深部煤巷锚杆支护设计方法研究.pdf

国家自然科学基金项N 5 1 2 7 4 1 3 3 ，5 1 4 7 4 1 3 7 ，5 1 4 7 4 1 3 6 山东省自然科学基金重点项目 Z R 2 0 1 2 E E Z 0 0 2 高等学校博士学科点专项科研基金 2 0 1 2 3 7 1 8 1 l 0 0 1 3 论文题目 深部煤巷锚杆支护设计方法研究 作者姓名 专业名称 指寻教师职 称 熬握 授予学位日期 嬲 S T U D Yo ND E S I G NM E T H o Do FB 0 1 月S U P P o R T I ND E E P C o A L Ⅵ，A Y AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u W d l m e n to f t h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M L A S T E Ro FP H I L o S o P H Y S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y C h e n gZ h a n d o n g S u p e r v i s o r P r o f e s s o rT a nY u n f i a n g C o l l e g eo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g M a y 2 0 1 5 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名 日 片、 期≯压、土- 3l Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o H ym yo w nw o r ke x c e p t f o rc i t e dr e f e r e n c e sa n d a c k n o w l e d g e dd o c u m e n t s ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o r q u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 目前，我国对煤炭的需求量仍然很大，开采强度依然很高，埋藏于浅部的资源越来 越少，深部开采已成为煤炭行业的发展趋势。但在深部高应力条件下，巷道围岩破坏严 重，支护困难，严重影响煤炭的安全生产，同时，现有的锚杆支护设计方法已不完全适 用于深部支护，亟待进行完善。为此，本文综合运用理论分析、数值模拟、现场监测等 研究手段，以安居煤矿2 3 0 5 胶带顺槽为背景，研究了深部煤巷锚杆支护设计方法，主要 结论如下 1 针对深部煤巷的特性，建立了锚固岩梁力学模型，改进了锚固潜力设计方法， 得到了深部煤巷顶板锚杆支护参数初始设计方法；利用极限平衡理论，建立了煤帮锚杆 支护力学模型，获得了深部煤巷帮部锚杆支护参数初始设计方法，分别推导出顶板和帮 部的锚杆支护参数。以安居煤矿2 3 0 5 胶带顺槽为基础，计算出了巷道顶板和两帮的支护 参数，为巷道的初始支护设计提供指导。 2 通过采用F L A C 3 D 数值模拟软件对巷道5 种不同的支护方案进行模拟，得出 不同支护方案下巷道围岩的变形破坏特征，经对比分析发现，方案l 所采用的锚杆锚索 支护参数即能保证巷道支护的安全稳定，有效抑制巷道围岩变形破坏，又能节省材料， 经济高效，从而确定优化后的支护参数。 3 通过对2 3 0 5 胶带顺槽的现场监测发现，巷道的顶板下沉量、顶底板移近量、 两帮移近量稳定后都控制在较理想的范围内；锚杆、锚索受力相对稳定后，监测数值满 足锚杆、锚索的强度要求；巷道顶板岩层破裂区主要分布在7 m 以下的范围内，并且没 有出现大破碎区、大离层。监测结果表明，支护后巷道的围岩变形破坏得到有效控制， 支护方案是合理的，最终的巷道支护参数得到确定。 监测 关键词深部开采；锚杆支护力学模型；煤帮支护设计方法；模拟优化；现场 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A B S T R A C T A tp r e s e n t ，c h i n a sd e m a n df o rc o a li ss t i l lv e r yl a r g e ，m i n i n gi n t e n s i t yi ss t i l lh i g h ， s h a l l o wr e s o u r c eb e c o m em o r es c a r c e ，d e e pm i n i n gh a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n tt r e n do fc o a l i n d u s t r y ．H o w e v e r , u n d e rc o n d i t i o n so fb i gg r o u n dp r e s s u r e , s u r r o u n d i n gr o c ko fr o a d w a yi s s e v e r e l yd a m a g e d , i ti sd i f f i c u l tt os u p p o r t ，a n di tb r i n g ss e r i o u sa f f e c t i o nt os a f e t yp r o d u c t i o n ， m e a n w h i l e ，t h ee x i s t i n gm e t h o do fb o l ts u p p o r td e s i g nh a sb e e nn o ts u i t a b l ef o rd e 叩s u p p o r t c o m p l e t e l y , a n dn e e dt oi m p r o v e ．