回采巷道锚杆支护拱形布置实验研究.pdf

工学硕士学位论文 回采巷道锚杆支护拱形布置实验研究 赵 晋 泽 河 北 工 程 大 学 2010 年 5 月 万方数据 分类号TD3 密 级 公开 UDC 单位代码 10076 工学硕士学位论文 回采巷道锚杆支护拱形布置实验研究 作者姓名 赵晋泽 指导教师 崔景昆教授 申 请 学 位 级 别 工学硕士 学科专业 采矿工程 所在单位 资源学院 授 予 学 位 单 位 河北工程大学 万方数据 A Dissertation ted to Hebei University of Engineering For the Academic Degree of Master of Engineering Experimental Experimental Study on Study on A Arch rch A Arrangement of rrangement of A Anchorsnchors o of f Mining Roadway Mining Roadway Candidate Zhao Jinze Supervisor Prof. Cui Jingkun Academic Degree Applied for Master of Engineering Specialty Mining Engineering College/Department College of Resource Hebei University of Engineering May, 2010 万方数据 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大学河北工程大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河北工程大学河北工程大学 有关保留、使用学位论文的规 定。特授权 河北工程大学河北工程大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 导师签名 签字日期 年 月 日 万方数据 摘 要 Ⅰ 摘要 煤矿生产最显著的特点就是地下作业，巷道作为煤矿井下生产的动脉，在煤 矿巷道中回采巷道的长度占 60以上。保证回采巷道的畅通并使其处于完好状态 对安全生产和提高煤矿经济效益具有重要意义。回采巷道主要服务于回采工作面， 断面形状多为梯形和矩形，回采巷道的特点是受煤层开采影响很大，维护难度大， 支护费用高。所以探索正确的巷道支护理论，选择合理支护方式与支护参数，是 矿山领域的专家学者长期致力于解决的重大课题。 本文主要就回采巷道在不同锚杆布置形式下巷道围岩的受力状态，破坏变形 情况进行了研究。 以锚杆支护的组合拱理论为指导，对巷道在锚杆支护条件下形成的承载体的 力学性能进行实验研究。 运用相似材料模拟对回采巷道在锚杆的常规布置和锚杆的拱形布置情况下， 巷道围岩的变形破坏特征及围岩应力状态进行了对比研究，得出在锚杆拱形布置 条件下，巷道围岩位移要小于巷道在锚杆常规布置条件下的位移，围岩受力状况 也得到了一定改善。 通过大型有限差分数值模拟软件 FLAC3D对回采巷道在两种锚杆布置形式下 的支护效果进行了三维数值模拟，对相似材料模拟得出的结论进行了很好的验证。 关键词回采巷道；锚杆支护；拱形布置；相似模拟； 万方数据 Abstract Ⅱ Abstract Coal production has the most remarkable feature of underground work and laneways are arteries of coal mine tunnel production the length of gateway laneways in coal mine laneways is more than 60. It has important significance for safety production and improving coal mine economic benefits to guarantee smoothness of gateway laneways and enable the gateway laneways to be in perfect states. The gateway laneways mainly serve mining area the cross section shapes are trapezoidal and rectangular shapes mostly the characteristics of gateway laneways are that they are greatly subject to influence on coal layer mining the maintenance difficulty is big and the supporting cost is high. Thereby the exploration of correct laneway supporting theories and selection of right supporting modes and supporting parameters are major issues which are studied by experts and