大跨度煤巷锚杆锚索联合支护试验研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 大跨度煤巷锚杆锚索联合支护试验研究 姓名岳峰 申请学位级别硕士 专业桥梁与隧道工程 指导教师王晓利 论文题目大跨度煤巷锚杆锚索联合支护试验研究 专 业桥梁与隧道工程 硕 士 生岳 峰 （签名） 指导教师王晓利 （签名） 摘 要 近几年，随着经济的发展，国家对煤炭的需求日益增加，为了加快矿井建设，争取 早日投产，矿井大巷和准备巷道多沿煤层布置，回采巷道断面多为矩形，随着我国煤矿 开采的不断发展，机械化程度越来越高，要求巷道断面也越来越大。因此矩形断面煤巷 支护成为煤矿支护中新的要解决的问题之一。由此，研究大跨度煤巷锚杆锚索联合支护 技术，具有非常重大的理论意义和工程实践价值。 本文在参考大量文献的基础上，论述了矩形大跨度煤巷锚杆锚索联合支护机理，首 先确定大跨度矩形巷道破坏机理给出破坏部位，并分析研究锚杆锚索、网、梁单独作用 机理及作用范围，最后给出锚杆锚索联合支护机理、联合支护设计方法。根据锚杆锚索 联合支护机理分析，运用结构力学连续梁的理论，给出锚杆锚索联合支护的设计计算方 法，建立锚杆锚索联合支护设计公式。大跨度煤巷锚索锚杆联合支护设计参数研究，根 据支护设计计算方法，给出支护设计参数。利用地下工程常用的有限元分析软件 FLAC， 对支护体进行数值模拟分析计算，研究大断面煤巷的应力分布规律及变形位移特征，论 证支护方案的可行性与可靠性，研究开挖顺序对支护效果的影响。 本文依托工程为黄陵矿业集团二号煤矿 107 综采工作面切眼试验应用， 通过理论分 析、数值模拟和现场试验研究，提出可较为完整的大跨度煤巷支护理论和技术，总结出 简单、实用、准确的支护参数设计计算方法，在大跨度矩形煤巷锚、网、梁联合支护实 践中得到验证。为黄陵矿业集团二号煤矿支护开辟了新的途径，并取得很好的经济和社 会效益。 关 键 词大跨度煤巷；锚杆锚索联合支护；支护设计计算方法；参数计算；数值模拟 研究类型应用研究 Subject Large-span Roadway Bolt Anchor Combined Support Study Specialty Bridge and tunnel engineering Name Yue Feng Signature Instructor Wang Xiaoli Signature ABSTRACT In recent years, along with economic development, the states increasing demand for coal, in order to speed up the mine construction and strive to put into production, mine roadway and preparation of roadway along the seam over layout, roadway cross-section, mostly rectangular, as Chinas coal mining the continuous development of increasingly high degree of mechanization require roadway cross-section is also growing. Therefore, rectangular roadway support to become the new coal mines supporting one of the problems to be solved. As a result, studies of long-span roadway bolt anchor combined support technology, has a very important theoretical significance and value of engineering practice. This reference to the basis of extensive literature discusses the rectangular span roadway bolt and