T h e r e f o r e ，t h em e t h o do ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r a l s i m u l a t i o na n df i e l dm o n i t o r i n gi su s e di nt h i sp a p e rt os t u d yd e s i g nm e t h o do fb o l ts u p p o r ti n d e e pc o a lw a y , b a s i n go n2 3 0 5r u b b e rb e l tr o a d w a yo fA n j uc o a lm i n e ．T h em a i nc o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w s 1 A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fd e e pc o a lr o a d w a y , m e c h a n i c a lm o d e lo fa n c h o r i n g r o c kb e a mW a se s t a b l i s h e d ，a n c h o r i n gp o t e n t i a ld e s i g nm e t h o dw a si m p r o v e d ，i n i t i a ld e s i g n m e t h o do fr o o fb o l ts u p p o r tp a r a m e t e rw a sg a i n e di nd e e pc o a lw a y , u s i n gl i m i te q u i l i b r i u m t h e o r y , b o l t i n gm e c h a n i c a lm o d e lo fr o a d w a ys i d eW a se s t a b l i s h e d ，i n i t i a ld e s i g nm e t h o do f c o a ls i d eb o l ts u p p o r tp a r a m e t e rw a sg a i n e di nd e e pc o a lw a y , b o l ts u p p o r tp a r a m e t e ro fr o o f a n dr o a d w a ys i d ew a sd e d u c e d ．b a s i n go n2 3 0 5r u b b e rb e l tr o a d w a yo fA n j uc o a lm i n e ， s u p p o r tp a r a m e t e r so ft h er o o fa n db o t hs i d e sw e r ec a l c u l a t e d ，t h a tg u i d e dt h ei n i t i a lr o a d w a y s u p p o r td e s i g n ． 2 B yu s i n gF L A C 3 Dt o s i m u l a t e5d i f f e r e n ts u p p o r t i n gs c h e m e so ft h er o a d w a y , s u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o na n df a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n ts u p p o r t i n gs c h e m e sw e r e g a i n e d ．c o m p a r i s o na n da n a l y s i ss h o wt h a t ，s c h e m e1c a n e n s u r et h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h e r o a d w a ys u p p o r t ，e f f e c t i v e l yi n h i b i ts u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o na n df a i l u r e ，a n dC a ns a v e m a t e r i a l ，e c o n o m i ce f f i c i e n c y , t h eo p t i m i z e ds u p p o r tp a r a m e t e rw a sd e t e r m i n e d ． 