回采巷道锚网支护金属网变形特征的试验研究.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 葛凤忠 指导教师 勾攀峰教授 学位类别 工学硕士 专业名称 采矿工程 研究方向 矿山压力及其控制 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二 0 一四年六月二 0 一四年六月 回采巷道锚网支护金属网变形特征 的试验研究 Experimental Study on Deation Characteristics of Metal Net in Anchor-Net Supporting Roadway 中图分类号中图分类号TD353 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码10460 回采巷道锚网支护金属网变形特征 的试验研究 Experimental Study on Deation Characteristics of Metal Net in Anchor-Net Supporting Roadway 申请人姓名葛凤忠申请人姓名葛凤忠 申请学位工学硕士申请学位工学硕士 学 科 专 业矿业工程学 科 专 业矿业工程 研究方向矿山压力及其控制研究方向矿山压力及其控制 导导 师师 勾攀峰勾攀峰 职职 称称 教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2014 年年 6 月月 答辩日期答辩日期2014 年年 6 月月 河南理工大学 学 位 论 文 原 创 性 声 明 学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文回采巷道锚网支护金属网变形特征的 试验研究，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰 写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确 的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年 年 月月 日日 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、 使用学位论文的 规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影 印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名 学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 致致 谢谢 三年的硕士研究生生涯即将在这个季节走到终点，在此我向我的导师勾攀峰 教授致以诚挚的感谢。勾老师在学术上严谨，在工作上仔细认真，在生活上朴素 谦逊平易近人，他的这些优秀品质对我个人的生活和学习产生重要影响。感谢勾 攀峰在这三年期间对我的谆谆教诲和为我提供的各种锻炼的机会，使我不仅对专 业知识方面有了一定的理解，而且使我在思想性格上克服了自己畏难的缺陷而逐 渐迈向成熟。在课题研究过程中，遇到困难时勾老师会对我进行悉心的教导和鼓 励，在论文撰写中，勾老师给予了最细心的指导意见。没有勾老师的帮助，论文 是不能够最终完成的。在此，我要向勾老师再次表达衷心的感谢。 感谢康继春博士带我在现场学习，使我对专业知识有了最直接的了解。感谢郝英 剑、王秀峰、郝亚勋三位师弟以及卜庆伟在试验过程中的鼎力相助；感谢冯友良 同学帮我搜集的资料。 感谢冯友良、焦建康、周成龙同学三年来对我生活和学习上的帮助和支持。 感谢我的父母家人对我的支持，谢谢你们为我做的一切。 感谢本文所引用参考文献的作者 感谢诸位专家教授参与对本论文的评审，请各位批评指正，给出宝贵意见。 I 摘摘 要要 为了探究锚网支护金属网在上部破碎岩石作用下的力学变形和破坏情况，为 锚网支护金属网的使用提供依据，本文对锚网支护金属网进行了理论分析研究和 试验室加载试验。 结合压缩拱理论中锚杆支护下围岩破碎情况分析出金属网所受载荷的分布， 建立力学模型对金属网下沉进行理论推导和分析，最后得出网兜中心网丝变形后 的曲线可以用一元三次方程描述。对该方程分析得出增大锚杆排距和岩石容重 增加会使金属网下沉加剧，而岩石内摩擦角增加和网丝加粗会减小金属网下沉。 设计加工出专门的金属网室内加载装置，对煤矿锚网支护常用的经纬焊接网 和菱形编织网进行了试验室加载。观察和记录了经纬焊接网和菱形编织网不同网 孔大小、不同网丝直径、双层网、以及不同锚杆排距加载时的变形和破坏情况。 发现经纬焊接网护表的刚性和及时性优于菱形编织网。而菱形编织网所允许的变 形量明显高于经纬焊接网，其护表的柔性优于经纬焊接网，且菱形编织网所能提 供的最大护表力高于经纬焊接网。缩小网孔、增粗网丝和采用双层都能有效增加 金属网的护表刚度和及时性，增大排距会明显降低金属网护表的及时性。增大排 距和缩小网孔会降低金属网的最大护表力，增粗网丝和采用双层网能增大其最大 护表力。经纬网丝发生破断前排距方向应变分布都是从边缘处向网兜中心依次减 小。 关键词关键词锚网支护；金属网；下沉变形；应力；护表力 II Abstract In order to explore the mechanical deation and destruction of metal net in bolt- net supporting under the action of upper broken rock， to provide a basis for the use of metal net in bolt- net supporting. This paper made the theoretical analysis and laboratory tests of the metal net in bolt- net supporting. Combined with the condition of broken surrounding rocks under bolt-net supporting in compressive arch theory of bolt, analysis of the load distribution of metal net. Establish the mechanical model, do theoretical derivation and analysis to metal net subsidence. Finally found the net center net deation curve can