深部回采巷道锚网索耦合支护机制研究.pdf

中图分类号 立三5 3论文编号 学科分类号4 4 0 3 5 国家自然科学基金项目 5 1 4 7 4 0 0 5 安徽理工大学 硕士学位论文 深部回采巷道锚网索耦合支护机制研究 论文答辩日期2 0 1 6 年6 月4 日 安徽理工大学研究生处 2 0 1 6 年6 月4 日 万方数据 M e c h a n i s mS t u d yo fB o l t n e t - - a n c h o rC o u p l i n gS u p p o r t f o rD e e p G a t e w a y C a n d i d a t e Z h a n gL i a n g S u p e r v i s o r Z h aW e n h u a S c h o o lo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g A n H u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N o ．16 8 ，S h u n g e n gR o a d ，H u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，P ．R ．C H I N A 万方数据 独创性声明 本人声昵所呈交的学位论文是本．～仨．- a - r , 导j 曜指导一_ j 芝行的研宅二．作 爱 取得的研究成呆。据我昕知，除了文宁特别加以标注孝致谢的地方以尊 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包舍为获得 安徽理工大学或其勉教育机构的学位或证毒而使鬲过的材料。与我一 司工作的同志对本研究昕做的任何贡献均已在论文幸作了明确的说日号 并表示谢意。 学位论文作者签名圣量勃日期之生笪年j 月旦召 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞垡垄王盘芏有保留、使用学位论文的 规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于．塞 徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查间和借阅。本人授权安徽理工大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库迷行检索，可以采用影[ F 、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解 密后适月本授权书 学位论文作者篓名砍施 签字萤期上口“车占再以雷 导师签 厂1 鍪字目期易k 易每6 ；i ／≯ 万方数据 摘要 捅要 众所周知，深部开采是进行煤炭开采的必然趋势。然而深部开采所面临的高 地应力、高地压、高地温以及强烈的开采扰动给深部煤炭的开采带来了巨大的挑 战。由于复杂恶劣的地质环境使得锚网索支护巷道的部分构件先行失效，进而导 致其他支护构件接连损坏失效，最终造成巷道整体破坏。因此，深入研究支护构 件参数之间的耦合具有重大意义。 本文首先阐述了深部岩体复杂的地应力特征以及深部岩石的变形特点和深部 开采的工程力学特征，深入分析了深部回采巷道的主要破坏形式及其危害，并进一 步深入分析了影响巷道支护效果的主要因素并提出了耦合支护的思想。本文以朱 集西煤矿1 1 5 0 1 工作面为研究背景，首先确定了影响影响锚网索巷道支护效果的 主要因素有锚杆长度、锚杆锚固长度、锚杆及锚索的间排距、锚杆直径、锚杆预紧 力、锚杆弹性模量、锚索长度、锚索直径、锚索预紧力、锚索弹性模量，提出了判 定巷道支护效果的指标主要有收敛值、耦合系数、左右帮锚杆轴向力百分比。随后， 根据影响因素采用L 2 7 3 1 3 正交表通过计算机数值模拟进行正交试验。最后，对试 验结果进行数据分析，分别进行了极差分析、方差分析、多元回归分析的数据分析 手段，最终确定了各因素影响判定指标的主次顺序及各因素的显著性和因素与判 定指标之间的定量关系。 目f l [ 5 6 】表[ 2 5 】参[ 6 1 】 关键词耦合支护；正交试验；数值模拟；显著性；耦合关系数据分析 分类号T D 3 5 3 万方数据 A b s t r a c t I t i s g e n e r a l l yk n o w nt h a td e e pm i n i n gi sa ni n e x o r a b l et r e n df o rc o a lm i n i n g ． H o w e v e rd e 印m i n i n gf a c ew i t hh i 曲g e o s t r e s s ，h i 曲p r e s s u r e ，h i g ht e m p e r a t u r ea n d s t r o n gm i n i n gd i s t u r b a n c e ．I tb r i n g sd e e pm i n i n gah u g ec h a l l e n g e ．B e c a u s eo f t h eh o s t i l e c o m p l e xg e o l o g i c a le n v i r o n m e n tm a k e sm e m b e r so f t h ea n c h o rn e ts u p p o r t i n gf a i l e df i r s t ， a n dt h e no t h e rs u p p o s i n gc o m p o n e n td a m a g ei ns u c c e s s i o n ，e v e n t u a l l ya l lo f t h er o a d w a y a r ed e s t r o y e d ．T h e r e f o r e ，f u r t h e rs t u d yo f t h ec o u p l i n gb e t w e e ns u p p o r t i n gp a r a m e t e r si s o fg r e a ts i g n i f i c a n c e ． T h i sa r t i c l ef i r s te x p o u n d st h ef e a t u r eo fc o m p l e xs t r e s sa n dt h ed e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f d e e pr o c ka n dt h ee n g i n e e r i n gm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so f d e e pm i n i n g ． T h e na n a l y z e i n gt h em a i nd a m a g ef o r ma b o u tt h ed e e pr o a d w a ya n di t sh a r m ．A n dt h e n f u r t h e ra n a l y z e i n gt h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ee f f e c to fr o a d w a ys u p p o r ta n d p u t t i n gf o r w a r dt h ei d e ao fc o u p l i n gs u p p o r t ．