cable support mechanism, first determine the failure mechanism of large-span rectangular roadway damage given location, and analysis of anchor bolt, net, beam alone Mechanism and scope, given bolt and cable support mechanism, combined support design. According to bolt and cable support mechanism analysis, the use of structural mechanics theory of continuous beams, bolt and cable support given the design of s of calculating bolt and cable support design ula. Bolting Coal span combined support of the design parameters, according to support design , design parameters are given support. Commonly used in underground engineering finite element analysis software FLAC, on the numerical simulation support system analysis and calculation of surface coal interrupt the distribution of stress and deation characteristics, demonstrate the feasibility of supporting programs and reliability of excavation sequence The effect of the support. This project relies on coal for the Huangling Mining Group II Cut 107 mechanized mining face trial applications, through theoretical analysis, numerical simulation and field test research, proposing a more comprehensive long-span roadway support theory and techniques, summarized briefly, practical and accurate calculation of support parameters, in the long span of rectangular Bolt, network, combined support beams have been tested in practice. Huangling Coal Mining Group II to support a new way opened up and made good economic and social benefits. Key words Large-span roadway Bolt anchor combined support Support design Parameter calculation Numerical Simulation Thesis Application research 1 绪论 1 绪论 1.1 问题的提出 随着我国国民经济的迅速发展，对于地下资源的开发利用也日趋广泛。我国已探明 的煤炭资源占世界总量的，在今后相当长的历史时期内，仍需保证煤炭的高产稳产。黄 陵二号煤矿是黄陵矿业集团有限责任公司总体规划中的大型矿井骨干之一， 是省政府确 定的陕北能源化工基地建设 2003 年确定的五个项目之一。