回采巷道围岩三维受力特征及其维护的研究.pdf

V 9 7 9 8 8 7 上 分类号 太原理工大学 密级 硕士学位论文 题目回采巷道围岩三维受力特征及其维护的研究 S t u d yo nT h r e e D i m e n s i o n a lD i s t r i b u t i o na n d 英文并列题目 C o n t r o l l i n gi nS u r r o u n d i n gR o c ko fM i n i n gR o a d w a y 研究生姓名奎旦宣 学号 专业 工程力学 研究方向些工三堡查耋里羞煎塞 堡垒堑 导师姓名塑塑盘 一 职称一整蕉 论文提交日期 学位授予单位盔厘壁王友堂 地址山西太原 太原理工大学 太原理工大学碳研究生学使论文 回采巷道围岩兰维受力特征及其维护的研究 摘要 随着煤矿开采工艺的不断创新，煤矿生产能力t 3 益提高，地下巷 道断面不断加大，造成巷道维护难度增加。回采顺槽一般沿煤层底板 掘进，巷道位于煤层中，在开采过程中不可避免地要经受多次反复的 采动影响，围岩变形破坏严重，巷道维护尤其困难。因此对该类巷道 围岩的稳定性及其相关参数进行研究具有重要意义。本文在理论分析 稻数值模拟的基稿上，以晋城市罴城煤矿地质条件为背景，在考虑到 岩体流变特陛的前提下，运用三维有限差分法 F L A d D 分别针对弹 性及弹塑性模型在无支护、有支护两种不同状态下进行了对毙分析。 通过对两种模型巷道围岩的屈服破坏特征、岩体内应力分布特征及位 移分布特征的分析，揭示了顺槽巷道围誉的总体破坏规律，即巷道底 板岩层主要墨拉傅破嚣趋势，顶板岩层中部呈现挝搏破环，两钡l 呈现 剪切破坏，顶底板两角主要呈现剪切破坏趋势，而巷帮中部则是拉伸、 剪切破坏并存。其中距离工作面6 m 之内的顺槽巷道围岩受开挖影响较 剧烈，有必要进行超前加强支护和密切监测。随着时间的增加，围岩 的整体应力值明显降低、位移量明显增大，位移带分布范围随着时间 的捺移进一步加大。巷遵淤岩预板下沉、底鼓现象严重，巷道邂岩产 生较大位移变形，在不采取支护措施的情况下，无法满足地下采掘工 程的生产需要。 本文的研究成果揭示了地下回采顺槽围岩在流变特性下的属服破 ～奎堡毽三盔兰堡圭堡塞塞堂焦望壅 坏稳定规律，对回采顺槽巷道支护工艺的发展有一定的实际指导意义 帮理论意义。 关键词r t a c 蝴数值模拟，回采顺槽，围岩稳定性，锚杆支护， 稳定蠕变 太艨理工大学硬士研究生学位论文 S ’r U D Yo NT H R E E 。D 秘般N 5 疆o N A LD l S T R I B U T I O N A N DC O N T R O L L I N GI NS U R 靛0 U N D 玳GR O C K o FM 弧撩GR o A 羚W A A B S T R A C T A st h er e f o r m a t i o no fe x p l o i tt e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n to f t h r o u g h p u ti nc o a ln l i n e ，g a t es e c t i o ng e t sb i g g e ra n db i g g e r ，w h i c hb r i n g s m o r ed i f f i c u l t yi ns u p p o r t i n g ．M i n i n g 心cr o a dl i e si nc o a ls e a mw h i c h i ss u b j e c t e dt om i n i n ga f f e c td u r i n gs e r v i n gt i m ei t e r a t i v e l y ．S u r r o u n d i n g r o c ko fg a t eg e n e r a l l yd i s t o r t s s e v e r e l ya n d i ti s e s p e c i a l l yh a r di n s u p p o r t i n g 。S os t u d y i n gt h es m b f l i 留a n dr e l a t i v e 湖鹚懈o ft h eg a t eh a s v e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o n ． ．