be described by one basic three equation. Increasing the anchor spacing and rock density can increase the metal net subsidence, while increasing the rock internal friction angle and bold the mesh can reduce the metal net subsidence. Design and process special metal net indoor loading device, do laboratory loading on warp-weft welding net and rhombic net which are commonly used in coal mine bolt-net supporting. Observe and record the deation and destruction of warp-weft welding net and rhombic net in different mesh size, different mesh diameter, double network, as well as different bolt row, while loading. Find the surface protection rigidity and timeliness of warp-weft welding net welded net is superior to rhombic mesh. The allowable deation of rhombic net is significantly higher than that of warp-weft welded net, the surface protection flexibility is superior to warp-weft welding net. And the rhombic net can provide higher maximum surface protection force than the warp-weft welded net. Reducing the mesh size, bold the mesh, use double layer network can effectively increase the surface protection rigidity and timeliness of metal net. Increasing row spacing can obviously reduce surface protection rigidity of metal net. Increasing row spacing and reducing mesh size can reduce the metal net maximum surface protection force, while bold the mesh, use double layer network can increase the metal net maximum surface protection force. Before breaking of warp-weft welded net, the strain distribution is reduced gradually from the edge to the center of the net. III Key wordsbolt- net supporting; metal net; subsidence and deation; strain; surface protection force IV 目目 录录 摘要摘要 ................................................................................................................................... I 目录目录 ................................................................................................................................ IV 1 绪论绪论 ............................................................................................................................... 1 1.1 论文研究的背景和意义 ........................................................................................ 1 1.1.1 研究背景 ..................................................................................................... 1 1.1.2 研究的意义 ................................................................................................. 2 1.2 锚杆支护金属网研究现状 .................................................................................... 4 1.2.1 锚网支护的应用发展情况 ......................................................................... 4 1.2.2 金属网的分类 ............................................................................................. 5 1.2.3 金属网力学性能的理论研究现状 ............................................................. 7 1.2.4 金属网的试验研究现状 ............................................................................. 