大断面巷道锚网索支护技术的研究与应用.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目大断面巷道锚网索支护技术的研究与应用 英文题目英文题目Research and application on support technology with bolt-mesh-anchor for large section roadway 学位类学位类别别 工学硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 魏文彬 学号学号201202135 学科（领域）名称学科（领域）名称 矿业工程 指导教指导教师师 王文才 职职称称 教授 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2015 年 6 月 6 日 分类号分类号 TD353 TD353 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 独独 创创 性性 说说 明明 本人郑重声明 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果， 也不包含为获得内蒙古科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名 日期 关于学位论文使用授关于学位论文使用授权的说明权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、 使用学位论文 （纸质版和电 子版）的规定，即本人唯一指定研究生院有权保留送交学位论文在学校 相关部门存档，允许论文在校内被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。 在论文作者同意的情况下， 研究生院可以转授权第 三方使用查阅该论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名 导师签名 日期 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 随着地下矿开采强度与规模的扩大，为满足大型开采设备的使用、运输以及矿井 通风等要求，巷道尺寸不断增加。巷道尺寸的增大降低了围岩的稳定性，这给巷道支 护工作带来新的挑战。大断面巷道的支护已成为一个亟待解决的难题。 本文以纳林河煤矿大断面巷道支护问题为背景，通过现场调研、理论分析、数值 模拟等研究手段，对大断面巷道围岩破坏机理及其锚网索联合支护技术进行研究，并 针对纳林河煤矿的具体地质条件和支护问题提出相应支护对策。 （1）分析了大断面巷道变形破坏机理。大断面巷道开挖后，巷道围岩平衡时的 三向应力失衡转变为二向应力，巷道两帮和顶底板均出现应力集中现象，造成巷道围 岩强度的降低，最终导致围岩的变形和破坏。 （2） 通过 FLAC3D数值模拟软件， 分析了大断面巷道尺寸对巷道稳定性的影响。 研究结果表明，巷道断面积越大，围岩塑性区范围增大，巷道宽度对巷道稳定性的影 响尤其重大， 当巷道宽度从 4m 增大到 6.5m 时顶板最大位移从 65mm 增大至 85mm， 造成巷道支护难度加大。 （3）分析了锚网索联合支护对大断面巷道的作用机理。巷道支护后，锚索和锚 杆预紧力的作用可以使围岩重新恢复三向应力状态，有效控制围岩变形，从而维持巷 道围岩的稳定。支护后锚索可以深入顶板围岩深处，对可能发生松动和破裂的岩石起 到悬吊作用，由于大断面巷道跨度比较大，锚索还起到了减跨的作用，降低了顶板的 沉降量；两帮的锚杆可以加固表面破碎煤体，使其同深部稳定煤体形成一个大的锚固 体，抑制深部煤体发生离层，可以有效的控制巷道两帮的变形。 （4）通过 FLAC3D数值模拟软件对锚杆长度、间排距、夹角、预紧力大小等对 支护效果的影响。研究结果表明，增大锚杆长度可以使预紧力有效向围岩深部扩散， 压应力主要作用区为锚杆 1/2 长度以内；锚杆间排距及夹角的减小可使锚杆之间的作 用力相互叠加形成一个整体的压缩区，起到对围岩的整体加固作用；增大预紧力能够 提高锚杆的主动支护效果，随着锚杆预应力的增大，锚杆群在围岩中产生的压应力的 强度和范围都有所增加，锚杆预紧力为 50KN 时的最大主应力为 0.02MPa，预紧力增 大到 200KN 后最大主应力增大至 0.09MPa。 内蒙古科技大学硕士学位论文 II （5）针对纳林河煤矿大断面巷道变形破坏特征及现有支护方案的不足，提出锚 网索联合支护方案并在现场加以应用。现场监测结果表明，该支护方案有效控制了围 岩变形，支护效果较为理想。 关键词关键词大断面巷道；破坏机理；锚网索联合支护；支护参数；FLAC3D数值模拟 内蒙古科技大学硕士学位论文 III AbstractAbstract With the increasing of mining intensity and scale, in order to satisfy the requirement of large mining equipment, transportation and ventlation, the roadway size expanding continuously, which reduce the stability of surrounding rock and poses new challenges for roadway support. large section roadway supporting has become an urgent problem. Take large section roadway of Nalinhe coal mine as background, through the of field research, theoretical analysis and simulation, failure mechnism of surrounding rock and support technology with bolt-mesh-anchor are studied, and aimed at geological condition and support problem of Nalinhe coal mine, relevant support measure are put forward. 1 Deation and failure mechanism of large section roadway is analyzed. after roadway excavation, the original three dimensional stress imbalances turn to a two-dimensional stress, stress concentration appear in roadway roof and two sides, result in reduction of rock strength, deation and failure of surrounding rock. 2 Using FLAC3D numerical simulation software, effect of roadway size on its stability is analyzed. research show that plastic area increase with the increase of roadway size, the roadway width has a great influence on roadway stability, if the roadway width is increased from 4m to 5.6m the roof displacement is increased from 65mm to 85mm, resulting in the hardly support. 