深部开采沿空掘巷锚杆失效机制研究.pdf

分类号分类号 TD325TD325密密级级公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 深深部部开开采采沿沿空空掘掘巷巷锚锚杆杆失失效效机机制制研研究究 吕卫新吕卫新 申申请请学学位位级级别别硕士学位硕士学位专专业业名名称称矿矿业业工程工程 指指导导教教师师姓姓名名樊樊克克 恭恭职职称称教教授授 副副指指导导教教师师姓姓名名王王泽泽 诺诺职职称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇一七年六月二〇一七年六月 万方数据 论文题目论文题目 深部开采沿空掘巷锚杆失效机制研究深部开采沿空掘巷锚杆失效机制研究 作者姓名作者姓名吕吕 卫卫 新新入学时间入学时间2014 年年 9 月月 专业名称专业名称矿业工程矿业工程研究方向研究方向矿矿山山压压力力与与岩岩层层控控制制 指导教师指导教师樊樊 克克 恭恭职职称称教教授授 副副指指导导教教师师王王 泽泽 诺诺职职称称高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2017 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2017 年年 6 月月 万方数据 Study on Bolt Failure Mechanism of Gob-side Entry in Deep Mining ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Lv Weixin Supervisor Professor Fan Kegong College of Mining and safety Engineering June 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。 作为申请学位的条件之一，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名导师签名导师签名 日日期期日日期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生在规定的学习年限内在规定的学习年限内，， 按照培养方案及个人培养计划按照培养方案及个人培养计划，， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 I 摘摘要要 锚杆支护是我国煤矿巷道主要支护手段之一，其应用范围越来越广，进入 深部开采后，沿空掘巷锚杆失效频率较高，给煤矿安全生产带来了一定威胁， 因此有必要针对深部开采沿空掘巷锚杆失效机制进行研究。 本文在现场调研、理论分析与数值模拟的基础上，对深部开采沿空掘巷锚 杆失效机制、锚杆失效对支护系统可靠性影响及锚杆失效控制技术进行探讨。 在深部开采沿空巷道顶板运动规律研究的基础上，分类分析了深部开采沿空掘 巷围岩变形破坏特征；现场调研，总结了巷道存在的锚杆失效形式，分析了各 类失效锚杆的失效特点。基于巷道变形破坏特征与锚杆失效特征建立各类失效 锚杆的力学模型，推导出各类失效锚杆的应力方程，分析了锚杆应力分布特点， 结合深部开采沿空掘巷围岩变形破坏特征分析锚杆失效机制。从深部开采沿空 掘巷锚杆受力特征与巷道变形破坏特征出发，建立了较为合理的数值模型，对 照分析了巷道顶板、肩角以及帮锚杆失效对顶板下沉、两帮移近以及沿节理面 滑移的影响，并由此得出，巷道不同部位锚杆失效对其整体稳定性影响不同， 高水平应力环境下，巷道肩角锚杆失效对巷道整体稳定性影响最大。基于深部 开采沿空掘巷围岩变形特征、锚杆失效机制提出了失效锚杆的控制原则与控制 技术。 关键词关键词深部开采；沿空掘巷；失效机制；控制技术；支护系统可靠性 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 II Abstract Bolt support technology in underground coal mining in our country is the main active control technologies to keep stability of surrounding rockofgob-sideentry.Withtheincreaseofminingdepth,the environmental complexity of roadway surrounding rock and the difficulty of support gradually increase.As the result,The frequency of the bolt failure in the roadway driving along the road increase and the of the bolt failure is also diversified,Which is a great threat to the safety of coal mine production,so for the failure mechanism of the bolt failure of the gob-side entry in deep mining is imperative. In this paper,the research s of field investigation,theoretical analysis and numerical simulation are used to analyze the existing research results of deep excavation along the roadway.According to the main deation of the different parts of the gob-side entry in deep mining,the gob-side entry can be divided into the top of the road to the topoftheinstability,thebottomoftheinstabilityandoverall instability.This paper analyzes the deation characteristics and anchor failure characteristics of all kinds of roadway through field investigation,summarizing the deation law and the breaking rule of the anchor of gob-side entry in the deep mine.Which laid a foundation for further analysis of the failure mechanism of deep roadway driving.Secondly,based on the field investigation,this paper analyzes the failure s of the bolt in the supporting system of the gob-side entry in deep mining,and analyzes the failure characteristics of various types of bolt.Thirdly,the mechanical model of various types of failure anchors is established based on the characteristics of anchor failure and anchor failure.The stress equations of various kinds of failure anchors are deduced,andthestressdistributioncharacteristicsofanchorare