T h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h e o r e t i c a l a n a l y s e s a n dn m n e r i c a l s i m u l a t i o n s ，c o m p a r e s e l a s t i cm o d e lt o p l a s t i cm o d e lw h i c hb u f i to n g e o l o g yo fY u e C h e n gm i l l ei nJ i n c h e n g ，o nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，w i t h o u t b o l t s u p p o r t i n ga n dw i t hs u p p o r t i n g ，b yu s i n gF L A C ’Dn m n e r i c a l s i m u l a t i o n ，o nt h ep r e c o n d i t i o nc o n s i d e r i n go ft h et a r d i g r a d ec r e e p i n go f r o c k 。W eg e tt h eg e n e r a lb r e a k a g er e g u l a t i o na b o u tw a l lr o c ko fm i n i n g t r a f f i cr o a dt h r o u g hc o n t r a s t i v ea n a l y s i s ．T h e r ei st e n s i o ne f f e c ti nb o t t o m m o s t l y , a n dt e n s i o ni nm i d d i er o o f , s h e a ri ns i d er o o f 。B e s i d e s ，i to c C 沁S s h e a re f f e c ti nr o a dc o m e r , s h e a r - t e n s i o ne f f e c ti nm i d d l es e c t i o no fw a l l r o c km o s t l y ．E s p e c i a l l y , t h er o c kw i t h i n6 md i s t a n c eo ft h ew o r k i n gf a c ei s s u b j e c t e dt om i n i n ga f f e c t ，w h i c hi sn e c e s s a r yt od os u p p o r t i n ga h e a da n d l I 芏 查壁銎三查差堡圭堑塞笙兰垡堕茎一一一二一 w a r c hi n s t a n t l y ．T h es t r e s si nw a l lr o c kr e d u c e s ，d i s p l a c e m e n to fb l o c k h e i g h t e n so b v i o u s l yi ng e n e r a la n dd i s t r i b u t i o no fd i s t o r t i O i le x p e n d sw i t h t i m ef l o w i n g ．T h er o c ko fr o a d w a yp r o d u c e sh u g ed e f o r m a t i o n ，i n c l u d i n g s u b s i d e n c eo fr o o fb e d d i n ga n db u l g eo fb o t t o m 。W e c a nd r a wt h e c o n c l u s i o nt h a tm i n i n gt r a f f i cr o a dw i t h o u ts u p p o r t i n g c a r l ’tm e e tt h e r e q u i r e m e n tf o rs a f ew o r ku n d e r g r o u n d ． T h er e s e a r c ha c h i e v e m e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ne x p l a i n st h eg e n e r a l y i e l db r e a k a g er e g u l a t i o na b o u tw a l l r o c ko fm i n i n g 倘cr o a du n d e r c o n s i d e r i n gt a r d i g m d ec r e e p i n g ．