em e a s u r e so f t h ee je c t i o n A B S T R A C T D u et oc h a n g e si nt h ec o a lm i n eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t h es a m ew i l lp r o d u c e d i f f e r e n tl i t h o l o g i c a lc h a n g e so fs u r r o u n d i n gr o c ko fr o a d w a y , t h es u p p o r t i n g t h e o r y , t h es a m ek i n do fs u p p o r t i n gd e s i g nc a n n o ts o l v et h ep r o t e a ng e o l o g i c a l c o n d i t i o n so ft h er o a d w a ys u p p o r t ．D o w nh o l ed i f f e r e n ts u r r o u n d i n g r o c ko f r o a d w a yi sd i f f e r e n tt ot h er e q u i r e m e n to fs u p p o r t i n gt e c h n o l o g y , a n c h o rc a b l es t i l l e x i s ts o m eo ft h el a r g e rt e c h n o l o g yl a c ko fr e s t r i c t i o n ．I nt e r m so ft h em i n i n g g a t e w a y , d u et ot h ee f f e c to fm i n i n g ，l a r g ed e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k o f r o a d w a yc h a r a c t e r i s t i c s ，l e a dt op r e s s u r eu n d e rt h e a c t i o n o fb o l ta n c h o rc a b l e b o l t i n gi nl a r g ed e f o r m a t i o ni se a s yt om a k et h eb o l ta n c h o rc a b l ef o r c et h a nt h e u l t i m a t es t r e n g t ha n dr u p t u r e ，t h ec a v eo fr o a d w a yr o o fs u b s i d e n c ec a u s e d , t w of o r t h ee x t r u s i o no fd e s t r u c t i o n ，t h eb o t t o mo ft h eb a s sd r u me t c ．P h e n o m e n o n ，c a u s e o fr o a d w a ys u p p o r td i f f i c u l t y , m a i n t e n a n c e ，r e p a i rr a t ei sh i g h ，s e r i o u s l ya f f e c tt h e n o r m a lp r o d u c t i o no fm i n e ．O nt h ea n c h o rr o p eb r e a k a g ep h e n o m e n o na tt h es a m e t i m eb r e a k i n gp a r th a sn o tb e e nf u l l yc l a m p i n go fc o a lo rr o c k ，t h ee je c t i o ni n ju r y a c c i d e n t se x t r e m e l ye a s i l y , s e r i o u st h r e a tt op e r s o n n e lo fp r o d u c t i o ns a f e t y ．T h e V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o a lm i n ei no u rc o u n t r yh a sa n c h o rc a b l et e n s i l ee je c t i o nh u r ta c c i d e n t so c c u r f r e q u e n t l y , c a u s i n gs e r i o u ss o c i a li m p a c t ，S Oi ti sn e c e s s a r yt of u l l ya n a l y s i sa n d r e s e a r c ht ot h i sd e f e c t ，f m do u tt h er o o tc a u s eo fi t ，t os e e ks c i e n t i f i ca n df e a s i b i l i t y o ft h es o l u t i o n ． F r o mt h ep o i n to fv i e wo ft h em e c h a n i c sa n a l y s i so fr o a d w a ya n c h o rw i r e b r e a k a g eh a st w os i t u a t i o n s o n e ，s h e a rf a i l u r e ；S e c o n d ，t h ea x i a ld a m a g e ．S p e c i f i c f o ra n c h o rs h e a rf a i l u r ei sd u et ot h ea n c h o rr o p ea r o u n dt h ea n c h o rs o l i da l o n gt h e a n c h o rc a b l eo ft h et a n g e n t i a ld e f o r m a t i o nc a u s e dt h es h e a rf o r c e ，w h e nt h e t a n g e n t i a ld e f o r m a t i o no ft h ea n c h o rc a b l eC a nb e a rt h eli m i to f t h es h e a rs t r e n g t h ， t h ea n c h o rs h e a rb r e a k a g e ．