深部沿空掘巷高强锚杆破断机理研究.pdf

论文题目 深部沿空掘巷高强锚杆破断机理研究 作者- l i n g 王垩至入学时间2 Q 里2 生2 旦 专业名称墨芷王程研究方向芷出匡左皇蚩屋撞剑 指导教师差壶蓥职 称 夔援 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 2 Q 曼生鱼且 2 Q 曼量生鱼旦 s T u 。Y 。NT H EB R 。K E N M E c H A N I 一 H I G H ．S T R E N G T HB 0 1 月I NG O B ．S I D EE N T R YD R I V I N G R o A D Ⅵ，A YI ND E E PM I N E AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l 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 A S T E RO FP H I L O S O P I I Y f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n d T e c h n o l o g y W a n gY a j u n S u p e r v i s o r P r o f e s s o r F a n K e g o 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 J u n2 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 日期 、． ．人 沙r r 、‘、，口 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 l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e d o fa c k N o w l e d g e 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 rq 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 c i n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 伽，r 、 吼 m呵以 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文针对岱庄生建煤矿湖西矿井31 2 0 2 工作面沿空运输巷锚杆破断问题，运用理论 分析、数值模拟和现场验证的方法对深部沿空掘巷高强锚杆破断机理进行了较系统的研 究。以深部沿空掘巷高强锚杆受力环境为出发点，通过理论分析和数值模拟探讨了相邻 工作面侧向支承压力在沿空掘巷围岩中的发展规律，分析了深部沿空掘巷项板及两帮的 变形破坏特征，得出锚杆杆体受到来自周围环境的主要外力有轴向拉力、围岩位移对锚 杆产生的横向分布载荷以及钢带剪切力；根据锚杆与钢带作用形式不同，提出深部沿空 掘巷高强锚杆具有两种不同的受力形式，即钢带变形挤压锚杆导致杆体受力和锚杆变形 挤压钢带导致杆体受力。针对深部沿空掘巷高强锚杆两种受力形式，分别建立了锚杆受 力模型，通过计算得出锚杆轴力在自由段沿杆体均匀分布、在锚固段呈负指数递减，锚 杆剪力在杆体与钢带接触位置最大，并运用数值模拟验证了理论计算的可靠性；同时， 通过对各位置锚杆受力情况进行对比分析，得出最易发生锚杆破断的关键部位为巷道顶 角和帮角。根据锚杆的破断位置和破断原因，阐述了深部沿空掘巷高强锚杆破断机理， 结合矿井实际，提出了深部沿空掘巷高强锚杆破断的预防对策，对保证安全生产、控制 巷道变形、减少巷道维护成本等具有重要意义。 关键词深部；沿空掘巷；高强锚杆；锚杆破断预防对策 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A b s t r a c t A i m i n ga tt h ep r o b l e mo ff r a c t u r eo fb o l t si n 312 0 2c o n v e y a n c ee n t r yo fD a i z h u a n g S h e n g j i a nH u x ic o a lm i n e ，u s i n gm e t h o d so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d f i e l dv e r i f i c a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o nc o n d u c t e das y s t e m a t i cs t u d yo nt h em e c h a n i s mo ff r a c t u r e o fh i 曲- s t r e n g t hb o l t si nd e e pg o b - s i d ec o a lr o a d w a y ．