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太原理工大学 硕士学位论文 构造破碎带中煤层巷道支护技术研究 姓名武鹏飞 申请学位级别硕士 专业 指导教师田取珍 20100301 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 构造破碎带中煤层巷道支护技术研究 摘 要 我国有着非常丰富的煤炭资源，但在煤矿地质条件复杂多变的情况下，煤 岩层受地质应力的作用会产生很多断裂、褶曲等构造，而处于这些构造带中的 巷道，由于岩层节理裂隙发育，尤其是层间错动带、断层破碎带、褶皱破碎带 以及受岩浆入侵而形成的挤压破碎带等，这些地带围岩通常比较松散破碎，围 岩的松动范围较大，单纯的采用锚杆支护难以使破碎围岩完全处于受压状态而 形成拱结构，巷道维护困难，此问题一直困扰着矿山巷道的安全及使用。开展 对构造破碎带中煤层巷道支护技术的研究不仅是必要的，而且具有重要的学术 意义和应用价值。 针对破碎构造带的地质条件，以及位于其中的巷道围岩稳定性差的特点， 为了探讨破碎构造带巷道围岩的有效支护技术，提高巷道安全稳定性能，论文 采用理论分析、现场观测、试验、数值计算模拟及工程类比进行研究，并结合 阳泉固庄煤矿 15 号煤层 15704 工作面顺槽破碎构造带地段现状进行了探讨与研 究，所做的主要工作和结果如下 1. 通过理论分析与研究得 固庄煤矿 15 号煤层 15704 工作面顺槽部分地段 破坏失稳的原因是该段存在向斜的地质破碎构造带，破坏了原岩的整体稳定性， 顶板及围岩较破碎，属于构造应力造成的围岩破碎带中巷道支护问题。建立了 力学模型，认为在该种条件下的巷道支护力学模型是一个大结构套小结构的模 型，现有的锚杆及锚索支护措施已经难以维护巷道的稳定。 （大结构指巷道在工 作面推进过程中超前支承压力对该构造带的影响；小结构是指巷道开挖后围岩 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 自身在构造条件下的稳定性。 ） 2. 通过理论计算及工程对比研究得该破碎构造带巷道围岩的松动圈属于 大松动圈，研究决定对该段破碎围岩实行注浆加固措施，并对原有的支护方式 及参数进行合理优化。 3. 通过数值计算及结合工程类比经验，综合考虑巷道所处的破碎构造带地 质特征，确定了在该构造带巷道围岩内注浆的各项参数。 4. 通过实验室岩样力学参数测定及多方案数值模拟试验研究，综合考虑了 顶板下沉与两帮移近、材料消耗、施工量等因素，确定了顺槽巷道的锚杆、锚 索参数。 通过该课题的研究，对处于破碎构造带的巷道围岩稳定性做了进一步的探 讨，并对阳泉固庄煤矿 15 号煤层巷道破碎构造地质条件下的支护做了研究在 巷道围岩破碎且构造应力大的条件下，应首先加强主动承载功能即围岩的强度； 其次，应优化支护参数；第三，在施工中要求锚杆、锚索预紧力达到设计要求， 并重视其他环节的施工质量；第四，在施工经验和检查与监测资料积累的基础 上，要不断总结经验，进一步完善破碎构造带中的巷道锚固设计方法及支护参 数的选取。 关键词破碎构造带,支护技术,注浆加固,构造应力 太原理工大学硕士研究生学位论文 III RESEARCH ON ROADWAY SUPPORTING TECHNOLOGY IN THE TECTONIC STRUCTURE ZONE ABSTRACT There are abundant coal resources in our cournty, but coal mine have compld geological conditions and many coal strata have a lot of fault, fold etc. under the geological stress.The roadway in tectonic belt due to the fractured rock joints, especially the broken fault belt, layer fault zone, fold and fracture zones and compressive rupture zone ed by the extrusion of magma intrusion, these zones are usually made by loose and broken