复合顶板煤巷锚杆（索）支护参数优化研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目复合顶板煤巷锚杆（索）支护参数优化研究 英文题目英文题目Optimization Study of Compound Roof Roadway Bolting cable Support Parameters 学位类学位类别别 工程硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 王晓磊 学号学号201202481 学科学科领域领域名称名称 矿业工程 指导教指导教师师 李世平 职称职称 教授 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2014 年 6 月 7 日 分类号分类号 TD353 TD353 密密 级级 公公 开开 U D C 学校代码学校代码 10127 10127 内蒙古科技大学硕士学位论文 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 由于近年来煤炭的开采量在不断增大，深埋和地质条件复杂的煤层将成为未来煤炭 资源开采的发展方向。在这一发展趋势中，复合型顶板煤层巷道的支护将会成为重点研 究的问题之一。在我国的煤矿中复合顶板煤层广泛分布，能否合理的解决复合顶板巷道 的支护问题，将关系到煤矿开采向纵深发展的安全性。 本文以神华乌海能源有限责任公司老石旦煤矿16404 工作面运输巷道的支护方式为 研究背景，采用理论分析与数值模拟相互结合的研究方法，对其复合顶板巷道的支护方 式进行了研究。 论文总结国内外关于复合顶板的研究现状，对复合顶板煤巷的变形破坏特征进行了 系统分析，并结合一些专家学者对复合顶板煤岩层的认识，分析得出复合顶板的概念； 深入分析了复合顶板巷道的变形破坏特征、巷道顶板的受力特征及巷道顶板离层的形成 条件，通过对老石旦煤矿 16404 回采工作面运输巷的现场调研，归纳得出影响巷道变形 破坏的因素主要包括特殊工程地质条件、围岩的物理力学性质、锚杆支护方法、锚固材 料、预紧力、施工质量及岩体力学和水文地质条件等。 老石旦煤矿16404 回采工作面直墙拱形巷道复合顶板厚度已大于 2.5m， 锚杆无法锚 固到顶板坚硬稳定的岩层中， 通过对复合顶板煤巷锚杆及支护构件的作用机理和锚杆支 护设计方法的深入分析，参照 16404 工作面运输巷道现有的支护经验及方式，16404 回 采面运输巷道锚杆支护应以组合拱和悬吊理论为理论基础进行支护设计。通过选用悬吊 和组合拱相结合的锚杆支护理论优化计算得出一组锚杆（索）支护参数，以理论计算优 化所得支护参数为依据，结合大型有限差分软件 FLAC3D软件对巷道断面形式、锚杆间 排距及锚杆索预紧力匹配进行了数值模拟稳定性优化分析，研究得出①直墙拱形巷道 支护更为合适；②锚杆间排距为 0.8m 时巷道支护效果更为理想；③锚杆、索预紧力为 75 kN、120 kN 时支护效果更合理。同时此研究认为锚杆索联合支护设计具有较大的工 程应用价值，为解决老石旦煤矿乃至整个乌海矿区软弱煤层复合顶条件下的巷道支护提 供理论依据。 关键词关键词复合顶板；破坏机理；数值模拟；锚杆（索）支护 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract In recent years, the exploitation of the coal has kept increasing, deep and complex geological conditions of coal will become the future direction of development of coal resources mining.In this trend, the compound top plate seam roadway of support will be one of the issues studied in detail.Composite roof seam coal is widely distributed in China, the ability to support a reasonable solution to the problem composite roof, and will be related to coal mining safety depth development. In this paper, Shenhua Wuhai Energy Co., Ltd. 16404 Face Laoshidan coal haulage roadway way of supporting research background, research of the combination of theoretical analysis and numerical simulation, the composite roof roadway supporting is studied. The thesis summed research status of domestic and international about roof of the compound, on the compound roof roadway of the deation and failure characteristics of the system analysis, combined with some experts and scholars on the compound roof strata understanding of the concept of composite roof analysis results;in-depth analysis of the the deation and failure characteristics of composite roof, the force characteristics and ation conditions of roadway roof separation of roadway roof, through the 16404 Lao-shidan mine stope roadway scene investigation, summarized the impact of roadway deation and failure results the main factors include special engineering geological conditions, physical and mechanical properties of rock, bolting s, anchoring materials, preload,construction quality and rock mechanics and hydrogeological conditions. 