大断面巷道快速支护技术研究及工程应用.pdf

大断面巷道快速支护技术研究及工程应用 作者姓名韭翌撞 专业名称芷业工捏 指导教师割立民 黜麒待螈堇握忠 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 2 Q 曼生且 2 Q 兰生鱼旦 入学时间2 Q 曼圣生窆且 研究方向芷剑重型茧翡剖 职称 塾握 职称 班窒虽 I l ll ll ll l ll l llI l lllll Y 2 9 2 4 8 7 8 F A S TH E A V YS E C T I O NT U N N E LS U P P O R T I N GT E C H N O L O G Y R E S E A R C HA N DE N G I N E E R I N GA P P L I C A T I O N AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E Ro FP H I L O S O P H Y f r o m S h a n d o n gU 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 b y Z h a n gY u j i e S u p e r v i s o r P r o f e s s o r L i uL i m i n C o l l e g eo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g 珊N2 0 1 5 声明 | ＼刀 荔良 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文 献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机 关作鉴定。 硕士生签名 日 A F F Ⅱ孙月 』钔r I o N 融司习接 少△． ，t ＼l Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h e a w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU 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 , i s w h o H ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h ed o c u m e n th a sn o tb e e n s u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 撕阳i 巳 少限6t ＼功 出丕型拉太堂亟堂位论玄 摘要 摘要 探究影响巷道快速支护因素是巷道支护的重要研究方向之一，而开展巷道支护机理， 影响因素以及实现快速支护方面研究对于矿井建设与生产具有重要的意义，也是实现煤 矿高产、高效的基础。 本文以神华某矿3 1 3 0 4 胶运顺槽为工程背景，首先利用巷道支护理论对巷道围岩变 形特征，提高锚杆、锚索预应力进行分析，全面综合分析了预应力锚杆支护的机理、支 护效果，通过理论与实践相结合确定合理的支护方案，然后对原有的支护进行优化设计， 提出五种支护参数的优化方案采用F L A C 3 D 数值模拟对各种方案进行分析比较，最后 通过现场实施与现场检测相结合确定优化方案中的锚杆间排距、项锚杆长度、锚索间距 等支护参数是否合理，安全稳定性是否可靠。 通过现场实践应用，根据实测的结果分析，巷道顶板和两帮的变形范围均在可以合 理范围之内，证明优化设计是可靠的，能够达到了预期支护的效果。通过与M B 6 7 0 掘 锚机配合使用，有效加快巷道掘进与支护，提高工作效率，也可以减少支护材料与辅助 运输量，降低劳动强度，降低煤矿成本，促进煤矿生产的快速高产高效。 关键词巷道；锚杆；快速支护；支护参数；优化设计 A b s t r a c t T oe x p l o r ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h er o a d w a yq u i c ks u p p o r ti so n eo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c h d i r e c t i o no fr o a d w a ys u p p o r t ，A n dt oc a r r yo u tt h em e c h a n i s mo fr o a d w a ys u p p o r t ，i n f l u e n c e f a c t o r , a n da c h i e v er a p i ds u p p o r t i n gr e s e a r c hh a st h ev i t a ls i g n i f i c a n c ef o rm i n ec o n s t r u c t i o n a n dp r o d u c t i o n ．M e a n w h i l e ，t h eb a s i so fh i g hp r o d u c t i o na n de f f i c i e n c yo fc o a lm i n e ． I nt h i sp a p e r ，S H E N H U A3130 4p l a s t i c t r a n s p o r tt r o u g h f o ram i n ee n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d ．