I ti ss i g n i f i c a n tf o re n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e a n dt h e o r yt h a tt h ed e v e l o p m e n to fs u p p o r t i n gt e c h n i c si nm i n i n gt r a 笳c r o a d w a y ． K E YW O R D S F L A c 3 0n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m i n i n g t r a f f i cr o a d ， s t a b i l i t yo f w a l lr o c k ，b o l ts u p p o r t i n g ，t a r d i g r a d er e h o l o g y 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 不包含其他令人或集体已经发表或撰写过的科研成采。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。 论文作者签名李旦眵目期2 。。6 、型∑ 关于学位论文使用权的说明 本人完龛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；③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f 保密学位论文在解密后遵守此规定 o 签名垒里室日期兰 苎哆 导师签名塑3 塑量日期竺兰 z 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 前言 第一章绪论 “煤炭是工业的食粮”，近现代工业离不开煤炭生产，因而煤炭生产在我国乃 至全世界都占有非常重要的地位。但是随着煤炭的不断开采，浅部、易开采的煤 层已所剩无几，大部分地区均已开采深部煤层或地质条件较复杂、地应力较大、 较难开采的煤层。这样就给井下巷道维护带来更高的要求，传统的巷道支护技术 如棚式支护、砌碹支护等已经不能很好的满足煤炭安全生产的要求，因而需要有 新的巷道支护理论与技术来指导困难巷道维护，确保煤炭的安全生产。 对于地下采准巷道，又存在其特殊性，主要表现在1 、巷道一般在煤层中开 掘，巷道围岩相对软弱难以维护；2 、巷道顶板结构复杂，节理裂隙发育；3 、采 准巷道一般处在煤层中，无论是沿底还是沿顶开掘，巷道顶板围岩强度一般都要 大于或等于巷道围岩强度，因而应特别重视巷帮支护；4 、开采过程中，巷道不可 避免地要经受多次反复的采动影响，其峰值应力往往是原岩应力的3 倍以上；5 、 随着煤矿回采面及顺槽内大型机械设备的应用，要求巷道断面较大；6 、随着生产 能力的加强，回采顺槽的长度越来越大，巷道的服务年限延长等方面。基于这些 因素的影响，采准巷道的支护尤其要有科学的指导，否则将造成无法弥补的后果。 我国自1 9 7 4 年开始采用综合机械化采煤技术设备以来，本着依靠科学技术进 步，使生产集中化、机械化，贯彻安全生产的发展原则，生产综合机械化程度大 幅度提高，到1 9 9 6 年底，国有重点煤矿采煤机械化程度已经达到7 1 ．9 1 ％，其中综 采程度达4 7 ．1 8 ％，有的煤矿生产单位甚至达到了9 2 ％的程度””。实践证明，综合 机械化开采技术是煤矿生产发展的必然趋势。 采用综合开采技术时，一般沿煤层底板开掘工作面轨道巷、皮带巷和回风巷， 巷道的顶板和两帮全部为煤体，为全煤巷道。这类巷道是为综放工作面采煤服务 的，称为综采巷道。新的煤矿安全规程要求综采工作面运输巷的净断面不小 于1 2 开，以及对应用放顶煤综采技术的高效工作面在煤炭运输、通风等方面的特 太原理工大学硕士研究生学位论文 殊要求，综采巷道的断面往往很大，加上综采巷道的围岩多为松散、破碎的煤体 所以，一般情况下巷道维护极其困难。 因为综采巷道是一种特殊巷道，其受力特征与普通的巷道不同，迄今为止。 对于综采巷道尤其是综采采准巷道围岩的稳定性研究，还是不详细、不系统的。 因此，对综采巷道围岩稳定性的研究，是一个非常有意义的课题。 1 ．2 传统巷道支护理论研究发展现状 在世界范围内，被煤矿界科技人员和工程师们广泛接受的传统锚杆支护理论 有悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论、最大水平应力理论、围岩强度强化理 论等，这些传统理论适用于不同的围岩条件，彳导到了广泛的应用。