16404 Laoshidan mine coal mining face straight arched tunnel Compound Roof wall thickness is greater than 2.5m, the bolt can not be anchored to the roof of hard rock steady, through the action of compound roof roadway bolt and support mechanism and the anchor member in-depth analysis of the rod supporting design s, reference 16404 face haulage experience and support of existing s, 16404 stope bolting roadway transportation should be a combination of arch and suspension theory as the theoretical basis for supporting design.Bolt Supporting through the selection of combination of theory and arch suspension 内蒙古科技大学硕士学位论文 III combining a set of optimized calculated bolt cable support parameters to optimize the resulting theoretical basis supporting parameters, combined with the finite difference software FLAC3D software roadway section , row spacing and bolt preload match between the anchor cable was simulated to optimize the stability analysis, research results ① straight wall arched roadway is more appropriate; ② bolt row distance of 0.8m when the roadway is more ideal;③bolt, cable pretension force75 kN, 120 kN while retaining the effect is more reasonable.This study suggests that anchor cable while supporting design combined with a larger value in engineering, to address the whole Lao-shidan coal mine in Wuhai protect the weak seams provide a theoretical basis roadway under complex roof conditions. Key WordsKey Words The composite roof;Failure mechanism;Numerical simulation;Bolt cable support 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目 录录 摘 要 .................................................................................................................................... I Abstract ..................................................................................................................................... II 1 绪论 ........................................................................................................................................1 1.1 论文研究的背景及意义 ...........................................................................................1 1.2 复合顶板的研究现状 ...............................................................................................2 1.2.1 复合顶板煤巷支护机理研究现状 ...............................................................2 1.2.2 复合顶板合理支护技术的研究现状 ...........................................................3 1.3 本文研究的方法与主要内容 ...................................................................................4 2 煤巷复合顶板破坏机理及影响因素..................................................................................5 2.1 复合顶板的概念及煤巷破坏特征 ..........................................................................5 2.1.1 复合顶板的概念 ............................................................................................5 2.1.2 煤巷复合顶板的破坏特征 ...........................................................................6 2.2 煤巷复合顶板的变形破坏的主要影响因素 ..........................................................7 2.2.1 地质条件的影响 ............................................................................................7 2.2.2 锚杆支护设计方法的影响 ...........................................................................8 2.2.3 锚固材料的影响 ............................................................................................8 2.2.4 预紧力的影响 ................................................................................................8 2.2.5 施工质量影响 ................................................................................................9 2.3 煤巷复合顶板的受力特征分析 ..............................................................................9 2.3.1 力学模型建立 ................................................................................................9 2.3.2 煤巷复合顶板在自重和构造应力下的受力分析 ................................... 11 2.4 复合顶板离层的形成 ............................................................................................ 14 2.4.1 复合顶板岩层间弯曲变形后的离层条件 ............................................... 14 2.4.2 复合顶板岩层剪切错动下的离层条件 ................................................... 15 2.5 本章小结 ................................................................................................................. 16 3 复合顶板煤层巷道锚杆支护理论与方法研究 .............................................................. 17 3.1 复合顶板煤巷锚杆支护机理研究 ....................................................................... 17 3.2 复合顶板煤巷锚杆支护构件的作用机理研究 .................................................. 20 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 3.2.1 锚杆杆体的作用 ......................................................................................... 20 3.2.2 托盘、锚固剂和螺母的作用 .................................................................... 20 3.2.3 锚索和网的作用 ......................................................................................... 21 3.3 复合顶板煤巷支护设计方法研究 ....................................................................... 21 3.3.1 工程类比法 ................................................................................................. 21 3.3.2 理论分析法 ................................................................................................. 21 3.3.3 数值计算法 ................................................................................................. 22 3.3.4 现场监控法 ................................................................................................. 22 3.3.5 综合设计法 ................................................................................................. 22 3.4 本章小结 ................................................................................................................. 23 4 运输巷道支护现状分析 ................................................................................................... 24 4.1 工程实例背景 ......................................................................................................... 24 4.1.1 煤层赋存特征 ............................................................................................. 