F i r s to fa l lr o a d w a ys u p p o r tt h e o r yi n t r o d u c t i o na n da n a l y s i so fs u r r o u n d i n gr o c k d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，i n i t i a l l yi d e n t i f i e dp r e s t r e s s e db o l t i n gs u p p o r tm e t h o d s ；s e c o n d l y c o m p r e h e n s i v ea n di n t e g r a t e da n a l y s i so ft h em e c h a n i s mo fp r e - s t r e s s e da n c h o rs h o r i n g ， s u p p o r t i n ge f f e c ta n dc a r r y i n g c a p a c i t yc h a n g e s ；f i e l dm e a s u r e m e n tb yF L A C 3 Dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nc o m b i n e dc o m p r e h e n s i v er e s e a r c hm e t h o d st h e o r e t i c a la n a l y s i so fc o a lr o a d w a y f a s td r i v i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c h ，t h eo p t i m i z a t i o np r o g r a ms u p p o r tp a r a m e t e r s ；F i n a l l y ， t h r o u g hp r a c t i c ea n df i e l dt e s t i n gp r o g r a md o e so p t i m i z a t i o nb e t w e e nb o l tr o wf r o mt h et o p a n c h o rl e n g t h ，a n c h o rs p a c i n gs u p p o r tp a r a m e t e r sa r er e a s o n a b l e ，s a f ea n dr e l i a b l es t a b i l i t y ． T h r o u g ho n - s i t ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t sm e a s u r e da n a l y s i s ，t u n n e l r o o fa n dd e f o r m a t i o nr a n g et w og r o u p sa r ew i t h i nt h ea c c e p t a b l er a n g e ，o p t i m i z e dd e s i g n p r o v e dt ob er e l i a b l e ，i ti sp o s s i b l et oa c h i e v et h ed e s i r e de f f e c ts u p p o r t ．D r i v i n gt h r o u g ht h e M B 6 7 0w i n d l a s sw i t ht h eu s eo fs p e e du pr o a d w a ye x c a v a t i o na n de f f e c t i v es u p p o r t ，i m p r o v e w o r ke f f i c i e n c y ，b u ta l s oC a nr e d u c et h es u p p o r tm a t e r i a la n da u x i l i a r yt r a n s p o r tc a p a c i t y ， r e d u c el a b o ri n t e n s i t y , r e d u c ec o a lm i n ec o s t sa n dp r o m o t ef a s ta n de f f i c i e n th i 曲- y i e l dc o a l p r o d u c t i o n ． K e y w o r d s r o a d w a y ；r o c kb o l t ；r a p i de x c a v a t i o n ；s u p p o r t i n ga r g u m e n t s ；o p t i m i z a t i o n d e s i g n 出苤型控太兰殛土堂位论．堑』显 目录 I ．1 课题的提出及研究意思⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 课题研究的内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．