软岩巷道锚杆与锚索联合支护技术研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘 要 红庙煤矿软岩巷道煤层赋存条件复杂，围岩松软，节理裂隙较发育，巷道前 期均采用传统的螺纹钢锚杆支护方式，软岩煤巷每年都需要补强支护多次，本文 通过对锚杆与锚索的联合支护研究，解决了红庙煤矿软岩巷道支护的难题，同时 能够将该支护技术推广至类似的软岩巷道支护中， 为煤矿软岩巷道支护技术的发 展提供了基础条件。 基于传统支护理论的基础上， 分析研究了玻璃钢锚杆与预应力锚索联合支护 的耦合作用机理，并在实验室开展了联合支护的力学性能试验，通过相似理论建 立拉拔试验模型，通过对不同的试验方案对比分析和优化改进，得出了误差最小 的测定方案，并对影响锚固力大小的锚固材料、锚固时间和锚固的有效长度进行 了深入分析，得出采用水泥砂浆进行全长锚固 15 天以上时，支护效果最好。采 用 FLAC3D 数值计算软件对联合支护方式与传统的螺纹钢锚杆支护方式从塑性 区分布、应力分布、位移分布、受力特点、安全系数等方面进行了对比分析，得 出联合支护方式在控制位移、控制地压等各方面均较明显的优于螺纹钢锚杆支 护，且联合支护方式安全系数更高，支护更安全。采用蒙特卡罗法计算联合支护 的可靠度为 1.01，满足软岩煤巷支护的要求。通过在红庙煤矿 3 号软岩巷道中采 用玻璃钢锚杆与预应力锚索联合支护，其支护效果较好，通过对巷道变形进行收 敛监测，其收敛变形量在巷道允许变形范围内。 通过实验室和现场试验研究采用锚杆与锚索的联合支护的方式解决了红庙 煤矿软岩巷道支护的难题， 同时对锚杆与锚索在软岩巷道中的联合支护力学性能 进行了深入分析和综合评价，弥补了联合支护力学分析和综合评价的空白，对煤 矿软岩巷道支护技术的发展提供了基础条件。 关键词关键词联合支护；软岩巷道；支护机理；锚固力；可靠性； 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract GongMiao coal mine of soft rock roadway coal seam condition is complex,soft surrounding rock joint fissure is developed,early roadway are using the traditional way of steel bolt support,soft Coal Roadway need to supplement support several times a year,based on the experimental analysis and simulation studies,glass steel bolt and prestressed anchor combined support on the way Soft Coal roadway to support,solve GongMiao coal mine soft rock roadway problems. Based on the traditional theory of support,analysis of the coupling bolt and FRP prestressed anchor combined support mechanism,and carried out in a laboratory mechanical testing Combined Support,Pull-out test model established by similarity theory,by comparing different test program analysis and optimization improvements,obtain the minimum error measurement ，anchoring force and influence the size of the anchoring materials,anchoring length of time and effective anchoring depth analysis,the best support is the total length of the use of cement mortar anchor more than 15 days,FLAC3D used numerical software combined support with the traditional steel bolt Supporting Ination from plastic zone distribution about the stress distribution and displacement distribution;subject to terms of mechanical characteristics;safety factor compared analysis;the combination support control in all aspects of displacement,pressure and other than those controlled significantly better than steel bolting， and the combination support higher safety factor and supporting safer. Monte Carlo to calculate the combined support of the reliability of 1.01, meet coal roadway in soft rock support requirements. By using glass and steel bolt prestressed anchor combined support in Hongmiao Mine No. 3 soft rock tunnel, which support better, through the tunnel convergence monitoring deation, deation of convergence in the roadway deation within the allowable range. GongMiao coal mine of soft rock roadway coal seam condition is complex,soft surrounding rock joint fissure is developed,early roadway are using the traditional 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III