大断面煤层巷道围岩变形特征与支护参数研究.pdf

分类号 U I C 学校代码 密级 硕士学位论文 大断面煤层巷道围岩变形特征 与支护参数研究 S t u d y i n go nD e f ．o 珊a t i o nF e a t u I ℃so fS u r m u n d i n g R o c ko fL a I 。g e S e c t i o n a lR o a d w a yi I lC o a l m i n 鹤a n dS u p p o r t i n gP a 咫m e t e 礴 究 科专 究方 养单 煤炭科学研究总院 2 0 0 9 年4 月 ＼ 研 导 学 研 培 ／；一 煤炭科学研究总院硕士学位论文 摘要 随着现代化矿井高产高效综合机械化开采技术的发展，煤矿的开采强度与规 模大幅度增加，为满足矿井通风、运输及大型设备的安装等要求，巷道断面越来 越大。巷道断面的增大，给巷道维护带来了巨大的困难，严重影响了煤矿安全高 效生产。大断面巷道的支护技术己成为一个亟待解决的问题。 本论文以国家科技支撑计划项目“厚煤层大断面快速掘进关键技术 项目编 号2 0 0 6 B A B l 6 8 0 2 为依托，以晋城煤业集团赵庄煤矿松软煤层大断面巷道支 护问题为背景，综合运用数值模拟、现场实验和理论分析等研究手段，就大断面 巷道围岩破坏机理及支护技术进行研究，并针对赵庄煤矿的具体条件提出了大断 面煤巷的支护设计。 论文取得的主要研究成果如下 1 分析了巷道变形破坏的机理和影响巷道稳定性的主要因素，建立了巷 道顶板无限长薄板理论模型。基于该模型分析得出巷道宽度增大，引起巷道顶 板弯曲变形，由于受弯曲变形产生张应力，顶板受到拉应力作用容易引起破坏。 2 采用数值模拟技术，分析了断面尺寸变化对巷道围岩变形、破坏及应 力分布状态的影响。研究表明巷道断面增大，围岩中的应力集中程度增加，塑 性区分布范围增大，相应的巷道变形就越严重，巷道的支护难度加大。 3 分析论证了锚杆支护对大断面巷道的适应性和作用原理，提出了大断 面巷道高预紧力、强力锚杆、锚索支护的设计对策对于大跨度巷道，锚索支护 具有减跨作用，提出顶板采用高预紧力强力锚索支护，以减少巷道的跨度，控制 顶板的下沉；对于高煤帮巷道，巷帮围岩塑性区的分布范围急剧增大，围岩变形 加剧，两帮须采用高预紧力锚索支护，且锚索的长度要大于围岩塑性区的范围， 把浅部松动破碎围岩锚固在深部稳定的岩层，控制巷帮的变形和沿顶、底板滑移。 4 针对赵庄煤矿大断面巷道的围岩条件和巷道变形破坏特征，运用高预 应力、强力一次锚杆支护理论，提出了巷道支护设计并在现场应用。井下矿压观 测表明，该支护有效地阻止了巷道围岩的变形，取得了理想的支护效果。 关键词大断面巷道破坏机理支护技术减跨作用锚杆锚索联合支护 煤炭科学研究总院硕士学位论文 A B S T A C T w i t ht h ed e V e l o p m e n to fh i 曲y i e l da 1 1 dh i g l le 衔c i e n c y 觚d 向l l - m e c h 锄i z e d m i l l i I l gt e c h n o l o g yo fm o d e mm i n e ，m i I l i n gs n ．e n g t ha n ds c a l eo fm i n eb e c 锄eh i 曲 锄dl a 唱e ．I n0 r d e rt 0m e e tt h en e e do fV e n t i l a t i o n ，c o a l 仃锄s p o r t a t i o na 1 1 de q u i p m e n t i I l s t a l l a t i o n ，仃a n s p o r t a t i o na n ds oo n ，r o a d w a ys e c t i o nb e c o m e sl a 玛e r 锄dl a 唱e r ．W i 廿l t h ei l l c r e l n e n to fr o a d w a ys e c t i o n ，r o a d w a ym a i n t e n a I l c eb e c o m e sd i 衔c u l t ，锄di t i l l f l u e n c e st l l ep r o d u c t i o no fm i n e s ．