原岩应力状态下交叉巷道的研究.pdf

工学硕士学位论文 原岩应力状态下交叉巷道的研究 河北工程大学 2 0 1 2 年6 月 分类号婴31 1 U D C ．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 工学硕士学位论文 嬲3 ㈣2 7 3 ㈣2 Y 2 1 密 级公珏 单位代码 Q Q 2 鱼 原岩应力状态下交叉巷道的研究 作者姓名李涛 指导教师王育德教授 申请学位级别工学硕士 学科专业结构工程 所在单位土木工程学院 授予学位单位河北工程大学 AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g F o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e ro fE n g i n e e r i n g R e s e a r c hi no r i g i n a lr o c ks t r e s s s t a t ef o rt h ec r o s sr o a d w a y C a n d i d a t e L iT a o S u p e r v i s o r P r o f ．W a n gY u d e A c a d e m i cD e g r e e A p p l i e df o r M a s t e ro f E n g i n e e r i n g S p e c i a l t y S t r u c t u r a lE n g i n e e r i n g C o l l e g e ／D e p a r t m e n t C o l l e g eo f C i v i lE n g i n e e r i n g H e b e iU n i v e r s i t yo f E n g i n e e r i n g J u n e ，2 0 1 2 独创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑宴垦墨壁盘堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名‘谚甫 签字日期∥～年乡月豳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑宴垦墨猩盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权泣耋堡王猩盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 耆确 签字日期7 吖v 年乡月铝日 导师签名 夕多夕伽签字日期占耖／己，年j 一月．孝日 摘要 摘要 改革开放以来，我国经济建设正处于全面快速发展的新时期，煤炭的需求量 也呈现出了增长趋势，而煤矿安全事故也出现了上升的趋势，因此，保证煤矿安 全高效高能生产势在必行。 为了保证煤矿的安全高效生产，满足矿下运煤、通风等实际需求，巷道彼此 间的交叉便不可避免，而巷道交叉处应力集中高，围岩破碎厉害、巷道顶板和两 帮裸露面广以及支护困难等缺点，严重制约煤矿的安全生产。 本文将以河北钱家营煤田地下交叉巷道的实际情况为主，以理论分析为基础， 对巷道围岩受力及破坏特征理论、巷道锚固设计及支护方法以及巷道围岩的分类 做了详细的介绍，并且利用F L A C 3 D 数值模拟分析软件，对交叉巷道围岩受力和破 坏特征以及巷道矿柱支撑荷载进行了分析研究，在此基础上对交叉巷道在支护设 计以及对围岩的加固提出了一些看法。在F L A C 3 D 模拟分析中，得到巷道开挖过程 中的巷道交叉区域内围岩的应力变化特点、巷道交叉区域围岩破坏特点、巷道开 挖时的最初响应及矿柱可承受的最大荷载等。 研究结果对煤矿井下交叉巷道围岩支护有着重要的理论意义和一定的参考价 值。 关键词巷道交岔 叉 ；围岩稳定性；锚固方法；矿柱荷载；F L A C 3 D A b s t r a c t A b s t r a c t S i n c et h er e f o r ma n do p e n i n g u p ，C h i n a ’Se c o n o m i cc o n s t r u c t i o ni nan e wp e r i o do f r a p i da n dc o m p r e h e n s i v ed e v e l o p m e n t ．