3 T h r o u g ht h ef i e l dm o n i t o r i n go n2 3 0 5r u b b e rb e l tr o a d w a y , t h er o o fc o n v e r g e n c e ， c o n v e r g e n c eb e t w e e n r o o f a n df l o o ra n dc o n v e r g e n c eo f b o t hs i d e sw e r ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l y , w h e nb o l ta n dc a b l ef o r c eW a ss t a b l er e l a t i v e l y , t h em o n i t o r i n gd a t am e tr e q u i r e m e n to ft h e s t r e n g t ho fb o l ta n dc a b l e ，t h ef r a c t u r e dz o n eo f r o o fr o c ks t r a t aW a sm a i n l yd i s t r i b u t e di nt h e r a n g eb e l o w7 m , a n d t h e r eW a sn ol a r g ef r a c t u r e dz o n e ，l a r g ea b s c i s s i o nl a y e r ．T h em o n i t o r i n g 山东科技大学硕士学位论文摘要 r e s u l t ss h o wt h a ts u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o na n df a i l u r eg a i ne f f e c t i v ec o n t r o l ，s u p p o r t i n g s c h e m ei sr e a s o n a b l e ，t h ef i n a ls u p p o r tp a r a m e t e rw a sd e t e r m i n e d ． K e yw o r d s d e e pm i n i n g ；b o l ts u p p o r t ；m e c h a n i c a lm o d e l ；c o a ls i d e ；m e t h o do fb o l t s u p p o r t ；s i m u l a t i o no p t i m i z a t i o n ；f i e l dm o n i t o r i n g 山东科技大学硕士学位论文目录 目录 1 ．1 课题的研究背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 研究内容、方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 深部爆巷锚杆支护参数初始设计方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 深部煤巷项板锚杆支护参数初始设计方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 深部煤巷帮部锚杆支护参数初始设计方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3 计算实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 深部煤巷锚杆支护参数模拟优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．1 拉格朗日元法原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 深部煤巷锚杆不同支护参数模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 深部煤巷围岩控制现场工业试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．1 试验区工程条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 2 3 0 5 胶带顺槽断面支护参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．32 3 0 5 胶带顺槽矿压监测研究⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 7 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 些查型垫奎堂堡主堂堡笙壅 旦墨 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 攻读硕士期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 山东科技大学硕士学位论文目录 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯l 1 ．1R e s e a r c h b a c k g r o u n d a n ds i g n i f i c a n c e ．⋯．．．⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯．．．．．⋯．．⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．．⋯．1 1 ．2 R e s e a r c hs t a t u sa t h o m ea n d a b r o a d ．．⋯⋯．．．⋯．．⋯．．．⋯．．．⋯．．．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯．⋯．．．．⋯⋯⋯．．2 1 ．