analyzed.Combined with the specific geological data ,the mechanism of various types of bolt failure are analyzed.Fourthly,the correct numerical model are established and the suitable bolt unit and anchoring parameters are selected based on the characteristics of anchor force and the failure characteristics of the gob-side entry.Based on the partitioning characteristics of the bolt failure in the gob-side entry,the influence of bolt failure on the overall stability of roadway surrounding rock is analyzed by using the control variable .In the high horizontal stress geological environment,the shoulder part of the roadway,especially the solid coal side,is the key support part.The failure of the bolt has great 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 III influence on the overall stability of the roadway,and the support strength should be strengthened in the field application.Fifthly,based on the working characteristic curve of the bolt in the deep mining,the control idea of the failure bolt is put forward, and the corresponding control is put forward according to the failure mechanism of the failure bolt in the deep road driving along the roadway.The engineering examples are used to prove the control feasibility. Key wordsdeep mining;gob-side entry;bolt failure mechanism;Control Technology;reliability of support system 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 IV 目目录录 摘摘要要.........................................................................................................I 目目录录...................................................................................................... ⅣⅣ 1绪论绪论...................................................................................................... 1 1.1问题的提出及研究意义......................................................................................1 1.2国内外研究现状..................................................................................................2 1.3研究内容、方法、技术路线及创新点..............................................................8 2深部开采沿空掘巷围岩变形破坏与锚杆失效特征深部开采沿空掘巷围岩变形破坏与锚杆失效特征.......................11 2.1深部开采沿空掘巷围岩变形破坏特征............................................................11 2.2深部开采沿空掘巷锚杆失效特征....................................................................13 2.3本章小结............................................................................................................16 3深部开采沿空掘巷锚杆失效机制研究深部开采沿空掘巷锚杆失效机制研究...........................................18 3.1锚杆失效机制....................................................................................................18 3.2本章小结............................................................................................................35 4锚杆失效对支护系统可靠性影响数值模拟锚杆失效对支护系统可靠性影响数值模拟...................................37 4.1数值模拟的建立................................................................................................37 4.2数值模拟方案与模拟结果................................................................................42 4.3本章小结............................................................................................................48 5深部开采沿空掘巷锚杆失效控制技术研究深部开采沿空掘巷锚杆失效控制技术研究...................................50 5.1深部开采沿空掘巷锚杆失效控制原则............................................................50 5.2深部开采沿空掘巷锚杆失效控制技术............................................................50 5.3本章小结............................................................................................................54 6结论与展望结论与展望........................................................................................55 