T h ed e m a n df o rc o a li sa l s os h o w i n gag r o w t h t r e n d ，b u tc o a lm i n es a f e t ya c c i d e n t sa l S Oa p p e a r e di na nu p w a r dt r e n d ，S Oe n s u r eh i g h e n e r g ye f f i c i e n tp r o d u c t i o no fc o a lm i n es a f e t yi si m p e r a t i v e ． I no r d e rt oe n s u r et h es a f ea n de f f i c i e n tp r o d u c t i o no fc o a lm i n e s ，m e e tt h e a c n m l n e e d so fu n d e r - m i n e c o a l ，v e n t i l a t i o n ，e t c ，t h er o a d w a yc r o s si si n e v i t a b l e ．t h e i n t e r s e c t i o np o i n to fs t r e s sc o n c e n t r a t i o na r ei ns e r i o u sc o n d i t i o n ，T h et u n n e lr o o f a I l d t h ew a l l so ft u n n e lb a r ea r e a sa r e v e r yg r e a t ，c a u s a t i v et h ei n t e r s e c t i o n r o a d w a y s u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o nf a i l u r ei sv e r ys e r i o u s ，s u p p o r t i n gw o r ki s v e r yd i f f i c u l t ， t h e s es e r i o u s l yr e s t r i c tt h ec o a lm i n es a f e t yi np r o d u c t i o n ． I nt h i sp a p e rc o m b i n e sw i t ht h ei n t e r s e c t i o nr o a d w a yi nH e B e i p r o v i n c e ，b a s e do n t h et h e o r y ，s u r r o u n d i n gr o c ki ns u p p o r t i n g t h e o r y , t h es u p p o r t i n gm e t h o d , t u n n e ld e s i g n a n dt h ec l a s s i f i c a t i o no f s u r r o u n d i n gr o c ka r ed e s c r i b e di nd e t a i l ， W ea n a l y s i st h es u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sa n dd e s t r u c t i o n f e a t l J r e sa n dt i b e I ．i 啪 s p i k e ss u p p o r t i n go fr o a d w a yl o a db yF L A C 3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i ss o R w a r e ． B a s e do nt h i s ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r ds o m eo p i n i o n si ns u p p o r t i n g d e s i g n i no fc r o s s r o a d w a ya n dt h er e i n f o r c e m e n to ft h es u r r o u n d i n gr o c k ． I nt h es i m u l a t i o n a n a l y s i so fF L A C 3 D ，w eC a l l g e tC r o s sa r e ao fr o a d w a V s 盼o u n d i n gr o c ks t r e s sc h a n g ec h a r a c t e r i s t i c s 、t h ef i r s t r e s p o n s ew h e ne x c a V a t i n g t u n n e l sa n dt h em a x i m u ml o a dt h a tt h et i b e r i u ms p i k e