9 1.3 研究内容 ................................................................................................................ 9 1.4 技术路线 .............................................................................................................. 11 2 锚网支护金属网受载理论研究锚网支护金属网受载理论研究 ................................................................................. 13 2.1 预应力的作用 ...................................................................................................... 13 2.2 金属网受载分析 .................................................................................................. 14 2.2.1 金属网网丝总体受载分析 ....................................................................... 14 2.2.2 结合金属网上部载荷分布情况分析两锚杆间网丝的受载 ................... 16 2.2.2 结合金属网上部载荷分布情况分析过网兜中心网丝的受载 ............... 19 2.3 本章小结 .............................................................................................................. 23 3 锚网支护金属网受载的实验室试验锚网支护金属网受载的实验室试验 ......................................................................... 24 3.1 试验架的设计 ...................................................................................................... 24 V 3.2 对锚网支护金属网加载试验的设计 .................................................................. 25 3.2.1 试验目的 .................................................................................................. 25 3.2.2 数据测量 .................................................................................................. 25 3.2.3 试验方法 .................................................................................................. 27 3.3 经纬焊接网的试验结果分析 .............................................................................. 27 3.3.1 对照组经纬焊接网试验 .......................................................................... 27 3.3.2 不同网孔大小经纬焊接网试验 .............................................................. 30 3.3.3 不同网丝直径经纬焊接网试验 .............................................................. 33 3.3.4 双层经纬焊接网试验 .............................................................................. 36 3.3.5 不同锚杆排距经纬焊接网试验 .............................................................. 38 3.4 菱形编织网的试验结果分析 .............................................................................. 40 3.4.1 对照组菱形编织网试验 .......................................................................... 40 3.4.2 不同网孔大小菱形编织网试验 .............................................................. 44 3.4.3 不同网丝直径菱形编织网试验 .............................................................. 46 3.4.4 双层菱形编织网试验 .............................................................................. 49 3.4.5 不同锚杆排距经纬焊接菱形编织网试验 .............................................. 51 3.5 本章小结 .............................................................................................................. 54 4 现场试验现场试验 .................................................................................................................... 