P r o c e e d i n gf r o mt h es t u d yo fs t r e s s e n v i r o n m e n to fh i g h s t r e n g t hb o l t si nd e e pg o b s i d er o a d w a y , t h ea u t h o re x p l o r e dt h e d e v e l o p m e n tl a w o fl a t e r a ls u p p o r tp r e s s u r ef r o ma d j a c e n tw o r k i n gf a c ei ns u r r o u n d i n gr o c ko f d e e pg o b s i d e c o a lr o a d w a yt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n d a n a l y s e dt h ed e f o r m a t i o nl a wo fr o o fa n dt w os i d e s ，a n do b t a i n e dt h a tt h em a i nf o r c e st h a t c a m es t r e s se n v i r o n m e n to fh i g h - s t r e n g t hb o l t sw e r ea x i a lt e n s i l ef o r c e ，l a t e r a ll o a do f s u n o u n d i n gr o c ka n ds h e a r i n gf o r c ef r o ms t e e lb e l t ；A c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ti n t e r f e c t i o no f b o l t sa n ds t e e lb e l t s ，t h ea u t h o ri l l u s t r a t e dt h a tt h eh i g h - s t r e n g t hb o l t si nd e e pg o b s i d ec o a l r o a d w a yh a dt w od i f f e r e n ts t r a i n e dc o n d i t i o n s ，t h a tw e r es t e e l se x t r u d i n gb o l t sa n db o l t s e x t r u d i n gs t e e l s ．A i m i n ga tt w od i f f e r e n ts t r e s sf o r m so fh i g h - s t r e n g t hb o l t si nd e e pg o b - s i d e c o a lr o a d w a y , t h ea u t h o re s t a b l i s h e dt w od i f f e r e n tf o r c em o d e l sa n do b t a i n e dt h ed i s t r i b u t i o n l a wt h a to fa x i a lf o r c ea n ds h e a rf o r c ea l o n gt h el e n g t ho fb o l t sb yc a l c u l a t i o n ，t h a tw a st h e a x i a lf o r c ew a sh o m o g e n e o u si nt h ef r e es e g m e n to fb o l ta n dW a san e g a t i v ee x p o n e n t i a l d e c l i n ei nt h ea n c h o rs e g m e n ta n dt h es h e a rf o r c ew a sl a r g e s ti nt h ev i c i n i t yo fs t e e lb e l t ．T h e n t h ea u t h o rv e r i f i e dt h er e l i a b i l i t yo ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．A tt h e s a m et i m e ，t h ea u t h o re x p l o r e dt h ef o r c ec o n d i t i o no fb o l t si nd i f f e r e n tp o s i t i o n sb yc o n t r a s t i v e a n a l y s i s ，a n df o u n dt h ek e yp o s i t i o nw h e r eb o l t sa r em o s tl i k e l yt o f r a c t u r ew e r ec o m e r so f r o o fa n dt w os i d e s ．A c c o r d i n gt ot h eb r o k e np o s i t i o n sa n dr e a s o n so fb o l t s ，t h ea u t h o rs t a t e d t h em e c h a n i s mo ff r a c t u r eo fh i g h - s t r e n g t hb o l t si nd e e pg o b - s i d ec o a lr o a d w a y ．