T h i sp a p e rt a k e s115 01f a c ef r o mZ h u j i x i a st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ．F i r s to fa l l ，w ed e t e r m i n et h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h e e f f e c to fs b o l t - n e t - a n c h o rc o u p l i n gs u p p o r t ．T h e ya r ea n c h o rl e n g t h ，a n c h o r i n gl e n g t h ， a n c h o rs p a c e ，b o l td i a m e t e r , b o l tp r e t e n s i o n ，b o l te l a s t i cm o d u l u s ，c a b l el e n g t h ，c a b l e d i a m e t e r , a n c h o rp r e l o a da n da n c h o re l a s t i cm o d u l u s ．A n dt h e np u tf o r w a r dt h ej u d g e m e n t i n d e xo fr o a d w a ys u p p o r t i n ge f f e c t ．T h e ya r ec o n v e r g e n c ev a l u e ，c o u p l i n gc o e f f i c i e n t ， p e r c e n t a g ef o rb o l ta x i a lf o r c e ．T h e nw ed i dt h et e s tt h r o u g hc o m p u t e rn u m e r i c a l s i m u l a t i o nb a s eo nt h ef a c t o r sa n do r t h o g o n a lt a b l e ．F i n a l l y , w ec o n d u c t e dd a t am i n i n g r a n g ea n a l y s i s ，v a r i a n c ea n a l y s i s ，m u l t i p l er e g r e s s i o na n a l y s i s f o re x p e r i m e n t a ld a t a ． A n du l t i m a t e l yd e t e r m i n et h eo r d e ro f t h ev a r i o u sf a c t o r sa n dt h es i g n i f i c a n c eo f d i f f e r e n t f a c t o r sa n dt h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nj u d g e m e n ti n d e xa n df a c t o r s ． F i g u r e 【5 6 】t a b l e 【2 5 】r e f e r e n c e [ 61 】 K e y W o r d s C o u p l i n g s u p p o r t , O r t h o g o n a lT e s t ，N u m e r i c a lS i m u l a t i o n ，S i g n i f i c a n t ， C o u p l i n gR e l a t i o n s h i p ，D a t aa n a l y s i s C h i n e s eb o o k sc a t a l o g T D 3 5 3 I I I 万方数据 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究课题的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．1 煤炭资源的主体地位⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．2 深部开采的危害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．3 锚网索支护的重要意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 研究课题的历史和现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 经典支护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2 耦合支护技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 主要研究内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 1 ．3 ．1主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．3 ．2 课题研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 深部巷道破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 深部岩体的地应力特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9 2 ．2 深部岩石的力学特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．1 深部岩石的变形特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．2 ．2 深部开采工程力学特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．3 回采巷道的破坏形式及危害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 影响锚网索巷道支护效果的主要因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．5 锚网索耦合支护思想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 基于锚网索耦合支护的正交试验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．1 试验研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．1 ．11 1 5 0 1 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．2115 0 1 工作面试验巷道概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 ．3 试验巷道变形观测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 3 3 ．