57 4.1 2107 轨顺巷地质概况 ......................................................................................... 57 4.2 顶板测点监测方法和方案 .................................................................................. 57 4.2.1 监测方案 .................................................................................................. 57 4.2.2 监测方法 .................................................................................................. 57 4.2 监测结果分析 ...................................................................................................... 58 5 主要结论与展望主要结论与展望 ........................................................................................................ 61 VI 5.1 主要结论 .............................................................................................................. 61 5.2 研究展望 .............................................................................................................. 61 参考文献参考文献 ......................................................................................................................... 63 作者简历作者简历 ......................................................................................................................... 67 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................. 69 1 绪论 1 1 绪论 1.1 论文研究的背景和意义 1.1.1 研究背景 能源是国家工业发展的动力。而煤炭则是我国工业的粮食。也是一个国家各 行各业发展的动力。现阶段我国正处于经济高速发展阶段，对能源的需求量也相 当大。我国的石油和天然气都相对匮乏。石油可采储量只占世界的 2.4，天然气 更少只有 1.2。而与之相反的是我国煤炭资源丰富，已经探明的煤炭资源储量高 达 1 万亿吨，位居世界第三。2013 年中国一次能源消费总量37.6 亿吨标准煤， 其中煤炭占 69.2，石油占 17.2，天然气占 5.3，其他能源占 8.3。在目前情 况下以及未来相当长的阶段内，我国煤炭为主体的能源结构很难改变。 而在煤矿开采中，巷道支护技术是煤炭开采中的一项关键技术，合理、安全、 可靠的支护技术是实现矿井高产高效的必备条件[1-4]。锚网支护是常见的锚杆支护 的一种。就是在巷道煤岩壁上打上锚杆之后，紧贴煤岩面铺一层金属网并将其固 定在锚杆上。为保证支护质量，做到金属网与与金属网链接的整体性，用钳子和 铁丝把网片连接。锚网支护突破了旧的支护形式和支护理论，不再是消极地承受 围岩压力，而是尽量保持围岩的完整与稳定性，积极控制围岩的力学性态变化， 限制围岩的变形、位移和裂隙发展，充分发挥煤岩的自身支承作用，把围岩从荷 载变为承载，变消极因素为积极因素，这是锚网支护和架棚支护最本质的区别， 也是锚网支护大大优于架棚支护形式的根本所在[5]。 有很多的工业试验证明了锚网 支护确实优于架棚支护。根据陕西双龙煤矿的工业实践现场观测结果，原来的架 棚支护是巷道变形严重，后使用锚网支护观测结果表明巷道围岩移动轻微，受 损后的围岩很快趋向稳定。这就说明，在地质软岩条件下，巷道返修期间采用锚 杆、金属网、锚索、喷浆联合支护围岩比较稳定，效果优于架棚支护[6]。因此，锚 杆网支护,是一种成本低，施工较快的，安全性较高的支护措施[1] 进入二十一世纪以后，我国锚杆支护技术在全国范围内的发展极其迅速，取 得的经济效益显著。据统计，我国煤巷锚网支护率平均为 37，有些矿区，如充 州、邢台等，煤巷锚杆支护率达 95以上[5]。近年来我国对煤炭能源的需求量更是 与日俱增。为了满足我国经济发展的需求，我国煤炭产能也不断提高和扩大。与 此同时，随着浅埋煤炭资源的开采消耗，我国煤炭开采正不断向深部发展。因此， 河南理工大学硕士学位论文 2 出现了很多深部高应力巷道，和各种条件复杂支护困难的巷道，以及沿空留巷的 巷道等。 为了适应深部煤炭资源开采，相应的，近年来我国又开发出了高预应力锚杆 支护和强力锚杆支护等等，真正的实现了锚杆的主动支护和及时支护，充分发挥 了锚杆支护的优势作用。与此同时，锚杆支护的理论研究方面也得到了相应的发 展。目前，比较成熟的锚杆支护理论可分为下面几类[8] （1）基于锚杆对围岩的悬吊作用悬吊理论； （2）基于锚杆对围岩的挤压加固作用组合梁理论、楔固理论、组合拱理论、 松动圈理论； （3）基于锚杆对围岩的综合作用锚固体强度强化理论、整体锚固结构理论、 锚注理论等。 在国际上，煤炭开采技术先进的国家对锚杆支护技术的研究力度也在不断加 大。他们的研究依然坚持把锚杆支护作为主导方向，并不断改善锚杆杆体及其配 套构件的材质，来提高其强度和刚度[9]。北京煤炭开采设计研究院率先开始了锚杆 支护系统的细化研究。把锚杆支护中各个影响因素和构件分开进行深入研究[10]。 锚杆支护中与锚杆配套使用的构件包括托板、钢带、金属网、螺母、锚固剂等， 锚杆支护的作用是锚杆与由这些构件共同完成的[11-16]。 1.1.2 研究的意义 金属网在锚网支护中对巷道围岩稳定的作用和锚杆支护本身同等重要。 