二号煤矿在西安科技大学协 助下共同研究开发的“锚杆、金属网、钢筋托梁、锚索”联合支护技术，初次在黄陵二 号煤矿首采工作面大断面切眼的掘进施工中进行了试验应用，取得了成功，为陕西煤业 化工集团乃至全国开了先例。 黄陵二号煤矿是黄陵矿业集团有限责任公司总体规划中的大型骨干矿井之一，是 2003 年省政府确定的陕北能源化工基地建设五个项目之一。黄陵二号煤矿是一个年产 6Mt 的特大型现代化矿井，本着安全高效和国际先进、国内一流的原则进行设计施工。 黄陵二号煤矿是国家发改委确定的以国产成套综采设备6M吨/年工业试验重大技术装备 项目的实验依托单位。矿井开采所使用的主要辅助运输设备均为德国 DBT 公司购买， 井下全部实行无轨化运输，选用的大采高综采设备是国产新研制的最新设备，工作面生 产能力为 6M 吨/年。根据设备型号尺寸，切眼跨度设计为 8.6 米，高度为 3.6 米。本项 目试验的107综采工作面是二号煤矿首采工作面是国产成套综采设备 6M 吨/年工业试验 工作面。 近几年，随着设计理念的更新和技术进步，为了加快矿井建设，争取早日投产，矿 井大巷和准备巷道多沿煤层布置，巷道断面形状由于煤层赋存的原因多为矩形，随着我 国煤矿开采技术的不断发展，机械化程度越来越高，要求巷道断面也越来越大。因而矩 形大断面煤巷支护成为煤矿支护中新的亟待解决的问题之一[1]。 切眼一般采用棚式支护，支架梁内最大应力与挠度是跨度的二次函数，随着跨度的 增加，巷道变形加剧，此时维持巷道的稳定性，需要消耗大量的支护材料，支护成本将 随之大幅度增加。此外，棚式支护不能及时给围岩提供支承力限定位移，使巷道顶部拉 应力达到岩石抗拉强度，造成围岩中裂隙扩展，巷道破坏加剧。若用加中柱密集棚强行 支护，虽可让破碎岩石全部压在棚子上，但它会给后期抬棚撤柱带来困难，直接影响支 架安装的作业安全和速度。 近年来出现了用锚索锚杆支护切眼，特别是预应力锚索锚杆支护巷道，与棚式支护 相比， 顶板位移大幅下降,稳定性提高。 但目前锚索锚杆支护切眼的跨度较小， 约为 6.5m 左右，8.6m 的矩形大跨度破碎软煤巷支护尚无成熟技术可以借鉴。 1 西安科技大学硕士学位论文 为此，黄陵二号煤矿与西安科技大学合作，依托 107 综采工作面切眼，进行矩形大 跨度破碎软煤巷锚索锚杆联合支护试验研究。 因此，如何运用合理锚固方式对大断面全煤巷道围岩进行有效控制，成了黄陵煤矿 实现高产、高效的先决条件。 基于上述认识，作者在导师的指导下，选择“大跨度煤巷锚索锚杆联合支护技术的 试验研究”作为硕士论文的主攻方向，以黄陵矿地质条件为典型研究素材，把大跨度巷 道围岩稳定性作为研究对象。采用现场调研、理论分析、计算机模拟、现场应用相结合 的综合研究途径和方法，在分析总结国内外围岩锚杆锚索支护控制及支护机理的基础 上，对大跨度巷道分别从工程地质、稳定性分析与评价、稳定性控制三方面进行系统深 入的研究，探讨适应黄陵矿大跨度巷道锚索锚杆联合锚固支护的技术方案和设计参数， 试图解决工程实际问题的同时在大跨度巷道预应力锚固支护研究的基础理论和方法方 面取得一些进展，并初步建立大跨度巷道锚索锚杆联合支护计算模型和技术方法体系。 1.2 锚索锚杆联合支护技术的发展及现状 锚固技术是采矿工程领域的一个重要分支。采矿工程中采用锚固技术，能较充分地 调用锚固技术和提高围岩体的自身强度和稳固能力， 大大缩小支护结构物体积和减轻结 构物自重，显著节约工程材料，利于施工安全，已经成为提高采矿工程稳定性和解决复 杂的采矿工程问题最经济最有效的方法之一。锚固技术己经在我国边坡、基坑、矿井、 隧道、地下工程、坝体、航道、水库、机场、及抗倾、抗浮结构等工程建设中获得广泛 的应用[2]。 1.2.1 锚索锚杆联合支护技术的发展 合理的巷道支护技术应既能确保地下工程的安全，又具有明显的技术经济效益。随 着我国矿山开采深度和广度的不断发展，以及基本建设规模的不断扩大，对巷道支护技 术提出了更新、更高的要求。煤矿巷道支护经历了棚式支护到锚杆支护的过程。锚杆支 护具有明显的优越性可显著提高支护效果、降低成本、减轻工人劳动强度、改善作业环 境、保证安全生产、有利于采煤工作面快速推进[3]。 由于锚索锚杆支护显著的技术经济优越性， 现己发展成为世界各国矿井巷道以及其 它地下工程支护的一种主要形式。早在 20 世纪 40 年代，美国、前苏联就已在井下巷 道使用了锚索锚杆支护，以后在煤矿、金属矿山、水利、隧道以及其它地下工程中迅速 得到了发展。