S u p p o r t i n gt e c | 1 1 1 i q u eo fl a 唱es e c t i o nr o a d w a y b e c o m e saq u I e s t i o n Ⅱl a tm u s tb es e t t l e d ． n i s p a p e rr e l y i n go nn a t i o nt e c h n i c a lp r o j e c t ‘f a S tt u I l I l e l i n gc n t i c a l t e c l l l l i q u eo f l a 玛es e c t i o nw 她t l l i c kc o a lb e d ’ P N 2 0 0 6 B A B l6 8 0 2 ，s u p p o n i n gq u e s t i o n s b a c k g r o u n do fl a 略es e c t i o n a lr o a d w a yw 池s o Rc o a lb e di nZ H A O Z H U A N GM i n e o fJ I N C H E N GC o l l i e 叮G r o u p ，s t l l d i e do ns 硼r o l l I l d i n gr o c kb r o k e nl a w so fl a r g e s e c t i o n a lr o a d w a y 锄ds u p p o r t i n g t e c l l I l i q u ew i t ht 量l e o r e t i c a la 1 1 a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 锄dt e s t0 ns p o t ，a n dp u tf o n l ，a r ds u p p o r t i n gd e s i 印i I l go fZ H A O Z H U A N G M i n e ． T h ec h i e fa c h i e V e m e n to fm i sp a p e r 1 A n a l y z e dt l l eb r o k e nl a w so fr o a d w a yd e f l 0 姗a t i o n 锄dt h ei l l f l u e n c ef a c t o r So f r o a d w a ys 讪i l i 坝p u tf o r w a r d si n f i n i t et l l i np l a t em o d eo fr o a d w a yr o o fB a s e do nt I l e m o d e ，Ⅱ1 i sp a p e ra n a l y z e dt h a tw i mt h ei n c r e m e n to fr o a d w a yw i d t h ，t h er o o fo f r o a d w a yw o u l dd e f o m 锄d b eb I l o k e nb yt e n s i l es 仃e s s e s ． 2 T h r o u g hn 啪e r i c a ls i m u l a t i o n ， t l l i s p a p e r觚a l y z e d t 量l ei 1 1 f l u e n c eo f s u l l r o 吼d i I l gr o c kd e f o n n a t i o n ，b r o k e n 锄ds t r e s sd i s t r i b u t i o ni nd i f f ．e r e n ts e c t i o n a l s i z e s ．T h es t I l d yi I l d i c a t e dt h a tw i ms e c t i o no fr o a d w a yi I l c r e m e n t ，t h ed e g r e es n ．e s s c o n c e n 仃饥i o n0 fs 删d i n gr o c k 锄dp l a s t i ca r e 雒w o u l di n c r e a s e ，t h ed e f b m a t i o n o fr o a d w a yw o u l db e c o m ew o r s e ，锄dm ed i m c u l 锣o fr o a d w a ys u p p o r t i l l gw o u l d i n c r e a s e ． 3 A n a l y z e d 町雩卿m e n ta d a p t a b i l i 哆a n da c t i o nl a wo fc a b l es u p p o r t i n gf o rl 鹕e s e c t i o n a lr o a d w a y ，p u tf ．0 n Ⅳa r d sh i g l lp r e s 仃e s s ，h i g l ls 仃e n g t hr o c k b o l t 肌da I l c h o r s u p p o r t i n gw a y f o r l a 玛es e c t i o n a lr o a d w a y ．