way of steel bolt support,soft Coal Roadway need to supplement support several times a year,based on the experimental analysis and simulation studies,glass steel bolt and prestressed anchor combined support on the way Soft Coal roadway to support,solve GongMiao coal mine soft rock roadway problems. Key wordsKey words Combined Support；Soft Rock Roadway；Support Mechanism；Anchoring force；Reliability； 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 目 录 摘 要 ........................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 1 绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 选题背景 .......................................................................................................... 1 1.2 研究意义 .......................................................................................................... 2 1.3 国内、外研究现状 .......................................................................................... 4 1.3.1 国外研究现状 ........................................................................................ 4 1.3.2 国内研究现状 ........................................................................................ 4 1.4 研究内容及创新点 .......................................................................................... 5 1.4.1 研究内容 ................................................................................................. 6 1.4.2 创新点 ..................................................................................................... 6 1.5 研究方法 .......................................................................................................... 7 1.6 技术路线 .......................................................................................................... 7 2 软岩支护理论分析 .................................................................................................... 8 2.1 联合支护理论与应用 ...................................................................................... 8 2.2 联合支护作用机理 ........................................................................................ 10 2.2.1 锚杆支护作用机理 .............................................................................. 10 2.2.2 锚索支护作用机理 .............................................................................. 12 2.2.3 联合支护机理分析 ..................................................................................... 14 2.3 软岩巷道破坏的主要影响因素分析 ............................................................ 18 2.4 软岩巷道变形过程 ........................................................................................ 21 2.5 本章小结 ........................................................................................................ 22 3 联合支护力学试验研究 .......................................................................................... 23 3.1 力学试验方法 ................................................................................................ 23 3.2 力学试验相似模拟理论基础 ........................................................................ 