4 论文研究的技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 高强预应力锚网支护分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 支护机理的分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2高强预应力锚杆的作用机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 2 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 工程背景与条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．131 3 0 4 工作面胶运顺槽基本概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．231 3 0 4 胶运顺槽布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 支护参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 支护工艺及质量要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 支护参数优化设计及数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．1 支护参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．2 数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 工程应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．1 测点及测站布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 监测结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 5 ．3小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 6 主要结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 些苤抖挂太堂勉；| 三堂僮论塞目丞 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 6 ．2 论文不足及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 攻读硕士期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1 ．1 R a i s i n go f P r o j e c ta n d r e s e a r c hm e a n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2T h er e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3T h er e s e a r c hc o n t e n ta n dm e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4T h ep a p e rs t u d i e st h et e c h n i c a lr o u t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2H i g hs t r e n g t hp r e - s t r e s s e da n c h o rn e ts u p p o r t i n ga n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1T h ea n a l y s i so f t h es u p p o r t i n gm e c h a n i s m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2T h ee f f e c to fh i g hs t r e n g t hp r e - s t r e s s e da n c h o rm e c h a n i s ma n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3E n g i n e e r i n gb a c k g r o u n da n dc o n d i t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1B a s i cs i t u a t i o nh a u l a g er o a d w a yp r o f i l eo f 3 1 3 0 4w o r k i n gf a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．23 1 3 0 4h a u l a g er o a d w a yp r o f i l ea r r a n g e m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 S u p p o r tp a r a m e t e r sd e s i g n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4T h es u p p o r t i n gt e c h n o l o g ya n dq u a l i t yr e q u i r e m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．