C a nw i t h s t a n da n ds oo n ． T h er e s u l t so ft h es t u d yh a v eai m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dt h ec e I r c a i n r e i e r e n c ev a l u et ot h e s u r r o u n d i n gr o c k s u p p o r t i n ga b o u tC r o s sr o a d w a vi n U n d e r g r o u n dt u n n e l s ． K e y w o r d s R o a d w a yi n t e r s e c t i o n c r o s s i n g p o i n t ；S t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c k ； A n c h o rm e t h o d ；t i b e r i u ms p i k e sl o a d ；F L A C 3 D I I 目录 _ 一一，_ 一 目录 摘要⋯⋯．．．⋯．．⋯⋯一⋯⋯．．⋯一⋯⋯⋯．一⋯．．．．．．．．．．．．⋯1 A b s t r a c t ．．．．．．．．．．⋯．．⋯⋯．．．．⋯．⋯．．．⋯．．．⋯．．．．⋯．．一⋯．．1 1 第1 章绪论．．．．．．⋯．．⋯⋯．⋯．．．．．．．⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯．．⋯．．1 1 ．1 选题背景及其意义⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯．．．1 1 ．2 巷道围岩锚固支护现状⋯．．．．⋯．⋯．⋯．．⋯⋯．．．⋯．⋯⋯．⋯．3 1 ．3 锚杆支护机理研究现状⋯一．．．⋯⋯⋯．．⋯一⋯．⋯．．⋯⋯一．．3 1 ．3 ．1 悬吊理论⋯⋯．．⋯一⋯．⋯⋯一．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯4 I ．3 ．2 最大水平应力理论．⋯⋯⋯．⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．3 组合梁理论．．．⋯⋯．⋯．⋯．．⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯6 1 。3 ．4 压缩拱理论．．一⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯．6 1 ．4 锚杆支护技术发展状况⋯．．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯一⋯⋯．．．⋯8 1 ．4 ．1 国外发展过程及研究现状．．．．⋯．．．⋯⋯．⋯⋯⋯．．．⋯⋯．8 1 ．4 ．2 国内发展过程及研究现状．．．．⋯⋯．．．．．⋯．．⋯．⋯．．⋯⋯．9 1 ．4 ．3 我国锚杆支护存在的问题⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．5 本论文研究内容⋯⋯⋯．⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯．。⋯⋯⋯．⋯。。1 0 第2 章交叉巷道围岩受力与破坏特征理论分析．．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．．1 1 2 ．1 交叉巷道三角区围岩受力分析⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一．．1 1 ．2 ．2 交叉巷道围岩破坏特征分析．．⋯⋯．⋯一．一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．1 三角区围岩的破坏特征- ．．．⋯．一⋯．．⋯．．⋯⋯．．．．．．⋯一1 4 2 ．2 ．2 交叉巷道顶板破坏特征分析⋯一⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯．．1 5 2 ．3 本章小结．．．⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯．．1 7 第3 章交叉巷道锚固设计及支护方式的研究．．⋯⋯⋯一．．⋯⋯⋯．⋯，1 8 3 ．1 巷道锚杆支护设计与计算⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．一⋯⋯⋯⋯．．1 8 3 一．1 常规巷道锚杆支护设计方法．．