C o m b i n i n g w i t ht h ec a s u a lc o n d i t i o no fH u x ic o a lm i n e ，t h ea u t h o rp r o p o s e dp r e v e n t i o nm e a s u r e sf o r f r a c t u r eo fh i g h - s t r e n g t hb o l t si nd e e pg o b - s i d ec o a lr o a d w a y , a n di ti sv e r yi m p o r t a n tt ot h e s a f e t yo fp r o d u c t i o n ，c o n t r o l l i n go fr o a d w a yd e f o r m a t i o na n dr e d u c i n gr o a d w a ym a i n t e n a n c e c 0 S t s ． K e y w o r d s d e e pm i n e ；g o b - s i d ec o a lr o a d w a y ；h i g h s t r e n g t hb o l t ；f r a c t u r eo fb o l t ； p r e v e n t i o nm e a s u r e s 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 1 缌} 论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 课题的提出及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 存在的主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 课题研究的方法、内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 深都沿空掘巷高强锚杆破断情况分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 锚杆破断及钢带变形情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 深部沿空掘巷高强锚杆受力t r d l t 分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 3 ．1 深部沿空掘巷围岩应力分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 3 ．2 深部沿空掘巷围岩变形破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．3 深部沿空掘巷高强锚杆受力环境对锚杆受力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 深部沿空掘巷高强锚杆受力特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 。1 深部沿空掘巷锚杆受力模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 ．2 深部沿空掘巷锚杆受力数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 5 深部沿空掘巷高强锚杆破断机理与预防对策⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 5 ．1深部沿空掘巷高强锚杆破断机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 l 5 ．2 深部沿空掘巷高强锚杆破断预防对策⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 攻读硕士期闻主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 Co n t e n t s lI n t r o d u c t i o n ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 P r o p o s i n ga n dR e s e a r c hS i g n i f i c a n c eo f t h eS u b j e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2R e s e a r c hS t a t u sa tH o m ea n dA b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3P r o b l e m so fE x i s t i n gR e s e a r c hF i n d i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 M a i nC o n t e n t ．M e t h o da n dT e c h n i q u eR o u t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 A n a l y s i so fF r a c t u r eC o n d i t i o n s o fH i 【g h s t r e n g t hB o l t si nD e e pG o b s i d eC o a l R o a d w a y ⋯．．⋯⋯．．．⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．1 P r o j e c tD e s c r i p t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 2 ．