近年来，又发 展了“巷道围岩松动圈理论”和基于水平应力的“刚性梁”理论等。 熟悬吊理论 悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较弱岩层悬吊在上部稳定的 岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。对于回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷 道开采后，直接顶因弯曲、变形与老顶分离，如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊 在老顶上，就能减少和限制直接顶的下沉和分离，以达到支护的目的。如图i - I 所示。 _ ■● 图l 一1 锚杆的悬吊作用 F i g u r e l 一1 s u s p e n s i o nf u n c t i o no f b o l t 图1 2 顶板锚杆悬吊松动破裂岩层 F i g u r e l 一2f l e x i b l ec r o c k i n gr o o f s u s p e n d e db yb o l t 巷道浅部围岩松软破碎，或者开掘巷道后应力重新分布，顶板出现松动破裂 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 区，这时锚杆的悬吊作用就是将这一部分易冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上。 这是悬吊理论的进一步发展。如图1 - 2 所示。 悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用，在分析过程中不考虑围岩的自承能 力，而且将被锚固体与原岩体分开，与实际情况有一定差距，因此计算数据存在 误差。 悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底板。如果顶板中没有坚硬 稳定岩层或顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范围较大，就无法将锚杆锚固到上面 坚硬岩层或者未松动岩层上，悬吊理论也不适用。 1 ．2 ．2 组合梁理论 组合梁理论认为在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬 稳定岩层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。 如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固 力增加各岩层之间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象； 另一方面，锚杆杆体可增加岩层之间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而 将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层 组合梁 。这种组合 厚岩层在上覆岩层荷载的作用下，其最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁 的挠度也减小，而且组合梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小。 如图i - 3 所示。 a 未打锚杆 b 布置顶板锚杆 图1 - 3 顶板锚杆的组合梁作用 F i g u r e l 一3b u i l t u pb e a mf u n c t i o no fr o o fb o l t ，● 组合梁理论，是对锚杆将顶板岩层锁进成较厚岩层的解释。在分析中，将锚 太原理工大学硕士研究生学位论文 杆作用与围岩的自稳作用分开，与实际情况有一定差距。 组合梁理论只适合于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用； 并且随着围岩条件的变化，在顶板较破碎、连续性受到破坏时，组合梁也就不存 在了。 1 ．2 ．