5 S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4O p t i m i z a t i o nd e s i g no fs u p p o r t i n gp a r a m e t e r sa n di t sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．．．．．．．．．．3 5 4 ．1 S u p p o r t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5E n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 8 5 ．1 M e a s u r i n gp o i n ta n dt h es t a t i o nl a y o u t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2T e s tr e s u l t sa n da n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．3 S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 6T h em a i nc o n c l u s i o na n dp r o s p e c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 5 6 ．1T h em a i nc o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 6 ．2L a c ko f p a p e ra n dp r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 R e f e r e n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 M a i na c h i e v e m e n t sd u r i n gs t u d yo nm a s t e rd i s s e r t a t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 0 T h a n k s ⋯””⋯⋯””⋯””⋯⋯⋯”⋯””⋯⋯”⋯⋯“””””6 1 1 ．1 课题的提出及研究意思 巷道掘进与支护技术是煤炭开采、非煤矿山、隧道，地铁及铁路、公路交通隧道等 地下工程的关键技术。如今在我国大型煤矿巷道掘进长度达到一万多米，在其他地下工 程项目中是很少有这个大规模的【。随着技术的发展，如今的工程都是非常巨大，特别 是地下开采工程。确保地下工程安全、快速，高效的进行开采已经成为工程的难题，特 别是其中的巷道支护技术，他是决定整个工程的关键环节。实现煤矿巷道的安全、有效、 快速掘进，为现代化矿井的“高产、高效”奠定基础【2 1 。此外，我国的井巷工程发展迅 速，在5 0 年代，全国立井平均深度2 0 0 m 左右，到了9 0 年代末期已经达到了7 0 0 m 左 右，相当于每年以1 0 m 的平均速度向深部发展。随着我国经济的发展，矿山的开发得到 了充分的发展【3 1 。各项技术都取得了一定的成果，比如支护技术，掘进技术等。然而对 巷道掘进、支护、开采也提出了更高的要求，必须做到安全、高效、快速的开采。 在煤矿生产中，掘进与支护是两个非常重要的环节，他们在整个工序中占用的时间 比例也非常大，所以掘进设备与支护设备的配套对煤矿生产能力大小有直接的作用。随 着煤矿开采技术的提高，安全高效采煤机械化越来越普及，很大程度改变了井下的巷道 的布置。合理利用机械设备是提高作业效率的方法之一【4 】，现在井下巷道大部分都是以 煤巷为主，因为煤巷掘进比较容易，而岩巷硬度大不容易掘进，这样能过降低劳动强度， 加快掘进速度。与此同时，随着煤层巷道的支护技术的发展，特别是锚杆、锚喷以及锚 杆联合支护的发展，为发展煤巷奠定了基础，特别是掘锚机等一系列的自动化，机械化 水平比较高采掘设备得到了很好的发展与应用。在我国随着掘进、开采技术的发展，采 煤工作面长度可以达到几千米，工作面的年产水平也达到了 7 ．9 M t 。而且这种发展势 头将继续，0 7 年我国的重点煤矿企业掘进总进尺到了9 0 0 0 k m 左右，其中煤巷占到了 4 4 ．3 ％N 。机械化程度到了7 8 ％，最近几十年，我国煤矿的采掘比例发展不平衡，采掘比 例一般是1 3 左右。巷道掘进水平远远落后综合机械化水平。但是近几年随着我国快速 发展，对煤炭的需要日益加剧，掘进已经很难满足煤炭开采水平，这种情况在我国特别 严重。所以大力发展煤矿快速掘进成为提高煤矿产量的关键技术。最终实现倔采协调快 速的作业。综合机械化水平的高低就决定了煤矿产量的大小、成本高低等，为了提高煤 出丕抖兹太芏硇土室位论塞绪j 盆 巷的掘进水平，必须要大力发展煤巷综合机械化水平，保证综采工作面达到综掘与综采 1 1 的水平，能够保证矿井采掘正常接续【6 1 。 