24 4.1.2 地质构造及水文地质 ................................................................................. 24 4.1.3 其他开采技术条件 ..................................................................................... 25 4.2 16404 运输巷道支护设计现状 ............................................................................. 26 4.2.1 现有 16404 运输巷道断面形状及支护形式 ........................................... 26 4.2.2 现有 16404 运输煤巷支护参数选取 ........................................................ 26 4.3 本章小结 ................................................................................................................. 27 5 老石旦矿16404 运输巷锚杆（索）支护参数优化研究 ............................................. 28 5.1 巷道锚杆（索）支护参数优化的理论计算 ....................................................... 28 5.2 巷道断面形式及支护参数优化的数值模拟 ....................................................... 31 5.2.1 FLAC 软件简介 ........................................................................................... 31 5.2.2 数值模型的建立 ......................................................................................... 32 5.2.3 巷道断面形状优化分析 ............................................................................ 33 5.2.4 锚杆支护参数的优化分析 ........................................................................ 36 5.2.5 锚杆索预紧力参数匹配的优化分析 ........................................................ 45 5.3 巷道合理支护参数的确定 .................................................................................... 47 5.4 本章小结 ................................................................................................................. 48 结 论 ................................................................................................................................. 49 参考文献 ................................................................................................................................ 51 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 在校研究成果 ........................................................................................................................ 55 致 谢 ................................................................................................................................. 56 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 论文研究的背景及意义论文研究的背景及意义 “煤炭是工业的粮食”，近现代的工业生产离不开煤炭，因此煤炭生产不仅在我国 乃至全世界都占有十分重要的地位[1]。由于近年来机械化采煤水平的不断提高，煤炭的 开采量也随着不断增大，随着地质条件优越和浅埋深的煤炭资源也越来越少，对埋深大 及地质条件复杂的煤层开采将成为未来煤炭开采的发展方向。复合顶板煤层就属于地质 情况复杂的煤层，也将成为未来煤炭开采亟待解决的难题之一，并广泛分布在我国煤矿 巷道中。复合顶板根据锚杆与锚索锚固范围内是否存在稳定岩层，可以划分为以下四种 形式① 锚杆可以锚固到稳定岩层内的成为中厚层状煤岩复合顶板；② 锚杆锚固范围 内无稳定岩层， 但锚索锚固范围内有厚度较大的稳定岩层称为大厚度中厚层状复合顶板； ③ 锚杆锚固范围内为薄层状岩层， 锚索锚固范围内有厚度较大的稳定岩层称为大厚度薄 层状复合顶板；④锚杆及锚索锚固范围内均无厚度较大的稳定岩层称为特厚薄层状复合 顶板。 神华乌海能源集团海渤湾矿业公司老石旦煤矿是典型的特厚薄层状复合顶板煤层， 老石旦煤矿16煤由16-1、16-2、16-3、16-4组成，各分层之间被炭页岩分隔，最薄 的仅0.1 m。目前所开采 16巷道沿16-4煤层底板掘进，伪顶是 0.5 m 的煤与炭页岩； 直接顶是 6.0 m 左右的 16-1、16-3煤及夹矸，完整性均较差，且随采随冒。由于煤岩 体强度相差较大，相互之间的变形不协调， 易于离层而产生较大的变形压力， 导致锚杆、 锚索承受较大变形而破断，甚至酿成顶板事故的发生。 目前锚杆索支护技术在工作面回采巷道中的应用十分普遍，理论研究也很多，但存 在的问题也不少，主要表现为对巷道的破坏机理和锚杆支护理论认识不够清楚，以及巷 道支护设计的方法不合理等方面，由此而导致近年来巷道顶板事故频发，并已成为影响 煤矿安全生产的最主要事故类型之一。