rock. It usually has larger radius, and only by simple bolting is difficult to make broken rock entirely in compression condition arch structure. Roadway maintenance is very difficult, which has plagued the mine safety and use. It is not only necessary to carry out research on roadway supporting technology in structural fracture zone, but also has important academic significance and application value. For the characteristics of structural fracture geological conditions and the surrounding rock’s poor stability，in order to explore effective roadway support technology and improve the perance of roadway safety and stability，this paper adopted theoretical analysis、 field observations、 experiment、 numerical simulation and engineering analogy，and carried out discussion and research combined the current situation of 15704 face crossheading broken tectonic belt on the 15th seam in Guzhuang coal mine, Yangquan.The main work and results are as follows 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV 1.Through the theoretical analysis and study it conclusedThe syncline broken belt in this section destroied the overall stability of the original rock，and made the roof and surrounding rock broken. This is the reason why some sections on the 15704 face, 15th coal seam in Guzhuang coal mine have destruction of instability. The roadway is a model of the small structure within the large structure and the existing bolt and anchor support measures have been difficult to maintain the stability of roadway.（Large structure refers to the influence that butment pressure has on the structure zone in the process of working face；small structure refers to the surrounding rock’s own stability under the conditions of the structure in roadway excavation. 2. By calculating and engineering comparison it studiedThe loose circle of the surrounding rock in the sructure belongs to the big loose circle. We decided to implement grouting reinforcement for the section of the broken rock，and optimize the original support and the parameters. 3.Through the numerical calculation and experience in engineering analogy， considering the geological features of the roadway，it identified the several parameters for the grouting in tectonic roadway zone. 4.By measuring rock mechanical parameters in laboratory and testing multi-program numerical simulation，considering the subsidence of the roof and the both sides closer、material consumption、construction traffic and so on，it identified the bolt, cable parameters. Through the research projects on the roadway in the tectonic zone, the paper further studied on the stability of the roadway and the support on 15th coal mine seam of guzhuang in Yangquan On the conditions of broken surrouding rock and large tectonic stress, first,we should strengthen the initiative host functions to enhance the strength of the rock; Secondly, we should optimize the original support parameters; Third, cable and bolt pretension should meet the design requirements in 太原理工大学硕士研究生学位论文 V the construction, and pay attention on construction quality in other aspects; Fourth, based on experience in the construction and accumulated inspection and monitoring, we must constantly sum up experience, further improve the roadway anchorage design and support parameter selection in tectonic structure zone. KEY WORDS tectonic structure zone, supporting technology, grouting reinforcement, tectonic stress 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题研究的意义 我国是世界上煤炭资源最为丰富的国家之一， 巷道支护是煤矿开采技术的一项重要内容。 但在煤矿地质条件多变的情况下，巷道的支护形式和支护参数也应随之发生变化。地壳受地 质应力的作用产生了很多断裂、褶曲等构造，处于这些构造带中的巷道，由于岩层节理发育， 多组节理互相切割，破坏了围岩的完整性，尤其是层间错动带、断层破碎带、褶皱破碎带以 及受岩浆入侵形成的挤压破碎带等。这些地带围岩通常比较松散破碎，围岩的松动范围较大， 单纯的采用锚杆支护难以维护破碎围岩巷道，此问题一直困扰着矿山巷道的安全及使用。为 防止支护体及巷道围岩承受过高的集中载荷而遭到破坏，如何采用较低的支护成本达到较好 的支护效果，保证矿井安全生产，是井下巷道支护的终极目标。 