卜发东教授关于金属网的作用机理得出如下结论[17]巷道支护应该把巷道顶 底板和两帮支护看作一个整体，避免因局部支护状态的恶化而造成整个支护系统 的失衡，最终导致巷道支护失效巷道失稳。在无支护及锚杆支护条件下，由于煤 帮的松软破碎，在垂直应力的挤压下，帮块体发生分离回转及明显伸长，最终使 巷道失稳。而锚网支护中的金属网可以托住非锚固区已经破裂的岩石，防止岩块 垮落，将锚杆之间的非锚固岩层载荷传递给锚杆，使得单根锚杆的点支护转变为 支护系统的面支护，而且金属网本身也能对你围岩提供支护力。 冯光明教授认为高质量的金属网能有效控制锚杆之间非锚固岩层的变形，托 住巷道的岩石，是确保锚杆加固作用的重要措施[18,19]。巷道围岩的稳定性愈差， 金属网的作用愈加明显[18]。 1 绪论 3 马洪涛等人在综掘巷道锚网带支护技术研究中认为[20]，金属网除了可以防止 围岩的塌落和片帮以外，还将锚杆之间的松动的围岩压力进行传递，使得锚网支 护结构受力均匀。 新疆科源矿业设计研究院的尚向东工程师在研究锚杆、金属网、钢带联合支 护技术在急倾斜特厚煤层综采开切巷中的应用时指出[21]锚网的作用主要是通过 金属网对巷道围岩进行封闭，有效防止顶、帮冒落伤人，有利于保持巷道的完整 与稳定。 图图 1-1 金属网的作用金属网的作用 Fig.1-1 The effect of metal net 终上所述金属网的主要作用有[1,22-29] （1）维护锚杆之间的围岩，防治破碎岩块的跨落； （2）紧贴巷道表面，提供一定的支护力，一定程度上改善巷道表面岩层受力 情况,同时将锚杆之间的岩层载荷传递给锚杆； （3）金属网不仅能有效控制巷道浅部围岩的变形与破坏，而且刚性比较大的 金属网对深部围岩也有较好的支护作用； （4）金属网可以平衡多个锚杆受力情况，有利于巷道整体稳定[30]。在巷道表 面形成柔性支护保证锚杆预紧力分布均匀，形成整体支护系统[31]。由于金属网具 有一定的柔性，能够适应一定的围岩变形，具有卸压作用 所以对锚网支护金属网进行研究对于降低锚网支护金属网的成本并实现良好 河南理工大学硕士学位论文 4 的围岩控制效果至关重要。因此，本文对金属网在锚网支护中受力特性和变形破 坏特征进行试验室试验和理论分析研究，探究锚网支护中金属网受载后的变形和 破坏特征进行探索和总结。本文的研究成果将对如何选取金属网及设定安装参数 起到指导和示范作用。 1.2 锚杆支护金属网研究现状 1.2.1 锚网支护的应用发展情况 在工程实际中，锚网支护对你金属网有下列要求网片整体强度高，刚度大， 在巷道围岩变形初始阶段就能对围岩提供保护力[32]；加工方便，成本低廉，便于 运输，可折叠卷捆；具有一定的可弯曲性，以便于能和巷道轮廓吻合[32]；具有和 锚杆支护相匹配的强度，以抵抗锚杆间破碎煤（岩）块的碎胀压力[32]；金属网网 筋强度必须具有一定的抗剪、抗弯能力[33]。 另外对金属网安装时对网边也有一定的规范相邻两张金属网的长边必须重 叠一定宽度，并每隔一段距离用 12 号铁丝连接牢固；短边必须用抽丝连接（连接 后两张网即合并为一张网，各部分结构均匀、相同） ；两张网的重叠部分必须用锚 栓压牢[18]；金属网铺设要平直，紧贴岩壁，最后用锚杆托盘压紧金属网[33]。 对于锚网支护，在现场施工中发现金属网的使用存在两个技术问题[34, 35] （1）金属网与锚杆固定不牢，网孔比锚杆直径大的多，金属网有很大的活动 余地，锚杆没有起到固定点的作用，按照常用的锚网支护参数进行计算，金属网 网兜高度达到 120mm 时，金属网还没有受力[34, 35]； （2）金属网没有张紧，金属网直接挂在锚杆上与围岩不密贴延缓了金属网的 承载[34, 35]。 （3）金属网的锈蚀问题，尤其在一些使用期限较长的巷道。由于金属网的锈 蚀使得金属网的强度降低，而该强度关系到金属网对破碎围岩的支撑力的大小， 因而金属网的锈蚀对金属网支护失稳也是一种潜在威胁[36]。李建华、李付臣等在 研究锚、网煤巷快速喷涂技术时开发了一种水泥浆的添加助剂，在助剂中有一种 材料是高分子聚合物的水分散体，它是一种水泥改性剂，是化工耐腐蚀材料。助 剂加入水泥浆或水泥砂浆后，可成为高分子聚合物乳液改性水泥浆，具有防腐蚀 等作用[36]。 1 绪论 5 1.2.2 金属网的分类 锚网支护中所采用的网有很多种类。按照其材质划分可分为铁丝网、塑料网 [1,22,37-39]。按照其网孔形状可分为经纬网和菱形网。按照其网格连接方式不同可分 为编织网和焊接网。焊接网相对于编制网来说整体性好，强度高，但是刚性较大， 加工成本高。 图图 1-2 金属网分类金属网分类 Fig.1-2 The metal net classification 目前我国煤炭行业使用广泛的是铁丝网，包括经纬网和菱形编织网。在经纬 网中有编织而成的也有焊接而成的。编织而成的经纬网经向网丝和纬向网丝联系 不紧，在受力时容易出现网孔扩大现象，形成空洞而使破碎岩石掉落。 国内煤炭系统常用的矩形经纬焊接网[40]是由丝径为 2mm﹣4mm 的铁丝焊接 而成的矩形网， 网格为正方形， 网孔尺寸大小一般为40mm40mm到60mm60mm， 制成矩形的的一块网片。这种网整体性好，支护刚度大，但是加工成本高。网的 强度仅为铁丝的强度。而且由于焊接的作用改变了焊点处铁丝的材质，使其延展 性降低。另外这种网由于是刚性的片状，所以无法折叠，不能成捆，所以往矿井 下运输不方便。 菱形编织金属网一般是将镀锌低碳钢丝加工成扁螺旋状，再一根一根的饶 连在一起。 网格为菱形。 菱形网的网丝直径一般有 2.0mm、 2.5mm、 3.0mm、 3.5mm、 4.0mm、 4.5mm等[41-47]。 网孔大小一般有30mm30mm、 40mm40mm、 50mm50mm、 60mm60mm、70mm70mm、80mm80mm 等类型[41-47]。网孔角度即与一根网丝 相邻两条边在网片平面上的投影的夹角，一般情况下网孔角度为 90[41-47]。网丝螺 旋距网丝两相邻连接点间的距离。网片厚度一般为 14mm 到 20mm[41-47]。 河南理工大学硕士学位论文 6 图图 1-3 菱形金属网网参数菱形金属网网参数 Fig.1-3 The rhombic metal net parameters 国外使用过一种普通用作栅栏的链式金属网，网线之间形成铰链环扣，这种 网的柔性好、强度高，可折叠和任意拆装，因而可以成捆运往井下，大片铺设[41]。 但是，国外使用的这种网格尺寸较小，以致喷射混凝土难以通过，该金属网不适 合用于锚喷支护。综合两种金属网的优点，国内研制出加大网格尺寸，加粗网线 的的菱形铰接柔性金属网。网格尺寸为 50mm50mm、70mm70mm 等，网线直径 4.0mm （8 号）和3.2mm （10 号） 。这种网受力好，若某一铁丝受到围岩压