3 Mechanism of bolt-mesh-anchor support on large section roadway is analyzed. after roadway support, bolt and anchor preload can recover the three dimensional stress of surrounding rock, and control the deation, so as to maintain the stability of the surrounding rock. go deep into rock, the anchor play the role of hanging the loose and fracted rock, as the span is large, the anchor also play a role of decrease the span and displacement of the roof. the two sides bolts can reinforcement the broken coal, make them an entirety within the deep stability coal, restrain broke up of the deep coal, and control the deation of two sides. 内蒙古科技大学硕士学位论文 IV 4 Using FLAC3D numerical simulation software, the influence of bolt length, inter-row spacion, angle and preload on support result is studied. the results show that, increasing the length of anchor is conducive to the spreading of pretension into the deep, the primary zone of stress is in 1/2 of the bolt or less. decrease of the inter-row and angel can make the pressure superimposed to a unitary compressed area, give a overall reinforcement of surrounding rock. Increased preload can increase the active support effect of anchor, the pressure intensity and range increased with the increase of preload, the maximum principal stress is 0.02MPa when the preload is 50KN, and the maximum principal stress is 0.02MPa when the preload is 50KN. 5 Aimed at deation and fracture feature and existing support scheme in Nalinhe coal mine large section roadway, bolt-mesh-anchor support is put forward and applied. monitoring results show that this support scheme can effectively control the deation of surrounding rock, and the support effect is satisfactory. KeyKey W WordsordsLarge section roadway; Failure mechanism; Bolt-mesh-anchor support; Support parameter; FLAC3D numerical simulation 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目 录 摘要 ........................................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................................ III 1 绪论 ................................................................................................................................... 1 1.1 课题提出及研究意义 ............................................................................................. 1 1.2 国内外相关研究概况 ............................................................................................. 2 1.2.1 巷道支护发展历史及现状 ........................................................................... 2 1.2.2 巷道锚网索支护理论的发展 ....................................................................... 3 1.3 大断面巷道支护中存在的问题 ............................................................................. 7 1.4 研究内容及技术路线 ............................................................................................. 8 1.4.1 研究内容 ....................................................................................................... 8 1.4.2 技术路线 ....................................................................................................... 9 2 大断面矩形巷道围岩变形破坏特征分析 ..................................................................... 10 2.1 理论分析 ............................................................................................................... 10 2.1.1 大断面巷道破坏机理 ................................................................................. 10 2.1.2 大断面巷道破坏特征 ................................................................................. 10 2.2 开挖时围岩变形的数值模拟研究 ....................................................................... 11 2.2.1 FLAC3D数值模拟技术 ................................................................................ 11 2.2.2 模型的建立及模拟 ..................................................................................... 13 2.2.3 巷道开挖对围岩的影响分析 ..................................................................... 14 2.3 巷道尺寸对围岩变形影响的数值模拟研究 ....................................................... 17 2.4 本章小结 ............................................................................................................... 