3 组合拱 压缩拱 理论 1 、～上一7 图1 - 4 锚杆的组合拱理论示意图 F i g u r e l - 4b u i l t - u pa r c ht h e o r yo fb o l t 组合拱理论认为在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两 端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够 小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压 缩带，即承压拱 也称组合拱或者压缩拱 ，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石 施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其 围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。 组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理，但在分析过程中没有 深人考虑围岩一支护的相互作用，只是将各支护结构的最大支护力简单相加，从而 得到复合支护结构总的最大支护力，缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分 析探讨，计算也与实际情况存在一定差距，一般不能作为准确的定量设计，但可 以作为锚杆加固设计和施工的重要参考“1 。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．2 ．4 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 W ．J ．G a l e 提出。该理论认为 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 应力一般为最小水平应力1 ．5 2 ．5 倍。巷道顶、底板的稳定性主要受水平应力的 影响，具有三个特点①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；②与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶、底板变形破坏偏 向巷道某一帮；③与最大水平应力垂直的巷道，顶、底板稳定性最差，在最大水 平应力作用下，顶、底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围 岩变形。巷道方向与最大水平应力的夹角对巷道围岩的影响如图1 - 5 所示。 冬孝盖 蕴商酯 最佳方向 最劣方向 a 巷道平行于主应力方向 b 巷道与主应力呈4 5 。夹角 C 巷道与主应力呈9 0 。夹角 图1 - 5 应力场效应 F i g u r e l 一5 e f f e c to fi n - s i t us t r e s sf i e l d 锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，因此 要求锚杆必须具备强度大、刚度大、剪切阻力大，才能起到约束围岩变形的作用。 锚杆的作用就是防止岩层的滑移和膨胀，特别是在顶板变形的早期阶段，岩层得 到及时的加固以保持顶板的稳定，并由此控制后期阶段变形破坏的发展。 最大水平应力理论，论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆 支护所起到的作用。在设计方法上，借助于计算机数值模拟不同支护情况下锚杆 对围岩的控制效果，进行优化设计，在使用中强调监测的重要性，并根据监测结 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 果修改完善初始设计。 最大水平应力理论在分析巷道岩层受力时将垂直应力视为零或者忽略了，围 岩破坏区域的位置及其大小是最大水平应力理论确定支护参数的依据。只有当水 平应力是最大而且顶板破坏区最大时，它对支护最困难位置的判断才是正确的。 我们知道垂直应力与上覆岩层有直接的关系，随着巷道的逐渐深入地层，垂直应 力迅速增大，深部矿井采区巷道的最大主应力大多在竖直方向上，其支护的困难 区域应在巷道的两帮，因此我国在煤巷支护中有“支顶先支帮”一说。所以，最 大水平应力理论主要应适用于浅层煤矿巷道支护。另外，该理论在应用时，要求 测地应力和岩石的力学参数，而这两个参数本身就是难题，弄清它们与破坏区大 小的关系是世界性难题，国内外的研究仍然未能建立起原岩应力与围岩应力、围 岩应力与破坏区大小、破坏区大小与荷载大小的关系。因此最大水平应力理论的 定量问题未能解决”1 。这些都制约着最大水平应力理论的实际应用。 1 ．2 ．