西欧、中欧一些主要产煤国家，过去巷道支护主要采用金属支架支护，随 着巷道维护日益困难和支护成本的增加，各国均在积极发展锚杆支护[4]。几十年来，世 界锚杆支护经历了如下发展过程20 世纪 40 年代，机械式锚杆研究与应用；50 年代， 采矿业广泛采用机械式锚杆，并开始对锚杆支护进行系统研究；60 年代，树脂锚杆推 2 1 绪论 出并在矿山得到应用；70 年代，发明管缝式锚杆、胀管式锚杆并得到应用，同时产生 了新的设计方法，锚索支护技术也开始在煤矿巷道支护中应用；80 年代，混合锚头锚 杆、组合锚杆、桁架锚杆、特种锚杆等得到应用，树脂锚固材料得到改进[5]。美国、澳 大利亚等国由于煤层埋藏条件较好，加之锚杆支护技术不断发展和日益完善，因而锚杆 支护使用很普遍，在煤矿巷道的支护比重几乎达到了 100[6]。 我国从 1956 年起在煤矿岩巷中使用锚杆支护，至今已有 50 年的历史。20 世纪 60 年代锚杆支护开始进入采区， 但由于煤层巷道围岩松软， 受采动影响后围岩变形量大， 对支护技术要求很高，加之锚杆支护理论、设计方法、锚杆材料、施工机具、监测手段 等还不够完善，因而发展缓慢[7]。 煤巷锚杆支护不同于一般岩巷的锚网喷支护，它的主要形式是单体锚杆、锚杆加 金属网或锚杆加钢带加金属网，或者锚杆加钢筋梁加金属网，简称锚网、锚带网、锚梁 网支护[8]。在“八五”期间，原煤炭工业部把煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行攻关， 取得了一大批水平较高的科研成果，并应用于新汉、铁法、兖州、峰峰、淮南等多个矿 区，基本上解决了一般条件下巷道支护问题。但是对于困难条件，如复合顶板、破碎顶 板、倾斜煤层顶板巷道，以及沿空掘巷等，锚杆支护的可行性和适用性还没有得到深入 细致的研究。我国进入“九五”期间，原煤炭工业部把“锚杆支护”列为煤炭工业科技 发展的五个项目之一，展开了更深入、细致的实验研究[9]。经过联合攻关，煤巷锚杆支 护技术有了较大提高，取得了不少宝贵经验，主要有单体锚杆支护，锚网支护，锚梁网 支护，桁架锚杆支护，沿空巷道锚杆支护等等，同时，困难条件下锚杆一锚索联合支护 技术得到了应用，并取得了良好的效果[10]。 在煤矿井巷工程中，锚网支护目前己成为世界产煤国家巷道支护的主要形式，而我 国煤矿锚网支护比例仅 30，从使用条件看，国外煤巷锚杆支护均使用在煤质中硬以上 的煤层中，我国煤巷锚杆支护主要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类 回采巷道，在软岩回采巷道、深井巷道、受采动影响的巷道等复杂困难条件下，锚网支 护正进行试验性研究[11]。由于锚杆锚固力不足和可靠性差等问题，这些巷道采用普通锚 网支护很难有效控制巷道变形。因此，在困难地质条件下发展锚网支护还有很大潜力， 发展煤巷锚网支护是我国继推行综采后的第二次重大支护技术革命， 将给我国煤矿带来 巨大的经济效益[12]。 目前，指导锚网支护的多种理论均从不同的方面解释了锚杆支护机理，分别提出了 锚杆支护参数的计算公式。但在井下工程实践中，随着岩性和顶板结构的变化，现在尚 无综合各种支护机理的锚网支护参数计算方法。 对复杂困难条件下的巷道围岩实施锚杆 支护，必须确定哪一种支护机理起主要作用。 国内外锚索支护技术概况 ⑴ 锚索发展概况及作用原理 3 西安科技大学硕士学位论文 自从 1934 年阿尔及利亚的 Coyne 工程师首次将锚索加固技术应用于水电工程的 坝体加固并取得成功，并随着高强钢材和钢丝的出现、钻孔灌浆技术的发展，以及对锚 索技术研究的深入和对锚固技术认识的逐步提高， 预应力锚索加固技术已广泛应用于各 个工程领域，并成为岩土工程技术发展史上的一个里程碑[13]。近年来，英国、澳大利亚 等采矿业较发达的国家，注重锚索技术的应用和发展，在较差的围岩条件下，为提高支 护强度和效果，通常采用锚索做加强支护。在交叉点断层带、破碎带和受采动影响难于 支护的巷道中，都采用锚索做加强支护[14]。 我国的锚索加固技术始于 60 年代，1964 年梅山水库在右岸坝基的加固中首次成 功地应用了锚索加固技术[15]。目前，锚喷技术已经成为我国煤矿巷道支护的主要形式之 一，而预应力锚索在锚固技术中也占有重要地位，己从原来的岩巷扩展应用于煤巷。