我国的煤炭资源分布广阔，由于矿井地质条件复杂，很多巷道布置要穿过较为破碎的地 质构造带时难以维护，给巷道的掘进和安全使用带来极大隐患。本文主要依据现代注浆理论 结合工程实践，对破碎带巷道围岩进行壁内注浆结合锚杆加固进行了研究。巷道壁内注浆是 一种主动强化围岩强度的手段，通过注浆可以改善巷道围岩力学参数，提高围岩的整体性能 强度，结合现代化矿山锚杆支护手段可有效抑制巷道变形破坏，因此注锚支护拥有广泛的应 用前景。 1.2 国内外巷道围岩注浆技术的研究现状 [1,2] 注浆技术[1]是一项具有很强实用性、很广应用范围的工程技术。它通常通过采用一定的 压力手段，在岩层的孔隙注入某些能与围岩固结的浆液，从而增强岩体强度，使巷道围岩体 形成稳定性高的新结构体，从而达到改善围岩物理力学性质的目的。 目前，国内外研发和使用的注浆材料可达几十种，但工程中大多是采用水泥浆液注浆和 化学浆液注浆（主要是树脂类），见表1-1。 200年前，注浆技术在地基加固工程上第一次应用，由法国土木工程师查理斯贝里格尼 CharlesBergne进行。 我国对注浆技术的研究和应用开始于上世纪50年代初期， 矽化法在矿山 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 行业中首次采用了井巷注浆技术。目前，注浆加固技术在金属矿山中应用较广，在壁后注浆 方面技术已趋于成熟，但在煤矿巷道围岩注浆方面的技术还未得到广泛推广。 表1-1 注浆材料 Table1-1 Grouting material 粘土类 普通水泥类 水泥类 超细水泥类 水玻璃类 粘土-水玻璃类 水玻璃-水泥类 硅粉-水泥类 粉煤灰-水泥类 无机系 复合类 水玻璃-粉煤灰-水泥类 环氧树脂类 聚氨酯类 甲基丙烯树脂类 不饱和树脂 丙烯环氧树脂类 丙烯酰胺类 凝缩烤胶类 木质素类 丙烯酸盐类 聚乙烯盐类 脲醛树脂类 有机系 酚醛树脂类 注浆材料 有机-无机系有机高分子水玻璃 1.2.1 注浆理论研究现状 [1，4，6] 浆液靠泵压在岩层孔隙或裂隙中流动，由于岩体结构的各向异性，造成浆液在岩体内的 流动方式和途径不同，从而造成了不同的注浆效果。因此，对岩体结构的研究成为整个注浆 理论的基础。岩体注浆理论目前主要有 （1）多孔介质理论[1] 该理论认为地下工程围岩岩体是一种多孔隙结构，浆液通过孔隙通道在岩体中流动，根 据围岩体内孔隙的分布情况，把多孔介质分为各向同性多孔介质及各向异性多孔介质。 该理论的主要代表为1938年Maag推导出牛顿浆体在砂层的球形渗透公式和随后出现的 宾汉姆浆体的渗透公式、Raffle- Greenwood 球形渗透公式、柱状渗透理论及粘时变流体在地 层中的渗透公式等。这些理论极大地促进了注浆技术在工程上的应用及发展。 （2）拟连续介质理论 基于岩体中存在裂隙节理，把裂隙中的浆液流动通过等效原理等效到整个岩体中，此时 岩体空间内每一点的岩石和裂隙都保持连续，然后运用连续介质理论对注浆进行分析。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 （3）裂隙介质理论 该理论认为岩体是受裂隙分割的不连续体，浆液在岩体内通过裂隙网络流动。该理论模 型的代表为牛顿浆液模型和宾汉姆浆液模型，但上述理论模型条件较理想化，仅限于单一裂 隙，要求裂隙面光滑且宽度一定，同时要求浆液在裂隙内的流动为层流。而现实中裂隙粗糙 度、裂隙的张开度与注浆压力有关，在岩体裂隙中紊流运动时的浆液渗流公式还有待进一步 研究。 （4）孔隙和裂隙双重介质理论 该理论认为围岩体由孔隙性差而透水性强的岩体裂隙系统和孔隙性好而透水性弱的岩块 系统组成，浆液在该类岩体介质中流动时，既可在裂隙中流动，又可在岩块孔隙中流动，并 在两者之间发生交换。 近几十年来，国内外学者对渗透注浆进行了广泛而深入的研究，得到了浆液在裂隙中的 渗透规律。刘嘉材利用牛顿模型推导出了浆液沿裂隙面径向流动的扩散方程[2]；Baker假设注 浆孔横穿宽度为δ的单一光滑裂隙，通过图解法得出了浆液在裂隙中的渗透规律[3]；Louis得 出了牛顿浆液在二维粗糙裂隙中的流动公式[4]。 1.2.2 岩层注浆模拟现状 （1）奥地利科学家对单裂隙中浆液流动过程进行了模拟试验。通过在试验中采用的3种 不同的模型，建立注浆流量、注浆压力及渗透半径之间的关系；测出不同裂隙间距下流量、 注浆压力及浆液粘度之间的关系；得出了粗糙度对注浆流量及浆液扩散半径的影响。 （2）前苏联曾进行细砂层中浆液扩散参数的试验研究，试验中以给定注浆压力为条件， 得出了浆液流量、注浆压力、渗流速度、注浆时间和浆液扩散半径之间的关系。 （3）国内学者在注浆参数方面也进行了一系列注浆模拟试验研究。如中国水利水电科学 研究院研制的平板型注浆试验台，通过试验，建立了牛顿流体在水平光滑裂隙面内的扩散方 程，得出了扩散半径与注浆压力、浆液粘度及注浆时间之间的关系。 东北大学研制了槽形反扁圆柱状试验台，用它研究了多孔介质体中注浆渗流过程的压力 分布及其随扩散距离而衰减的规律[7]。 1.2.3 岩体注浆效果监测现状 [9] 浆液在岩体裂隙中的渗流不仅取决于浆液的物理性质和注浆压力，也取决于岩体的可注 性（裂隙的宽度、长度和密度）等因素。注浆效果检测是评价注浆工程的主要手段。目前， 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 国内外关于注浆效果的检测大体上通过取样试验和现场检测进行，见表1-2。 壁内注浆施工属于不可视工程，因此，注浆后岩体的质量控制主要靠施工过程的监控。 传统的监控主要靠流量控制以及压力控制等，但实际上，浆液在岩体裂隙内的流量是不均匀 的，且岩体裂隙内的流量和压力都是随时间而变化的，单纯靠任何一个指标来控制注浆过程 都是不科学的。近年来国内外针对注浆效果监测已做了大量研究工作，并且积累了大量的实 测资料，可通过一定监控手段动态跟踪监测注浆过程流量和压力的变化，但目前用现有的研 究成果来指导工程施工，尚缺乏有力的论证。 表1-2 注浆效果监测方法 Table1-2 Grouting effect of monitoring s 检测种类 检测内容 检测方法 固结体强度 抗压试验 固结体渗透性 渗透试验 注浆范围 声波探测 取样试验 固结体密度 γ射线密度计 围岩变形量 表面位移及深部位移观测 围岩渗水量 设点观测围岩单位时间内渗水量 现场检验 防渗效果 钻孔压水试验 1.3 国内外处理位于破碎带中的巷道围岩稳定性现状 传统的处理构造破碎带巷道的方法是采用被动加强支护手段抵制围岩失稳，如砌碹、架 棚支护、木垛等。近年来，国内外专家学者通过对破碎带巷道支护技术等的深入研究，通过 采用壁内注浆主动加强巷道围岩体的手段，结合现代化支护技术，达到了维护巷道稳定的目 的。 1.3.1 国内处理位于构造破碎带中的巷道现状 20世纪70年代以来，我国从支护材料、支护形式及工艺改革等方面大力开展对巷道支护 进行研究，发展形成了锚喷支护、锚杆、锚杆锚索及锚杆锚索网喷浆等联合支护等系列 巷道支护体系。但对于处于构造破碎带的巷道，由于其节理裂隙较发育，上述常规的支护方 法已经难以维护巷道的稳定性，巷道会产生变形失稳。 采用围岩壁内注浆技术，可达到改善围岩力学性能、增强围岩整体性、控制围岩变形的 效果，从主动加固围岩的角度提高了围岩的自承能力，对维护巷道的稳定能起到良好的效果。 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 国家“八五”重大科技攻关课题提出了将锚杆和注浆结合的锚注一体化支护技术。锚注 加固技术实用性强、应用范围广，己广泛应用于矿山、地下建筑、大坝、隧道、地铁、桥梁 和土木工程等各个领域。20世纪纪80年代以来，以支护为目的的巷道围岩注浆技术在俄罗斯、 德国等地开始研究与推行，我国同期也在深部复杂和不良岩体的巷道工程中采用注浆技术。 典型的实例有 1）淮南潘三矿580m水平西一至西二石门集中巷由于受地质构造的影响，巷道变形严 重，维护极其困难，呈现前掘后修、前修后坏的局面，经采用锚注后，巷道围岩两帮和顶底 板移近量和移近速度都有了较大程度的较少，巷道变形得到明显控制，锚注加固在该矿获得 成功； 2）峰峰矿业集团新三矿岩巷过地质构造围岩破碎带采用常规支护时巷道曾反复维修，巷 道难以维护，对该特殊地段采取了注浆加固的方法后，取得良好效果。 1.3.2 国外处理位于构造破碎带中的巷道的现状 [1,8,9] 上世纪60年代，奥地利工程师L.V.Rabeewicz在总结前人经验的基础上，提出了一种新的 隧道设计施工方法，称为新奥地利隧道施工方法，新奥法目前已成为地下工程重要的设计施 工方法之一。 上世纪70年代，M.D.Salamon等人又提出了能量支护理论。