5 围岩强度强化理论 随着锚杆支护理论研究的深入开始涉及到锚杆支护机理的实质性问题，国内 外学者对经锚杆锚固后围岩岩体力学性能的改善进行了研究，不同程度地探讨了 锚杆加固后岩石强度、弹性模量E 、内聚力C 和内摩擦角妒等问题，取得了相应的 研究成果①系统布置锚杆可以大幅度提高锚固体的E 、C ，而伊提高的幅度不大； o 锚杆锚固区域围岩具有正交异性，在锚杆沿着试件的轴向，围岩的弹性模量E 随着锚杆密度的增加而增大，围岩强度的提高主要是内摩擦角增加，而C 几乎没 有变化；o 合理的锚杆支护可以有效地改变围岩的应力状态和应力一应变特性，而 不同弹性模量的岩体所变现出来的锚固效果是不同的；④锚杆的锚固效果与锚杆 密度、长度、型号、锚杆材料的抗剪强度和刚度有关，并从不同角度提出了最佳 的锚杆布置方案；⑤锚固的变形破坏符合莫尔一库仑准则； 锚杆支护在力学上等 价于对孔硐周围岩体施加一定量的径向约束力。 1 ．2 ．6 “刚性粱”理论 该理论是基于岩体中存在的水平应力，由美国的郭颂博士提出的。其主要内 太原理工大学硕士研究生学位论文 容有 ①锚杆预应力的大小对顶板的稳定性具有决定作用。当预应力达到一定的程 度时，锚杆长度范围内的顶板离层得到控制，建立了剐性梁顶板，它本身形成一 个压力自撑结构。 ②刚性两顶板可充分利用水平应力来维护顶板的稳定性。水平力的存在，在 一定程度上保护着顶板，使其代表顶板岩层处于横向压缩状态。 ④在“刚性梁”顶板的条件下，顶板的垂直应力被转移到巷道两侧煤体纵深， 巷道两侧的压力减少。与无预应力锚杆支护的“先护帮，后护顶”的原则相反， 该理论主张“先护顶，后护帮”的原则。在一定的极限范围内顶板的稳定性与巷 道宽度关系不大。 以此理论为指导，进行锚杆支护设计，可以极大地增大锚杆排距，从而降低 巷道支护成本，提高巷道掘进速度。而要使巷道顶板“刚性化”的关键就是大力 提高锚杆安装时的预应力”1 。 1 ．2 ．7 围岩松动圈支护理论 松动圈支护理论是根据围岩中存在松动破碎带的客观状态提出的，该理论认 为支护的作用是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形。巷道支 护对象除松动圈围岩自重和巷道深部围岩的部分弹塑性变形外，还有松动圈围岩 的碎胀变形和岩石的吸水膨胀变形 仅限膨胀性地层 0 围岩松动圈的客观存在和岩石应力应变过程中的研究不仅为松动圈支护理论 奠定了理论基础，也为其应用提供了现实基础。由于围岩松动圈支护理论从研究 开巷后围岩状态人手，抓住了支护的主要对象，其分类方法和所确定的支护形式 多数符合现场实际，取得的经济效益与社会效益显著，深受现场工程技术人员欢 迎。值得指出的是，目前这一观点虽已提出了支护理论、围岩分类和锚喷支护机 理并形成体系，但是在应用中还是经验与理论参半。因此松动圈的理论计算问题、 各类围岩碎胀力定量问题，组合拱的强度问题等还需要作深入的研究⋯。 有关围岩松动圈支护理论的详细内容，本文会在后面部分进一步介绍。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．3 国内外巷道支护技术发展现状 国内外矿山巷道支护技术总的来讲经历了木支架卜刚性金属支架卜可缩 性金属支架．．锚杆卜组合支护的发展过程，今天已经形成了包括各种料石碹、 混凝土碹、喷射混凝土梁网、桁架锚杆、锚索、锚注、高强度混凝土弧板支架等 多种支护形式，其中，U 型可缩性支架和锚杆被公认为是井下支护技术上的两次重 大突破。 1 ．3 ．IU 型可缩性钢支架支护技术陋。l U 型可缩性钢支架于1 9 3 2 年最早从德国发展起来的。到7 0 年代形成了以新 T H 一5 8 型型钢系列为代表的比较完善的U 型钢支架系列。U 型钢支架一度成为德国、 英国、波兰、前苏联等国家最主要的支护形式。 我国“六五”期间及其以后，可缩性金属支架取的了很大的发展，逐渐形成 了1 8 、2 5 新2 5 、2 9 、3 6 k g ／m 等定型U 型钢系列。 壁后充填主要是改善巷道支架受力状态，保证支架及时对围岩产生有效的支 撑作用。因为巷道掘进成形后，不可避免地巷道周边围岩存在不同程度的超挖量， 支架架设后支架与围岩之间的空隙随机不均匀分布，如果对此不进行必要的充填 处理，就不能保证架设的支架与围岩有效地接触，支架不能对围岩起及时的支撑 作用。在支架壁后充填技术方面，德国试验了石膏、水泥、粉煤灰、聚氨脂等各 种不同的充填材料，发展了适用泵送的湿式充填工艺及相应的充填机具和设备， 壁后充填已成为一种成熟的、规范化的支护配套工艺而得到广泛应用。 1 ．3 ．2 锚杆支护技术发展现状 锚杆支护技术作为地下巷道和其它地下工程支护技术的一种主要形式，早在 4 0 年代，美国、前苏联就在开始使用。锚杆支护技术是井巷支护比较经济合理的 有效手段，在煤矿、金属矿山、水利、隧道以及其它地下工程中迅速得到发展， 目前，估计国内外各种各样的锚杆有数百种至多。一般将几十年来世界锚杆支护 技术发展过程分为五个阶段 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 、1 9 4 5 年～1 9 5 0 年，机械式锚杆研究与应用。 