3R e s e a r c hc o n t e n t s ．m e t h o d sa n dt e c h n i c a lr o u t e ．⋯．．⋯．⋯⋯．．．．．．⋯．．⋯．⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯1 1 2S t u d yo ni n i t i a ld e s i g nm e t h o do fb o l ts u p p o r tp a r a m e t e ri nd e e pc o a lw a y ．⋯．．．．⋯．．⋯1 2 2 ．1S t u d y o n i n i t i a l d e s i g n m e t h o d o f r o o f b o l ts u p p o r t p a r a m e t e r i n d e e pc o a l w a y ⋯，⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 2 2 ．2S t u d y o n i n i t i a l d e s i g n m e t h o d o f c o a ls i d e b o l ts u p p o r t p a r a m e t e r i n d e e pc o a l w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3C a l c u l a t i o ne x a m p l e ．．。．．，．．．．．．．。．．．．．。．。。，．．．．⋯．．．．．，．．⋯。。．。．．．。．．。．⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯。．．。．。．。。．．。。．．．．。。．2 3 2 ．4B r i e f s u m m a r y ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 7 3S i m u l a t i o no p t i m i z a t i o no fb o l t i n gp a r a m e t e ri nd e e pc o a lw a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．1P r i n c i p l eo f l a g r a n g i a n e l e m e n t m e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．～2 8 3 ．2S i m u l a t i o n o f d i f f e r e n ts u p p o r t p a r a m e t e r i n d e e pc o a l w a y ．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．3 1 3 ．3B r i e f s u m m a r y ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．4 2 4F i e l di n d u s t r i a lt e s to fs u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o l i nd e e pc o a lw a y ．⋯．．．⋯．⋯⋯．．⋯．⋯．．⋯．．A 3 4 ．1E n g i n e e r i n gc o n d i t i o n o f t e s t a r e a ⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 4 3 4 ．2S u p p o r t p a r a m e t e r o f 2 3 0 5r u b b e r b e l tr o a d w a y ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 4 4 ．3 S t u d y o n g r o u n d p r e s s u r e m o n i t o r i n g o f 2 3 0 5r u b b e r b e l tr o a d w a y ．．．．．．．，。．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．。．．。．．．．．。4 7 4 ．4B r i e f s u m m a r y ⋯⋯．．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5C o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．1M a i n c o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．2I n n o v a t i v e p o i n t s ．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．5 7 5 ．3R e s e a r c hp r o s p e c t s ．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 7 A c k n o w l e d g e m e n t s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．