23 3.3 联合支护力学试验 ........................................................................................ 25 3.3.1 试验方案 .............................................................................................. 26 3.3.2 试验影响因素分析 .............................................................................. 31 3.4 联合支护力学分析 ........................................................................................ 36 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 3.5 本章小结 ........................................................................................................ 41 4 联合支护数值计算与分析 ...................................................................................... 43 4.1 数值计算模型 ................................................................................................ 43 4.2 模型参数选取 ................................................................................................ 44 4.3 模拟结果分析 ................................................................................................ 47 4.3.1 螺纹钢锚杆支护模拟结果分析 .......................................................... 47 4.3.2 联合支护模拟结果分析 ...................................................................... 49 4.4 模拟结果对比分析 ........................................................................................ 53 4.5 联合支护安全系数 ........................................................................................ 53 4.6 软岩巷道联合支护方案及参数设计 ............................................................ 54 4.7 软岩巷道联合支护效果分析 ........................................................................ 57 4.8 软岩巷道联合支护存在的问题 .................................................................... 58 4.9 联合支护优化 ................................................................................................ 61 4.10 本章小结 ...................................................................................................... 62 5 联合支护体的安全可靠性及支护效果评价 .......................................................... 64 5.1 联合支护体的安全可靠性分析 .................................................................... 64 5.1.1 联合支护体的可靠性模型 .................................................................. 64 5.1.2 联合支护体的可靠性计算方法 .......................................................... 64 5.1.3 联合支护体的可靠度计算 .................................................................. 67 5.1.4 联合支护可靠性计算结果 .................................................................. 69 5.1.5 联合支护安全可靠性的优化 .............................................................. 69 5.2 联合支护的综合性评价 ................................................................................ 70 5.2.1 综合评价模型 ...................................................................................... 70 5.2.2 锚杆支护评价指标体系 ...................................................................... 71 5.2.3 指标权重的确定 ................................................................................... 73 5.2.4 综合性评价值计算 .............................................................................. 