2 、1 9 5 0 年～1 9 6 0 年，采矿业广泛采用机械式锚杆，并开始对锚杆支护技术 进行系统研究。 3 、1 9 6 0 ～1 9 7 0 年，树脂锚杆推出并在矿山得到应用。 4 、1 9 7 0 ～1 9 8 0 年，发明了管缝式锚杆、胀管式锚杆并应用。 5 、1 9 8 0 ～1 9 9 0 年以来，混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆、特种锚杆 注 浆锚杆、自钻锚杆、接杆锚杆 以及高强度锚杆得到应用，树脂锚固剂材料得到改 进。 较长时期以来，美国、澳大利亚等国家的锚杆支护使用十分普遍。在煤矿巷 道的支护比重几乎达到了1 0 0 ％。随着开采深度的不断增加，巷道支护越来越困难， 原来主要使用金属支架的国家8 0 年代后越来越重视锚杆支护技术的发展与应用。 英国在1 9 9 4 年已经完全改变过去以金属支架为主的局面，锚杆支护达到8 0 ％。德 国在8 0 年代以后，也开始在采准巷道推行锚杆支护技术。法国的锚杆支护技术也 发展很快，锚杆支护已超过5 0 ％。 国外锚杆支护的发展方向为提高锚杆的锚固力，并使其得到充分发挥、扩 大锚杆支护应用范围，提高锚杆支护效果。 回顾我国锚杆支护技术的发展，大致可分为三个阶段 1 、单体锚杆支护阶段 从5 0 一6 0 年代锚杆支护技术诞生以来，以钢丝绳水泥砂浆锚杆为代表。锚杆 无托板，锚杆与锚杆间无联系。锚杆只起悬吊作用，被动承载，不能与围岩共同 作用。 2 、组合锚杆阶段 进入7 0 年代以后，我国科技攻关将锚杆支护技术作为主攻方向，锚杆支护技 术又有了很大的发展。锚杆类型出现了多样性，有锚固剂型锚杆 如水泥锚杆、树 脂锚杆 、机械锚固式锚杆等。这一时期锚杆的特点是在尾部增加了托板及其他附 属设施来控制锚杆之间围岩。如加金属网，喷射混凝土，直到目前加钢带、钢筋 梯、钢架等形式组合锚杆支护技术。 3 、预应力锚杆支护体系阶段 近年来，随着锚杆支护在松软、破碎、动压和大跨度巷道中的推广应用，人 太原理工大学硕士研究生学位论文 们注意到，绷紧锚杆网、钢带，利用有横向预应力的管缝式锚杆和桁架锚杆，对 此类井巷支护起到了显著的支护效果。为了适应软岩巷道以及动压巷道围岩的大 变形和流变变形的变形规律，目前，国内外有关单位致力于研究一种能够在静载 荷条件下刚度很高，恒定载荷条件下产生让压的锚杆。让压是发生在当锚杆所承 受的力达到设计的让压载荷时，锚杆开始发生均匀变形滑动。 1 ．3 ．3 桁架锚杆支护技术发展‘1 2 桁架锚杆支护是在锚杆支护基础上发展起来的，美、英等西方国家6 0 年代开 始应用，在我国8 0 年代后期初发展起来的一种新型支护方式。该种支护不仅适用 于巷道顶板稳定或较稳定的条件，而且用于巷道顶板岩石不稳定的 块状多层、 破碎 或受采动影响的恶劣顶板条件和大断面、大跨度平顶井巷中。 桁架锚杆一般由顶板锚杆、桁架锚杆、托架组成。顶板锚杆的数量由顶板条 件决定，经常为位于井巷两角上的两根倾斜锚杆悬吊。三根以上锚杆悬吊的桁架 锚杆称为连续桁架锚杆。采用桁架锚杆支护时，锚杆作用力与拉杆的作用力形成 合力作用于顶板岩层，使顶板岩层形成压应力区，改变了围岩受力状态，提高了 顶板岩石的强度。同时，桁架锚杆又具有一定的柔性，允许巷道顶板岩石有适量 的下沉。 随着应用的广泛，近年来出现了新型的钢托架，单、双拉杆桁架锚杆，钢托 架连续桁架锚杆，锚网桁架锚杆等先进结构型式。 1 ．3 ．4 锚索支护技术发展【8 、1 1 ’1 2 l 锚索支护原理就是基于锚杆支护原理中的悬吊理论，再增加相当数量级的预 应力，不致形成离层脱落，使围岩稳定，是一种传递主体结构的支护应力到深部 稳定岩层的主动支护方式。 预应力锚索支护是锚杆支护技术发展中占有重要地位的一种支护形式，其与 普通锚杆相比有突出的特点一是长度大，能够锚入到深部稳定岩石中，并可以 施于预应力；二是能限制岩体的有害变形发展，从而保护岩体的稳定。锚索一般 是锚杆长度的3 ～5 倍，因此除了能够起到普通锚杆的悬吊作用、组合梁作用、组 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 合拱作用外，还能对巷道围岩进行深部锚固而产生强力的悬吊作用，在实际应用 中往往锚杆与锚索配合使用。 近年来，国内外锚索支护技术发展迅速，应用也越来越广泛。在岩土边坡、 交通隧道、矿山井巷、深坑基、坝基及结构加固方面广泛应用了锚索支护技术。 在英国、澳大利亚锚索支护技术的应用十分普遍，尤其在煤巷的应用十分突出， 利用轻型锚杆钻机即可施工。今后在围岩较差的大酮室、交叉点、断层附近及受 动力影响的巷道采用锚索支护的前景比较广泛。 1 ．3 ．