- ．．⋯⋯5 8 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 山东科技大学硕士学位论文 目录 M a j o ra c h i e v e m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 山东科技大学硕士学位论文 1 ．1 课愿的研究背景和意义 煤炭是推动经济发展的重要能源，在我国一次能源的消费中占7 0 ％左右。煤炭需求 量的持续增高，迫使煤炭开采强度逐年增大。随着煤炭资源开采强度、规模不断增大和 机械化水平日益提高，存在于浅部的煤炭资源己越来越少，煤炭资源的开采不得不向深 部煤层发展。 目前，山东省存在许多开采深度超过8 0 0 m 的矿井，例如兖矿、新汶等【l 】。深部开 采存在很多问题，温度高、矿压大，并且潜伏着许多地质灾害也是难以预料的，如巷道 突水、冲击地压、岩爆和煤与瓦斯突出等，严重影响着工人的生命安全及煤矿的生产安 全。开采深度增大后，地应力伴随着显著增加，巷道围岩应力增高，深部巷道表现出许 多新的特点巷道围岩大变形和强流变、动力响应的突变性、延性特征凸显【2 1 ；开挖后 巷道的持续变形、流变成为深部巷道的主要特征。因此，深部巷道围岩有效控制成为深 部开采的重要任务。 我国煤矿巷道的主要支护方式是锚杆支护【3 ‘5 】。上世纪8 0 年代，淮南、新汶等部分 矿区首先开展了一些基础性的试验，然后经过多年发展，目前，我国大部分煤矿都己采 用锚杆支护，锚杆支护技术的推广应用使得支护成本减少、支护效果改善、成巷速度加 快、劳动强度降低、断面利用率增高，己成为煤矿高效率生产不可或缺的配套技术。对 于深部巷道，仅仅锚杆支护已不能满足巷道的支护强度要求，锚网索带联合支护已经在 深部巷道支护中成为新的发展趋势，正被越来越多的煤矿所采用。锚网索带联合支护能 更有效的抑制深部巷道的变形破坏，维持巷道的稳定，保证生产的安全进行。 济矿集团安居煤矿开采深度已经超过9 0 0 m ，地应力大。2 3 0 5 胶带顺槽项板岩性主 要为细砂岩、中砂岩，浅灰绿、灰白色，波状层理，斜层理，以石英为主，次位长石， 少量暗色矿物，硅泥质胶结，分选好，具裂隙，充填方解石，属于Ⅲ类围岩。巷道根据 工程类比法，采用锚网索带联合进行永久支护。由于锚杆支护并未结合具体的巷道围岩 和地质条件进行系统设计，而是凭借经验及工程类比法确定，导致巷道部分地段出现片 帮、底鼓现象，巷道顶板网兜严重，巷道返修量极大，迫切需要提出适合深部煤巷的锚 杆支护设计方法，对安居煤矿2 3 0 5 胶带顺槽的围岩进行安全控制。 针对深部煤巷的支护难题，本文以安居煤矿2 3 0 5 胶带顺槽为研究对象，分析巷道围 山东科技大学硕士学位论文绪论 岩变形破坏规律，提出可靠的锚杆支护设计方法，并结合数值模拟优化及现场监测验证， 确定最终支护参数，保证巷道支护稳定，降低巷道成本，确保安全生产。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 深部煤巷锚杆支护设计方法研究现状 当使用锚杆进行巷道支护时，锚杆的支护设计直接影响巷道的稳定、经济和安全， 因此，锚杆支护设计方法一直都是巷道支护的重要研究方向，受到了该领域的学者的极 大关注。现有的煤巷锚杆支护设计方法主要有四大类，其分别为理论计算法、现场监测 法、计算机模拟分析法和工程类比法。 1 理论计算法 该方法是基于岩体力学作为指导理论，根据部分锚杆支护机理的经验公式和对巷道 围岩稳定性的理论分析进行巷道支护参数设计，其中的荷载一结构模式计算方法是主要 的计算方法之一。这种方法进行巷道支护设计时，依靠的是对岩体与结构之间的相互作 用及巷道围岩的应力和变形的分析研究，不再依赖于任何一种荷载假定，其已经成为巷 道围岩稳定性的主要分析方法[ 6 1 。对于煤巷的锚杆支护机理，国内外学者进行了大量、 深入的探究，研究成果为更进一步的发展煤巷锚杆支护理论和推广锚杆支护技术在各种 煤矿巷道中的应用奠定了稳固的基础，主要有 ①悬吊理论 该理论由美国L o u i sA ．P a n e k l 7 8 1 提出，如图1 ．1 所示。悬吊理论指出巷道顶板上部稳 定的岩层通过锚杆的作用对下部较软弱和破碎的岩层进行悬吊，从而整个顶板的强度得 到加强。但在分析过程当中，由于对巷道围岩的自承能力没有进行考虑，而是把原岩体 和锚固体分开研究，此时，锚杆的悬吊作用与真实情况就有了较大的差距，导致最终的 计算结果存在误差。另外，悬吊理论仅对巷道的项板比较适用，却不适用于巷道的底板 及两帮，如果巷道的顶板中没有稳定、坚硬的岩层或软弱的岩层很厚，且巷道围岩存在 较大的破碎范围，这都将导致锚杆不能锚固到深部的坚固岩层或未松动岩层上，则此时 悬吊理论也不适用【9 】。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 ；j 曩 曩；蔓 、 ． 坚硬； 山 层 f i j 曩 ㈡ ⋯软I ’⋯弱⋯ 图1 ．2 组合梁理论示意图[ 1 0 】 F i g ．1 ．2S c h e m a t i cd i a g r a mo fc o m p o u n db e a mt h e o r y ⑨全长锚固中性点理论 些查型垫奎兰堕主兰垡笙苎 丝垒 该理论是由我国王明恕教授【1 1 】提出的，如图1 ．3 所示。支护巷道的锚杆能有效阻止 深部和浅部围岩向巷道开挖空间移动或变形，中性点的特征为，拉应力达到峰值时，剪 应力值为0 。从中性点向锚杆深、浅两端方向的拉应力逐渐减小，而剪应力却逐渐增大。 虽然中性点理论对锚杆在巷道围岩体内受力情形和过程进行了清晰描述，但利用该理论 还有一些问题难以合理解释，因此，还需要进一步的完善【l 2 1 。 l ～ 拉应力 ∑公 ／＼j r j j ＼ ＼j ‘ 巾性点＼＼锚杆长度7 ＼＼ ～～ 剪应力 r 图1 ．