A n c h o ra x i a lf r a c t u r ew a sc a u s e db ya x i a lf o r c ei n a n c h o ri s g r e a t e rt h a nt h et e n s i l es t r e n g t h ，a x i a lf o r c e o ft h ea n c h o rc a b l e i n s t a l l a t i o nt i m eC a nb ec o n s i d e r e da so nt h ep r e t i g h t e n i n gf o r c eo fa n c h o rc a b l e ， a st h ew o r k i n gf a c em i n i n ge f f e c t ，t h e s t o p e w a l lr o c kl o o s eo f t e ns e v e r e d e f o r m a t i o na n db r e a k a g e ，g e n e r a ld e f o r m a t i o ni sq u i t el a r g e ，e s p e c i a l l yh o r i z o n t a l d e f o r m a t i o n ，t h i sw i l ll e a dt ot h ea x i a lf o r c eo fa n c h o rc a b l ei ss u b je c t e dt ot h e r a p i di n c r e a s ei na s h o r tt i m e ，w h e nr e a c h i n gt h ec r i t i c a lt e n s i l es t r e n g t h ，t h ea x i a l t e n s i l eb r e a k a g eh a p p e n s ．I t sd a m a g em e c h a n i s mC a nc o n s i d e rf r o mt h r e ef a c t o r s f i r s t ，t h et u n n e lg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ；S e c o n d ，t h ep r e s t r e s s i n gf o r c eo fa n c h o rc a b l e ； T h i r d ，t h es t r u c t u r eo ft h ea n c h o ri t s e l f ．A n c h o rc a b l ei nt h ee v e n to fab r e a k a g e ，i f h a sn o tb e e nf u l l yc l a m p i n go fc o a lo rr o c k ，t h ee je c t i o nw i l lh a p p e n , e je c t i o n s p e e di sq u i t el a r g e ，a n c h o rc a b l ei fa ts u c has p e e de f f e c to nm a n ，i sl i k eab u l l e t i n t ot h eh u m a nb o d y , t ot h ep e r s o n sh a r mi ff o rg a sm i n ea tt h es a m et i m e ，t h e a n c h o rr o p ee je c tt h eh a r dt oa v o i dc o l l i s i o nw i t ho t h e ro b je c t sw h i c hs p a r k s ，e a s y t oc a u s et h eg a se x p l o s i o n ，t h ec o n s e q u e n c e sw i l lb ev e r ys e r i o u s ．S ot h es t u d yo f c o n t r o lc a b l eb r e a k a g ei sv e r yn e c e s s a r y , s h o u l dc a u s et h ea t t e n t i o n ． I nC h a n g z h iS a n Y u a nN a n y a oX i a o c h a n gc o a l ，t h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do f V I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 0 2 11w o r k i n gf a c e ，t h ef a c e3 撑c o a lr o a d w a ya n c h o rc a b l eb r e a k a g ee j e c t i o n p r o b l e ma n a l y s i s a n d p r o p o s e dt h e f e a s i b l e p r e v e n t i v em e a s u r e ．R o a d w a y d e f o r m a t i o n t h r o u g hi n v e s t i g a t i n g a n d o b s e r v i n g t h ea n c h o rc a b l eb r e a k a g e s i t u a t i o ni nt h ef i e l d , t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fa n c h o rc a b l eb r e a k a g e m e c h a n i s ma n dt h ed e f o r m a t i o n o c c u r r i n g d u r i n gr o a d w a ye x t r a c t i o nu s i n g F L A C 3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt os t u d yt h ec a u s eo ft h e30 211 w o r k i n gf a c e g a t