2 正交试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 V 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 3 ．2 ．1 正交表的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 试验方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 ．1 计算机模拟试验的可行性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 ．2 正交试验方案的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4 相关试验参数的选定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．5 判定指标的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 基于F L A C 3 D 的正交试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 7 4 ．1 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 7 4 ．2 模拟支护方案的调整⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．3 ．1 极差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．3 ．2 方差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 4 ．3 ．3多元回归分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 5 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 5 ．2 存在问题及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 1 作者简介及读研期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．V I ． 万方数据 C o n t e n t s A b s t r a c t C h i n e s e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 1 ．1T h e b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h es t u d y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1T h ed o m i n a n tp o s i t i o no f c o a lr e s o u r c e s ⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．1 1 ．1 ．2 D e e pM i n i n gh a z a r d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．3T h ei m p o r t a n c eo fs t e e lm e s ha n da n c h o rs h o r i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2T h eh i s t o r ya n dp r e s e n ts i t u a t i o no f t h es t u d y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．2 1 ．2 ．1T h ec l a s s i c a lt h e o r yo f s u p p o r t i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2 C o u p l i n gS u p p o r tR e s e a r c hS t a t u s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dm e t h o d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．3 ．1T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．2T h em e t h o d so f t h es t u d y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2F a i l u r em e c h a n i s mo fd e e pr o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1G r o u n ds t r e s sc h a r a c t e r i s t i c so f d e e pr o c km a s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ed e e pr o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．1 D e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f d e e pr o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．2 E n g i n e e r i n gm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so f d e e pm i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 M i n i n gd a m a g ea n dh a r mi nt h ef o r mo f r o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．4T h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ea n c h o rn e te f f e c to f r o a d w a ys u p p o r t ．．．．．．⋯．．1 7 2 ．5 I d e o l o g i c a lo f N e t a n c h o rc o u p l i n gs u p p o r t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．6 C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 O r t h o g o n a ld e s i g nb a s e do nn e t - a n c h o rc o u p l i n gs u p p o r t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．