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯一．⋯⋯．．．1 8 3 ．1 ．2 动态信息设计法一．一．．．．．⋯⋯．．⋯．．⋯⋯．⋯．⋯．⋯．．2 0 3 ．1 ．3 交叉常用巷道设计⋯⋯⋯⋯．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 3 ．2 常见锚杆支护类型．一．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．．．．．⋯2 1 3 ．3 常见交叉巷道围岩支护．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．．⋯⋯．．．2 3 3 ．4 确定交叉巷道围岩加强支护范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一．．2 3 目录 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯一一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 第4 章巷道支护围岩的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．1 巷道支护围岩分类概述．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．⋯．2 5 4 ．1 。l 围岩分类意义⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．1 ．2 围岩分类理论的简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．1 ．3 单指标分类法⋯．⋯．．⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯2 6 4 ．1 ．4 多指标分类方法⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．1 ．5 多因素综合指标分类方法⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯．⋯．．．⋯2 8 4 ．2 煤巷围岩极限平衡区分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．2 ．1 煤巷围岩极限平衡区分类的简述⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯2 8 4 ．2 ．2 确定分类指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．⋯⋯2 9 4 ．3 围岩松动圈分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯2 9 4 ．3 ．1 岩体受力物理形态介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．3 ．2 围岩松动圈分类理论根据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．⋯3 0 4 ．4 软岩工程围岩分类．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯一⋯⋯．3 1 4 ．4 ．1 概述⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 4 ．4 ．2 工程软岩⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 4 ．4 ．3 软岩力学属性．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．．．．⋯⋯⋯3 2 4 ．4 ．4 软岩的软化临界荷载与软化临界深度的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．4 ．5 软岩的工程分类体系⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．5 本章小结⋯⋯．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 第5 章交叉巷道的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 5 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯3 7 5 ．2F L A C 3 D 简介⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 5 ．