现在煤矿的生产都非常重视安全，快速、高效、经济技术发展，无论是现在还是将 来对地下工程的发展都是有非常重要的，同时，这也是煤矿巷道掘进技术发展的一个方 向，许多国内外专家都认为这是我未来煤矿的方向，他们致力于对这方面的科研寻找 并建立一套完整的安全、快速、高效、经济的煤矿掘进生产的科学理论体系【，】。研究巷 道快速掘进的影响因素，选用经济合理的支护参数，制定了安全高效的支护方法。如今， 初步取得了一些重要的研究成果，长期以来，我国巷道掘进机械装备和先进的锚杆支护 技术的引进、改善与自我研发，巷道快速掘进技术的成功开发与推广，使掘进机械及其 配套设备、施工设备、巷道锚杆支护技术、支护材料、巷道围岩地质力学及其性能测试 技术均得到快速发展，其中锚杆支护技术是制约巷道掘的关键因素【8 】，近几十年，我国 的锚杆技术得到了很好地发展，但是仍然是当前煤炭行业急需解决的一个重大理论及技 术课题。 1 ．2 国内外研究现状 巷道支护技术是煤炭开采中的一项关键技术【9 】。安全、合理、有效的巷道支护是保 证矿井实现高产高效的必要条件，近年来，锚杆支护技术发展极为迅速，但是不合理使 用非常普遍，使锚杆造成很多的浪费，而且支护效果一般，特别是地质条件复杂情况下， 锚杆支护的合理选择尤其重要，可见，提高巷道的快速掘进，支护是其中的关键【加】。也 是实现煤矿安全高产高效的前提，由于这种支护方式具有支护效果好、成本低等诸多特 点，它的广泛采用给煤矿企业带来巨大的技术经济效益【，】。锚杆支护已经成为巷道支护 的一个主要发展方向。 1 ．2 ．1 锚杆支护技术发展1 1 2 l 1 9 4 旺1 9 5 0 机械类锚杆得到了快速发展与应用。 1 9 5 0 - - 1 9 6 0 机械式锚杆得到了广泛的采用，逐渐的产生了对锚杆系统的研究。 1 9 6 0 - - - - 1 9 7 0 发明了树脂药卷，引发锚杆技术的一次革命。 1 9 7 0 - - - 1 9 8 0 各种不同的锚杆都到了快速的发展比如管缝式，水胀式。 1 9 8 0 - - - 1 9 9 0 锚杆的各个构造都到了很好地发展，比如混合锚头锚杆、桁架锚杆、 出丕型拉太堂亟堂位j 金塞 缓监 世界的采煤大国美国，他的采煤设备比较先进，尤其是他的锚杆支护技术，锚杆支 护技术起源于美国，锚杆技术的发展已经有1 0 0 多年了。而锚杆的快速发展与应用是在 最近几十年，特别是从7 0 年代开始，应用非常广泛，如今美国的煤矿支护基本上都是采 用锚杆支护，因为锚杆支护技术在美国已经非常成熟了。据统计美国现在锚杆每年至少 在9 0 0 0 万套左右。而且逐年在增加使用量【1 3 】。 在水文地质条件比较复杂的情况下，采取提高锚杆的预应力，使用高强度的锚杆能 够很好地对顶板控制，起到一个主动支护的作用【H 】。对巷道围岩是一个很好的补充加强 的作用，提高了自身的稳定性，以此同时，这样就能够减少锚杆支护的数量，增加巷道 掘进速度，降低工作强度。 在发达采煤国家中已经形成了这的理念以锚杆和锚索作为巷道支护结构的主体部 分，采取加大锚杆锚杆支护的预应力，形成一个主动对顶板松动圈的加固效果。充分发 挥锚杆的主动效果，以提高围岩的自身承载能力，控制松动圈的发展，最终达到锚杆与 岩体形成一个统一的整体，阻止围岩的松动，实现预期理想目标。如果采用混泥土喷射 巷道的方法，现喷射厚度不够、不够均匀等问题，他的主要作用就是把围岩包裹起来， 形但是由于受巷道形状的影响，喷射的效果很难达到预期的效果，能够形成一种保护层， 防止围岩风化，增加围岩强度，延长围岩的有限服务年限。此外，日本、澳大利亚、韩 国作为采煤大国，煤矿基本上都采用锚网支护【1 5 】_ 美国等采煤发达国家锚网支护特征第一，锚杆强度大；第二、安装时预应力大； 第三，锚杆之间的距离较大；第四，锚杆的利用率比较高；第五，锚杆支护效果好；第 六，锚网配套比较好，讲究不同条件下的配套不一样【1 6 1 。 锚杆发展已经有1 0 0 多年了，但是在我国发展速度缓慢，在4 0 年左右，锚杆技术都 到了快速的发展，并且得到了广泛的应用。由早期的砌筑支护和棚式支护逐渐过渡到了 锚杆支护，在我国得到了很好应用，实践证明，锚杆支护好于传统的支护，为煤矿实现 安全、高产、高效提供了技术基础【1 7 】。 与此同时，锚杆支护不仅仅只在煤矿中取得了很好效果，而且在各种地下工程巷道 中也效果显著，比如隧道、桥梁以及各种复杂条件的巷道支护。在1 9 9 6 年我国煤炭部 宣称“锚杆支护对煤矿的发展是又一次煤矿支护技术的变革”而且把它作为中国煤炭 工业的重点科技五大专案之一【1 8 】，提倡我国大力推广锚杆的使用以及对锚杆技术的发 展。 锚杆支护在我国技术尚未成熟，虽然能过我们带来许多好处，但是锚杆是以一种主 3 出丕抖技太芏鲍生僮论塞绪i 盆 动形式支护的，其中还有许多细节问题，暂时还很难达到理想的预期效果，还需要进一 步的研究。比如锚杆结构的配套不够理想以及其他安装问题。 1 ．2 ．2 我国现有锚杆支护存在的不足1 1 9 l 1 缺乏完善的理论，锚杆支护大部分设计依靠现场经验作为参考； 2 锚杆的设计比较单一，基本上没什么变化，不能根据具体情况进行设计，考虑 的不够全面，一般设计单位只简单的考虑了锚杆的长度与直径； 3 对锚杆受力分析不够，特别是锚杆安装以后的受力情况； 4 不能够根据每个矿井的实际情况确定锚杆的参数设计，而是统一的规格，这样 很难达到支护效果，而且材料也浪费； 5 锚杆单体强度较低、可靠不高、间排距较小； 6 锚杆安装水平低，缺乏专门的技术指导，给予的预应力不够； 7 效率低，劳动强度大，成本高； 表1 ．1 国内外锚杆支护对比 T a b l e1 ．1B o l ts u p p o r ta th o m ea n da b r o a da r ec o m p a r e d 1 ．3 ．1 课题研究的内容 1 ．