1 B a c k g r o u n do f t h es t u d y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．1 ．1P r o f i l e so f1 1 5 0 1f a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．2P r o f i l e so f t h er o a d w a yf o rt e s ti n115 0 1f a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．1 ．3D e f o r m a t i o no b s e r v a t i o nf o rt h et e s t i n gg a l l e r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 V I I 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 3 ．2 O r t h o g o n a lt e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．2 ．1T h ec h a r a c t e r i s t i c so f o r t h o g o n a lt a b l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3T e s ts c h e m a t i cd e s i g n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．3 ．1T h ef e a s i b i l i t ya n a l y s i so f t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt e s t ⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯．2 7 3 ．3 ．2T h es c h e m eo f t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 I ．4S e l e c tt h er e l e v a n tp a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．5T h es e l e c t i o no f d e c i s i o ni n d e x ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．6 C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 A n a l y s i so f t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tb a s e do nF L A C 3 D ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 4 ．1 M o d e l i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 4 ．2 A d j u s t m e n ta b o u tt h es c h e m ef o rs i m u l a t i o ns u p p o r t ．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．3 A n a l y s i so f t h e t e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．3 ．1 R a n g ea n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．3 ．2A N 0 1 I ，A ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ；8 4 ．3 ．3 M u l t i v a r i a t er e g r e s s i o na n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 4 ．4 C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 5 C o n c l u s i o na n dP r o s p e c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 5 ．1M a i nc o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 5 ．2P r o b l e me x i s t e da n d p r o s p e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 A c k o n w l e d g e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 A u t h o r si n t r o d u c t i o na n dm a i na c h i e v e m e n t si ng r a d u a t es c h o o l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 万方数据 1 绪论 1 ．1 研究课题的背景及意义 1 ．1 ．1 煤炭资源的主体地位 1 绪论 自从进入2 l 世纪以来，我国煤炭的年销售量以超过1 0 ％的速度飞速增长【1 】。 但是伴随着煤炭工业的高速发展，煤炭消费增幅却远不如煤炭产量增幅。从2 0 1 2 年起，煤炭市场供大于求的问题日益凸显，煤炭生产和销售增速逐渐放缓，煤炭市 场持续低迷。自此煤炭工业发展逐渐萧条，但煤炭作为我国主体能源的地位仍难改 变。从我国资源赋存条件看，富煤、贫油、少气的特点明显【2 - 5 ] ，煤炭占我国一次 能源的9 0 ％【6 ．8 】。煤炭作为我国的主体能源和重要的工业原料，在我国一次能源生 产和消费结构中，煤炭的比重中占到7 0 ％- - 一7 5 ％[ 9 。1 0 】。经过初步的调查测算，我国 煤炭生产利用对我国国民经济总量和增量的贡献率分别为1 5 ％和1 8 ％左右【1 1 - 1 2 】， 煤炭工业为促进国民经济平稳较快发展，推进工业化、城镇化和现代化进程，提供 了重要的物质基础和能源支撑【1 3 ‘31 5 1 。此外，煤炭资源不同于水利、太阳能、核能等 能源，首先水利资源有限，不是每个地方都有条件利用水流发电；其次太阳能和核 能需要大量的前期投入，太阳能利用受天气影响较大；核能投资规模大，稍有不适 后患无穷。相比来讲我国煤炭资源分布广泛，而且储量丰富。相比核能来讲煤炭资 源的消费更加可靠方便。因此煤炭资源对我们国家的经济发展有着重要的作用。煤 炭开采、煤化工、热力发电，煤炭是我们国家的主要能源。在我国每年的煤炭产出 量巨大，而且我国每年的煤炭消耗量也是数一数二的。