通过对事故起因的统计调查分析显示，工作面回 采巷道尤其是复合层顶板巷道的顶板冒落和垮塌事故是煤矿生产中的多发性事故，除了 地质因素之外， 不合理的巷道支护方式、 不到位的施工质量是造成此类事故的主要原因。 复合煤层顶板巷道作为一类比较特殊的回采巷道，其巷道顶板为软弱煤岩组和成的层状 结构，煤岩体层状厚度不一，强度相差比较大，节理、层理较发育，锚杆可锚性较差， 如果在不合理的支护设计方式下，现场的施工过程中顶板极易发生垮冒，对煤矿安全生 产有着直接的影响。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 因此，为保证复合层顶板煤巷的安全生产，必须有效控制软弱煤岩层复合顶板巷道 锚杆索的有害变形，消除冒顶、片帮、离层、断锚索等现象；以及有效控制巷道两帮和 顶板的稳定，控制围岩扩大变形，增大巷道围岩整体的稳定性。同时，有针对性的研究 复合层顶板巷道的稳定性机理及围岩控制技术，对工作面回采、巷道的掘进以及提高企 业的经济效益都有着十分重要的理论与实践意义。 1.2 复合顶板的研究现状复合顶板的研究现状 复合顶板煤层的离层破碎问题随着我国大部分煤矿地质条件的复杂程度而变的甚为 突出。但在世界上的几大产煤国如澳大利亚、美国、德国、俄罗斯等，这些国家的煤层 赋存条件较好，复合层顶板较少见。这些国家学者认为[28]，对于顶板完整的巷道才采用 锚杆支护方式，至于破碎的顶板应采用强力的金属支架支护，因此，国外在研究对破碎 复合顶板煤巷的锚杆索支护方面取得成果较少，而国内学者针对复合层顶板煤巷的支护 机理等问题进行了大量的研究，取得一批重要的成果。 1.2.1 复合顶板煤巷复合顶板煤巷支护机理研究现状支护机理研究现状 从复合顶板巷道的锚杆作用机制和巷道两帮变形破坏及顶板离层等不同角度出发， 国内一些学者针对复合层顶板煤巷支护机理，做了大量的研究工作，最终取得一些显著 的成果。 张玉军，唐仪兴[9]把一层层叠压在一块的岩体看作是等效各向同性，分析得出在重 力下的地应力理论解， 并与各向同性岩体对比时， 又得出x、y方向的水平主应力在一个 较大的范围内变化。杨光玉，朱衍利[10]认为由于顶板的层层叠压的岩体中有质软且硬度 弱的夹层存在，导致各岩体层之间粘结在一起的力度很低或甚至有的粘结力已经消失， 锚杆锚固在岩体内而形成的锚固区的承担载荷能力有限，普通材料和性能的锚杆的锚固 岩体的范围较小，由质软且硬度弱的岩体夹层本身的岩石蓬松抖动发生膨胀对其下部层 层岩体也会形成较大的垂直应力，从而导致复合顶板的变形破坏，以及顶板的大变形甚 至垮落。 林崇德，孙同迟[11]认为是由在水平方向上以压应力为主的动力下导致层层状态的岩 体产生分层和弯曲破坏。任永杰，张彬[12]认为复合层顶板巷道在开挖后，巷道周边围岩 由开挖前的 x、y、z 三方面的受力情况改变为同一平面内两方面的受力情形，同时围绕 巷道周边的岩体在单位面积上受力的集中系数增大，层层岩体发生体积缩小的永久变形 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 破坏。何满潮，齐干[13]采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究复合顶板煤巷的形状 改变至破坏机理，提出用锚杆和铁丝网及锚索相互配合起到合理承载力的支护方式。 侯朝炯，柏建彪[14]进行了对复合层顶板质地弱的煤岩层巷道锚杆支护技术的研究， 得出复合层顶板质地弱煤层巷道的三个特点顶板很容易冒落岩体、极难对其安全护理 且巷道周围岩体变形剧烈。综上所述，国内学者在研究复合层顶板煤巷支撑与护理的运 行规则和原理方面取得的成果归纳起来有 （1）复合层顶板主要是在水平压应力的作用下产生离层和弯曲破坏。 （2）导致复合层顶板离层的主要因素包括恶劣的地质条件、存在软弱夹层、巷道 围岩应力集中等。 （3）复合顶板发生破坏规律可以总结为从强度最低的部位开始，帮、角塑性区破 坏最大。 （4）煤层顶底板岩体的质地越弱，硬度越小，巷道两帮发生帮面破坏口较大往里逐 渐缩小的破坏形态或反之的破坏形态越严重，顶板最容易形成大块冒落体。 1.2.2 复合顶板合理支护技术的研究现状复合顶板合理支护技术的研究现状 目前，总结出三大类关于复合顶板巷道锚杆支护设计的方法利用简单的经验公式 进行设计的工程类比法； 采用各种支护理论对复合顶板巷道进行支护设计的理论计算法； 第三种是数值分析法。 我国煤巷锚杆支护设计中应用最多的就是工程类比法，它是以巷道周边岩体稳定的 强弱以及巷道周边岩体由于松散蓬动而形成的动力圈的大小为基础分为两类不同的支护 设计方法。以巷道周边岩体稳定的强弱来分类的锚杆支护设计方法应用最为普遍，此类 设计方法以作为国家关于煤巷支护安全的标准来规范和指导工作面煤巷的支护设计。但 工程类比法过分依赖经验，常导致支护参数过于保守而造成浪费，或支护强度不足影响 巷道稳定。 理论计算法和数值分析法设计的支护参数虽然较为合理，但其支护设计时采用的计 算或模拟参数很难选取，严重的阻碍了这两种支护设计方法的应用。 在支护技术方面，目前我国煤矿复合顶板巷道的主要支护方式有锚杆支护、锚梁网 支护、锚梁网支护加锚索支护以及锚注支护等。由于煤炭开采往着深埋和地质条件复杂 的情况方向发展的趋势，单单的依靠锚网索对复合顶板的支护已经不能安全的承载复杂 条件下的应力载荷。因此，为了保证复合顶板巷道的安全，我们必须开始探索新型的支 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 护形式，如①巷道壁浇灌混凝土支护、打锚杆后巷道壁浇灌混凝土加金属网支护等， 在这类支护形式中， 锚杆与围岩形成锚岩加固体， 喷射混凝土及金属网封闭并补强围岩； ②钢筋搭建梯子形梁和锚杆配合、锚杆加钢带等，这类支护方式是将多根锚杆组合成一 体，形成群锚效应，提高锚岩加固体的支护强度，维护围岩稳定性；③近来在煤巷中运 用较普遍的支护方式就是锚杆锚索耦合或锚网索耦合支护，利用锚杆把浅部松动岩层固 结在一起，再用锚索加固深部潜在冒落岩层。 综上所述，在国内外一些专家学者对煤巷复合顶板进行多方面研究后取得一些研究 成果的情况下，同时也有一些问题不容忽视，主要有以下几个方面 （1）很少对复合顶板进行受力状态分析，导致对煤巷复合顶板的变形破坏规律认识 不清； （2）虽然对煤巷复合顶板锚杆支护机理的研究较多，但这些研究大都是单纯的研究 支护问题，而没有把复合顶板的变形破机理和支护机理联系起来，没有认识到煤巷复合 顶板的支护是一个系统工程； （3）煤巷复合顶板的支护设计方法还不够完善，没有适合复合顶板巷道的支护设计 方法，在复合顶板巷道支护设计时过分依赖工程经验。 1.3 本文研究的方法与主要内容本文研究的方法与主要内容 本文以乌海老石旦煤矿 16404 运输巷道北翼段锚杆支护为工程背景，采用理论分析 计算与数值模拟相结合的方法，结合复合顶板煤巷变形的主要影响因素和巷道的破坏机 理，以及巷道的受力特征条件，对 16404 运输巷北翼段复合顶板锚杆（索）支护参