尤 其是深井煤巷、围岩松散或受采动影响大的巷道、大硐室、切眼、交叉点及构造带等需 要加大支护长度和提高支护效果的地方，采用预应力锚索是非常行之有效的方法[16]。 随着高产高效工作面，特别是综放的发展，煤层巷道中采用锚杆支护成为其重要的 技术支柱。由于综放面回采巷道断面大、围岩松软变形大，采用单一的锚杆支护以难以 适应。在煤层巷道中采用锚杆与锚索联合支护，变得越来越普遍[17]。 锚索是采用有一定弯曲柔性的钢绞线通过预先钻出的钻孔以一定的方式锚固在围 岩深部，外露端由工作锚通过压紧托盘对围岩进行加固补强的一种手段。作为一种新型 可靠有效的加强支护形式，锚索在巷道支护中占有重要地位。其特点是锚固深度大、承 载能力高，将下部不稳定岩层锚固在上部稳定的岩层中，可靠性较大；可施加预应力， 主动支护围岩，因而可获得比较理想的支护加固效果，其加固范围、支护强度、可靠性 是普通锚杆支护所无法比拟的[18]。 锚索除具有普通锚杆的悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用、楔固作用外，与普通 锚杆不同的是对顶板进行深部锚固而产生强力悬吊作用[19]。在采掘现场，对于围岩松动 圈大，巷道围岩节理发育、顶板破碎及伪顶较厚等复杂顶板条件下的巷道支护，通过锚 杆对松动圈内的围岩进行组合梁加固和锚索的补强支护，将其锚固到顶板深部[20]。 由于锚索支护给巷道顶板的高预紧力和它的高承载能力， 使顶板由锚杆支护形成的 组合梁得到进一步加强，并将其牢固的悬吊在上部直接顶或老顶内。同时，这种加强锚 杆支护所形成的组合梁对上部直接顶或老顶也进行了保护， 阻止了它的下沉移动和松动 扩展 [21]。使相邻的锚杆、锚索的作用力相互叠加，组合形成了一个新岩梁。这个新的岩 梁厚度、刚度、层间抗剪强度增加，使顶板压力通过巷道煤帮向煤体深部转移。改善巷 道受力条件，使顶板得到有效控制，片帮问题也得到了较好的解决[22]。 1.2.2 锚索锚杆联合支护技术的现状 自六十年代以后，我国矿山巷道和交通隧洞工程中，岩石锚杆和喷射混凝土支护得 4 1 绪论 到广泛应用，对加速我国矿山和交通隧洞工程建设发挥了重大作用。我国煤矿原巷道支 护以棚式支护为主煤巷锚杆支护仅占棚式支护效果差、成本高，需要多次维修，严重影 响矿井安全和效益[23]。我国岩土锚固的应用在八十年代进入旺盛时期。伴随着我国高强 钢绞线生产和灌浆技术的进展，锚杆锚索联合支护在我国地下洞室加固、边坡稳定、深 基坑支护、坝基加固和抗浮结构等工程中广泛应用，标志着我国岩土锚索锚杆锚固的设 计、材料、施工水平进入了新的阶段。它对阻止不稳定块体的塌滑，改善边坡的应力状 态，抑制塑性区的扩展，提高边坡的整体稳定性发挥了重要作用[24]。锚索锚杆联合支护 能够在巷道顶部形成组合梁，并有效控制顶板的离层，因而巷道的跨度得到加大，顶板 变形也能得到有效控制，安全状况得到改善。采用锚索锚杆联合支护可以增加巷道挖掘 空间，加大锚杆的间排距，减少锚杆的用量，提高掘进速度，降低掘进成本，具有巨大 的发展空间和良好的发展前景[25]。实践证明，锚索锚杆联合支护技术是一种先进的岩土 加固技术，特别是对围岩软弱、薄弱的部位，或围岩深部的构造对围岩稳定有影响时， 或者由于围岩中的构造应力值较大出现塑性变形时， 采用锚索锚杆联合支护可以收到良 好的效果。由于我国煤矿的地质条件相对较复杂，含煤地层的围岩比较软弱且破碎，而 且多种锚固机具的配套设备不够完善， 因此锚索锚杆联合支护技术在煤矿中的应用和发 展受到了很大的限制，现在还很不成熟、不完善。尽管现在已有很多煤矿采用了锚索锚 杆来加固巷道围岩，但由于锚索锚杆联合支护技术的作用机理比较复杂，没有统一的认 识，主要采用工程类比法进行设计，存在很大的不确定因素，锚索锚杆联合支护技术的 优越性得不到充分体现。随着煤矿开采深度的增加以及巷道断面的增大，原有棚式支护 以及普通锚杆支护方式已经滞后于煤矿生产高产高效的需要， 锚索锚杆联合支护技术的 优势将得到进一步的体现，具有良好的应用前景。 1.3 本文研究的主要内容 鉴于以上原因，本课题从锚杆、锚索支护的实质入手，结合大断面煤巷的特点，进 行大断面煤巷预应力锚固支护技术研究。 本文以黄陵二号煤矿 107 工作面为主要研究对象， 在对巷道力学参数和原有锚杆支 护方案系统的理论分析的基础上， 研究了锚索锚杆联合支护理论。 