F 0 rl a 玛es p a l lr o a d w a y ，锄c h o r I I 煤炭科学研究总院学位论i 一用授权声明 ，‘， Y 筘” 、 薹雯二考譬笔耋；萎瑟薹三三◆；蒙 论文题目b 锋厄缝医旌幻鞋耻垫塾逸婪超童辨研荔 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下，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，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写 的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者 签名 旅名籍 ≯口P 年彦月，多开 学位论文使用授权声明 。 本人完全了解煤炭科学研究总院关于收集、保存、使用学位论文的规定。本 人愿意按照总院的要求提交学位论文的印刷本和电子版。 总院有权保留学位论文印刷本和电子版，或采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文；总院有权将论文放入总院档案管理部门供查阅。在不以营利 为目的的前提下，总院有权向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版。总院有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。总院有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的论文在解密后遵守此规定。 论文作者 签名 沙守暑 月J 弓同 貉占瘤 履 ．文 厶U 护童1 名多样哆 a 月 j y导 年 Q吖，／ w 煤炭科学研究总院硕士学位论文 s u p p o n i n gc o u l dd e c r e 硒es p 锄o fl a 唱e s e c t i o n a lr o a d w a y ；f ．0 rh i g l lh e i 曲tc o a l r o a d w a ys i d e ，s u r r o u l l d i n gr o c kp l a s t i ca r e a w i l li n c r e a S es h a 印l y ，s u r r o l l l l d i I l gd e f I o 肌 s h a 巾l y ，h i 曲p r e - s 仃e s s 锄c h o rs u p p o r t i n gm u s tb eu s e di I l 埘os i d e so fr o a d w a y ，锄d t h el e n g mo f 锄c h o rm u S tb em o r et h 锄s m r o l m d i I l gr o c kp l a s t i ca 1 1 e a s ．I ts h o u l d 锄c h o r a g e 廿l es h a I l o wc r a c k e ds u n o u n d i n gr o c ki 1 1d e p ms t a b i l 时r o c ks 仃a t a ，w h i c h c o n 仃o l l i n gd e f I o 姗a t i o no fs i d e s 锄dm o V ea l o n gr o o f 锄d f 1 0 0 r ． 4 O nb a s e o fs u n ．0 u l l d i n gr 0 C ks i t u a t i o no fl a r g es e c t i o n a lr o a d w a y 孤d d e f o n I l a t i o nc h a r a c t e r So fz H A O z H U A N GM i n e ，w i mh i 曲p r e s 仃e s s ，0 n et i m e 肌c h o rs u p p o n i I l gt h e o Ⅸp u tf o n l ，a r dr o a d w a yd e s i 印i n g 锄da p p l i c a t i o ni l lf i l e d ． M i n ep r e s s l l r eo b s e r v a t i o ni n d i c a t e dm a ts u r r o u I l d i I l gr o c kd e f l o n n a t i o no fr o a d w a y h a sb e e nr e l i e v e d ，锄da c h i e V e sp r e f e c tr c s u l t ． K e y w o r d s l a 唱es e c t i o n a lr o a d w a y ；b r o k e nl a w s ；s u p p o n i n gt e c t l I l i q u e ；d e c r e a s e s p a I la c t i o n c o m b i l l a t i o ns u p p o r t i n gw i t hb o l ta n d 锄c h o r I I I 煤炭科学研究总院硕士学位论文 目录 1 ．绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 问题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 国内外研究概况、水平和发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 巷道支护技术发展历史与现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 巷道支护理论的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 存在的主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 1 ．4 论文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 1 。5 本论文研究方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．大断面巷道围岩变形破坏特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．1 大断面巷道的基本形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 大断面巷道破坏理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 ．1 巷道围岩破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．2 ．2 大断面巷道围岩破坏影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 大断面巷道围岩破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．3 ．1 大断面巷道围岩破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 ，2 ．3 ．2 巷道围岩稳定性破坏原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．4 巷道断面尺寸对巷道稳定性影响的数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 2 ．4 ．1 数值模拟目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．4 ．2 数值模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．4 ．3 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 2 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 3 ．大断面巷道支护技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．1 巷道支护形式的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 3 ．2 锚杆支护的支护作用分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 3 ．2 ．1 锚杆支护理论的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 3 ．2 ．2 锚杆支护理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 3 ．2 ．3 顶板支护与两帮支护的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 3 ．3 锚索支护作用理论分析及参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 3 ．3 ．1 锚索支护理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 3 ．3 ．2 锚索支护参数确定方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 煤炭科学研究总院硕士学位论文 3 ．4 锚杆支护和锚索支护的协调作用关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 3 ．5 大断面巷道锚杆锚索联合支护数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 3 ．5 ．1 数值模拟的目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 3 ．5 ．2 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．6 0 3 ．5 ．3 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 3 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 4 ．大断面巷道支护技术在赵庄煤矿的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 4 ．1 概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 4 ．1 ．1 巷道基本条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 4 ．1 ．2 ．巷道变形破坏情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 4 ．2 ．赵序矿巷道破坏原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 4 ．2 ．1 国内同类巷道破坏情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 4 ．2 ．2 具体破坏原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 4 ．3 ．大断面巷道支护对策⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 4 ．3 ．1 支护对策⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 4 ．3 ．2 支护设计数值模拟优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 4 ．3 ．3 改进后的支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 4 ．3 ．4 现场应用情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 4 ．4 ．小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 4 5 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 5 ．2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 0 U 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 ．绪论 1 ．1 问题的提出 我国在一个相当长的时间内将以煤炭为主要能源，煤炭工业在国民经济中占 据重要地位。煤炭开采中既要寻求一种经济合理的开采方式，以便在获得最大的 经济效益，也要使我们生存居住的环境得到有效的保护。巷道支护技术是煤炭开 采中的一项关键技术，为了取得良好的经济效益和环境效果，煤矿巷道更多的布 置在煤层中，现在的大型矿井中8 0 ％以上都是煤巷。煤巷不仅大大提高了巷道掘 进速度、减少了一大部分人力物力和资金、实现了矿井的高产高效，更是减少了 煤矸石的排出，减轻了煤矿企业对地面的环境污染。但由于煤巷围岩强度远小于 岩巷，所以，煤巷的广泛采用增加了巷道的支护难度。 随着我国煤矿开采强度与规模的显著增加，以及现代化综合机械化开采技术 的发展，厚煤层综采放顶煤开采、中厚煤层一次采全高等高产高效开采方法得到 了大面积推广应用，巷道的断面要求越来越大。回采工作面设备的大型化、开采 强度与产量的大幅度提高、为了保证正常生产的运输、通风及行人安全，这些都 要求更大的巷道断面【l l 】。目前，一些大型矿井回采巷道宽度已达5 ～6 m ，断面 面积达1 5 ～2 0 m 2 ；开切眼跨度达到1 0 m ，断面面积达到4 0 m 2 ，有的甚至更大。 巷道断面的增大显著增加了支护难度【l3 1 ，特别是在煤层松软及深度矿井条件下， 大断面巷道支护问题尤为突出，比如晋城赵庄煤矿就为大断面煤层巷道支护问题 所困扰。