3 锚杆受力曲线‘1 1 】 F i 9 1 ．3B e a r i n gc u r v eo f t h eb o l t ④加固拱理论 1 9 5 5 年T ．L ．V R a b e e w i c z 首先提出了锚杆能使隧道围岩中形成具有一定厚度的压缩 带承受围岩压力的观点。在7 0 年代，通过光弹试验，兰氏 T A L a n g 和彭德 P e n d e r 提出了加固拱理论[ 1 3 - 1 8 】。加固拱理论认为，在预应力作用下单体锚杆对围岩产生挤压作 用，能形成以锚头和紧固端为作用点的锥形压缩区，当多根锚杆以合理的间距布置时， 每根锚杆周围形成的压缩区彼此相互叠加，形成一均质压缩带，这便是加固拱。如图1 ．4 所示。 加固拱理论在一定程度上准确的反映了锚杆的支护作用，但在实际应用中，通常都 忽略了巷道围岩和支护结构的相互作用关系，只是将单体锚杆进行简单的相互叠加，在 巷道围岩中得到最终形成的复合支护结构，没有对单体锚杆加固围岩的具体作用机理进 行深入的研究分析，并且加固拱的参数主要是依靠经验来选取，计算时与实际情况存在 一定的差距，一般不能将其作为准确的定量设计方法。 4 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 一锚杆2 一加崮拱 图1 ．4 加固拱理论示意刚1 8 】 F i g ．1 ．4S c h e m a t i cd i a g r a mo f r e i n f o r c i n ga r c ht h e o r y ⑤最大水平应力理论 最大水平应力理论认为，垂直应力的影响主要表现于巷道两帮而导致帮部破坏，水 平应力的影响主要显现于巷道的顶底板岩层，并指出锚杆的作用是沿锚杆轴向约束岩层 膨胀和在垂直其轴向方向约束岩层的剪切错动‘1 9 之5 1 。目前该理论得到了较为广泛的应用， 为巷道布置及高强度锚杆支护技术的推广应用提供了依据。 ⑥松动圈理论 根据围岩中存在松动破碎带的客观状态提出了松动圈理论，松动圈理论指出陋2 8 】 围岩松动圈的存在是巷道的固有特性，巷道的支护对象除了巷道深部围岩的部分弹塑性 变形和松动圈围岩的自重外，还有松动圈围岩的碎胀变形，往往后者占据着主导地位， 即巷道支护作用主要是控制围岩松动圈产生和发展过程中的碎胀变形。根据围岩松动圈 厚度值的大小不同，可将其进一步划分为小、中和大松动圈三类。 表1 ．1 巷道支护围岩松动圈分类表口6 】 T a b ．1 ．1L o o s ec i r c l ec l a s s i f i c a t i o ns c h e m e so f t h er o a d w a ys u p p o r i n g 山东科技大学硕士学位论文 绪论 ⑦锚固支护潜力理论 由山东科技大学谭云亮教授‘2 9 1 提出的锚固支护潜力理论定义锚固潜力系数为加锚 顶板的极限跨度和未加锚顶板的极限跨度的比值。锚固潜力系数反映了进行锚固后的顶 板的稳定跨度的增加程度，不仅为巷道锚杆支护提供了稳定性或安全性判别的准则，而 且为定量安全地进行锚固控制设计提供了理论依据[ 3 0 - 3 1 】。但运用锚固潜力系数进行巷道 锚杆支护设计仍存在一些问题，有待于进一步研究。 2 现场监测法 现场监测设计法的代表主要是新奥法。新奥法起源于奥地利，在西欧诸国得到发展， 7 0 年代后期在日本迅速发展，随后，逐渐在世界各地的隧道施工中被应用‘3 2 - 3 3 ] 。 新奥法的基本思想及主要原则如下 ①巷道是依靠自身围岩的承载能力进行支护的，施工时紧密贴合衬砌和围岩，使之 成为一整体结构； ②在开挖过程当中，尽最大可能的保持巷道围岩的原始强度； ⑨由于巷道围岩松动会致使围岩的强度降低，所以要最大限度的防治围岩松动； ④应尽量的避免巷道围岩的单向或双向应力状态的出现； ⑤要通过两个方面适当的对围岩变形进行控制，一是为便于形成围岩支承环，允许 围岩向巷道空间收敛变形，二是要限制大变形，以防止围岩强度降低； ⑥应对巷道及时支护； ⑦若开挖巷道时估计围岩会产生松动或大变形，应采用能够将开挖面全部覆盖并紧 密贴合巷道围岩的支护； ⑧软性支护结构应作为第一次支护，从而尽量限制弯矩及由弯矩引起的拉裂破坏。 把新奥法当作巷道的支护理论来看时，可以说是一种较新的巷道支护思想，在提出 主动支护的同时，指出要想支护效果得到充分发挥必须结合巷道围岩自身强度进行自我 支护，并为更好的对巷道施工进行指导总结出了一整套支护原则。 3 计算机模拟分析法 目前，英国和澳大利亚进行锚杆、锚索的支护设计较多的利用计算机进行数值模拟 分析来实现，认为锚杆、锚索的支护设计必须始终保证巷道处于安全、可靠的状态，而 可靠的设计须以锚杆受力，对开采引起的围岩变形及支护效果的精确监测为基础。通过 大量的研究提出了如下几种手段，首先通过对巷道围岩进行监测，得到锚杆等支护体在 不同时期的工作状态以及矿压显现的规律然后，建立与之相对应的数值计算模型，分 6 坐查型垫奎堂堡主兰垡兰茎 一．一 箜兰 析验证所选取的不同支护参数的优劣，进而确定更为合理的支护参数及最优方案t 3 4 - 3 5 1 。 F L A C 等模拟软件能够清楚的展现支护后的巷道围岩应力分布情况，更好的认识矿山压 力显现，但由于计算机本身存在缺陷，并且进行锚杆支护设计时利用数值软件模拟也是 有局限的，如计算机数值模拟需要精确的原始参数，但现场获取的巷道围岩的参数经常 不精确，这就导致模拟的结果与实际不符。这样不仅不能对巷道支护设计进行指导，而 且会误导，引起支护问题。 4 工程类比法 工程类比法应用比较普遍，该方法基于大量的成功经验，对比分析将要设计的巷道 的工程地质条件及参考相邻的或者相似的已有成功经验，把可用的成功经验挪用到新建 工程上，是主要依靠经验并结合较简单的经验公式计算来进行设计的一种方法。因此， 这种方