并运用理论分析计算、 数值模拟等手段，对大跨度巷道支护进行设计，在现场实践得以成功应用。本文所提出 的锚索锚杆联合支护技术研究，提高围岩抵抗变形和破坏能力，有利于发挥巷道围岩的 自身承载能力，丰富和完善了支护理论，促进了锚索锚杆联合支护在大断面煤巷中的应 用。 本文主要研究内容为 黄陵二号煤矿的矩形大跨度破碎软煤巷锚索、锚杆、网、梁联合支护研究，具体内 容为 5 西安科技大学硕士学位论文 6 1 研究矩形大跨度破碎软煤巷锚索锚杆联合支护机理 以巷道支护组合梁理论为基础，采用结构力学方法建立锚索锚杆联合支护设计公 式，给出锚索锚杆联合支护的设计方法。 2 结合黄陵矿区工程地质条件，给出大断面煤巷支护设计及施工方案 3 进行大跨度破碎软煤巷支护及开掘方式数值模拟研究 利用地下工程有限差分分析软件 FLAC，对黄陵二号煤巷 107 综采工作面联合支护 进行数值模拟分析计算，研究大断面煤巷的应力分布规律及变形位移特征；论证支护方 案的可行性与可靠性，研究开掘顺序对支护效果的影响。 现场工业试验，优化支护参数 依托黄陵二号煤矿 107 工作面切眼，根据试验研究得出的支护设计及施工方案，进 行现场工业试验，试验中配合位移和压力的监测，优化支护参数，力争为建设安全高效 的现代化矿井提供经验。 2 概况 2 概况 近年来，国内外在巷道支护方面发展迅速，尤其是锚索、锚杆联合支护技术的广泛 应用。传统锚杆支护、锚索锚杆联合支护的研究前人做了大量工作，但目前锚索锚杆联 合支护切眼的跨度较小，对于小跨度矩形煤巷，人们在长期的生产实践中和理论研究方 面已积累了丰富的经验。随着我国采煤机械化程度的提高，工作面开切眼、机风巷、机 头硐室的断面都要求加大，要求巷道断面也越来越大。目前对于大跨度破碎软锚索锚杆 联合支护没有相应成熟的技术方案[26]。 本项目结合锚索锚杆联合支护机理入手， 结合大断面岩层松软、 顶板为伪顶的特点， 进行大断面煤巷切眼预应力锚固技术研究，并给出具体的计算方法和支护方案。 2.1 项目背景 黄陵二号煤矿是黄陵矿业集团有限责任公司总体规划中的大型骨干矿井之一，是 2003 年省政府确定的陕北能源化工基地建设五个项目之一。黄陵二号煤矿是一个年产 6Mt 的特大型现代化矿井，本着安全高效和国际先进、国内领先的原则进行设计施工。 黄陵二号煤矿是国家发改委确定的国家成套综采设备 6Mt/年工业试验重大技术装 备项目的实验依托单位。矿井开采所使用的主要辅助运输设备均为德国 DBT 公司购买， 井下全部实行无轨化运输， 本项目试验的 107 综采工作面是二号煤矿第一个现代化配套 工作面，选用的大采高综采设备是国产新研制的最新设备，工作面生产能力为 6M 吨/ 年。根据设备型号尺寸，切眼跨度设计为 8.6-10.6 米，高度为 3.6 米。 大巷一般布置在岩石中， 由于岩石强度高， 有利于巷道加固和维护， 采用拱形断面， 承受顶压的能力较大，围岩应力状态有利于巷道的锚喷支护[27]。近几年，煤炭市场需求 大于供应，为了加快矿井建设，争取早日投产，矿井大巷和准备巷道也沿煤层布置，巷 道断面形状由于煤层赋存的原因多为矩形，随着我国煤矿开采技术的不断发展，机械化 程度越来越高，要求巷道断面也越来越大。因而矩形大断面煤巷支护成为煤矿支护中新 的亟待解决的问题之一。 对于小跨度矩形煤巷， 人们在长期的生产实践中和理论研究方面已积累了丰富的经 验。要合理地利用这些经验指导大跨度破碎软煤巷支护，必须进一步研究大跨度与小跨 度煤巷在力学特征方面的差别。弹性理论分析表明，巷道围岩中不利点的应力和位移是 跨度的高次幂函数。 随着巷道跨度增加， 围岩中的应力及位移急剧增加， 由量变到质变， 使巷道稳定性迅速恶化[28]。 切眼开挖后一般采用棚式支护，则其顶梁受力按均布荷载估算，梁内的最大应力和 挠度分别为 7 西安科技大学硕士学位论文 2 max 2 max mql fnql   式中 梁中最大应力 max  ； 梁中最大挠度 max f ； 均布荷载q ； 常数。与梁材料及断面有关的、nm 由上式可见，支架梁内最大应力与挠度是跨度的二次函数。若再将q的变化考虑进 去，支架梁内的应力与挠度是跨度的高次幂函数，可以预料用棚式支护维持大跨度巷道 的稳定性，需要消耗大量的支护材料，支护成本将随之大幅度增加。