74 5.3 本章小结 ........................................................................................................ 75 6 结论与展望 .............................................................................................................. 76 6.1 结论 ................................................................................................................ 76 6.2 展望 ................................................................................................................ 77 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1- 1 绪论绪论 1.1 选题背景选题背景 我国是以煤炭为主的能源大国，随着经济的发展，从 20002013 年，煤炭产 量逐年上涨， 虽然近 2 年来， 煤炭产量过剩导致开采量减少， 但产量依然较 2010 年有较大的增幅。近年来煤炭产量如图 1.1 所示。 图 1.1 原煤产量统计图 随着我国煤炭开采强度加大，开采深度越来越深，巷道受矿压的影响越来越 大，巷道支护安全问题也越来越突出，为了减少煤矿巷道支护的安全事故，软岩 煤巷联合支护相关的技术研究日显突出和迫切。因此，煤巷的安全、稳定、长久 才是煤巷开采与施工的重中之重，虽然随着支护技术和支护施工工艺的不断完 善，但支护工作是煤矿开采过程中最关键的环节，其支护安全性仍然艰巨，支护 成本也较高。在煤矿巷道支护过程中，支护的总费用一般占比总开采费用的 3540，而劳动成本就占据 50以上，占比较高。 巷道软岩支护工程中，影响支护工程的安全因素主要包括支护技术、地质构 造、地形地貌、巷道尺寸及形状、支护结构强度、支护时间等。基于煤矿巷道支 护过程中支护结构与巷道之间的相互作用，可以分为主动支护（巷道周围的围岩 可以支撑载重）和被动支护（煤巷围岩比较破碎，不能支撑荷载，无支撑力） ， 两种巷道支护理论。而被动支护结构不利于利用巷道围岩自身的支撑能力，导致 支护过程中荷载非常大，若支护不够及时，充填量没有达到设计的相关要求，而 压垫不够敦实使矿岩耐久性降低，支护极易在短时间内被破坏，从而发生安全事 故。因此，在一般支护过程中，为了提高开采强度，加大开采量，积极采用和创 2014 年 2013 年 2012 年 2011 年 2010 年 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 新研究支护技术，降低被动支护风险率，使得主动支护成为较多采用的一种支护 形式。 煤矿软岩巷道实际施工表明，支护是最关键的环节，提高围岩自身应力对巷 道支护具有极其重要的意义。传统的支护方式（钢槽支架、型钢支架、混凝土拱 等） 一般不能有效支撑围岩应力，支护的建设进度和复杂地质形态区域的支护稳 定性无法得到有效的保障，在围岩频繁活动区域支护工程受损严重，导致巷道及 支护构造变形严重。因此，应积极发展主动支护方式，提高围岩稳定，增大自身 的应力，以围岩作为主导进行支护，依靠围岩自身的应力，并增加锚杆、锚索、 喷浆、注浆等辅助支护来提高围岩的支撑力，减少围岩变形，提高支护的安全稳 定性。 我国煤矿软岩巷道支护过程中，由于传统的被动支护形式有高返修率、低支 护效率、高经济成本等缺点，尤其在围岩较松软、破碎的区域，节理、裂隙均较 发育，在采掘扰动下，被动支护极易失效。因此，被动支护已被逐步淘汰，主动 支护呈现出广阔的发展前景，主动支护的研究也较多，但随开采深度的增加，单 一的支护方式已经不能满足支护工程安全的要求， 采用联合支护技术才能有效的 保障支护的安全性。 目前煤矿软岩支护中， 锚杆支护以显著的技术优势和经济优势成为最常见的 支护方式，而各类锚杆、锚喷支护机理及支护设计较为成熟，可对不同性质的围 岩巷道采用锚杆支护，而锚杆与其他支护方式的联合支护研究不够深入，软岩煤 巷缺乏有效的联合支护方式和支护参数。因此，为保证软岩煤巷支护的可靠性， 根据实际工程地质条件和存在的问题及隐患，结合目前的研究成果，以内蒙古自 治区赤峰市红庙矿巷道为试验区域， 进行工作面回采动压影响下巷道联合支护技 术研究，形成一种安全可靠、经济合理的支护方式，以保障生产时巷道稳定及安 全，增加巷道稳固性，减少巷道变形，并使巷道维护工作量大大降低，同时将形 成的联合支护技术及成果进行推广，在类似矿区进行实践应用。 1.2 研究意义研究意义 中国大部分煤矿软岩巷道地质条件复杂，赋存的煤层松软破碎，巷道的支护 难度较大。而近年来，随着煤矿开采量加大，开采速度加快，开采深度也在不断 的加深，地压也越来越大，导致赋存条件极为复杂。在这种地质条件下，围岩稳 定性大大降低，变形加剧，支护难度大大增加。因此，需探索和研究新的一种适 合于巷道支护的支护形式，通过实验室试验、现场试验和实践来摸索最优的支护 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 参数，并对施工工艺进行配套研究，形成一种支护强度高、施工简便、维护量小 的支护方式，以保障软岩煤巷支护的安全，从而确保安全生产，又大大降低了支 护成本，从安全、经济等角度的发展均有极其重要、极其深远的意义。 煤巷支护中，部分矿区采用的锚杆及 U 型钢支护，当围岩破碎时，支护区 域产生离层等现象， 导致支护失效， 巷道每年至少需进行一次维修， 工作量增加， 成本也相应增高，支护进度则减缓，使得煤矿的安全生产及经济效益都受到了较 大影响。而用新的玻璃钢锚杆和锚索联合支护方式，则是与原有的支护方式不同 的一种全新的联合支护方式，变被动支护为主动支护，利用锚固剂、锚索及托盘 等构件，在岩体内形成一定的预应力，同时避免了刚性支护的压力集中，先卸载 部分压力然后通过锚杆和锚索的应力及喷层，增大了围岩的支护强度，构建了一 个围岩共同支护体，能够共同分担和承受巷道应力及采掘扰动力，达到安全支护 的目的。 新型的玻璃钢锚杆和锚索联合支护方式与传统的支护方式相比， 具有如下几 个方面的优越性 （1）属于主动支护，改善了巷道围岩的受力形态，增加了围岩 的支护强度； （2）降低了作业人员的劳动强度，提高了工作效率，为高产高效提 供了基础条件； （3）玻璃钢锚杆材质轻，降低了材料运输的压力，有利于提高掘 进速度和支护效率； （4）减少了二次支护，节约了支护材料，降低了支护成本； （5）减少了围岩变形量，增加了巷道断面空间利用率； （6）减少了巷道的维修 量，增加了支护的服务年限； （7）支护可靠性和稳定性好，能够安全稳定的支护 综采工作面开切眼和顺槽的超前支护，为高效生产提供了良好的基础。 