6.1主要结论............................................................................................................55 6.2展望....................................................................................................................56 参考文献参考文献..................................................................................................58 致谢致谢.......................................................................................................... 63 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 V 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果..........................................................................64 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VI Contents 1Intruction...............................................................................................................1 1.1Proposing and Research Significance of the Subject...............................................................1 1.2Research Status at Home and Abroad......................................................................................2 1.3Research s,Content,Technical routes and Innovation.................................................. 8 2Deation and bolt failure characteristics of Gob-side entry in Deep Mining ......................................................................................................................11 2.1Deation characteristics of surrounding rock of Gob-side Entry in Deep Mining..........11 2.2Bolt failure characteristics of Gob-side Entry in Deep Mining.............................................13 2.3Chapter Summary...................................................................................................................16 3Bolt Failure Mechanism of Gob-side entry in Deep Mining...........................18 3.1Bolt Failure Mechanism.........................................................................................................18 3.2Chapter Summary...................................................................................................................35 4Numerical Simulation of the Effect of Bolt on Support System.....................37 4.1Establishment of Numerical Model........................................................................................37 4.2Simulation scheme and simulation results.............................................................................42 4.3Chapter Summary...................................................................................................................48 5Research on Bolt Failure Control Technology for Gob-side Entry in Deep Mining........................................................................................................................50 5.1Bolt failure Control Principle of Gob-side Entry in Deep Mining........................................50 5.2Bolt failure Control Technology of Gob-side Entry in Deep Mining....................................50 5.3Chapter Summary...................................................................................................................54 6Conclusion and Prospects...................................................................................55 6.1Main Conclusion.....................................................................................................................55 6.2Research Prospects.............................................................................................................56 References..................................................................................................................58 Acknowledgement.....................................................................................................63 Main WorkAchievement of theAuthor during Working on Master Paper........64 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1绪论绪论 1.1问题的提出及研究意义问题的提出及研究意义 近几十年，随着对煤炭需求量的增加，煤矿开采规模不断扩大，浅部煤炭 资源已日趋枯竭，我国目前已经探明的埋藏深度在千米以下的煤炭资源储量为 2.95 万亿 t，占我国煤炭资源储量的 53[13]，因此深部开采是我国未来采矿业 的发展趋势。