e w a ya n c h o rc a b l eb r e a k a g e ，t oc o m b i n et h et e c h n o l o g yo fs o m ee f f e c t i v ep a t h s ， a n c h o rw i r eb r e a k a g ee j e c t i o no fp r o t e c t i v em e a s u r e s ，f o r m e das e to fr e l a t i v e l y c o m p l e t ee f f e c t i v ea n c h o rw i r eb r e a k a g ee je c t i o np r o t e c t i v es y s t e m ． T h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e rw i l lp r o v i d eo t h e rs i m i l a rw o r k i n gf a c e u n d e rt h ec o n d i t i o no fa n c h o rc a b l eb r e a k a g er e p a i rt op r o v i d ec e r t a i nt h e o r e t i c a l b a s i sa n dt h er e f e r e n c ev a l u e ． K E YW O R D S R o a d w a y , A n c h o rc a b l e b r e a k a g e ，z j e c t i o np r o b l e m ，P r o t e c t i v e m e a S U r e S Ⅶ 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V U I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．；⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．j ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题的研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 锚杆锚索支护技术国内外研究发展现状【3 - 9 1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 问题的提出及主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 第二章锚索断裂力学分析与破断机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．1 锚索断裂力学分析【10 1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．1 ．1 锚索的剪切破坏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．1 ．2 锚索的轴向破坏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．2 锚索破断机理研究【7 】【1 l 】【3 l - 35 1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 ．1 地质构造因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 ．2 锚索预紧力因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 ．3 锚索结构因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 第三章3 0 211 工作面概况及锚索破断情况概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l5 3 ．1 三元南耀小常煤业3 0 2 1 1 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 3 ．1 ．13 0 21 1 工作面位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 3 ．1 ．23 0 211 工作面采煤工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l6 3 ．2 三元南耀小常煤业井田地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 3 ．2 ．1 地理概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l8 3 ．2 ．2 地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19 3 ．33 0 2 11 工作面巷道的锚索破断情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 I X 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ．43 0 2 1l 工作面运巷原支护方案及参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 第四章3 0 2 11 工作面巷道锚索破断原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．13 0 2 11 工作面顶板窥视情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．1 ．】钻孔位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．1 ．2 窥视结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．23 0 2 1l 工作面在回采时巷道受到影响数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．2 ．1 F L A C 3 D 数值模拟软件简介田2 6 1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．2 ．2 综放工作面巷道回采模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 ．