2 ．1 有限差分法与混合离散法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．3 8 5 ．2 ．2F L A C 3 D 求解过程与求解流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯3 9 5 ．2 ．3F L A C 3 D 的使用特征及计算特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 ．4F L A C 3 D 的应用范围及不足⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．4 3 5 ．3 模拟类型的确定与本构模型的特点⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．3 ．1 模型类型的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 ．3 ．2 本构模型的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯．．4 5 5 , 4 交叉巷道的模拟与分析．．⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 5 ．4 ．1 煤巷地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．．．4 6 5 ．4 ．2 建模过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．4 8 目录 5 ．4 ．3 计算结果分析．⋯．．．．．一一．．⋯．．．．⋯．⋯．．⋯⋯．⋯．⋯．．．4 8 5 ．5 本章小结．．．．一．．一．．．．．．．一一．．．．．．．．．t ．．．．．．．⋯．．⋯。．．．．．⋯．5 2 第6 章结论与展望⋯⋯．．．．。．．．．．．⋯．．⋯一．．．．．⋯．．一．．．．．．．．⋯．．5 4 6 ．1 本文结论．．．．．⋯．_ ．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．⋯．．⋯．．．5 4 6 ．2 展望．⋯⋯⋯．．．⋯．．．。．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．．⋯⋯⋯．．5 5 参考文献．．．一．．．．．．．．．．．⋯．．．。．．．．．．．．．．．．．⋯．．⋯．⋯⋯．．⋯．一⋯5 6 致谢．．⋯．．．．⋯．．．．．一⋯．．．．．．．．．．⋯⋯．。．．．．．⋯．⋯．⋯⋯⋯．5 9 作者简介．．．．．．．．．⋯．．⋯．⋯．⋯．．．⋯．．⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．．．．．⋯．．6 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文．．．．．⋯⋯一．．．一．．⋯⋯⋯．．⋯⋯．6 0 I l l 第1 章绪论 一一 1 - 1 选题背景及其意义 第一章绪论 2 0 1 1 年2 月2 8 日，国家统计局发布2 0 1 0 年国家经济和社会发展统计公报。 公报数据显示，2 0 1 0 年，全国原煤产量完成3 2 。4 亿吨，煤矿百万吨死亡人数为 0 ．7 9 4 人。据不完全统计，国有大中型煤矿每年新掘进的巷道中，开掘在煤层中的 巷道总长度高达6 4 0 0 千米左右。 改革开放以来，我国经济建设正处于全面快速发展的新时期。目前，在我国 的一次性能源消耗比重中，煤炭以其不少于7 0 ％的比重，使得煤炭行业成为推动 我国国民经济发展中的支柱产业，通过相关部门的可靠预测，在未来的2 0 年 5 0 年之内，我国一次能源生产和消费的格局不会改变，那么，煤炭产业在国民经 济建设中将会继续保持其主体地位，这意味着煤炭工业发展的速度将会直接影响 到国计民生。 社会经济高速发展的同时，煤炭的需求量也呈现出了增长趋势，而煤矿安全 事故也出现了上升的趋势，因此，对于煤炭工业来说“提升煤矿产能”和“确保 煤矿安全生产”这两个目标，两手都要抓，两手都要硬。 煤矿的生产是在各种巷道下进行的，而为了满足矿井下的通风、运煤以及行 人等实际需求，便将巷道设计成两两相互交叉的形式或由一条主要巷道分叉形成 的巷道交叉巷道。通常，我们将巷道彼此间相互交叉的区域叫做巷道的交岔 叉 点。为了便于对煤矿井下巷道做出系统的分析和研究，我们将按照不同的 分类标准对其分类 1 、根据其在平面内的具体交叉形式对其分类主要包括十字形、T 形、Y 形 以及L 形的交叉巷道f 】 2 、对于同种交叉形式的巷道，可以分为不同断面形式和不同交叉角度两种； 3 、依据交叉处巷道断面结构分普通交叉点和穿尖交叉点两类。 