2F r a c t u r eP o s i t i o na n dM o r p h o l o g yo fB o l t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12 2 ．3 C h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 A n a l y s i so fS t r e s sE n v i r o n m e n to fH i g h s t r e n g t h B o l t si nD e e pG o b s i d eC o a l R o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1D i s t r i b u t i o nC h a r a c t e r i s t i co fS u r r o u n d i n gR o c kS t r e s si nD e e pG o b - s i d eC o a lR o a d w a y ⋯⋯．1 5 3 ．2 T r a n s f o r m a t i o nC h a r a c t e r i s t i co fS u r r o u n d i n gR o c ki nD e e pG o b - s i d eC o a lR o a d w a y ⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3 I n f l u e n c eo fS t r e s sE n v i r o n m e n tt oS t r e s sC h a r a c t e r i s t i co fH i ．g h - s t r e n g t h B o l t si nD e e p G o b ．s i d eC o a lR o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．4 C h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”3 4 4 A n l y s i so fS t r e s s C h a r a c t e r i s t i c o fH i ．g h - s t r e n g t hB o l t si nD e e pG o b s i d eC o a l R o a d w a y ⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 5 4 ．1F o r c eM o d e lo f H i g h ．s t r e n g t hB o l l si nD e e pG o b - s i d eC o a lR o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2N u m e r i c a lS i r e u l a t i o nf o rS t r e s sC h a r a c t e r i s t i co fH i 【g h - s t r e n g t hB o l t s i nD e e pG o b 。s i d eC o a l R o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．3 C h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5F r a c t u r eM e c h a n i s mo fH i g h ．s t r e n g t hB o l t si nD e e pG o b s i d eC o a lR o a d w a ya n d P r e v e n t i o nM e a s u r e s 。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”⋯”5 l 5 ．1 F r a c t u r eM e c h a n i s mo f H i g h - s t r e n g t hB o l ti nD e e pG o ．s i d eC o a lR o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．2 P r e v e n t i o nM e a s u r e sf o rF r a c t u r eo f H i g h - s t r e n g t hB o l t si nD e e pG o b s i d eC o a lR o a d w a y ⋯⋯5 2 5 ．3 C h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6M a i nC o n c l u s i o n s ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 A c k n o w l e d g e m e n t s ⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”5 6 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 7 M a i nA c h i e v e m e n t sD u r i n gW o r k i n gO nM a s t e rD i s s e r t a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 I I 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 课题的提出及研究意义 随着我国煤矿开采深度不断增加，地质条件更加恶化，地温升高、地应力增大、岩 体破碎严重、涌水量增大等不利因素逐渐显现，这些因素导致深部巷道围岩稳定性控制 难度加大、工人作业环境恶化、支护难度和支护成本急剧增加，使深部资源开采面临一 系列的严峻挑战【l 3 1 。