3 数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 ．2 ．4 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．33 0 2 11 工作面巷道锚索破断原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．1 外因⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．2 内因⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 第五章锚索破断弹射机理分析及防护措施研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．1 锚索破断弹射形式分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 锚索破断弹射机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．1 锚索破断时轴向受力分析【1 7 】⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．2 锚索周围锚固体的摩擦力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．3 锚固体及托盘恢复时的势能计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．33 0 2 1l 工作面运巷锚索破断弹射速度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．3 ．1 帮锚索弹射速度计算【1 7 1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．3 ．2 项锚索弹射速度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．4 防止锚索破断弹射的技术路径⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l 5 ．4 ．1 减小锚索预紧力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l X 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 ．4 ．2 增大锚索力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．4 ．3 改善锚索结构配件【2 8 】⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 第六章锚索破断后防弹射保护措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6 ．1 主动防止锚索断裂弹射措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 7 6 ．1 ．1 管帽法i 17 1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6 ．1 ．2 钢管护套法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 6 ．1 ．3 锚索头护套【2 9 】⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．1 ．4 锚索断裂防射保护装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．1 ．5 锚杆 索 脱落防护架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 6 ．2 被动防止锚索断裂弹射措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 4 6 ．2 ．1 外露杆体安全防护装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．2 ．2 矿用锚索杆安全护套【3 0 】⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 6 第七章3 0 211 工作面锚索破断弹射解决方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 7 ．1 3 0 211 工作面运巷补强支护方案及参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 7 ．1 ．1 项板支护参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 7 ．1 ．2 两帮支护参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 7 ．1 ．3 支护材料及技术特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 7 ．2 3 0 21l 工作面锚索防弹射措施方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7l 7 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 第八章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 8 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 5 8 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 l X I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 附录1 攻读学位期间发表论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 附录2 攻读硕士期间参加的科研项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 Ⅻ 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 课题的研究意义 第一章绪论弟一早殖比 在矿山生产中，锚杆锚索支护技术是的一项必不可少的生产条件，而安全、合理、科 学的巷道支护对保证矿井高产高效是十分重要的。