大断面煤巷锚杆支护技术研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目 大断面煤巷锚杆支护技术研究大断面煤巷锚杆支护技术研究 英文题目英文题目Research on bolting technology in large cross section coal roadway 学位类学位类别别 工程硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 杨 勇 学号学号201202487 学科学科领域领域名称名称 矿业工程 指导教指导教师师 赵亚军 职称职称教授级高工 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2014 年 6 月 6 日 分类号分类号 TD 3TD 35353 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 现今，随着大采高、综放技术的发展，越来越多的回采巷道甚至是大巷都是 在煤层中掘进的，并且大多是大断面矩形煤巷。而大断面煤巷围岩松软破碎，传 统支护理论难以对其安全有效的支护，这直接制约着我国现代化安全高产高效矿 井的建设。 本文主要对大断面煤巷锚杆支护技术进行研究，主要包括对大断面煤巷围岩 的变形特征和预应力锚杆的作用机理以及其支护效果。利用数值模拟软件 FLAC3D 能够研究模型内部应力变化、位移变化和弹塑性变形等优点，首先模拟 了大断面矩形煤巷开挖后，围岩应力应变的变化特征和规律，找出矩形煤巷围岩 变形和破坏的内部机理，并由此找出矩形煤巷锚杆支护的主要对象和主要作用机 理，同时也模拟研究了巷道断面尺寸变化对矩形煤巷围岩位移和塑性区的影响。 其次，通过数值模拟软件 FLAC3D 和后处理软件 TECPLOT 模拟分析了预应力端 部锚固单锚杆和锚杆群预应力的扩散规律，发现在巷道支护中，高预应力端锚锚 杆群支护形成的圆锥体压应力主要集中在锚杆尾部，并由圆锥体压应力相互交错 随锚杆间排的几何变化关系，推导出锚杆尾部形成的加固拱厚度与锚杆长度的近 似关系，并对预应力锚杆的多种作用机理进行详尽的归纳。然后通过工程类比法和 理论计算法对保德煤矿 81309 回风顺槽的支护参数进行计算设计，并运用 FLAC3D 数值模拟该锚杆锚网联合支护方案，在掘进过程中和受一次采动影响下 的支护效果和支护作用机理。最后，根据对该支护方案在实际巷道中的监测结 果，验证并说明该支护参数的合理性。 关键词关键词煤巷；围岩变形；预应力扩散；数值模拟；加固拱理论 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Nowadays, with the development of large mining caving face and top coal caving technology in high technology, more and more roadways are excavated in coal seam, and mostly coal roadways are large section rectangle. Soft broken surrounding rock of large- section coal roadway, traditional theory is difficult to effective support and support their safe, which directly constrain the modernization of our country safety of high production and high efficient mine construction. This paper mainly focuses on large-section coal roadway bolting technology for research, including support for large-section coal roadway surrounding rock deation feature and mechanism of prestressed anchor Rod supporting theory and the supporting effect. Using the advantages of numerical simulation software FLAC3D ,which can research model internal stress changes, and displacement changes and play plastic deation,first,Simulation of rock stress strain of changes features and law of excavation large section rectangle coal roadway,find rectangle coal lane rock deation and damage of internal mechanism, and thus to identify and main object of coal roadway bolt rectangular retaining mechanism, but also to analyze the influence of roadway section size on and plastic area of the rectangular roadway surrounding rock displacement. Second,using the numerical simulation and analysis of prestress diffusion of the high prestressed end anchorage of the anchor bolt in rectangle full of coal roadway, found