就问题本质而言，深部开采与浅部开采具有明显的差异，主要在于 围岩所处的应力环境不同，进而导致围岩力学性质以及围岩变形破坏程度不同。尤其是 受采动影响显著的沿空巷道，在浅部表现为硬岩性质的普通岩石，在深部沿空掘巷围岩 中可能表现出软岩的性质一易破碎膨胀、易变形并具一定的蠕变性。沿空掘巷开挖后， 巷道表面形成自由面，其开挖侧应力为零，如不及时施加有效地支护措施，围岩两侧应 力差急剧增大，围岩将产生塑性变形。塑性变形导致围岩内部形成潜在的滑移面，在这 些滑移面以及原有的软弱结构面上，当剪应力达到或超过其抗剪强度时，会造成围岩的 剪切滑移破坏，围岩将很快地由表及里发生变形一破裂一破碎一整体失稳破坏。 传统的普通锚杆支护技术，是基于浅部低应力环境提出的，由于普通锚杆无法施加 高预应力，只有当围岩发生变形后锚杆才能产生较大拉力，因而无法充分发挥锚杆主动 支护的优势。对于深部高地应力作用下的沿空掘巷，受侧向支承压力影响围岩变形较实 体煤巷道要大得多，如不能获得足够高的支护抗力，将导致支护体甚至整条巷道失稳破 坏。因此，深部沿空掘巷开挖后，应及时有效地施加支护措施，改善围岩的高应力差环 境【4 】。采取措施越及时，施加的支护强度越高，围岩遭受破坏的程度越轻，保持的围岩 完整性越好，围岩越稳定。为了满足以上要求，许多专家、学者提出了以树脂药卷作为 锚固剂的高强预应力锚杆支护技术。高强预应力锚杆具有承载力高的特性，配合使用能 够迅速固化的树脂药卷作为锚圃剂，能在最短的时间内提供足够高的支护抗力，减小围 岩因巷道开挖引起的应力差，从而达到维持巷道稳定的目的。 高强预应力锚杆支护技术被提出后，在新汶、淮南、潞安、晋城、汾西等多个矿井 进行了井下现场试验，试验结果显示巷道围岩变形量明显减小，收到了良好的支护效果， 成功地解决了复杂、困难条件下的多种支护难题【5 】。但在工程应用中发现，由于高强锚 杆具有刚度大、性脆、延伸率低等特点，在轴向上不能随围岩变形及时让压或在横向上 些查型垫奎堂堡主堂垡笙奎 堑笙 受到较大的剪切作用时，锚杆容易发生破断，进而导致支护系统破坏，巷道变形加剧。 岱庄生建煤矿湖西矿井31 2 0 2 工作面沿空运输巷与相邻工作面轨道巷之间留设5 m 小煤柱沿空掘巷，埋深7 0 0 m 左右，巷道净宽4 ．8 m ，净高4 ．2 m ，掘进断面积2 1 ．5 m 2 ，形 状为矩形。巷道支护形式为高强锚杆 锚索 钢带 金属网组合支护。通过对湖西矿井 3 1 2 0 2 工作面沿空运输巷调研发现，巷道掘进过程中，某些位置存在锚杆破断现象，发 生破断的锚杆多位于巷道顶角、帮角，锚杆破断形式有拉断和剪断两种，其中以剪断为 主。锚杆破断影响到整个锚固系统的完整性及连续性，致使巷道变形量增大，不利于矿 井的安全生产。 本论文以湖西矿井31 2 0 2 工作面沿空运输巷为平台，在分析深部沿空掘巷高强锚杆 受力环境的基础上，对杆体受力进行分析，探讨巷道各位置锚杆受力情况，找出巷道最 容易发生锚杆破断的关键位置、锚杆的破断形式及原因，阐明深部沿空掘巷高强锚杆破 断机理并提出合理的预防措施。论文研究成果能够为以后沿空掘巷支护方案设计提供参 考，有针对性的对巷道支护设计进行优化，预防锚杆破断的发生。对控制巷道变形、减 少巷道维护成本、提高经济效益、保证安全生产等具有重要意义。 1 ．2 国内外研究现状 近年来，针对深部矿井高地应力、动压影响、大断面等复杂、困难的支护条件，国 内外学者提出了高预应力、强力支护理论f 6 叫。但是由于高强锚杆具有刚度大、延伸率低 等特点，在应用该理论解决支护难题的同时，又面临着锚杆易发生破断的问题。为了研 究深部沿空掘巷高强锚杆破断问题，国内外学者做了大量工作，取得了丰硕的成果，本 课题研究过程中所查阅的文献主要有以下四个方面①深部沿空掘围岩应力分布规律研 究；②深部沿空掘巷围岩变形破坏特征研究；③高强锚杆支护技术研究；④高强锚杆受 力及破断机理研究。 1 ．2 ．1 沿空掘巷围岩应力分布规律研究现状 在以往工作面及巷道矿压理论研究成果的基础上，文献【1 0 1 通过分析沿空巷道围岩应 力分布特征，提出了沿空巷道围岩应力分布的“驼峰模型”，即基本顶岩层断裂后，在围 岩中形成的支承压力同时存在两个应力高峰，一个位于相邻工作面采空区基本顶在煤体 内的断裂位置，其值为K y 日；另一个位于相邻工作面基本顶回转下沉后在采空区触矸的 位置，其值为K 1 “ H ；并且指出相邻工作面采空区基本顶触矸后形成相对稳定的承载结 山东科技大学硕士学位论文绪论 构，此时开掘巷道为最佳的掘进时机，掘巷的最佳位置在应力降低区内。 杨科、谢广祥对回采期间综放工作面沿空掘巷围岩的应力分布及其演化特征进行了 深入研究，根据谢桥煤矿1 1 5 1 3 综放工作面沿空掘巷工程地质条件，运用数值模拟 与现场实测相结合的研究方法，综合分析了巷道围岩应力场在二次采动影响下的演化规 律，得出以下结论[ 1 1 1 巷道围岩的应力分布规律及其演化特征在回采期间具有明显的分 区性，巷道两帮围岩所受应力以垂直应力为主，水平应力较小，而顶底板岩层则相反， 其水平应力明显大于垂直应力，并且底板岩层中水平应力的峰值区范围相对顶板岩层较 大；巷道围岩应力分布的差异性及应力演化分区性导致围岩受力不均衡，从而造成此类 巷道变形严重以及巷道持续底鼓。 