赵庄煤矿是晋城煤业集团新建的一个大型现代化矿井，年设计生产能力 8 0 0 万吨，所采煤层属3 撑煤层，平均厚度4 ．8 5 m ，埋藏深度4 0 0 ～5 0 0 m 。所用巷 道均沿煤层全高掘进，采用超大矩形断面，掘进断面尺寸5 ．7 4 ．5 m ，掘进断面面 积2 5 ．6 5 m 2 。煤层从上到下松软一较硬一松软，井下巷道钻孔中测出的煤体平均 单轴抗压强度集中在1 2 ．9 ～1 5 ．4 M P a 之间，最小8 ．2 M P a ，最大1 8 ．1M P a ，整体 表现质软、疏松，巷道普遍出现了冒顶、片帮和底鼓等，给巷道的维护带来了很 大的困难。 巷道断面的不断增大，给巷道支护带来了许多的问题。近些年来，锚杆支护 技术已成为煤巷支护的主要方式[ 8 ’9 】。由于这种支护方式具有支护效果好、成本 煤炭科学研究总院硕士学位论文 低等诸多特点，为大断面煤层巷道支护问题的解决提供了有效途径。但就大断面 巷道支护问题所进行的理论研究和成功的工程实践非常有限，特别是软岩条件下 的大断面支护问题尚没有很好的解决。 大断面煤巷的支护问题已经严重影响了煤矿的安全高效生产，引起了越来越 多人们的关注。大断面巷道采用锚杆支护怎样支护才能有效地控制围岩变形，是 人们研究的一个新课题【2 7 ～3 0 1 。 本论文以晋城煤业集团赵庄煤矿松软煤层大断面巷道支护问题为背景，就大 断面巷道围岩破坏机理以及相应的支护支护技术进行研究，以期有所建树。 1 ．2 国内外研究概况、水平和发展趋势 1 ．2 ．1 巷道支护技术发展历史与现状 巷道围岩的稳定是围岩与支护体共同作用的结果，围岩本身就是支护结构或 支护结构不可分割的重要组成部分。当围岩有足够的支撑能力，围岩就处于自稳 状态，勿须支护亦属于稳定结构；只有围岩自稳能力不足时，才需要提供一定的 支护，以补偿围岩自稳能力不足的部分，使之成为稳定的结构。煤矿巷道的支护 经历了木棚支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过程【1 4 】。多年来国内 外的实践经验表明，锚杆支护是现阶段煤巷支护中最经济、有效的支护形式。与 棚式支架支护相比，锚杆支护显著提高了巷道支护效果，降低了巷道支护成本， 减轻了工人劳动强度；更重要的是锚杆支护技术大大简化了采煤工作面断头支护 和超前支护工艺，改善了作业环境，保证了安全生产，为采煤工作面的快速推进 创造了良好的条件。目前，锚杆支护技术已在国内外得到普遍应用，是煤矿实现 高产高效生产必不可少的关键技术之一。 我国煤矿于1 9 5 6 年开始在岩巷中使用锚杆支护，至今已有5 3 年的历史。从 锚杆支护形式的发展过程看，我国最早采用的主要是机械锚固锚杆和钢丝绳砂浆 锚杆；1 9 7 4 年开始研制和试验树脂锚杆，并于1 9 7 6 年在淮南、鸡西、徐州等矿 务局进行了井下试验，取得较好效果我国还引进和应用了管缝式锚杆、胀管式 锚杆等，开发研制了廉价的快硬水泥锚杆；1 9 9 6 年又从澳大利亚引进高强度树 脂锚杆，并针对我国煤矿的条件进行了大量二次开发和完善提高。可以说，国外 使用过的锚杆支护形式国内基本上都使用过，但是国外没有的地质和生产条件国 2 煤炭科学研究总院硕士学位论文 内基本上都有。 我国煤矿锚杆支护技术首先在岩巷中应用成功，并在岩巷中大力推广应用了 以“三小”为代表的锚喷支护技术。2 0 世纪6 0 年代锚杆支护开始应用于采区巷 道，但由于煤层巷道围岩相对比较松软破碎，又受到采动影响，巷道围岩变形大， 对支护技术要求高，加之锚杆支护理论、设计方法、支护材料、施工机具、监测 仪器等还不成熟，导致煤巷锚杆支护技术发展缓慢。1 9 9 0 年，我国国有重点煤 矿煤巷锚杆支护仅占3 ～5 ％，煤巷支护主要以棚式支护为主。 在“八五”期间，原煤炭工业部把煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行了攻 关，取得了一大批水平较高的科研成果，并应用于新汶、铁法、兖州、蜂峰、淮 南等多个矿区，基本上解决了一般条件下巷道支护问题。1 9 9 5 年，国有重点煤 矿当年新掘的巷道中，锚杆支护所占比重为2 8 ．1 9 ％，其中岩巷占5 7 ．2 ％，煤巷 占1 5 ．1 5 ％。但是对于困难条件，如复合顶板、破碎顶板、煤层顶板巷道，以及 沿空掘巷等，锚杆支护的可行性和适应性还没有得到深入细致的研究，煤巷锚杆 支护技术发展的潜力还很大。 在“九五”期间，原煤炭部又把煤巷锚杆支护技术作为重点课题，展开深入、 细致的研究试验工作。特别是1 9 9 6 ～1 9 9 7 年我国引进了澳大利亚锚杆支护技术， 在邢台矿务局进行了现场演示。同时经过科研院所、大专院校和煤炭企业的联合 攻关，使我国煤巷锚杆支护技术有较大提高。全煤巷道、冲击地压巷道、复合顶 板、破碎顶板等困难条件下锚杆与锚索联合支护技术逐步得到了应用，并取得了 令人满意的支护效果和经济效益。 