scholars in the field of mining for long time. This paper mainly researches on the forced states and breaking deation conditions of laneway surrounding rocks of the gateway laneways under different anchor arrangement modes The combination arch theory of anchors is taken as guidance to carry out theoretical analysis to the mechanical properties of carriers ed by the laneways under the anchor supporting conditions. Similar material simulation is used to carry out systematic comparison research on deation breaking characteristics and surrounding rock stress states of laneway surrounding rocks under normal arrangement of anchors and the arch arrangement conditions of anchors of the gateway laneways and it is obtained that the laneway surrounding rock displacement of anchor arc arrangement mode is smaller than the displacement of the laneway in the normal arrangement mode and the surrounding rock stress conditions are improved to a certain extend. Through large-scale finite-difference numerical simulation software FLAC3D, three-dimensional numerical simulation is carried out to two anchor arrangement modes of the gateway laneways and the obtained conclusion of similar material simulation is well verified. Keywords mining roadway; anchor support; arch arrangement; similar simulation; 万方数据 目 录 1 目 录 摘要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1.1 问题的提出 1 1.2 国内外锚杆支护研究现状 1 1.2.1 国外锚杆支护研究现状 2 1.2.2 国内锚杆支护研究现状 4 1.2.3 存在问题 5 1.3 研究主要内容及方法路线 7 第 2 章 回采巷道围岩控制与锚杆作用机理分析 8 2.1 回采巷道围岩控制原理 8 2.1.1 支护围岩相互作用原理 8 2.1.2 回采巷道围岩控制途径 8 2.2 锚杆支护理论 9 2.2.1 悬吊理论 9 2.2.2 组合梁理论 10 2.2.3 组合拱理论 11 2.2.4 最大水平应力理论 11 2.3 回采巷道锚杆作用机理探讨 12 第 3 章 回采巷道锚杆支护拱形布置相似模拟研究 14 3.1 实验目的及原理 14 3.1.1 实验目的 14 3.1.2 实验原理 14 3.2 相似模拟实验模型建立 16 3.2.1 模型设计 16 3.2.2 模型制作 18 3.2.3 数据采集方案 21 3.3 实验结果分析 23 3.3.1 巷道围岩应力分析 23 3.3.2 巷道围岩位移分析 26 万方数据 目 录 2 3.4 本章小结 31 第 4 章 回采巷道锚杆支护拱形布置数值模拟研究 33 4.1 数值模拟方法选取 33 4.2 拉格朗日分析法简述 33 4.3FLAC 3D数值模拟软件 36 4.3.1FLAC 3D 简介 36 4.3.2FLAC 3D基本方程的有限差分形式 36 4.3.3FLAC 3D本构模型 37 4.3.4FLAC 3D求解过程 40 4.4 数值模拟模型建立 40 4.4.1 参数选取 40 4.4.2 锚杆模拟 43 4.5 模拟结果分析 44 4.5.1 应力分析 44 4.5.2 围岩位移分析 49 4.6 本章小结 51 结论 52 主要结论 52 存在问题及展望 52 致 谢 54 参考文献 55 作者简介 58 攻读硕士学位期间发表论文和科研成果 58 已发表论文 58 参加导师科研课题 58 万方数据 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 问题的提出 我国的煤炭资源丰富，现煤炭产量居世界首位，而且煤炭在我国一次能源生 产和消费中占 75左右。