5 喷射混凝土支护技术p 1 叫 2 0 世纪7 0 年代开始，加拿大就开始了运用喷射混凝土支护。它是由混凝土和 一些添加剂混合而成的拌和料在高压气的作用下由喷头高速喷向岩体表面而形成 岩体表面支护层。通过填充岩体裂缝而减小或阻止围岩的变形，并将载荷转移到 较稳定的岩体上，对岩体表面实施封闭以防止风化，并对表层围岩施加第三向压 力。喷射混凝土技术发展比较快，现已发展多种喷射混凝土，如干式喷射混凝土、 潮湿喷射混凝土和湿式喷射混凝土、水泥裹砂喷射混凝土 s E c 、钢纤维喷射混凝 土以及塑料网喷射混凝土。 长期以来，我国对喷射混凝土技术的应用和推广十分重视。上世纪6 0 一7 0 年 代，我国主要推广使用于式喷射混凝土。“七五”期间，我国研制成功潮式混凝土 喷射机，为潮喷技术的全面推广打下了坚实的基础。湿式喷射混凝土是8 0 年代初 发展起来的，我国在“六五”期间就开始研制挤压泵式湿喷机及液体速凝剂，并 在人防工程和大型隧道小面积推广应用。钢纤维喷射混凝土是8 0 年代中期发展起 来的喷射混凝土新工艺，我国在“七五”期间就着手研究、试验钢纤维喷射混凝 土和钢纤维制造技术。目前已开发了不少形式的钢纤维，并进行了钢纤维喷射混 凝土工业性试验。 1 ．3 ．6 组合支护技术‘1 2 】 随着煤矿开采深度的增加及新区开发软岩井巷施工所占比例越来越大，在软 岩井巷中往往单一的支护形式难以取得理想的效果。随着研究的深人，出现了一 太原理工大学硕士研究生学位论文 些组合支护或称为复合支护技术。 组合支护技术就是指采用两种或两种以上支护方式，同时对井巷围岩进行支 护的技术。 目前常用的形式有组合支护 锚杆 喷混凝土 金属网 锚杆 钢带 金属网 桁架锚杆‘金属网 锚杆 u 型可缩性支架 喷混凝土 金属网 锚杆 钢筋梁 金属网 锚索支护 锚杆4 - 钢带 金属网 锚杆 钢带 金属网 锚索 桁架支护 锚杆 u 型可缩性支架 锚索支护 锚杆 环型可缩支架 锚杆 环型可缩支架 锚索 随着井巷施工的需要和生产技术的发展，井巷支护已不再是一种单一支护， 而是由多种支护类型在发挥其各自优势的情况下组合起来形成的一种新型组合支 护，使井巷旌工更安全、更可靠、更稳定。 综上所述，在围岩巷道支护这个大领域内，研究、提出了多种支护理论并得 到了较好的推广和应用，但由于我国煤矿地质条件的复杂性，这些理论与实践往 往出现一定的偏差或应用不合理，生搬硬套理论，造成我国煤矿巷道顶板跨落、 冒顶事故时有发生，造成巨大的经济损失和人员伤亡。尤其是工作面顺槽，受力 条件复杂，受采动影响较严重，是井下巷道事故多发地段，其支护质量的合理性 直接影响到工作面的安全及快速回采，所以本文针对晋城岳城煤矿顺槽支护为背 景，采用现场实测与数值模拟相结合的方法，研究其围岩的受力、变形及其破坏 方式，进而给出其合理的支护方案。 1 ．4 本文研究内容与方法 本文针对综放回采巷道围岩稳定研究现状所存在的问题，以山西省晋城市岳 城矿实际地质条件为背景，运用三维与平面相结合的数值计算方法模拟研究综放 回采巷道顺槽围岩稳定性的问题。 本文的研究内容主要包括以下几个方面 1 、运用三维及平面有限差分法对岳城矿3 ‘煤层工作面两顺槽开挖影响下围岩 的稳定状态进行了弹性及弹塑性对比模拟分析，研究受采动影响的回采工作面顺 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 、运用三维及平面有限差分法对岳城矿3 ‘煤层工作面两顺槽开挖影响下围岩 的稳定状态进行了弹性及弹塑性对比模拟分析，研究受采动影响的回采工作面顺 槽的围岩稳定性状况。 2 、根据岳城矿岩体特性采用流变模型并运用三维及平面有限差分法对工作面 顺槽围岩进行了无支护状态下的蠕变稳定变形模拟，分析考虑了岩体随时间变化 情况下的围岩变形特性。 3 、运用三维及平面有限差分法对岳城矿3 ‘煤层工作面两顺槽锚杆支护条件下 围岩的稳定状态进行了弹性及弹塑性对比模拟分析，研究回采巷道锚杆支护的作 用。 4 、根据数值模拟结果确定的锚固参数，对工作面顺槽巷道支护方案进行了设 计，确定了锚杆、锚索的锚固参数，并进行掘进期回采巷道矿山压力观测，以验 证设计的合理性。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ．1 前言 第二章巷道围岩应力及变形的数值模拟研究 影响岩体力学性质的因素有很多，具体包括岩性、岩体结构、地应力、地 下水、地温地震等，但最主要的是岩体结构。岩体结构是控制岩体变形、破坏和 力学性质的最主要因素。 本章主要运用三维数值模拟对岳城矿回采巷道围岩在无支护、有支护两种不 同状态下的变形进行数值模拟对比研究。 2 ．2 地质概况简介 煤岩物理力学参数是巷道支护设计的主要参数。本章以晋城沁秀煤业有限公 司岳城煤矿某顺槽为例进行分析研究。为了进行围岩的状态观测、围岩