文献【l2 】分析了采空区上覆岩层“S ”型空间结构特点及其演化规律，同时，探讨了 侧向支承压力的分布规律；其次，对深井沿空掘巷上覆岩层“板一壳”大结构和“铰接 岩板半拱”小结构进行了深入研究，揭示了其与内外应力场的关系，并运用F L A C 3 D 数 值模拟软件对深井沿空采场、上覆岩层运移规律以及应力分布特征进行了系统分析；再 次，根据内应力场存在的判别条件，得出了深部开采条件下普遍存在内应力场的结论， 并提出“两场四区”理论，揭示了深部开采侧向支承压力分布规律。 针对动压影响下孤岛工作面沿空巷道围岩变形严重问题，赵鹏、马占国等【l3 】利用理 论分析、数值模拟以及现场试验等方法，对孤岛工作面沿空巷道稳定性进行了深入研究， 研究结果表明合理的煤柱宽度可以使小煤柱位于上覆岩层垮落后形成的砌体梁结构下 方，煤柱处于卸压区内，煤柱中所受应力明显降低，而巷道实体煤上方为砌体梁结构的 高位支承点，对其起主要的支承作用，从而达到利用上覆岩层结构特征控制孤岛工作面 沿空巷道围岩稳定的目的；由于采空区侧直接顶垮落后，基本顶失去支承力，基本顶岩 块会在实体煤上方发生断裂，断裂后的岩块以断裂线轴旋转下沉，煤壁受到垂直于巷道 轴向的旋转力矩作用，导致巷道帮部容易发生剪切变形。 根据综放沿空掘巷围岩力学环境，李顺才、柏建彪等【1 4 】建立了小煤柱的力学模型， 运用弹塑性力学全量理论的变分原理分析了窄煤柱的位移特征及应力分布规律，探讨了 锚杆支护阻力对煤柱表面位移量、垂直应力及水平应力等的影响，初步揭示了窄煤柱内 应力场和位移场的分布规律，得出支护阻力与煤柱两侧的相对位移及水平拉应力成反比， 与水平方向及垂直方向的最大压应力数值成正比。 张益东、张少华等利用数值模拟研究方法，研究了地应力大小及方向对沿空巷道表 面位移、锚杆支护参数及护巷煤柱尺寸等的影响，得出最大水平主应力的大小及方向是 3 坐奎型垫奎兰堡主兰垡笙茎 笙丝 影响锚杆支护巷道围岩稳定性的关键因素之一，最大水平主应力与巷道轴线的夹角越大， 巷道围岩的稳定性越好【1 5 】。常聚才、谢广祥通过对深部岩巷开挖后的围岩应力场、位移 场进行深入研究，揭示了深部巷道围岩力学特征及其稳定性控制机理，提出了深部巷道 锚一网一索刚柔耦合支护及围岩整体注浆加固技术，并成功应用于工程实践【l 酬。 另外，国内许多学者借助弹性力学理论，建立了深部沿空掘巷围岩的力学模型，并 通过必要的假设和简化，推导出了巷道顶板、实体煤帮和沿空帮围岩的应力分布表达式， 并利用某种强度准则确定了两帮围岩的塑性区宽度‘1 7 2 0 】。但是这些研究中普遍存在忽略 剪应力的问题，后来学者利用极限平衡理论对此进行修正，推导出了采空区边缘塑性区 内应力分布及塑性区宽度的关系式口1 2 2 1 。将开采条件和倾角等因素的影响考虑在内，谢 广祥等也应用弹塑性极限平衡理论，对相邻工作面侧向支承压力在煤柱中的分布规律进 行计算，得出其峰值位置的计算公式[ 2 3 1 。 对于深部沿空掘巷，相邻工作面采空区直接顶垮落后，基本顶失去下部支承从而产 生弯曲下沉，当其挠度达到一定程度后，基本项岩块会在深入实体煤内部的位置发生断 裂，导致侧向支承压力向煤体更深处转移。在基本顶弯曲下沉、支承压力向深部转移的 过程中，煤层边缘煤体首先遭到破坏，形成一定厚度的破碎区，破碎煤体承载作用减小， 因此在煤体边缘一定范围内形成应力降低区，沿空掘巷的最佳位置既是在该应力降低区 内，但因破碎煤体裂隙面复杂、无规律，其具体的围岩应力分布规律及位移变形特征还 需进一步的深入研究[ 2 4 - - 2 7 】。 1 ．2 ．2 沿空掘巷围岩变形破坏特征研究现状 为解决深部高地应力条件下大断面、厚顶煤巷道的围岩维护困难问题，肖同强、柏 建彪等采用理论分析、数值计算、现场实测等方法对巷道围岩稳定原理及其控制技术进 行了深入研究。得出以下结论1 2 8 1 深部大断面厚顶煤巷道顶煤全部为塑性区，且根据巷 道宽度不同，塑性区呈“拱形”或上宽下窄的“倒梯形”形态；直接顶塑性区呈“矩形” 形态，其帮角位置为弹性稳定区域；另外，作者分析了厚顶煤巷道在层理面剪切作用下 的破坏机制，即在深部高地应力以及顶煤和上覆岩层下沉产生的附加水平应力作用下， 顶煤和直接顶层理面上的剪切力超过其抗剪强度，从而发生剪切破坏，并引起其附近煤 体破坏，最终导致顶煤形成“倒梯形”塑性区。 李为腾、李术才等【2 9 1 通过大比尺地质力学模型试验，对让压型锚索箱梁支护系统作 用下的巷道围岩应力分布规律和位移特征进行了深入研究，得出如下结论巷道顶底板 围岩垂直应力释放较为剧烈，最大值位于顶板中间位置，水平应力释放较小，而两帮围 4 些奎型垫奎兰堡主兰垡笙奎丝笙 岩与项底板围岩相反；结合现场试验结果，作者总结出深部厚顶煤巷道围岩变形破坏具 有以下特征①顶板围岩变形破坏程度较底板和两帮严重，②顶板中间位置是顶板变形 破坏最为严重的部位，③顶板围岩最容易产生变形破坏的位置为顶板岩层和煤层交界面 以下的煤体。 根据砌体梁理论，基本顶对综放沿空巷道围岩的作用形式为给定变形。在此条件下， 王卫军、侯朝炯、柏建彪等【3 0 】应用能量原理对综放沿空巷道围岩的变形机理进行了全面 的分析，通过建立巷道顶部煤体力学模型，运用弹性力学理论中的变分法对基本顶给定 变形下顶煤的变形量进行了初步求解，得出沿空巷道开挖对巷道顶煤的影响为减小其的 最大主应力，对窄煤柱的影响为减小其最小主应力，因此，巷道掘进对顶煤的破坏程度 较小而对煤柱的破坏较大；另外，通过对顶煤下沉量与顶煤厚度、煤体弹性模量以及巷 道宽度的关系进行研究，得出顶煤下沉量与顶煤厚度成反比、与顶煤弹性模量成反比、 与巷道宽度成正比。 张绪言、杨双锁【3 1 l 从理论上分析了沿空巷道顶板的变形机理，运用理论分析和数值 模拟相结合的方法探讨了沿空巷道层状项板的变形特征及基本顶岩层断裂位置、煤柱尺 寸、煤柱力学参数等对顶板变形的影响；同时，分析了沿空巷道顶板变形对锚杆受力的 影响，得出了如下结论基本顶回转是造成沿空巷道顶板变形的最主要原因；沿空巷道 顶板为层