近年来，锚杆锚索支护技术在我国煤矿 得到大力发展应用，其应用的范围也不仅仅局限在煤矿中，现己基本覆盖矿井下所有的巷 道硐室，使矿井的支护条件得到了非常大的的改善。同时锚索支护又是一种主动支护，具 有主动加固围岩 煤 承载力和支护厚煤层等特点，现已成为煤矿顶板及两帮支护的主要 措施和方法【l 】【2 1 。 国内习惯将锚固技术称为锚杆支护技术，国外一般将其称为锚固技术或锚杆加固技术。 锚杆支护技术是一种结构非常简单的主动支护技术，既能有效地维持围岩的稳定性，又能 有效地控制围岩的变形、位移和裂隙裂缝的发展，使围岩自身的支撑作用得到充分发挥使 用。这种作用使围岩从原来的荷载发出体变为载荷的承受体，将被动支护转化为主动支护。 使用材料简易，运输起来便捷，且在安装过程中也相当简单，有效提高了施工效率，对控 制快施工进度、施工成本、支护效果、施工污染都有极大的改进。1 8 7 2 年，在英国北威尔 士露天页岩矿中第一次成功将锚杆加固技术应用在边坡工程中，之后在1 9 1 2 年，德国谢列 兹矿第一次将锚杆加固技术成功应用在井下巷道中，至今为止锚杆支护技术已经发展运用 了1 0 0 多年了。鉴于锚杆锚索支护技术的低成本特点，在各个工程领域都有锚杆锚索支护 的运用，目前不仅广泛应用于世界各地的各大煤炭矿井中，同时也在冶金、水利水电、铁 路公路、军工及建筑等工程中大显身手。2 1 世纪被誉为地下工程的世纪，随着地下工程的 越来越发达，锚杆锚索支护技术必将得到更加广泛深入的推广和研究【3 矧。 由于煤矿并下地质条件变化无常，巷道围岩力学特性产生较大的变化，同一个支护理 论，同一个支护设计不能解决千变万化的地质条件所对应的巷道支护，不同地质条件下， 对与其相应的支护技术的要求还很大，所以，提高锚索支护就成为一个需要改善的技术问 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 题。就回采顺槽而言，由于受采动影响，巷道围岩产生大变形特征，导致锚杆锚索支巷道 护时受到较大地压的作用下，很容易使锚杆锚索受力超过极限强度而破断。导致巷道顶板 下沉塌落、两帮挤压破坏、底板产生底鼓等现象发生，造成巷道支护困难、维护返修率高， 严重影响矿井正常生产。同时在锚索发生断裂时，破断部分未被煤岩体充分夹持，极易发 生被拉断后弹射现象，导致人员财产受到损失。我国煤矿井下产生锚索拉断弹射伤人事故 屡次发生，造成严重的社会影响，所以有必要对此缺陷进行重要分析研究，找出锚索破断 的原因，并解决弹射问题，提出科学的、有效的解决方法[ 7 1 。 因此，本课题研究巷道锚索破断机理及弹射防护措施，对于保证矿井高效、高产和安 全生产有很重要的实践意义，而且为其他相似条件下预防措施技术提供一定的参考价值。 1 ．2 锚杆锚索支护技术国内外研究发展现状【3 。9 】 锚杆锚索支护技术近年来在世界范围内被广泛使用，其发展速度很快，使锚杆锚索支 护技术保持了先进性。美国、澳大利亚几乎所有的煤矿都使用了锚杆支护技术，英国在经 过几年的应用与发展后，技术水平也逐渐与美国、澳大利亚接近。在这几个产煤大国中， 锚杆锚索支护技术占煤矿支护技术中的主导位置。世界范围内其他一些产煤国家也在积极 从澳大利亚、美国这些先进技术的国家引进锚杆支护技术，比如印尼、日本南非得技术相 对落后的国家。一直以来以使用型钢可缩性支架支护技术在世界上著称的德国，虽然其所 适用的条件为采深大、地压大，但也在积极探索锚杆锚索支护技术的可行性。从以上的历 史发展中可以看出，巷道锚杆锚索支护技术己成为世界支护水平的发展趋势。 1 8 7 2 年，在英国北威尔士露天页岩矿中第一次成功将锚杆加固技术应用在边坡工程 中，从一开始人们的怀疑、猜忌，发展到现在成熟、广发的应用，已有1 0 0 多年的发展历 史，锚杆支护技术凭借其低成本的经济优势且高强度的技术优势，在岩土工程中的各个领 域都被广泛地使用。在过去的一段时间内，西欧、中欧的一些主要产煤国家中，支护形式 主要使用的是金属支架支护，随着巷道深度的增大，维护巷道的稳定性日益困难且支护成 本的逐渐增加，各个产煤大国均在积极寻求解决支护问题的途经。锚杆支护技术以其前所 未有的支护优势及成本优势，成为各国发展的对象。其中发展最快的是英国。在1 9 8 7 年以 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 前，英国煤炭矿井巷道支护技术中，金属支架占到主导地位，大约9 0 ％以上全部采用，而 从澳大利亚引进了成套的锚杆支护技术之后，使过去被动的局面得到了解决，煤巷锚杆支 护技术在英国得到了大力的发展。据统计，截止到1 9 9 4 年在巷道中锚杆支护所占比重已到 达总比重的8 0 ％以上。就目前而言，国外锚固技术以澳大利亚、美国发展最为迅速，两国 锚杆支护覆盖率己几乎接近1 0 0 ％，其技术水平居于世界前列。 我国于上世纪中期才开始引进锚杆支护技术，至7 0 年代前期仍处于初步探索阶段，直 到1 9 7 8 年后才得到重点推广。至2 0 世纪8 0 年代向英国学习锚杆支护技术，后推广应用到 煤巷支护中，9 0 年代又向澳大利亚学习引进成套先进的锚杆支护。目前锚杆支护技术己得 到较为广泛的推广和应用，在一些矿区的巷道中锚杆支护比己例达到9 0 ％以上，有些矿井 甚至全部使用锚杆支护，取得了较好的技术与经济效益。 1 ．3问题的提出及主要研究内容 长治郊区三元南耀小常煤业3 号煤巷由于受采动因素和地质条件不良影响，采场矿山 压力显现剧烈，工作面及回采巷道变形严重，在生产过程中发生了锚索破断弹射现象，严 重影响生产安全，锚索破断弹射这一难题亟待解决。 随着巷道锚杆锚索支护技术普遍使用在各个煤矿中，锚杆锚索的断裂现象严重影响了 煤矿的安全生产，从目前实际情况来看，对于锚索破断还存在很多没有有效解决的防治问 题。工作面巷道上覆岩层活动规律非常剧烈、应力集中程度高、矿压作用程度大，所以工 作面中能否防治锚索破断对安全的开采有着重要的意义。 本课题对南耀小常煤业有限公司3 号煤层下3 0 2 11 工作面巷道锚索破断弹射问题进行 分析研究，并提出了可行的补救措施及防止锚索断裂过后弹射的方案。通过实地考察、现 场观测，系统分析研究了锚索破断机理，锚索断裂力学特性，锚索破断弹射机理等内容， 结合目前一些行之有效的技术路径，给出锚索破断弹射的防护方案，以及该巷道的补强措 施，形成了一套较完整有效的锚索破断弹射防护体系。 本文以长治三元南耀小常煤业有限公司3 0 2 1 1 工作面为工程背景，对该工作面3 号煤 巷道锚索破断弹射问题进行分析研究并提出了可行的防护措施。通过实地考察、现场观测， 3 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 系统分析研究了锚索破断机理，锚索断裂力学特性，锚索破断弹射机理等内容，结合目前 一些行之有效的技术路径，给出锚索破断弹