如图1 ．1 为煤矿井下交叉 岔 巷道平面图，图1 - 2 为交叉点不同断面示意图。 河北工程大学硕士学位论文 a ．十字形交岔巷道；b ．T 形交岔巷道；c ．Y 形交岔巷道；d ．L 形交岔巷道 图1 ．1 煤矿井下巷道交叉形式‘1 8 I F i g ．1 ．1T h ed i f f e r e n ti n t e r s e c t i o nr o a d w a yi nt h eC o a lM i n e 【1 8 】 ．， L ．．沙 L移 1 一 ’ 台国岱1 - 1 笸2 - 2 a 1 普通交叉点 ⋯，f b l 穿尖交叉点 图卜2 交叉点不同段面图【I 8 j 我国统配煤矿安全事故分析数据表明矿井下巷道的交叉区域是巷道顶板事 故的多发地带，而其中的3 0 ％- - 一4 0 ％是由于巷道交叉处围岩强度遭到破坏，造成该 处围岩的丧失稳定所引起的。与普通巷道相比，交叉巷道在交叉区域容易引发安 全事故，这主要是受到交叉巷道交叉处围岩的受力特点以及破坏规律的影响。交 叉巷道交叉点顶板暴漏面积大，该处应力集中程度较严重，所产生的应力极其容 易达到甚至超过围岩的极限屈服强度，因此，容易造成该处围岩变形和破碎，在 巷道交叉形成的三角区内，破碎的围岩又使得其对巷道顶板支撑能力下降，导致了 巷道顶板围岩破坏进一步的加剧。与普通巷道相比，交叉巷道施工程序相当的复 杂，普通巷道的开挖只需进行一次开挖工作，而对交叉巷道来说，若要成功开挖， 则需要在交叉点处多次进行开挖，使得交叉巷道围岩多次受到不同程度的扰动， 原有的应力平衡状态被打破，造成围岩应力多次进行重分布，引起了巷道交叉处 2 第l 章绪论 的围岩应力叠加，D n 眉J Y 围岩的破坏程度，从而极容易引起安全事故。 交叉巷道与普通巷道相比，其巷道围岩受力情况要比普通巷道复杂的多，破 坏情况也复杂得多，其巷道支护也困难的多。倘若，我们能够对交叉巷道围岩的 受力以及破坏有正确的认识，那我们在对巷道挖掘以及巷道支护方面将会得心应 手，将能够更加有效的避免煤矿安全事故的发生，这无疑有利于煤矿安全高效的 生产。 因此，对矿井下交叉巷道围岩以及矿柱进行充分的研究，在制定巷道围岩加 固处理方案时，便可以根据其受力和破坏规律，选取合适的支护方式以及有效的 支护参数，以达到减少巷道支护材料不必要的消耗，提高巷道围岩的稳定以及保 障矿井安全生产的目的。 1 ．2 巷道围岩锚固支护现状 为实现巷道的安全生产，就必须保证巷道支护的安全，因此安全、合理、可 靠的巷道支护技术便是煤炭开采中的一项关键性技术，它是实现矿井高产高效的 必备条件。煤矿巷道的支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护的漫 长过程[ 6 - 8 ] 。巷道锚杆支护技术近年来发展极为迅速，而且高强度、高钢度和高可 靠性的锚杆支护成为一种发展趋势，这种支护系统有着显著的特点巷道支护效 果得到提高，工程成本得到降低，围岩完整性得到很好的保持，巷道安全得到了 保证，工人劳动强度得到了降低，采煤工作面得到了快速的推进，从而为实现矿 井的高产高效打下了基础。目前在国内外，高强度锚杆的支护技术已经得到了大 多数人的认可并积极的被推广开来，其产生的技术经济效益以及社会效益是巨大 吲殳1 0 ] 。 1 ．3 锚杆支护机理研究现状 近年来，学者专家对煤巷锚杆支护理论无论从深度上还是广度上都进行了深 入的研究，提出了多种新的锚杆支护理论，在对锚杆支护理论的研究取得较大进 展的同时，煤巷锚杆支护技术也得到了快速的发展和日益成熟，与此同时，锚杆 支护理论的研究在理论分析、实验室试验、数值模拟及井下试验研究成果的基础 上取得了较大的进展，使得人们进一步认识了锚杆支护作用的本质，并促进了煤 巷锚杆支护技术的推广与应用。锚杆在支护过程中，主要利用打入围岩内部锚杆， 连接层状或破碎的围岩使其成为一整体，使巷道的周围岩体形成完整稳定的承载 圈，以利于巷道的安全，所以，锚杆能够对巷道围岩产生主动加固的效应。能否 河北工程大学硕士学位论文 对锚杆以及锚杆系统的作用机理有正确的认识，将直接影响到锚杆设计是否可行 以及锚杆支护是否安全可靠，并且将影响到锚杆系统主动支护能力的发挥，因此， 正确认识锚杆以及锚杆系统的作用机理有着重要的现实意义【l l 】。 锚杆支护理论在锚固技术不断发展的同时，被不断地提出并且得到了完善。 常见的锚杆支护理论是以一定假说为平台，各理论根据不同的侧重点阐述锚杆支 护作用机理的。在用其分析工程时，能够方便的模拟力学模型、计算不复杂、适 用范围限制面窄，因此，得到了国内外的认可【1 卜1 4 】。 1 ．3 ．1 悬吊理论 悬吊理论 1 9 5 2 年L o u i s A ．p a n e k 认为，巷道顶板软弱岩层被锚杆悬吊在坚 固岩层上，一方面可以对巷道软弱围岩的变形起到，阻止的效果；另一方面增强了 软弱岩层的稳定性。