据有关部门预测，在未来 20～50 年内，我国一次能源生 产和消费以煤为主的格局不会有太大改变[1-2]。 由于我国煤炭赋存条件复杂，绝大多数矿井采用井工开采。巷道作为煤矿井 下生产的脉络，每年巷道掘进和维护达千万米，而在煤矿巷道中回采巷道所占比 重在 60以上。保持其畅通和完好状态对改善井下的劳动条件和作业环境以及防 止巷道顶板事故，对保证矿井正常生产和安全生产具有重要意义。由于巷道所处 的位置和顶底板间的位置关系，以煤巷和半煤巷为主的回采巷道，其断面一般为 矩形，梯形或近似梯形的四边形，不能形成近似自然冒落拱的支撑体系。它一般 均要承受工作面采动影响，巷道位置一般不能选择，巷道围岩强度低，顶板岩石 一般呈层状待征，历史上一直使用棚式支护，用各种棚子来支承各种围岩压力。 由于种种原因，棚式支护不可能紧贴围岩，或不能全部紧贴围岩，只有当围岩破 碎、离层后才能发挥棚子的支撑作用，是一种被动支护。锚杆支护是一种完全不 同的崭新的支护方式[3]。它利用锚固剂、锚杆、托板及各种构件，或喷层，给围岩 一定的支护强度，与围岩共同组成支护体系，承受各种围岩应力和采动应力达到 支护目的，是一种主动支护。它与传统的棚式支护相比具有十分明显的优势。锚 杆支护作为一种有效的回采巷道支护方式，由于对巷道围岩强度的强化作用，可 显著提高围岩的稳定性，加之具有支护成本较低、成巷速度快、劳动强度减轻、 提高巷道断面利用率、简化回采面端头维护工艺、明显改善作业环境和安全生产 条件等优点，可提高矿井的经济效益，因而成为世界各国矿井巷道的一种主要支 护形式，代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。 对锚杆支护进行更深入的研究进而提出更为有效的锚杆支护技术不仅能够显 著提高巷道支护效果，增加安全程度，而且可以节约大量的支护和维修费用，在 减轻工人员劳动强度的同时，能够改善井下作业环境，提高产量，为矿井高产高 效创造条件。 1.2 国内外锚杆支护研究现状 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 2 1.2.1 国外锚杆支护研究现状 国外一些矿山在 100 多年前就开始应用锚杆支护。英国早在 1872 年就使用过 金属锚杆，美国 1900 年使用过木锚杆。锚杆大范围应用于地下工程是在 20 世纪 40 年代末期。此后锚杆支护在矿山，岩土工程领域得到迅速发展，成为一种极具 应用前景的支护方式。锚杆支护在国外的发展可分为以下几个阶段 1）19501960 年，锚杆型式主要是机械端部锚固锚杆，分楔缝式、倒楔式、 涨壳式。这类锚杆的特点是，锚固力低，支护刚度小、可靠性差、在不同岩层中 锚固力变化大，不适合在松软破碎岩层中使用。这些弊端导致了英国、法国等国 家在锚杆使用过程出现反复。英国煤矿在 1957 年使用了大约 500000 根锚杆，法 国的用量也很大。但到 20 世纪 60 年代锚杆用量大幅降低。 2）19601970 年，树脂锚杆的研制成功并在矿山得到应用。1958 年德国开 始研制树脂锚杆，经过 1 年多的实验室试验，埃森采矿研究中心制作了第一批药 卷式树脂锚固剂，并于 1959 年在井下进行了现场试验，1961 年取得成功。在这以 后树脂锚杆在主要采煤国家逐步得到应用。初期树脂锚杆为端部树脂锚固，锚杆 孔径较大（3845mm） ，逐步发展到小孔径（2230mm）全长树脂锚固。这种锚 杆锚固力大、可靠性高、适应性强，对锚杆支护技术的发展起了极大的推动作用。 3）19701980 年，管缝式锚杆、胀管式锚杆研制成功并得到应用。但是管缝 式锚杆、胀管式锚杆在井下有容易锈蚀，锚固力受钢材材质，围岩性质等外部因 素影响很大，施工工艺比较复杂的缺点，在适宜条件下才能使用。 4）19801990 年，锚杆支护形式更加多样化出现了混合锚固锚杆、钢带式 组合锚杆、桁架锚杆、锚注锚杆、可拉伸锚杆等特种锚杆，锚索加固技术也得到 了应用，树脂锚杆材料得到了进一步改进与提高。 5）20 世纪 90 年代以来，高强度树脂锚固锚杆以其优越的锚固效果和简便的 施工工艺，逐步取代了其它类型的锚杆，成为主要锚杆支护形式。锚索加固技术 也得到了大面积推广应用。 澳大利亚，美国等国由于煤层地质条件简单，埋藏浅，大力推广应用锚杆， 他们的锚杆支护技术比较先进，在煤矿巷道的支护比重中几乎达到了 100。实际 上在澳大利亚和美国，如果一个矿区煤层顶板不适合采用锚杆支护，那么便认为 开采这样的煤层在经济上是不合理的。澳大利亚锚杆支护技术已经形成比较完整 的体系，煤矿巷道几乎全部采用 W 型钢带树脂全长锚固组合锚杆支护技术，处于 国际领先水平。尽管其巷道断面比较大，但支护效果良好。对于复合顶板，破碎 顶板等难维护条件采用锚索注浆进行补强加固，控制围岩强烈变形。美国煤矿锚 杆消耗量很大，锚杆种类也比较多，有涨壳式锚杆、混合锚固锚杆、树脂锚杆。 万方数据 第 1 章 绪论 3 欧洲主要产煤国家，过去主要采用金属支架支护巷道。但随着巷道支护难度 加大和支护成本增高，将巷道支护方式转向锚杆支护。积极开展了锚杆支护技术 的研究，试验与推广应用。 英国曾是欧洲产煤国中使用金属支架的典型代表。1987 年以前，英国煤矿巷 道支护 90以上使用金属支架，导致巷道支护效果差，成本高，效益低煤矿亏损 严重。 使英国煤炭产业在竞争激烈的国际市场上没有竞争优势。 面对危机英国 1987 年从澳大利亚引进了成套的锚杆支