到目前为止，国有重点煤矿新掘进的煤及半煤岩巷，锚杆支护所占的比重达 到6 0 ％左右，一些矿区煤巷锚杆支护率已超过9 0 ％。锚杆支护的大面积推广应 用，解决了大量巷道支护难题，取得了巨大的技术经济效益和社会效益。 在国外，1 9 1 1 年美国A b e r s c h l e s i n 的F r i e d 铋s 煤矿首先应用了岩石锚杆支护 巷道项板，1 9 1 8 年美国西利西安矿的开采首次采用了锚索支护，以后锚固技术的 应用范围开始扩大。1 9 3 4 年阿尔及利亚的C h 溅大坝的加高工程首次采用 1 0 0 0 0 k N 级预应力锚杆作为抗倾覆锚固，这是世界上第一例采用预应力锚杆加固 坝体，并获得成功。在以后的时间里，先后有印度的坦沙坝、南非的斯登布拉斯坝、 英国的亚格尔坝和奥地利的斯布列希斯坝也同样采用了预应力锚杆加固。2 0 世 煤炭科学研究总院硕士学位论文 纪5 0 ～7 0 年代是锚固技术应用领域迅速扩展的时期，1 9 5 8 年西德在慕尼黑巴伐 利亚广播公司深基坑中使用了土锚杆。2 0 世纪6 0 年代，捷克斯洛伐克的L i p n o 电站主厂房 宽3 2 m 、西德的W | a l b e c k I I 地下电站主厂房 宽3 3 ．4 m 等大型 地下洞室采用了高预应力长锚索和低预应力短锚杆相结合的围岩加固方式【2 5 】。 近年来，澳大利亚、美国、英国等国家的锚杆支护技术比较先进，特别是澳 大利亚的锚杆支护技术已经形成比较完整的体系，处于国际领先水平。澳大利亚 的煤矿巷道几乎全部采用树脂锚固组合锚杆支护，尽管其巷道断面比较大，但是 支护效果非常好。对于复合顶板、破碎顶板，以及巷道交叉点、大断面峒室等难 维护的条件，还采用锚索注浆进行补强加固，控制了围岩的强烈变形。美国最先 重视高预应力锚杆支护技术，1 9 9 2 年美国A ．W a h a bK h a i r 观测了高水平地应力 对巷道顶板产生的离层及剪切破坏，并提出采用预应力桁架控制巷道顶板的措 施。美国J ．S 锄l 1 l s 1 9 9 4 、1 9 9 7 和S o n gG u o 郭颂，1 9 9 7 、1 9 9 8 系统地研究 了水平地应力对巷道稳定性的影响，认为水平地应力是造成巷道顶板离层跨落、 底板鼓起的主要原因，并在锚杆支护设计中考虑锚杆预应力的影响，认为预应力 是决定锚杆支护效果的关键因素。美国锚杆消耗量大，锚杆种类多，有涨壳式锚 杆、树脂锚杆、复合符合锚杆。具体应用时，根据岩层条件选择不同的支护方式 和参数。英国的锚杆支护技术是从澳大利亚引进的，在近十年实践的基础上又做 了改进和提高。到目前为止，锚杆支护巷道的长度占9 0 ％以上。德国是U 型钢 支架使用最早、技术上最为成熟的国家，自1 9 3 2 年发明u 型钢支架以来，发展 迅速，支护比重很快达到了9 0 ％以上。但是自2 0 世纪8 0 年代以来，随着矿井开 采深度的日益增加，维护日益困难，于是寻求成本低、运输和施工简单方便、控 制围岩变形效果好的锚杆支护。到2 0 世纪年8 0 代初期，锚杆支护在鲁尔矿区实 验成功后获得推广，现己应用到千米的深井巷道中，取得了许多有益的经验。法 国煤巷锚杆支护的发展也很迅速，到1 9 8 6 年其比重已达5 0 ％。在采区巷道支护 中同时发展金属支架、锚杆支护、混凝土支架的俄罗斯，锚杆支护的发展也引入 瞩目。他们研制了多种类型的锚杆，在俄罗斯第一大矿区一库兹巴斯矿区巷道支 护所占比重己达5 0 ％。 随着巷道支护技术的发展，巷道断面发生了一些变化 见表1 ．1 。煤矿生产 中广泛应用大断面巷道，满足了煤矿生产的运输和通风的需要，使高产高效的工 4 煤炭科学研究总院硕士学位论文 作面成为现实，给煤炭企业带来了巨大的经济效益【2 1 1 。但也存在一些不足，例 如巷道成型和支护比较困难，容易出现冒项、片帮等维护困难。随着煤巷锚杆 支护技术的不断发展，上述困难已有一定的改善。另外，高产高效工作面对大断 面煤巷的需求迫切，因此大断面煤巷有很大的发展前景。 表1 ．1 不同时期顺槽巷道断面尺寸 巷道支护形式断面尺寸 宽高 巷道支护形式断面尺寸 宽高 木棚支护，人工挖煤2 m 2 m引进锚杆支护初期 4 ．2 m 3 ～3 ．5 m 混凝土构件支护2 2 ．5 m 2 m锚杆支护推广时期4 ．2 ．4 ．5 m 3 ～3 ．5 m 普采型钢支护2 ．5 m 3 m目前锚杆支护时期5 6 m x 3 ．5 4 ．5 m 综采型钢支护4 m 3 m 1 ．2 ．2 巷道支护理论的发展 支护理论的研究一直是巷道支护的一个重要方面网。弄清巷道围岩变形和破 坏规律、围岩与支护体相互作用关系，对认识支护对象、合理进行巷道支护设计 具有重要的意义。各国学者针对不同矿山巷道地质条件，在支护理论方面做了大 量工作，提出多种巷道支护理论，并在生产实践中起到积极的指导作用。 1 平衡拱理论 这个理论是由普罗托耶科诺夫提出的，又称为普氏理论。