此外，棚式支护不 能及时给围岩提供支承力限定位移，使巷道顶部拉应力达到岩石抗拉强度，造成围岩中 裂隙扩展，巷道破坏加剧。在切眼支护中，若用加中柱密集棚强行支护，虽可让破碎岩 石全部压在棚子上，但它会给后期抬棚撤柱带来困难，直接影响支架安装的作业安全和 速度[29]。 若用锚杆锚索，特别是预应力锚杆锚索支护巷道，则支护后迅速在巷道顶板中形成 一个受压带，构成一个承载梁，同时每根锚杆锚索都限定该梁的整体变形和位移，每根 锚杆锚索又是该梁的一个支承，这样锚杆锚索支护的巷道顶板是一个多支承的连续梁。 与棚式支护相比，顶板位移将大幅下降、稳定性提高。但目前锚杆锚索支护切眼的跨度 较小，约为6.5m左右，且地质条件较好。8.6m的矩形大跨度煤破碎软巷支护尚无成熟 技术可以借鉴。 为此，黄陵二号煤矿与西安科技大学合作，依托107综采工作面切眼，进行矩形大 跨度破碎软煤巷锚索锚杆联合支护研究。 2.2 项目研究内容 本项目的具体研究内容为 1提出锚杆锚索联合支护设计方法 以巷道支护组合梁理论为基础，采用结构力学方法建立锚杆、锚索联合支护设计公 式。 2结合黄陵矿区工程地质条件，给出大断面煤巷支护设计及施工方案； 3大跨度破碎软煤巷支护及开挖方式数值模拟研究 利用有限元分析软件 FLAC， 对黄陵二号煤巷 107 综采工作面联合支护进行数值模拟 8 2 概况 分析计算，研究大断面煤巷的应力分布规律及变形位移特征；论证支护方案的可行性与 可靠性，研究开掘顺序对支护效果的影响。 4现场工业试验，优化支护参数。 依托黄陵二号煤矿107工作面切眼，根据试验研究得出的支护设计及施工方案，进 行现场工业试验，试验中配合位移和压力的监测，优化支护参数。 2.3 依托工程地质状况 2.3.1 地质状况 （1）煤层特征 107首采大采高综采工作面开采2号煤层， 平均厚度4.5m， 单一近水平煤层， 西南～ 北东走向，倾向西北，地层倾角1～5，全区分布，为井田内主要可采煤层。2号煤层 为黑色，弱沥青光泽，半暗～半亮型，条带状结构，层状构造，内生裂隙发育，煤层厚 度2.18～4.72m。煤层普氏系数f2。煤层结构较简单，一般由亮煤、暗煤、丝碳及镜煤 所组成， 局部含有1层矸石层， 厚度0.2～0.4m,夹矸岩性为泥岩。 煤层厚度和层位稳定、 坚硬、脆性，底部有不稳定的软煤层。 （2）围岩性质 伪顶厚度较薄，一般0.5m左右，多为泥岩、砂质泥岩，其与煤层直接接触，该 层以薄和随采随落为特征，极不稳定，零星分布。 直接顶以粉砂岩、细粒砂岩为主，局部为泥岩或砂质泥岩，呈薄层状，多与煤层 直接接触。全井田分布，层位较为稳定，厚度为1.5～8.0m左右，单向抗压强度为5～ 15mpa。 老顶以灰白色浅灰白色中细粒砂岩为主（即 K2 标志层） 。碎屑成分以石英为 主，约占84，长石少量，其他约占10。岩性较坚硬，呈厚层状，不易跨落，全井田 分布，层位稳定，厚度1.0～34.2m。 底板 煤层直接底板为灰黑色泥岩， 团块状， 具滑面， 遇水膨胀， 易底鼓， 厚度0.05 0.96m。老底为浅灰绿色细粒砂岩，泥、钙质胶结，岩石致密，较坚硬，厚度8.95 9.77m。地质柱状图见表 1-1 。 （3）水文特征 水文地质条件较简单，局部煤层顶板有淋水。 （4）构造特征 107 综采工作面附近有F1、F2、F3三个断层, 且断层都在工作面附近。 断层F1正断层，断层走向方位角268，与巷道夹角为53，断层倾角60，落 差11.8米。 9 西安科技大学硕士学位论文 断层F2正断层，断层走向方位247，与巷道走向夹角为32，断层倾角78， 落差13.3米。 断层F3正断层，断层走向方位247，与巷道走向夹角为32，断层倾角 76， 落差12.5米。 页岩厚度 10mm，破碎后的长度100-300mm。 2.3.2 工程概况 107综采工作面长度260米，走向为43，断面形状为矩形、跨度8.6米、高度3.6 米，与断面的夹角为36，与工作面最近的水平距离为 21米。 坚硬不易垮落 薄层状页岩、泥岩及 细粒砂岩条带 条带状结构，层状构造， 内生裂隙发育 钙质胶结，致密 遇水易底臌 8.95～9.77 0.05～0.96 1.5～8 1～34.2 1.5～8 岩石类别 厚度 m 老底 直接底 煤 直接顶 老顶 属性 钙结细砂岩 泥岩 煤 砂质页岩 细砂岩 名称 图 2-1 围岩地质柱 10 3 支护技术方案选择 3 支护技术方案选择 目前小跨度煤巷的支护方法大多应用锚杆支护。 