该理论认为，支护结构与围岩 相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放部分能量，支护结构吸收部分能量，但总的 能量无变化。因而，主张利用支护结构，使支架自动调整围岩释放能量和支护体吸收能量， 使支护结构有吸收多余能量的功能。 英国、俄罗斯、德国、法国、波兰等西欧国家直到上世纪80年代仍以金属支架为主，以 其良好的支护效果，在浅部开采中得到了发展。后来，引进美国、澳大利亚的锚杆支护技术。 目前，西欧大多数国家各类不同类型的锚杆、组合锚杆、锚杆桁架及锚索支护约占支护总量 的90；美国、澳大利亚在近几十年的煤矿深部开采中，一直以锚杆支架为主体进行联合支 护，对于极不稳定围岩主要采用组合锚杆桁架、锚索支护、锚喷网与锚索联合支护等形式。 前苏联、奥地利、德国等国在上世纪80年代开始用空心锚杆注浆，实现了锚注，并广泛 使用于矿井支护。 隧着地下开采的不断深入，支护问题日益突出，研究也不断的深入，弹塑性力学、断裂 力学等大量力学及理论都引入了巷道支护技术的研究，特别随着计算机技术和数值计算方法 的发展，以有限单元法、边界元法、离散元法等为理论基础的计算软件大量涌现，并应用予 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 地下工程，如ANSYS、FLAC3D、RFPA、UDEC等国际著名软件应用程序为地下工程围岩 支护理论及方法的研究提供了有利的工具。 1.4 研究的主要内容与方法 本论文主要以固庄煤矿 15 号煤层七采区顺槽巷道穿越构造破碎带为研究对象， 定性与定 量研究该采区工作面顺槽的围岩强度、围岩裂隙发育程度、煤层厚度与顶板条件对巷道稳定 性的影响，通过理论计算分析，建立力学模型，运用 FLAC 数值软件模拟，结合工程类比得 出 15 号煤层七采区工作面顺槽在破碎带中的支护技术方案。 研究方法首先，需要建立力学模型，将巷道围岩看做一个结构体（大结构套小结构） ； 其次，研究小结构的力学机理，围岩稳定性；第三，研究大结构对小结构的影响，地质构造 应力与两者之间的相互影响关系；第四，研究围岩加固，加固介质与松散围岩的相互作用关 系，加固体的强度要求及加固结构与原来小结构、大结构的相互关系；第五，研究加固体的 支护参数，得出理论研究结果。 1.5 研究技术路线 现场调研煤层与顶底板岩芯取样岩石力学实验理论计算数值模拟 支护参数 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 第二章 固庄矿 15 号地质破碎带基本情况及巷道围岩力学试验 2.1 煤层概况及巷道支护现状 2.1.1 固庄煤矿 15704 采区概况 15 号煤七采区西邻五采区，南、东部为井田边界，北邻二、三采区。地表位于西沟以南、 东山以北、肝胆梁以东、郊里南沟以西，地表多为基岩出露，仅有少量黄土覆盖，地表沟谷 纵横，切割较深，区内盖山厚度 337m230.8m，煤层平均厚度 7.3m。详见表 3-1 固庄煤矿 15 号煤层 7 采区钻孔成果表。 表2-1 固庄煤矿15号煤层7采区钻孔成果表 Table 2-1 7 mining area of the NO.15 coal drilling results on GuZhuang 孔号 孔口标高 终孔深度（m）煤层厚度（m） 固 8 1023.51 230.8 9.42 固 9 1079.44 331.42 6.99 固 12 1116.05 337.05 7.12 57 1108.32 333.56 6.81 61 1064.95 248.76 6.84 64 1042.38 257.8 7.10 66 1014.21 74 1054.61 239.71 6.93 义 D-210 1012.29 247.5 7.45 平均 247.4 7.33 地质构造 1. 断层 根据矿方提供的 15 号煤层采掘现状平面图可以看出，在已采的 15701、15702、15703 和 15704 顺槽揭露的断层有 6 条，分别为 F1～F6，落差 36m 不等。 2. 褶皱 该采区呈“锅底”状的向斜构造，周围高中间低，据该区固 9 和 61 号钻孔显示，煤层底 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 板高差为 68.17m。 3. 陷落柱 根据提供资料显示，该采区内位于 15702 工作面靠近大巷 300m 处揭露一陷落柱，直径 约 70m。 