从锚杆受力性能分析，此时锚杆受到了所悬吊岩体对它产生 的拉力作用，其拉力的大小在数值上等于悬吊岩体的重量，如图1 ．3 所示。 坚硬岩层 一松一 软 岩 一层一 L ～／7 一、＼＼／⋯一- L 图卜3 1 坚硬项板锚杆的悬吊作用 4 第1 章绪论 一 弋 7 - j 软岩顶板／ f } i 一 一～～～ f ，，戈一＼Y ＼ 工j 。 二 ＼自然平衡拱 八 图l 一3 ．2 软弱顶板锚杆的悬吊作用 图1 ．3 锚杆的悬吊作用 F i g ，1 3A n c h o rt h es u s p e n s i o na c t i o n 对于处在层状岩体中的松动岩体被锚杆悬吊在了松动区外的稳定岩体上，而 被弱的节理面分割而成的岩体则通过锚杆的作用被相互连接在了一起，阻止了其 在滑动面方向上的滑动，达到了支护的目的。 悬吊理论虽直观地阐述了锚杆的悬吊作用，但是在分析过程中没有考虑到围 岩本身的承载能力，并且是将原岩体与被锚固岩体作为了两个独立的部分去考虑 的，这与工程的实际情况不符合，这样很容易在计算数据方面产生误差。可以看 出，悬吊理论的适用范围存在一定的局限性，它比较适合对巷道顶板的加固，而 对巷道的两帮的支护效果不太理想。倘若巷道项板存在较厚的软弱岩层，存在大 面积范围的围岩破碎区，则将锚杆较稳妥的锚固在岩层中是相当困难的，此时悬 吊理论将不再适用了} l 纠。 1 ．3 ．2 最大水平应力理论 最大水平应力理论 W ．J ．G a l e 提出 ，主要阐述了巷道围岩的水平应力 0 7 t 与垂直应力 例 的关系，并且指出O H m 戤 最大水平应力 ／弧。 最小水平应力 1 ．5 - 2 ．5 ，巷道围岩稳定性受到岩层水平力的影响，这主要表现在O H m 戤与巷道平 行，则巷道的顶底板稳定性最好；反之，‰缸与巷道垂直，则巷道项底板围岩稳 定性最差【l6 】。 巷道顶、底板岩层受到最大水平力的作用，倘若‰。大于了围岩极限强度则 将使围岩发生剪切破坏，此时，锚杆起到两个方面的作用一方面，约束平行于 锚杆轴向方向上的岩层膨胀产生的位移；另一方面，制约垂直于轴向岩层的剪切 错动。因此锚杆只有具备强度大、刚度大、抗剪阻力大的特点，才能有效的对巷 5 河北工程大学硕士学位论文 道围岩变形进行约束‘1 7 l 。 1 ．3 ．3 组合梁理论 组合梁理论主要针对层状的围岩，利用外力将锚杆打入岩层中去，使得锚杆 穿透了几层围岩，那么被穿透的围岩便被紧紧的压在了～起 形成了组合梁 ，使 得岩层间的摩擦力增大了，增加了岩层间的抗剪强度，从而有效的阻止岩层问的 相对错动，减少了岩层离层现象，顶板岩层的白支撑能力得到提高，而梁内的最 大应力、应变以及挠度将伴随着组合梁厚度的增加而减小【18 1 。如图1 ．4 所示。 层状岩层 图1 4 ．1 叠合梁 未打锚杆 ／层状岩层 ＼ ／ ／ 7 ／ 图1 ．4 ．2 组合梁 打入顶板锚杆 图1 ．4 锚杆组合梁作用示意图 F i g ．1 - 4T h er o l eo f t h ec o m p o s i t eb e a m sd i a g r a m 组合梁理论对锚杆在层状岩体中的支护机理作出了较好的阐述，这是它的一 大优点，但是它也有着明显缺点与实际状况相比较，组合梁理论对围岩与支 护间的相互影响没能够给予充分的肯定，若用它去解释遭受到连续性破坏的巷道 顶板围岩时，那么就显得很是苍白无力了。在确定锚杆支护参数时，主要根据组 合梁的强度大小，不适合巷道的帮、底，所以只适合层状顶板锚杆的支护设计【1 6 1 。 1 ．3 ．4 压缩拱理论 6 第1 章绪论 研究表明，在弹性体上安装具有预应力的锚杆，能形成以锚头和紧固端为作 用点的锥形体压缩区 如图1 ．5 。因此，将预应力锚杆沿着巷道周边布置，而每 一根锚杆在预应力的作用下必然对巷道围岩产生压应力，倘若这些锚杆按照合适 的问距进行布置，这些应力作用范围相互交错，进而形成一均匀压缩带承压 拱【l8 1 。它能够很好的承受岩石引起的竞相荷载以及地压，提高了围岩强度，减少 了围岩变形，保持了围岩稳定性【l9 1 。如图1 - 6 。 图1 ．5 单体锚杆对破裂岩石的控制 F i g ．1 - 5M o n o m e rt or u p t u r et h ec o n t r o lo f t h er o c k 7 河北工程大学硕士学位论文 ／／ 图1 - 6 锚杆群的挤压加固拱 F i g ．1 - 6A n c h o rt h ee x t r u s i o no fs t r e n g t h e n i n gt h ea r c h 锚杆的支护设计关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度，其厚度越大， 将更加有利于围岩的稳定和支撑能力的提高。实际上，上述几种锚杆支护作用并 非是毫无联系的，而是互为补充的综合作用，只是针对不同的地质条件一种或两 种支护作用往往占主导地位而已。 1 ．