21 3 大断面巷道锚网索支护技术研究 ................................................................................. 23 3.1 锚杆支护作用及参数 ........................................................................................... 23 3.1.1 锚杆支护构件作用分析 ............................................................................. 23 3.1.2 锚杆加固作用分析 ..................................................................................... 26 3.1.2 锚杆群加固区分析 ..................................................................................... 31 3.1.3 锚杆参数设计方法研究 ............................................................................. 34 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 3.2 锚索支护作用及参数 ........................................................................................... 38 3.2.1 锚索支护作用分析 ..................................................................................... 38 3.2.2 锚索支护参数设计方法研究 ..................................................................... 40 3.3 金属网的受力变形、作用及其选择 ................................................................... 42 3.3.1 金属网受力变形分析 ................................................................................. 42 3.3.2 金属网的作用 ............................................................................................. 45 3.4 本章小结 ............................................................................................................... 46 4 预应力锚杆合理支护参数的数值模拟确定法 ............................................................. 47 4.1 预应力锚杆介绍 ................................................................................................... 47 4.2 单根锚杆预应力扩散规律的数值模拟 ............................................................... 47 4.2.1 锚杆长度对应力场的影响研究 ................................................................. 47 4.2.2 锚杆预紧力大小对应力场的影响研究 ..................................................... 49 4.3 锚杆群支护机理研究 ........................................................................................... 50 4.3.1 锚杆长度对应力场的影响 ......................................................................... 50 4.3.2 锚杆间距对应力场的影响 ......................................................................... 52 4.3.3 锚杆排距对应力场的影响 ......................................................................... 53 4.3.4 锚杆角度对应力场的影响 ......................................................................... 54 4.3.5 锚杆预应力在巷道围岩中扩散状态模拟 ................................................. 56 4.4 本章小结 ............................................................................................................... 59 5 大断面巷道锚网索支护技术的应用 ............................................................................. 60 5.1 概况 ....................................................................................................................... 60 5.1.1 巷道位置及顶底板情况 ............................................................................. 60 5.1.2 地应力情况 ................................................................................................. 61 5.1.3 水文地质情况 ............................................................................................. 61 5.2 支护现状及存在问题 ........................................................................................... 61 5.2.1 支护形式及参数 ......................................................................................... 61 5.2.2 支护中存在问题 ......................................................................................... 62 5.3 大断面巷道支护参数的确定 ............................................................................... 63 5.3.1 支护参数确定的原则 ................................................................................. 63 5.3.2 支护对策 ..................................................................................................... 