煤层及顶、底板岩性 七采区 15 号煤层厚度 6.81～9.42m，在煤层中部有一层稳定的夹石，厚约 0.2m，在煤层 上部为厚度约 1m 的煤与炭质页岩的互层，其上部的一层炭质页岩，在开采过程中随采随落， 实际成为伪顶，岩性为黑色炭质页岩，厚约 0.3m，其上部直接顶为灰色沙质页岩，层状结构， 厚约 1.202.0m，老顶为黑灰色石灰岩，底板为黑色沙质页岩，呈团块状，易碎，含植物根茎 化石，印痕较多，厚约 2.60m。详见柱状图 2-1。 15号下煤 深灰色砂质页岩 黑色页岩 15号煤 页岩 黑灰色石灰岩 黑色页岩 岩性柱状层厚（ ） 图2-1 15号煤层柱状图 Fig.2-1 NO.15 coal seam histogram 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 15704 采区巷道布置现状 下图 2-2 所示为 15 号煤层 7 采区 15704 工作面巷道布置平面图，从图中可看出，在该采 区内距开切眼约 240m 的煤体中存在一段约 234m 的断层构造带，该采区内共有 3 条断层，并 且该处的煤层整体呈向斜布置，巷道位于该向斜构造带内，此地段约有 150m 长的巷道变形受 损严重，成为急需解决的问题。 图2-2 巷道布置平面图 Fig.2-2 Roadway plan 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 2.1.2 巷道现有支护方式 由于受地质构造及 15703 工作面的采动影响，位于向斜构造带段中的 15704 巷道变形严 重，经现场考察发现巷道该段顶板下沉量及两帮移近量较大并伴随有底鼓等现象，据矿方介 绍还层出现断锚等现象，已经不能满足矿井的正常生产需求。下面介绍一下该工作面巷道现 有的支护方式 1）顶板采用 W 钢带，菱形金属网，锚杆，锚索联合支护的支护形式。煤帮采用金属锚 杆挂金属网支护形式。 在巷道顶部钢带两端的锚杆与顶板垂直方向呈 15布置， 使用球形托板， 其余锚杆均垂直顶板，钢带排距 800mm，顶锚杆眼深长度 2.2m。 W 钢带35002204mm（长宽厚） 。 顶锚杆规格φ22mm2400mm（锚杆直径锚杆长度） ，单向左旋无纵筋螺纹钢，杆体材质采 用 20MnSi，锚深 2300mm。 顶药卷型号 K2340（在上）和 Z2360（在下）的两卷树脂锚固剂，两药卷彼此相接，在一 个孔内（用φ27mm 的钻头打眼） 。 2）帮锚杆间距为 800mm，距顶板往下 250mm 处打一排与帮垂直方向仰角为 20的锚杆， 距第一排往下 700mm 处打第二排与帮垂直的锚杆，距第二排往下 700mm 处打第三排与帮垂 直的锚杆。 锚杆规格非工作面侧帮锚杆为φ181850mm 圆钢（锚杆直径锚杆长度麻花长） ；靠 近工作面侧帮锚杆采用 MTS42/φ161850 型胀套式可回收锚杆，仍用木托板，木托板上铁垫 片用厚 8mm，直径 120mm 的碟形托板。 3）锚索规格型号 1860，绞线结构 17，公称直径 17.8mm，长 7500mm，锚深不低于 7000mm，当煤层厚度发生变化时，以锚入老顶灰岩 1000mm 为准，锚索长度根据实际情况确 定，外露锚索不得随意剪断。 锚具型号KM-18-1，带槽钢托板的锚索间距 1.6m。 锚索药卷 型号 K2340， 规格φ23400mm 的快速树脂锚固剂和型号 Z2380， 规格φ23800mm 的中速树脂锚固剂配合使用，要求快速药卷与中速药卷在同一个眼中使用，彼此相接，快速 药卷在上，中速药卷在下。 锚杆、锚索支护布置方式详见支护平、剖面图 2-3。 4）支护辅助构件及技术要求 a、钢带上铺 41001000mm 的菱形金属网，两帮铺 18001000 的菱形金属网，顶网长边 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 与 W 钢带长边平行铺设，要求网伸出 W 钢带两端 30cm 以上，网与网压茬 10cm 顶网顶锚杆 W 钢带锚索 帮锚杆 托梁 帮锚杆 顶锚杆 顺槽巷道锚杆、锚索支护平面图 Plan of bolt ,anchor support in the roadway 锚索 顶锚杆 托梁 W钢带顶网 帮网 帮锚杆 图2-3 顺槽巷道锚杆、锚索支护剖面图 Fig.2-3 Profile of bolt ,anchor support in the roadway 太原理工大学硕士研究生学位论文 12 以上，每 20cm 用 14 号铁丝连一道，保证连网效果。