锚杆支护按其与其他辅助手段组合 可分为①锚杆；②锚杆网；③锚杆网梁；④锚杆喷射混凝土；⑤锚杆网梁喷 砼及锚喷与网、梁单独组合[30]。 单一锚杆支护仅用于围岩完整且坚硬的巷道， 因锚杆是靠给围岩提供支护力提高岩 体强度来达到支护目的，而在巷道两边两锚杆之间，有一个锚杆作用免压区，若该围岩 松软破碎，岩石就会自由冒落，从而使锚杆压力区内岩石失去支撑而松动破坏，使锚杆 失效[31]。 为了弥补锚杆这一缺陷，在锚杆托板之后加网以扩大锚杆压力作用范围，这就形成 了锚杆网支护。在十分破碎或变形较大的围岩中，因网刚度和强度不能满足要求，往 往出现掉包现象，同时为了均衡各锚杆之间承载，发挥锚杆的群体作用，在锚杆的基础 上增加锚梁，形成锚杆网梁结构，通常叫做锚网梁结构[33]。锚网梁结构适应复杂地层 条件，支护可靠，但是锚杆长度有限，对于大跨度破碎软煤巷不能伸入稳定围岩之中， 因此其仅用于小跨度煤巷支护，不能单独用于大跨度破碎软煤巷支护。 对于永久巷道仅靠锚杆作用不能满足使用要求， 尤其是对风化的围岩， 需要砼封闭， 同时砼能将锚杆对外露部分连接成一个连续板壳式整体结构， 使锚杆的作用更加充分的 发挥，这样就形成了锚喷支护结构和锚喷网梁支护这两种结构，其适应服务年限长、围 岩松软又易自燃发火的煤层巷道，但该方法极为复杂，成本亦高[35]。 锚索支护近年来已成为煤巷支护中新的有效的支护方式。锚索因其柔性，使其支护 深度不受巷道断面高度限制，可伸入巷道稳定围岩中，对巷道进行高强度可靠支护。由 于锚孔深，钻孔施工困难，锚索成本也较高，若采用锚索小间距密集支护，支护成本太 高，支护速度也慢；若采用大间距、高强度锚索支护，锚索之间免压区面积加大，锚索 往往会导致免压区冒落，造成锚索支护失效。故单独采用锚索支护在经济上、速度上以 及支护可靠程度上都不合理[38]。 由于黄陵矿区二号井切眼地质状况和工程条件与我国已有的经验相差较远， 缺少相 关成熟经验可供参考。 鉴于上述原因，综合考虑综采设备特点、巷道围岩状况和设备安装情况，107首采 工作面切眼支护方案选用锚杆、网、梁加锚索联合支护方式，锚索采用大直径、长锚索。 锚杆、 网、 梁将巷道顶部下侧组合成一个承载梁， 锚索伸入冒落上端给承载梁提供支承， 以减少其跨度，降低其位移与变形，减少梁内应力，达到锚杆、网、梁以及锚索共同承 载的效果，这样就形成一个锚索、锚杆及网梁与围岩联合支护体系。 11 西安科技大学硕士学位论文 4 锚杆锚索联合支护机理及设计理论研究 4.1 锚索减跨支承作用分析 矩形巷道顶板作为一个梁式结构承载被大多数研究者认可且得到现场量测数据证 实。锚杆支护的组合梁作用和挤压加固梁作用亦为锚杆支护的成熟理论[39]。如何综合利 用这些基本理论指导锚杆锚索支护工程,设计及施工和解释支护机理是尚未解决的问 题。锚杆锚索支护大跨度破碎软煤巷，锚索是主体支护结构，锚杆是辅助结构。锚索穿 过巷顶冒落区进入深部稳定围岩，加固顶板岩石，提高围岩内聚力和内摩擦角，在作用 区岩层中形成一个压力加固梁。由于锚索一端伸入稳定围岩，且施工时施工预应力相当 于给顶梁一个支承，这样锚索就将支护一端与外部托梁相接，另一端将支护的单跨梁变 成支护后的多跨连续梁，使顶承载梁的承载能力大幅提高。所以锚索在整个支护体系中 对顶板承载梁起到加固和减跨支承作用[41]。 4.2 锚杆作用 4.2.1 顶部锚杆作用 锚索由于要穿过冒落拱伸入稳定围岩，所以长度大，施工安装困难，且成本高。若 安装间、排距太小，就会造成施工进度满，支护成本高的后果。若支护间、排距过大就 会引起两锚索之间围岩松动脱落，使锚索失效，虽可用网和锚梁来弥补，但网梁的抗弯 模量都很小，所能够提供的支护反力有限，若用大断面梁，将造成材料浪费，且不能充 分利用围岩的自承能力。可在两锚索之间采用锚杆支护。锚杆可将巷道周边两锚索之间 围岩组合成小的组合梁，该梁由锚杆与锚索形成的承载梁组合在一起，形成一个大的组 合承载梁。共同承受地压[44]。 4.2.2 煤层巷道煤帮锚杆作用 巷道侧帮变形与破坏规律很多方面同顶板类似。但是，对于煤巷，由于煤帮的强度 一般比顶板强度小，而且顶板与煤层层面的强度更小，因此与岩石巷道相比，煤巷变形 和破坏有其特点[46]。 （1）帮锚杆的早期作用 巷道开掘初期，煤帮变形和破坏范围都较小。锚杆的作用