我国的一些老矿区，特别是东部矿区，如孙村矿、彩屯矿、赵各 庄矿、谢桥矿、张集矿、丁集矿、顾桥矿、刘庄矿及望峰岗矿等均已经进入深 部开采， 而且我国煤矿开采深度正以 912m/a 的速率逐年递增， 预测今后 1020 年内我国将有部分煤矿进入 10001500m 深度开采[4]。进入深部开采后，巷道支 护面临着很多难题，首先，深部开采矿井的地质环境愈加复杂，高地应力、高 承压水、高地温等，使得岩石力学性质改变，在浅部矿井中表现为硬岩性质的 岩石在进入深部开采后往往会表现出软岩特征；其次，目前我国深部开采巷道 围岩的锚杆支护机理研究还不够深入；这都给深部开采巷道支护设计带来巨大 影响，照搬浅部设计的模式与参数会导致锚杆支护控制巷道变形能力不足，锚 杆失效严重。 近三十年来，沿空掘巷技术得到迅速发展，已经是我国回采巷道主要布置 方式，在国内获得广泛应用，沿空掘巷技术对合理开采煤炭资源、提高煤炭采 出率、延长矿井服务年限具有重要意义。目前沿空掘巷的支护方式主要是锚杆 （索）-金属网-钢带组合支护，与一般的实体煤巷道相比，沿空掘巷锚杆支护技 术主要面临以下困难①围岩塑性区范围大，沿空掘巷是在相邻工作面上覆岩 层运动稳定后在侧向支承压力应力降低区开挖，开挖时巷道围岩特别是窄煤柱 即已产生塑性破坏；②巷道开挖引起的围岩应力重新分布使得应力向巷道两侧 煤体转移，窄煤柱变形破坏加剧，顶板结构逐渐失稳破坏；③本工作面开采阶 段，受超前支承压力与采空区侧向支承压力叠加影响，巷道基本顶进一步旋转、 下沉，窄煤柱承受支撑应力增大，变形破坏严重，进而导致巷道整体失稳。 深部开采沿空掘巷围岩应力综合了深部开采巷道与沿空掘巷的应力特点， 具有塑性区范围大、围岩应力高、应力波动剧烈的特点，巷道围岩变形量特别 是窄煤柱变形量非常大，现场实践中经常出现锚杆失效现象，如巷道肩角锚杆 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 弯拉破坏、剪断破坏，顶板锚杆弯曲失效、拉断失效等。本文针对深部开采沿 空掘巷锚杆失效现象，从锚杆失效机制、锚杆失效对支护系统可靠性影响以及 失效锚杆控制技术进行论述，对于指导煤矿安全生产具有重要意义。 1.2国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1深部开采沿空掘巷围岩运动规律研究现状深部开采沿空掘巷围岩运动规律研究现状 沿空掘巷基本顶与采煤工作面的上覆岩层为同一岩层，其运动特征受相邻 工作面以及本工作面回采时上覆岩层的运动特征影响，但又有其自身的特点。 国内外许多专家学者对采场上覆岩层运动特性做了大量的研究，提出了采场上 覆岩层的关键层理论、 基本顶及关键层的断裂规律、 S-R 稳定性原理等理论[6-17]。 钱鸣高院士提出了采空区上覆岩层运动破坏的砌体梁理论，同时建立了上 覆岩层力学模型。随着工作面的推进，基本顶跨度达到其极限跨距后就会发生 初次断裂即工作面初次来压；工作面继续推进，基本顶发生周期性断裂即工作 面周期来压，断裂后的基本顶呈 O-X 型特点，破断基本顶之间相互挤压形成水 平力，岩块间产生摩擦力，这种断裂基本顶之间通过水平力和摩擦力作用绞接 在一起，形成一个平衡状态的梁状结构即砌体梁结构。 柏建彪教授与侯朝炯教授针对沿空掘巷围岩结构特点进行分析，得出了综 放开采沿空掘巷围岩稳定机理[18]，提出了沿空掘巷基本顶动态运动规律掘巷 前稳定状态→掘巷期间的扰动→掘巷后的稳定→采动期间旋转失稳→再稳定的 动态稳定。理论分析了综放开采沿空掘巷围岩稳定的外部条件，阐明了影响沿 空掘巷基本顶稳定的主要地质因素有巷道埋深、围岩岩性等；主要开采因素有 煤层开采厚度以及开采顺序等。 侯朝炯教授、李学华教授[19 ，20]提出了综放沿空掘巷围岩的大、小结构稳定 性原理。探讨了沿空掘巷顶板关键块的力学模型及其在各个变形阶段对沿空掘 巷稳定性的影响，认为在综放沿空掘巷的掘巷阶段及巷道维护阶段，顶板大结 构均不会发生失稳，此时，沿空掘巷围岩变形主要受巷道顶板小结构控制，采 用合理的锚杆支护技术可以保证顶板小结构稳定，这是沿空掘巷围岩保持稳定 的关键，这为综放沿空掘巷支护设计提供了依据；本工作面回采时，巷道顶板 大结构稳定性受到严重影响，使得本工作面前方巷道支承压力升高。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 华心祝教授[22]针对孤岛工作面沿空掘巷沿空侧窄煤体在本工作面以及相邻 工作面支承应力作用下巷道围岩矿压显现剧烈的特点，通过建立孤岛工作面沿 空掘巷基本顶的力学模型，分析了孤岛工作面沿空掘巷支承压力分布特征，推 导出受支承压力影响时巷道顶板下沉量的计算公式。 1.2.2深部开采沿空掘巷围岩变形特征及机理研究现状深部开采沿空掘巷围岩变形特征及机理研究现状 与浅部开采煤岩体力学性质相比，深部开采煤岩体由于受大埋深、高地应 力、软弱煤岩体等因素的影响，其破坏机理发生了很大变化，深部巷道煤岩体 在破坏程度与破坏形式方面出现较大不同[2328]，主要破坏形式是深部开采沿空 掘巷围岩变形的非对称性。 对于深部开采沿空掘巷非对称变形性的特点及机理， 国内外学者进行了一系列相关性的研究。 W.J.Gale 等学者[29 ，30]探讨了巷道非对称变形特点与最大水平应力方向的关 系，当巷道轴向与最大水平应力方向平行时，巷道围岩稳定性最好，巷道变形 量最小，且变形非对称性不明显；随着巷道轴向与最大水平应力方向夹角增加， 巷道围岩稳定性逐渐降低，围岩变形量特别是巷道较弱一侧巷道帮的变形逐渐 增大，且巷道非对称变形特征逐渐显现；当巷道轴向与最大水平主应力方向垂 直时，巷道稳定性最差，巷道较弱侧巷帮变形剧烈，极易导致巷道整体失稳。 樊克恭教授[31 ，32]等针对弱结构巷道围岩的不均衡变形破坏特点，分析非均 称控制机理并提出了控制途径，认为非均称布置的锚网索组合支护技术可以充 分调动巷道深部围岩承载性能，使围岩和支护系统的承载性能得到充分发挥， 避免出现巷道因支护强度不足导致的围岩弱结构体破坏，进而出现巷道整体非 对称变形破坏。 刘文涛，何满潮等[33 ，34]通过分析深部开采巷道的工程实例，提出引起深部 开采巷道剧烈变形破坏的力学机制并非是单一的，而是由多种力学机制组合作 用引起的。通过工程实例分析，进一步总结了导致深部开采巷道非对称变形的 力学机制，主要有高应力扩容机制、结构变形力学机制和物化膨胀力学机制。 伍永平等[3538]在相似材料模拟实验基础上建立了大倾角煤层采场力学模 型，综合运用理论分析与数值模拟相结合的分析手段揭示了急倾斜煤层巷道的 非对称变形破坏特定及非对称变形破坏机理。结果表明急倾斜巷道两帮围岩 力学性质不同使得巷道围岩应力分布具有非对称性，支护结构受力也具有非对 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 称性，巷道矿山压力显现也具有明显的非对称性。 张蓓、曹胜根等[39]在急倾斜巷道围岩变形破坏特征的现场观测基础上，通 过数值模拟研究了急倾斜巷道非对称变形破坏机制，随着煤层倾角增大，巷道 围岩变形逐渐表现出非对称特性；采用非对称支护方案可有效控制巷道关键部 位破坏，