帮网短边与 W 钢带短边平行铺设，要 求帮网短边上端与网顶压茬、帮网长边压茬均达 10cm 以上，每 20cm 用 14 号铁丝连一道， 保证连网效果。 b、顶锚杆带 1201208mm 的 3 号刚托板（中孔直径 24mm）以及球形托板规格为 M24， 帮锚杆带木托板40015080mm （中孔直径20mm） 及1201208mm钢垫片 （中孔直径19mm） ， 木托板贴紧煤帮， 其长边垂直于顶底板布置， 顶锚索带2009012mm铁垫片 （中孔直径21mm） 和 30030012mm（中孔直径 21mm）的钢托板，以及长度为 3.0m，中孔直径 21mm 的 16 号槽钢托板紧贴钢带。 c、所有顶帮锚杆的锚固力，预紧力以及锚索预紧力都必须达到的要求，顶锚杆锚固力不 小于 7 吨，螺帽预紧力矩不小于 140NM，帮锚杆锚固力不小于 5 吨，螺帽预紧力矩不小于 100NM，锚索预紧力达 13 吨以上，锚固力不小于 23 吨。 2.2 目前支护形式存在的问题分析 根据固庄煤矿 15704 工作面回风顺槽整个巷道的变形情况，现场勘查得到固庄矿 15704 工作面顺槽的支护方式总体上是适应围岩应力变化的，支护技术方案是可取的，仅在局部地 段出现了变形较大、锚杆、锚索拉断的情况。研究认为造成巷道变形严重主要有以下几方面 影响因素。 2.2.1 上覆岩层压力 原岩应力是巷道围岩变形破坏的根源。矿井巷道是在原岩应力作用下开挖的，在巷道整 个开掘和使用过程中，原岩应力一直对开挖起作用。巷道开挖后原岩应力重新分布，巷道围 岩内出现应力集中。原始地应力包括上覆岩层产生的重力场应力及地质构造应力两大部分， 对于重力场产生的地应力仅与上覆岩层及埋深有关。上覆岩层压力大，从而作用在支护结构 上的荷载亦较大。当支护结构承受不了该荷载作用时，必然产生巷道围岩较大变形，造成巷 道支护结构的破坏。 根据原岩应力分布的基本规律，在深度252700m范围内，铅直应力 z σ 呈线性增长，取平 均体积力γ等于27kN/m3。 固庄矿15号煤层上覆岩层自重 z Hσ γ （21） 太原理工大学硕士研究生学位论文 13 273379.09MPa 相当于927t/m2的岩层自重 2.2.2 构造应力 构造应力是由长期的地壳构造运动在岩体中聚集而未得以完全释放的应力，矿井的地质 构造越复杂、越活跃，构造应力就越大。地质构造运动过程中岩体经受很大的外力作用，水 平和垂直构造应力使岩层产生很大的弹性形变和塑性形变，从而形成了各种地质构造，例如 向斜、背斜和褶皱，以及产生断裂而形成各种节理及断层。 构造应力对巷道稳定性影响较大，构造应力方向通常受构造方向的影响，其中以水平应 力为主（最大水平应力原理示意图见下图2-4） 。在水平应力作用下，顶底板岩层间易于发生 剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变形。在多数情况下，水平应力的均值比铅直应 力大0.8～1.5倍，而最大水平主应力与铅直应力的比值一般更可达0.55.5，与重力场比，构造 应力很不稳定，它的参数在时间和空间上有很大差异，它的存在直接决定着巷道的稳定性。 矿井岩层的水平应力在埋深小于500m时通常是垂直应力的1.32.0倍；水平应力具有明显的方 向性，其中最大水平应力一般为最小水平应力的1.52.5倍，巷道顶底板的稳定性主要受水平 应力大小的影响。 煤帮移近滑面效应 滑面效应 水平应力水平应力 铅直应力铅直应力 图2-4 最大水平应力原理图 Fig.2-4 Principle of maximum horizontal stress 褶皱是岩层或岩层组在顺层作用的水平载荷挤压作用下发生缓慢变形的结果。褶皱构造 区具有初始地应力场分布的非均匀性。 构造水平应力示意图 2-5。 固庄矿区所属煤田在大规模 的地壳运动过程中，煤系地层在纵向上的岩性变化较大，岩石力学性质差异性也较大，尤其 是本溪组和太原组煤系地层在沉积过程中陆海变迁频繁，层系发育。15 号煤层的顶底板为泥 岩、页岩等低强度岩石，岩层的软硬相间组合，在褶皱作用过程中极易产生层间滑动。在软 太原理工大学硕士研究生学位论文 14 岩体形成挤压褶皱带的同时，上部的脆性岩石则易形成断裂。因而当开掘巷道揭露时，这部 分地段的岩层就显得较为破碎。可见，位于向斜构造带的固庄煤矿 15 号煤层 7