该理论认为洞室 开挖以后，如不及时支护，洞顶岩体将不断跨落而形成一个拱形，又称塌落拱 冒 落拱 。最初这个拱形是不稳定的，如果洞侧壁稳定，则拱高随塌落不断增高； 反之，如侧壁也不稳定，则拱跨和拱高同时增大。当洞的埋深较大 埋深H 5 b 1 ， b 1 为拱跨 时，塌落拱不会无限发展，最终将在围岩中形成一个自然平衡拱。这 时，作用于支护衬砌上的围岩压力就是．甲衡拱与衬砌间破碎岩体的重量，与拱外 岩体无关。 2 最大水平应力理论 最大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔提出，认为矿井岩层的水平应力通 常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小应力的 1 ．5 ～2 ．5 倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，且有以下特剧3 0 】 其一、与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板稳定性最好 其二、与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶底板变形破坏偏向巷道的某 一侧壁； 轴变理论对此有精辟的论述对于椭圆形巷道，巷道的轴比 宽度6 与高度口 的比值 与侧压关系A 水平应力与垂直应力的比值 相等，既讹爿时，巷道 椭圆周边上形成一个均匀的切向应力圈，如图1 c 所示，这种情况下巷道最稳定； 当6 庇 A 时，侧帮会出现较高的集中应力，顶板的应力会减少，但可能会出现拉 应力，如图1 b 所示，而岩石的抗拉能力是非常有限的，所以这种情况对下巷道 稳定不利；当6 肋 九 c b ／a 吼 在各种形状的断面中，圆形、椭圆形巷道最稳定，拱形次之，矩形和梯形巷 道容易在周边产生集中应力和拉应力，稳定性最差。 5 弹塑性理论 未经采动的岩体，在巷道开掘以前通常处于弹性变形状态，岩体的原始铅直 应力p 等于上覆岩层的重量A H 。巷道开掘以后原岩应力重新分布，巷道围岩内 6 煤炭科学研究总院硕士学位论文 出现应力集中。如果围岩应力小于岩体强度，围岩仍处于弹性状态；如果围岩应 力大于岩体强度，巷道围岩会产生塑性变形，从巷道周边向围岩深处扩展到一定 范围，出现塑性变形区，为弹塑性介质。在塑性区内圈围岩强度明显削弱，低于 原始应力脚，围岩发生破裂和位移称为破裂区，也叫卸载和应力降低区；塑性 区外圈的应力高于原始应力，它与弹性区内应力增高部分均为承载区，也称应力 增高区。再向围岩深部即为处于稳定状态的原始应力区【2 】。 弹塑性变形引起的围岩变形【1 3 】 由于受到原始应力的作用，巷道开掘前围岩处于弹性压缩状态，开挖后原始 应力平衡遭到破坏，一部分弹性能得以释放，围岩就会产生向开挖空间移进的弹 性变形。对于二向等压的圆形巷道，其应力和位移由下式给出 q 胴 1 号 q 胴 1 多 甜腰坐．尘 式中町一径向应力，M p a ； 酊一切向应力，M p a ； 以一围岩位移，m ； 卜上覆岩层平均容重，k N ／m 3 H 一巷道埋深，m ； 扩巷道半径，m ； 且一围岩的弹性模量，M p a ； ，广泊松比。 从式 1 1 中看出，巷道开挖后径向应力得到释放，切向应力产生应力集 中，周边围岩应力往往会超过屈服极限，围岩浆发生塑性变形。塑性区应力及位 移由下式给出 7 煤炭科学研究总院硕士学位论文 咿咖旧等一，] 妒咖伊I 篙 三 畿一- l 旷署汹 C c f g 妒心2 式中仍厂塑性区径向应力，M p a ； 嘞厂_ 塑性区切向应力，M p a ； 坳一塑性围岩位移，m ； C 一围岩凝聚力，M p a ； r 围岩内摩擦角，度； G 一围岩的剪切模量； 足厂塑性区半径，m 。 耻{ 堕掣 1 - 2 1 _ 3 从式 1 一1 、 1 q 、 1 3 中不难看出，巷道的弹塑性位移主要取决于 原岩应力和围岩特性。弹性变形主要发生在巷道掘进过程中，在变形总量中所占 的比例不大；塑性变形由巷道的围岩应力水平与岩体强度相对关系决定。 6 松动圈支护理论 该理论是由中国矿业大学董方庭教授在对围岩状态进行深入研究后提出围 岩松动圈的存在是围岩洞室固有的特性，它的范围大小 厚度值￡ 目前可以用 声波仪或多点位移计等手段进行测定；围岩支护的主要对象是围岩松动圈产生、 发展过程中产生的碎胀变形力；锚杆承受力的来源在于松动圈的发生、发展。根 据围岩松动圈厚度值的大小，将其分为小中、大三类。该理论认为松动圈的类别 不同，则锚杆支护机理也不同。I 类小松动圈￡ O m ～0 ．4 m ，围岩的碎胀变形很小， 此类围岩洞室一般无需锚杆，不需支护或者喷射混凝土单独支护；I I 类、Ⅲ类围 岩三 0 ．4 m ～1 ．5 m ，用悬吊论设计锚喷支护参数；Ⅳ类、V 类围岩￡ 1 ．5 m ～2 ．O m ， 三- 2 ．O m ～