内蒙古自治区赤峰市的红庙煤矿地质赋存条件极为复杂， 围岩较松软、 破碎， 煤层的顶、底板均较松软，属于典型的高应力软岩巷道，巷道支护较困难，返修 率特别高，前期主要采用螺纹钢锚杆进行支护，大部分支护的巷道已经返修过两 次以上，导致支护效率低，影响了矿井生产安全，因此，红庙矿急需一种更加有 效更加合理的支护方式。通过对比分析，拟在该矿采用玻璃钢材质的新型锚杆联 合锚索的联合支护， 在对玻璃钢材质的新型锚杆联合锚索支护的受力形态及物理 力学性能进行分析和试验研究，并采用 FLAC3D数值软件进行受力模拟研究，分 析联合支护的安全性和可靠性，并通过现场支护试验，设计合理的支护参数和配 套的工艺，连续监测支护变形量，优化支护参数，得出最优的支护结构，在保证 支护安全的前提下，减轻支护作业人员的劳动强度，降低支护成本，真正意义上 做到安全、高效、节约的支护技术，从而在该矿全面推广，并为全国煤矿软岩巷 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4- 道支护技术的推广提供基础。 1.3 国内、外研究现状国内、外研究现状 1.3.1 国外研究现状国外研究现状 在国外软岩支护工程的研究可以分为喷射混凝土支护阶段、 钢架支护阶段和 软岩工程地质研究等三个阶段。 在十九世纪 60 年代初，煤矿开始采用锚喷支护的方法对软岩进行支护，并 开发出了多种锚杆应对软岩支护条件的变化，形成了壳锚杆、楔形连接锚杆、机 械锚杆、其他锚杆和灌浆水泥等支护类型[1-5]。 在 70 年代，软岩支护理论得到飞速的发展，形成了如新奥法理论、应变控 制理论、能量支护理论等具有代表性的成果，对软岩支护的发展起到了非常大的 指导意义[6-10]。 到了 80 年代，随着煤矿开采深度的增加，软岩支护问题更加突出，仅采用 锚喷支护为主的支护技术不能满足软岩支护的安全和变形的要求， 导致支护效果 较差[11-16]。波兰煤矿研究所通过大量的实验研究后，采用钢性框架支护替代原有 的锚喷支护，巷道变形起到了遏制作用，但由于巷道支护成本太高，且对于泥质 软岩巷道变形控制不佳，最终未能全面推广使用[17-25]。 近年来国外工程地质学开始对软岩特征进行分析研究，通过采用有限差分、 离散元、 有限元、 边界元等方法， 借助 FLAC、 ANSYS、 ADINA、 UDEC、 FINAL、 SAP 等计算软件，并结合传统的支护理论，分析软岩体的结构组成、理化性质、 力学特性，从而针对不同的软岩体采用与之相匹配的支护方式[26-30]。 1.3.2 国内研究现状国内研究现状 我国在 1958 年就开始着手研究软岩巷道的支护，主要包括两个方面一是 锚喷支护，二是适合我国软岩特征的软岩支护技术。 80 年代初，由于煤矿资源的开发，煤矿开采量加大，软岩支护问题开始逐 渐凸显，我国各科研院所及高校开始对软岩支护问题开展了大量的研究，我国软 岩支护技术取得了较大的发展，在软岩巷道围岩的变形受力机制、控制软岩巷道 变形、 设计支护方式、软岩巷道围岩控制的基础理论以及软岩支护施工工艺及监 测等方面取得了非常丰硕的成果， 同时在软岩巷道支护施工设备方面也做出了卓 有成效的工作[31-35]。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -5- 80 年代后，“新奥法”的应用与发展，我国支护工程技术人员通过大量的试 验研究，并结合软岩煤巷的特征，总结形成了具有中国特色的软岩支护系统综 合治理、联合支护、长期监测，因地制宜。目前我国软岩煤巷地质条件较差，单 靠传统的喷射混凝土支护技术不能有效的起到支护作用，必须先进行卸压，然后 根据巷道断面采取针对性的联合支护方式，将内部支护与外部支护结合起来，提 高围岩的强度，从而形成软岩巷道开挖与支护的动态过程。同时对围岩和巷道的 变形量和位移进行连续的监测，建立支护数据库，对巷道变形和位移进行统计分 析，从而准确的确定二次支护时间，预防安全事故[36-50]。 近年来，我国锚杆支护技术发展飞快，形成了以管缝锚杆、螺纹钢锚杆、树 脂锚杆为代表的三大类支护类型，其中，树脂锚杆是最近研究和使用较多的一种 锚杆类型[51-56]。由于煤矿瓦斯较高，采煤机在割煤过程中，截齿与锚杆切割，当 锚杆为钢质锚杆时，容易产生火花而导致瓦斯爆炸等安全事故，而玻璃钢锚杆属 于树脂锚杆中的一种，具有支护效果好、高强度，耐抗腐蚀、质量轻、安装简便 等优点，使其成为替代螺纹钢锚杆的一种新型锚杆，开始在煤矿支护中得到重视 和应用。但软岩支护过程中，仅靠单一的锚杆支护并不能有效的解决支护问题， 需采用锚杆与锚索进行联合支护，但在实际支护工程中，玻璃钢锚杆与锚索的联 合支护技术还处在探索阶段，仅对玻璃钢锚杆性能进行了研究，而联合支护的可 行性、可靠性、适应性均未开展深入研究，特别是针对这种联合支护的设计及现 场施工规范均未形成，需要通过实验和实践进行全面、系统的分析和研究。 1.4 研究内容及创新点研究内容及创新点 基于传统的支护方式易变形、 返修率高等的缺点和玻璃钢锚杆和锚索联合支 护的高强度低成本的特点，内蒙古平庄煤业（集团）有限责任公司红庙煤矿拟采 用新型的玻璃钢锚杆和锚索联合支护方式替代原有的支护方式， 以解决高应力软 岩煤巷存在的支护问题，改善支护效果，降低支护成本。 本论文的研究内容主要是围绕红庙煤矿软岩巷道的支护问题， 在软岩支护机 理研究的基础上，分析研究玻璃钢材质的锚杆联合锚索支护的受力形态，采用 FLAC3D软件对联合支护后的围岩应力进行模拟，分析联合支护的安全性和可靠 性，并通过现场支护试验，设计合理的支护参数和配套的工艺，连续监测支护变 形量，优化支护参数，得出最优的支护结构。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -6- 1.4.1 研究内容研究内容 （1）玻璃钢锚杆和锚索联合支护机理分析 通过深入研究联合支护理论， 分析玻璃钢锚杆和锚索联合支护作用机理和影 响因素，为联合支护成功应用提供基础条件。 （2）联合支护的锚固力学试验 在实验室中进行玻璃钢锚杆和锚索联合支护的锚固力学性能试验， 测试玻璃 钢锚杆和锚索联合支护的力学特性， 分析联合支护受力形态是否满足软岩煤巷支 护时的力学要求。 （3）联合支护模拟研究 通过采用 Flac3D软件对锚杆联合锚索的支护状态进行模拟研究， 分析在联合 支护的条件下软岩煤巷的巷道以及顶板的位移变形量、 支护应力值和支护安全系 数等，从而对联合支护效果进行分析。 （4）联合支护可行性研究 通过分析联合支护的安全稳定性方面、 综合经济成本方面以及配套支护工艺 方面的可行性，并采用加权平均法来综合评价联合支护的性能，确定联合支护是 否