64 5.3.3 支护设计数值模拟优化 ............................................................................. 65 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 5.3.3 改进后的支护设计 ..................................................................................... 73 5.3.4 现场应用情况 ............................................................................................. 74 6 主要结论及展望 ............................................................................................................. 76 6.1 主要结论 ............................................................................................................... 76 6.2 研究展望 ............................................................................................................... 77 参考文献 ............................................................................................................................. 78 在学研究成果 ..................................................................................................................... 82 致 谢 ............................................................................................................................. 83 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1- 1 绪论绪论 1.1 课题提出及研究意义课题提出及研究意义 我国是世界上最早开发与利用煤炭资源的国家之一， 新中国建立后我国煤矿开采 水平也得到了世人认可。现阶段能源是一个国家国民生产的基础，而煤炭在能源消费 中占有重要地位，我国煤炭消费量居世界之首。我国能源的开采与消费结构中，煤炭 占有比例约为 70， 约 80的发电能源、 60的民用能源以及 70的化工能源都是煤 炭提供。中国 GDP 每增长 1，煤炭的消费量会随之增长 0.503[1]。可见，煤炭工业 在我国经济发展中有着不可替代的作用。 我国煤炭生产露天矿占有比例很少，主要以井工矿为主，巷道总长已经达到三万 千米[2]。煤炭开采的顺利、安全进行与巷道的开挖形式以及支护工艺有直接关系，所 以，巷道支护一直以来是煤矿开采工作中最为重视的环节之一。因为巷道围岩条件极 其复杂多变，并且开采动压会对巷道的稳定产生很大的影响，因此，大部分巷道的掘 进和维护都存在施工安全性差和技术难度大等难题， 煤矿开采工程中仅支护费用就占 据一半以上。随着对巷道围岩的控制理论和方法的深入研究，传统的被动支护形式逐 步被削弱，取而代之的是更加符合围岩变形工艺的主动支护、锚杆支护得到的普及取 代了传统的棚式支护。 与传统支护方式相比， 锚杆支护拥有劳动强度低、 支护成本低、 施工简单、支护效果好等优点[3]。锚杆支护在改善巷道的支护状况上有诸多优势，很 大程度上保证了矿井生产的高效、安全进行。锚杆支护逐步发展成为目前巷道支护工 程中最可靠、最高效以及最先进的支护方式。 目前的煤矿开采工程中，采掘设备趋于大型化、开采深度以及开采规模也逐渐扩 大，普通的巷道断面以及无法满足开采需要，为保证正常的煤炭开采、生产运输以及 巷道通风，都要求巷道断面的加大[4]。在我国，个别回采巷道宽度已经达到 56m， 巷道断面面积达到 1520m2。这些都为巷道的支护工作带来巨大挑战。锚杆加锚索联 合支护技术在大断面巷道支护中越来越广泛的应用， 为大断面巷道支护难的课题给出 了一种可行的支护方法。 但对于大断面巷道围岩的变形破坏理论以及对应的支护机理 的研究依旧不足，还需要进行深入研究。 对大断面巷道围岩的变形破坏理论和锚网索联合支护作用机理进行研究已经成 为一个亟待解决的课题[5]。本文结合纳林河煤矿大断面巷道支护难的为题，对大断面 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 巷道变形破坏机理和锚网索联合支护作用机理进行深入探讨， 对大断面巷道支护具有 参考价值。 1.2 国内外相关研究概况国内外相关研究概况 1.2.1 巷道支护发展历史及现状巷道支护发展历史及现状 从 1912 年德国首次利用锚杆对井下巷道进行支护，锚杆支护技术已经有一百多 年的历史[6]。 1927 年美国一个金属矿开始使用简单而粗糙的锲缝式钢锚杆的新支护方法，20 世纪 40 年代以后美国 80以上的煤矿巷道采用了锚杆支护[7]。世界主要产煤国家从 五十年代开始在回采巷道快速发展了锚杆支护技术，并且取得了满意的的支护效果， 美、澳等国锚杆支护在煤矿巷道支护比重中几乎达到 100[8]。 德国是 U 型钢支架使用最早、技术上最为成熟的国家，80 年代以后开始使用锚 杆进行加固工作[9]。 英国在八十年代以前主要利用金属支架进行支护，直到 1987 年从澳大利亚引进 了成套的锚杆支护技术，因此英国的巷道支护工程得到了快速的发展，采用的单孔复 合锚固技术在软土中使锚杆承载力达到 1337KN，在巷道支护中所占的比重到 1994 年已达到 80以上[10]。 美国是最早使用锚杆作为煤矿顶板支护方式的国家， 拥有最完善的锚杆支护技术， 在 60 年代末，全长锚固锚杆的使用有效提高了锚杆的强度。 1934 锚索加固技术首次使用并取得了成功，由于高强钢丝的应用以及对锚索加 固理论研究的深入，预应力锚索加固技术得到了广泛的应用，并成为巷道支护工程发 展史上的一个里程碑[11]。 一些采矿业发达的国家注重锚索加固技术的研究， 实践证明锚索对于松散围岩具 有良好的加固作用[12]。锚索支护技术较多使用于断层、破裂带等位置。 我国锚杆技术的发展可以分为三个阶段[13] 80年代中期到90年代初为起步阶段； 1991-1995 年为“八五”攻关阶段；1995 年至今为引进技术和提高阶段。第一个阶段， 1955 年开始了锚杆的现场试用，1964 年在少数矿井进行了试验喷射混凝土以及喷锚 支护。这一阶段最为代表性的是钢绳水泥砂浆锚杆，锚杆的主要作用是将松动岩块悬 吊在内部稳定围岩；第二阶段，80 到 90 年代之间，国家将开始推行软岩巷道中的锚 杆支护技术的研究， 促使锚杆支护进入以锚带网和锚梁网为代表的组合锚杆支护阶段， 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 此时的锚杆起到了组合梁或组合拱的作用，使得支护效果显著增强；第三阶段是预应 力锚杆支护体系阶段，这一阶段出现了水平拉杆施加预紧力的组合形式椼架锚杆， 代表结构有缝管式锚杆、椼架锚杆和水胀式锚杆，实践证实支护效果良好。如今，锚 杆支护已经广泛应用，实践证明，锚杆支护为矿山生产带来了良好的安全效益及经济 效益[14]。 我国从 60 年代开始使用锚索加固技术，1964 年梅山水库在右岸坝基的加固中首 次成功地应用了锚索加固技术[15]。 随着锚索技术的日渐成熟以及工程实例的增多现已 成为我国巷道支护工程的主要方法之一， 而且在煤巷的支护工程中出现了预应力锚索 的应用。特别是巷道埋深较大、受采动影响剧烈或者是巷道围岩松巷道，预应力锚索 具有良好的支护效果。 通常，I、II 类围岩由于巷道较稳定不需要用锚索进行加固，在 M、W、V 类围 岩条件的巷道中锚索应用较多，尤其在巷道断面较大的情况下。 目前我国支护工程中存在各种类型的锚