3 课题研究的内容与方法 1 针对矿井巷道掘进与支护现状以及巷道支护设计理论，方法研究，快速掘进、 配套支护方式、支护优化设计等。 2 选择合理的支护理论。 3 分析影响巷道快速掘进与可靠性支护因素，确定快速掘进工艺流程以及方案。 4 围岩力学参数的确定。 通过实验试验，确定围岩力学参数，为巷道锚杆支护优化设计计算及支护方案选择 4 出丕型拉太堂亟堂僮j 金塞 绪i 金 提供参数。 5 巷道优化设计 结合神华某矿31 3 0 4 巷道的具体工程地质条件，通过合理的计算，选择合理的支护 方案，其中包含锚杆直径，长度以及旋转方向。 6 通过理论分析，采用F L A C 3 D 数值模拟验证支护方案优劣。 7 工程应用。 通过现场实验检测优化设计的安全性可靠性。 1 ．3 ．2 本课置研究的方法 1 理论研究 选择合理的支护理论方案，对比各方案的优劣。 2 实验研究 进行巷道围岩力学参数室内实验，确定围岩参数。 3 数值模拟实验 以神华某矿3 1 3 0 4 巷道为研究目标，根据实际工程条件，室内模拟实验结果，利用 F L A C 3 D 数值模拟验证支护方案优劣，选择合理的参数对其进行进一步优化。 1 ．4 论文研究的技术路线 本论文结合神华神华某矿3 1 3 0 4 胶运顺槽的具体地质条件、围岩性质和煤层的赋存 情况，采用理论分析、F L A C 3 D 数值模拟相结合的研究方法，对巷道掘进与锚杆进行优化 设计，来研究巷道快速掘进技术，通过工程应用论证研究的可行性。确实论文的研究技 术路线如图1 ．1 图1 ．1 技术路线图 F i g ．1 ．1T h et e c h n i c a lr o u t e 6 2 高强预应力锚网支护分析 2 ．1 支护机理的分析 煤巷支护是安全生产的保障。煤炭发展为我国经济发展提供物质保障，随着经济的 发展，煤炭需求量日益增加，开采规模逐渐加大，开采深度越深，巷道的支护难度越显 突出，最近几十年，煤矿支护发生了巨大变化，由砌碹支护，棚子支护到如今的锚杆支 护。传统的支护是被动的支护，而锚杆支护主动支护，锚杆由锚头、锚体、托盘等组成， 锚杆支护是锚杆锚固在稳定岩层里面，与岩体构成统一的整体，很好地拖住变形的岩体 【2 0 1 。在锚杆安装的时候给予锚杆一定的预应力，是锚杆提前形成锚固，不至于随着岩体 移动，效果更好。并且保证岩层来压的时候，锚杆能够产生让压，充分利用了杆柔性的 特点。能过在不损坏锚杆的同时，让围岩释放岩层中的能量，再一次对锚杆加压，使锚 杆彻底与岩体形成一个整体。增加了岩体的稳定性，很好地利用了稳定岩层的承载能力， 以及锚杆的对围岩的支持作用，具有操作性强，使用范围广，效果好的特点，降低劳动 强度，减少成本，改善工作面的作业环境。现在已经成为我国巷道支护的主要形式，最 近几年国内外对锚杆的支护研究又有了进步，提出了巷道锚杆支护强化围岩理论。主要 有以下几种第一，锚杆悬吊理论；第二，锚杆组合梁理论；第三，锚杆组合拱理论； 第四，最大水平应力理论；第五松动圈理论、基于高水平地应力状态的“刚性“ 梁理论、 锚杆析架支护理论、锚注理论等【2 1 】。 2 ．1 ．1 悬吊理论1 2 2 l 利用锚杆把岩体中上部稳定坚硬岩层与下部软弱岩层连接起来，增强岩层的整体性 与稳定性，达到控制较软岩层的目的称为锚杆悬吊理论。悬吊理论直观的揭示了锚杆的 悬吊作用，在分析过程中不考虑围岩的自承载能力，与实际情况有一定的差距【2 3 】。锚杆 支护悬吊作用如下图2 ．1 。 2 ．1 ．2 组合梁理论1 2 4 l a 坚硬岩层 b 松弱顶板锚杆 图2 ．1 锚杆支护悬吊作用 F i g ．2 ．1S u s p e n s i o na c t i o no fb o l t i n g 对于巷道岩体出现若干分层的岩层，锚杆支护的作用既能防止分层的岩层水平相互 之间滑动，也能增加各层之间的摩擦，阻止各层之间的移动，使岩体形成一个整体，增 加了岩体的稳定性的作用成为组合梁理论。如下图2 ．2 所示。 { 黟j r } 7 一 ∽叠合粱 b 组合梁 图2 ．2 锚杆支护组合梁作用 F i g ．2 ．2C o m p o s i t eb e a mr o l eo fb o l t i n g 2 ．1 ．3 组合拱 压缩拱 理论瞵l 在巷道拱形围岩比较破碎的区域安装排间距较小的预应力锚杆，这样就从巷道两端 产生压应力区，组合梁理论认为，在拱形行巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆，从杆 体两端开始沿中间形成分布的压应力区，压应力区之间相互交错，形成一个像拱的结构 称为组合梁 压缩拱 理论。这样的拱即受拱内岩石的力，也受切向作用的力，使拱处 于三向应力状态。使围岩的稳定性得到了很好的保证，强度也提高了，支护效果显著。 如下图2 ．3 所示。 图2 ．3 锚杆组合拱 组合梁 原理 F i g ．2 ．3B o l tc o m b i n e d a r c ht h e o r yd i a g r a m m a t i cd r a w i n g 2 ．1 ．4 量大水平应力l 硐 该理论的提出者是由澳大利亚学者W ．J ．b e l l ，理论表明巷道中的水平应力通常比岩 层的垂直应力大，甚至是上十倍，而井下巷道的顶底板破坏主要来自水平方向的应力作 用，而岩层垂直方面的应力影响比较小，随着工作面的推进，水平应力与垂直应力也跟 着发生变化，水平方向的应力随着工作面的推进应力向巷道顶底板移动导致底板岩层发 生破坏。垂直方面的应力也会发生转移，转移方向是沿着两帮最终使两帮破坏。而锚杆 能过很好地对水平应力起到约束的作用，防止岩层沿锚杆轴向方向发生膨胀以及阻止岩 层之间的剪切错动。 2 ．1 ．5 围岩聋度囊化理论1 2 7 l 该理论的提出是专门针对软岩特征，因为软岩具有强度弱，遇水容易膨胀，