煤炭资源支撑着我国的国民 经济，它的位置不是在短时间内就能被替换的。 1 ．1 ．2 深部开采的危害 煤炭工业的成长和进步关乎我国经济的正常发展，因此保持煤炭工业合理健 康的成长发展是一件意义非凡的事情。煤炭资源在我们国家的储量是比较丰富的， 其资源总量达到了5 ．5 7 万亿吨，在这之中埋藏在一千米以下的资源量约2 ．9 5 万亿 吨，占到了资源总和的5 3 ％。随着煤炭资源的开采，浅部煤炭资源日益减少，为保 持煤炭工业和国民经济的健康发展，开采深部资源己成为未来几十年煤炭生产的 必然选择。目前，我国煤矿采深超千米的矿井已有4 7 个【1 6 - 1 8 】，平均采深1 0 8 6 m ， 最深的孙村矿采深达1 5 0 1 m ，并且正以每年1 0 “ ～2 5 m 的速度递增【1 9 垅】。然而开采 还在继续，其深度也随着浅部资源的减少而增加。此外，随之增加的还有地应力。 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 如果深度增加1 0 0 米，岩层温度将会上升3 “ C ～5 “ C ，然而对于岩层，每一度的变化 就会使得地应力发生0 ．4 M P a , - , O ．5 M P a 的变化[ 2 3 - 2 6 】。在高地压、高地温的影响下， 深部岩体的物理性质和工程力学性质将浅部的脆性力学响应转化为深部潜在的延 性力学响应行为[ 2 7 - 2 9 ] 。复杂的应力环境使得深部开采困难重重。 1 ．1 ．3 锚网索支护的重要意义 在煤矿生产中，井下巷道是通风、运输以及行人的重要通道，对矿井生产具有 重要作用。在煤矿巷道中，回采巷道的服务年限最短，但却承担着为工作面提供通 风、行人、材料运输及煤炭输出的重要任务，是关系煤矿安全及生产的重要通道。 此外，在煤矿生产中每个工作面都有两条回采巷道且服务时间较短，而开拓巷道和 准备巷道相对较长，前者大约占3 ／5 以上。回采巷道一般沿煤层顺层施工，在工作 面两侧，因此工作面的推进扰动对其影响程度较大。为保证煤炭的安全回采，煤炭 企业以及一些学者在巷道支护方面多是通过提高支护密度、支护强度或是采用“U ” 型棚支护来克服深部开采带来的巨大困难。然而材料的大量使用必然会增加煤炭 的生产成本，在现阶段并不利于煤炭企业的健康发展。 锚网索巷道支护技术支护简单、施工便捷，经过世界各国的实践及时间的检验， 证明这套支护技术是经济高效的。这种支护技术优点众多首先，其施工简单、劳 动强度也比较小，易于快速施工；其次自身的成本比较低，减轻了企业的资金压力 最后，其支护效果优秀。因此，我国的煤矿巷道多用这种支护方式。但在实际应用 过程中往往只注重锚网索支护的形似，并未充分考虑长度、锚固长度、支护密度、 支护时间、预应力、材料强度、延伸率等支护参数对巷道围岩变形的影响规律以及 各参数相互之间的协调耦合关系。回采巷道虽然得到一定程度的支护，但受时间、 开采深度及工作面的采动影响，回采巷道不得不在服务期内进行大量的修护加固 工作，造成不必要的财力及劳动力的输出，大大增加了锚网索的支护成本。更有严 重者，造成顶板冒落及片帮等灾害，导致安全事故。因此，在锚网索支护技术广泛 普及的今天，更有必要深入研究锚网索各支护参数对巷道围岩变形的影响规律以 及各参数之间的耦合关系，为完善锚网索支护技术提供坚强的理论指导，从而为煤 矿巷道支护提供设计参考，进而为锚网索支护技术更好的走向深部巷道奠定基础。 因此，对锚网索耦合支护机制的研究及推广应用具有重大意义。 1 ．2 研究课题的历史和现状 巷道锚杆支护技术到今天已经发展了约7 0 年的时间，而且该支护技术也经过 ．2 ． 万方数据 1 绪论 多次的革新。这种巷道支护技术开始于上个世纪四十年代的时候。最早发明使用该 技术的地方是在美国以及前苏联。采用锚杆支护巷道与以前的采用架棚支护巷道 相比，采用打锚杆来进行施工更加方便快捷，作业速度也得到了很大的提高，缩短 了巷道支护施工所消耗的时间。此外，采用锚杆来支护巷道更加经济，降低了巷道 的支护费用支出，而且其效果也优于架棚来支护巷道。采用锚杆支护具有显著的支 护效果而且节省资金。所以锚杆支护技术很快在煤矿、金属矿山、隧道、水利以及 其他工程中快速发展。 1 ．2 ．1 经典支护理论 1 ．悬吊理论。2 0 世纪时期，矿产开采深度相对较浅，矿山压力显现相对较小。 锚杆支护技术的进步、成长、辉煌是一个循序渐进的过程，在起初的五年中，世界 各国的学者、专家、企业大多专注于机械式锚杆。随后十年，随着采矿工业的发展 开始了锚杆支护系统的研究，并在此期间L o u i sA P a n e k 等人率先提出了悬吊理 论。该理论认为用锚杆来支护巷道就是把巷道顶部的不稳定岩层通过锚杆悬吊在 上方稳定、结实的岩石中，从而达到了下方软弱岩层在锚杆的作用下变得坚固的目 标。在地下巷道中，尤其是煤矿回采巷道，巷道多开挖在煤层中，顶板岩层多是层 状构造。巷道挖空后，顶板岩层失去了支撑，岩层之间脱离造成岩石弯曲垮落。在 巷道支护中锚杆相当于绳索把顶板失去支撑的不稳定岩层加以支撑吊在巷道上方 稳定的岩石之中。正因为如此，才阻止了巷道上部岩石的任意变形和岩层分离。然 而，这个理论并非完美，与现场的实际情况还是有些不同首先，它忽视了巷道周 围岩石自身的承载作用；其次，锚固体和原始岩体是一体的，是不能随意分开的。 此外，这个理论仅仅局限于顶板，对于巷道的其他部分并不能做出很好的解释。在 某些特别的情况下，巷道顶板的破碎区相对来讲比较大，锚杆对这些大面积的破碎 项板是束手无策的而有些巷道顶板本身强度厚度具有很大的支护作用，例如临汾 地区9 1 0 煤的直接顶板达1 3 m 厚，悬吊理论在这里就不再适用了。 2 ．组合梁理论。伴随着技术的发展以及研究的不断深入，组合梁理论随之产生、 传播。该理论的中心思想即简支梁。首先，岩石是一层一层的，巷道开挖后可以把 顶板想象成梁，支撑这个梁的就是巷帮。打一个形象的比方，各个岩层可以想象成 纸张，而订书钉就相当于锚杆，正是由于锚杆的作用加大了岩层之间的摩擦力。因 此，在一定程度上限制了层间的滑动，减小了离层现象的发生。此外，锚杆杆体的 加入使得被钉起来的岩层的抗剪刚度得到了加强，有效的控制了层间的水平方向 的滑动。由此看来，在锚固范围内的岩层不在是松散的，而是一个整体的梁。由于 ．3 ． 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 上覆载荷的作用，这样的一个整体相对于岩层之间的单独叠加其力学性能会有较 大的提高。其抵抗变形的能力以及自身的强度都会增加。而且随着梁的厚度不断加 大，它的支护强度也会随之越高。每个巷道开挖后，其围岩都有一定承载作用。当 然锚杆也有其神奇的作用，但是该理论不应该分别对待，这距离现实情况有些出入。 组合梁是建立在完整或者较完整的顶板的基础上，因此，组合梁也并不是万能的。 随着开采的进行，在开采扰动及实践作用下定的完整性可能不复再存，随之而去的 当然还有组合梁理论。同样，此理论只针对项板，对于巷帮只有顺层安装锚杆，对 于底板安装锚杆的甚少。因此巷帮和底板无法使用该理论。 3 ．压缩拱理论。彭德 P e n d e r 和兰 T A L a n g 通过光弹试验提出了压缩拱理论。 该理论认为安装锚杆进行巷道支护时，在锚杆两端就会出现形似圆锥形分布形态 的压应力区域，如果在巷道周边布置间距足够小的锚杆群落，那么每个锚杆两端的 圆锥形压应力区域就会相互重叠交错，那么在巷道周围岩体中就会形成一个均匀 的压缩带，这个压缩带就是承压拱。该理论认为这个承压拱能够承载其周围岩石的 径向载荷。而承压拱内部的岩石在径向和切向均受压，处于三向应力状态，其围岩 强度相对得到了提升。而压缩拱理论的不足是疏于对锚杆和围岩相互作用进行深 入研究。该理论与实际情