4 锚杆支护技术发展状况 1 ．4 。1 国外发展过程及研究现状 1 8 7 2 年，英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边破，从1 9 8 7 年到1 9 9 0 年，英国煤巷锚杆支护所占比例从上世纪中期几乎为0 增长到5 0 ％，而从1 9 9 4 年 的8 0 ％增长为了1 9 9 7 年的9 0 ％。 世界上最早利用锚杆对井下巷道进行支护的是德国的谢列兹矿，2 0 世纪4 0 年 代以后，美国煤矿百分之八十以上的巷道和短壁采场采用锚杆支护。然而，到上 世纪中期，由于国际市场的激烈竞争，英国煤炭工业面临严重的危机。上世纪中 期，澳大利亚和英国的新型锚杆技术获得迅速的发展和推广【2 0 】。 8 第1 章绪论 一 几十年来，世界锚杆支护经历了如下发展历程1 9 4 5 - 1 9 5 0 年，机械式锚杆的 研究与应用；1 9 5 0 - 1 9 6 0 年；采矿业广泛采用机械式锚杆，并开始对锚杆支护进行 系统研究；1 9 6 0 ’～1 9 7 0 年，树脂锚杆推出并在矿山得到应用；1 9 7 0 - 1 9 8 0 年，发明 管缝式锚杆、胀管式锚杆并得到应用，同时研究新的设计方法，长锚索产生；1 9 8 0 - 1 9 9 0 年，混合锚头锚秆、组合锚杆、析架锚杆、特种锚杆等得到应用，树脂锚固 材料得到改进。 1 l4 。2 国内发展过程及研究现状 我国锚杆支护起始于19 5 0 年。 19 5 6 年，机械端锚和刚砂浆无托板锚杆开始在 煤矿采用，我国煤巷锚杆支护技术研究与应用主要经历了三个阶段 表1 - 1 我国煤巷锚杆支护技术研究与应用 T a b l el 一1B o l t - a n c h o rc a b l et e c h n o l o g yr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni nC h i n a 1 9 9 6 年“ - 1 9 9 7 年，在原煤炭部的组织下，澳大利亚锚杆支护技术被引进我国， 并在邢台矿务局进行了技术演示，煤巷高强度锚杆支护技术得到了认可[ 1 8 l 。近几 年，锚杆支护技术在我国煤矿工程中得到积极的推广，我国采矿科技人员通过大 量的试验研究，在积累大量资料及取得丰富经验的过程中，逐步完善了锚杆支护 理论，深化了锚杆支护机理的认识，并结合我国煤矿具体情况，初步提出了具有 我国特色的巷道支护理论，分析和总结了巷道支护中常用支护技术理论．提出了高 强度锚杆、锚注支护及联合支护，并且在工程实际中普遍引起了人们的重视，由 此一门新兴的学科在2 0 世纪9 0 年代形成了，并且在国外也产生了积极的影响1 2 0 1 。 1 ．4 ．3 我国锚杆支护存在的问题 近年来，随着对煤巷锚杆支护理论研究的深入，一些新的锚杆支护理论被不 断提出，煤巷锚杆支护技术也得到了快速的发展并日益成熟起来，但总得的来讲 我国锚杆支护在理论与设计上仍存在一些问题，尤其在软岩巷道的支护方面，由 于生产、基建单位在实际工程中所运用的工程技术同科研院所所掌握的科技成果 不能够进行很好的融合，～些工程设计很难在实际工程中就行运用，因此不得不 9 河北工程大学硕士学位论文 进行多次的变更，以满足实际的需求，因此，盲目性大、针对性不好、成功率不 高等因素，造成了每年数以亿计的巨大经济损失，严重影响了煤矿高质、高效、 高产的开采，从而在人力、物力、财力上造成了严重浪费。由于煤巷锚杆支护是 隐蔽性很强的支护形式，在一些地质比较复杂的情况下，例如松软煤层的高帮、 沿空巷道、应力高的巷道等，锚杆支护问题显得越来越突出【2 1 1 。 因此，对巷道锚杆支护性能充分的分析，能够对我们选取合理的支护形式起 到很好指导作用，在现实工程中有着很现实的意义。 1 ．5 本论文研究内容 本论文主要由六个章节组成第一章绪论，第二章交叉巷道围岩受力和破坏 特征理论分析，第三章交叉巷道锚固设计及支护方式的研究，第四章巷道支护围 岩的分类，第五章交叉巷道数值模拟以及第六章结论与展望。本论文采用了理论 分析和F L A C 3 D 相结合的方法主要对以下内容进行了研究 1 、在理论分析基础上，对交叉巷道围岩受力和破坏特征进行分析，提出了交 叉巷道在支护时需要重点注意的部分，以及交叉巷道需要加强支护的范围； 2 、借助F L A C 3 D 有限差分软件，研究交叉巷道在开挖时交叉区域的最初响应， 然后对矿柱可承受的荷载进行确定，分析巷道交叉中心区域围岩的应力、变形规 律，这对分析巷道围岩变形规律、交叉巷道围岩支护区域的选择以及设计支护方 案意义重大。 1 0 第2 章交叉巷道围岩受力与破坏特征理论分析 一二二一 第二章交叉巷道围岩受力与破坏特征理论分析 岩体的应力 主要有开挖造成 是造成采矿及各类地下工程围岩变形及破 坏的主要因素，而依据岩体应力的大小，可以用来确定岩石力学性质，进行围岩稳 定性分析，并且可以定量计算巷道围岩弹塑性破损程度I