that the distribution of compressive stress mainly in the anchor tail ation, rather than the ends, and deduced the approximate relationship arch reinforcement thickness ed in the anchor tail ation with the bolt length.Finally, through the engineering analogy and theoretical calculation has design calculation 81309 roadways in Baode mine, and then the numerical simulation of the anchor combined support scheme, in the driving process and by a mining under the influence of the supporting effect, and the combined effect of the support scheme in the test in tunnel, analysis shows that the rationality of the supporting scheme according to the dynamic ination design from the 内蒙古科技大学硕士学位论文 III conception of the design process and to the practical application of the whole process, analysis shows that the mechanism of Baode section of rock bolt. Keywords coal roadway； rock deation； prestressing diffusion； numerical simulation； reinforced arch theory 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目 录录 摘 要 I Abstract II 1 绪论 1 1.1 国内外锚杆支护发展历程及问题提出 1 1.1.1 国外锚杆支护发展历程 1 1.1.2 国内锚杆支护发展历程 2 1.1.3 问题的提出 3 1.2 锚杆支护理论及其设计方法 4 1.2.1 传统锚杆支护理论 4 1.2.2 国内学者对锚杆支护理论的研究 6 1.2.3 锚杆支护的设计方法 7 1.3 研究内容及技术方案 8 1.3.1 研究内容 8 1.3.2 研究目的和意义 9 1.3.3 研究的技术方法 9 1.3.4 研究的技术路线图 9 2 大断面矩形煤巷围岩的变形特征 11 2.1 大断面矩形煤巷及其围岩的破坏机理 11 2.1.1 大断面矩形煤巷的基本形式 11 2.1.2 矩形煤巷围岩的破坏机理 11 2.2 矩形煤巷围岩变形特征的数值模拟 12 2.2.1 数值模拟技术 12 2.2.2 模型的建立过程及其开挖 13 2.2.3 模拟结果分析 13 2.3 巷道断面的尺寸对围岩变形的影响 20 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 2.3.1 数值模拟目的及方案 20 2.3.2 位移分布云图变化 20 2.3.3 塑性区变化 21 2.4 小结 22 3 预应力锚杆及其作用机理的数值模拟 23 3.1 预应力锚杆 23 3.2 锚杆预应力扩散规律的数值模拟 23 3.2.1 单根锚杆预应力的扩散规律 23 3.2.2 锚杆群预应力的扩散规律 25 3.2.3 锚杆锚索联合支护 28 3.3 预应力锚杆形成的加固拱 29 3.3.1 加固拱的成因 29 3.3.2 加固拱的厚度 29 3.4 预应力锚杆的支护作用机理 30 3.5 小结 31 4 保德煤矿大断面煤巷的支护参数设计 32 4.1 地面相对位置及地质概述 32 4.1.1 巷道地面位置 32 4.1.2 煤层赋存特征 32 4.1.3 地质构造 33 4.1.4 水文地质 34 4.2 巷道布置及支护形式 34 4.2.1 巷道布置 34 4.2.2 支护形式 34 4.3 支护参数设计 35 4.3.1 采用工程类比法合理选择支护参数 35 4.3.2 采用计算法校核支护参数 36 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 4.4 小结 39 5 保德煤矿大断面煤巷的数值模拟 41 5.1 模型的建立 41 5.1.1 建立模型 41 5.1.2 定义材料模型 41 5.1.3 施加应力 42 5.2 模型开挖 43 5.3 模拟方案及结果分析 44 5.3.1 受采动影响的无支护巷道 44 5.3.2 受采动影响的支护巷道 45 5.4 保德煤矿煤巷锚杆支护作用分析 47 5.5 小结 50 6 现场应用 51 6.1 支护材料规格 51 6.2 支护工艺 51 6.3 矿压观测 52 6.4 监测结果 53 结 论 54 参考文献 55 在学研究成果 59 致 谢 60 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 由于锚杆支护的诸多优点，已被广泛应用于世界各主要产煤国家。我国锚杆支 护的大面积推广应用主要是在近十几年的时间里，如今随着大采高和综放技术的发 展，各地大型煤矿都出现了大量的大断面煤巷，以现有的支护技术很难对其进行完 全有效的支护。因此，有必要进一步深入的研究大断面煤巷锚杆支护技术。 1.1 国内外锚杆支护发展历程及问题提出国内外锚杆支护发展历程及问题提出 1.1.1 国外锚杆支护发展历程国外锚杆支护发展历程 锚杆的首次应用是在 1872 年的英国，被用于加固北威尔士露天页岩矿，此后， 德国在 1912 年最先将锚杆应用于井下巷道的支护[1]。锚杆支护技术