煤巷锚杆合理支护应力试验研究.pdf

硕士学位论文 作者姓名 学科专业 导师姓名 完成时间 杨建威 采矿工程 林健研究员 二。一七年四月十七日 煤炭科学研究总院研究生院 G r a d u a t eS c h o o Io fC h i n aC o a IR e s e a r c hI n s t i t u t e 万方数据 分类号 U DC 煤炭科学研 学校代码 密级 究总院 硕士学位论文 l 煤巷锚杆合理支护应力试验研究 作者姓名 学科专业 导师姓名 完成时间 杨建威 采矿工程 林健研究员 二。一七年四月十七日 万方数据 ＼㈣剃必 分类号学校传码■二二 一 U DC 密级 C h i n aC o a IR e s e a r c hln s t i t u t e Adi s s e r t a t i o nf o rm a s t e r ’Sd e gr e e E x p e r i m e n t a lS t u d yO n R e a s o n a b l eS u p p o r t i n gS t r e s so f R o c k B ol tf orC o a l R o a d w a y A u t h o r ’SN a m e S p e c i a l i t y S u p e r v i s o r F i n i s h e dt i m e J i a n w e iY a n g M i n i n gE n g i n e e r i n g P r o f ．J i a nL i n A p r i l1 7 m ，2 0 1 7 万方数据 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签名栖 峨啪7 每每乒埘 煤炭科学研究总院学位论文使用授权书 煤巷锚杆合理支护应力试验研究系本人在煤炭科学研究总院攻读学位期间在导师指 导下完成的学位论文。本论文的研究成果归煤炭科学研究总院所有，本论文的研究内容不得 以其他单位的名义发表。本人完全了解煤炭科学研究总院关于保存、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学 校将论文加入中国优秀博硕士学位论文全文数据库和编入中国知识资源总库。本人授 权煤炭科学研究总院，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部 或部分内容。 本学位论文属于 请在以下相应方框内打“, t ／” ； 保密口，在年解密后适用本授权书 不保密口 作者张槭吼y 产伊月髟日 导师张秣赴物7 芦笋月7 日 万方数据 摘要 摘要 本文以何家塔煤矿5 0 1 0 5 回风巷为工程背景，在目前埋深地应力基础上，根 据煤矿井下地应力分布规律，假设2 0 0 m 、6 0 0 m 和1 0 0 0 m 埋深地应力，分别代 表浅部、中部和深部三级埋深。采用物理模拟、数值模拟和真三轴试验相结合的 方法，对上述不同埋深地应力卜．煤巷锚杆合理支护应力进行了研究，并为煤巷锚 杆支护提出建议。取得如下研究成果 1 采用物理模拟方法，制作由不同弹性 模量软硬分层组成的试块，监测各分层在轴向加载、四周约束条件下的内部应力 场。试验表明，应力场分布与弹模近似成正比，并基于该规律，由上述假设的不 同埋深岩层地应力推算出煤层地应力。 2 采用数值模拟方法研究了上述不同埋 深地应力下煤巷在开挖过程巷帮浅部围岩主应力演化规律。数值模拟表明，不同 埋深地应力水平下煤巷开挖过程的最大、中间和最小主应力变化趋势相近，最大 主应力均是先减小后增加至稳定，中间主应力和最小主应力先减小后稳定。 3 对1 5 0 m m 1 5 0 m m X1 5 0 m m 尺寸煤样进行真三轴加载 卸围压 恢复围压应力路 径试验，模拟煤巷未开挖一开挖．支护过程，研究煤巷锚杆合理支护应力。其中， 初始围压为物理模拟研究确定的煤层地应力，卸围压的应力路径为数值模拟研究 的煤巷开挖时巷帮浅部围岩主应力演化路径。试验表明，在煤样临界破坏时立即 恢复围压，内部破裂得到明显抑制，煤样变形稳定，但当低于一定的围压值时， 煤样就会立即失稳破坏，工程上可说明煤巷存在锚杆合理支护应力，当高于该值 时，巷道稳定，低于该值时，巷道失稳破坏。 4 煤样在破坏时的峰值强度对应 工程中采掘活动引起的集中应力，其与自重应力Y H 的比值为应力集中系数c 【。 对于2 0 0 m 浅埋深煤巷，应力集中系数O 【为6 ．1 4 时，锚杆合理支护应力为0 - 0 ．1 M P a ； 对于6 0 0 m 中等埋深煤巷，应力集中系数c c 为3 ．1 3 时，锚杆合理支护应力为0 ．1 M P a 左右；对于1 0 0 0 m 大埋深煤巷，应力集中系数0 【为2 时，锚杆合理支护应力为 0 ．1 - 0 ．2 M P a 。 5 对于2 0 0 m 浅埋深煤巷，建议提供0 - 0 ．1 M P a 锚杆支护应力；对 于6 0 0 m 中等埋深煤巷，建议提供0 ．1 M P a 左右锚杆支护应力；对于1 0 0 0 m 大埋 深煤巷，建议提供0 ．1 - 0 ．2 M P a 锚杆支护应力。 关键词煤巷；锚杆合理支护应力；真三轴试验；恢复围压 万方数据 A b s t r a c t A B S T R A C T I nt h i sp a p e r , t h es t u d i e sw e r ec a r r i e do u ti nH e j i t ac o a lm i n e5 010 5a i rr e t u r n r o a d w a y ．B a s e do nt h ei n - s i t u s t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ec o a lm i n e ，t h ed e p t ho ft h e e a r t hw a sd e e p e n e di n t o2 0 0 m ，6 0 0 ma n d10 0 0 m ，w h i c hr e p r e s e n t e dt h es h a l l o w , m i d d l ea n dd e e pm i n e ．T os t u d yt h er e a s o n a b l es u p p o r t i n gs t r e s so fr o c k b o l tf o rc o a l r o a d w a y , t h ec o m b i n a t i o no fp h y s i c a ls i m u l a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt r u e t r i a x i a lt e s tm e t h o d sw e r ea d o p t e d ．T h er e s e a r c hr e s u l t sw e r eo b t a i n e da s f o l l o w s 1 T h ep h y s i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw a su s e dt om o n i t o rt h ei n t e r n a ls t r e s sf i e l do ft h e c o n c r e t es a m p l e su n d e ra x i a ll o a d i n ga n ds u r r o u n d i n gc o n s t r a i n t s ．T h ec o n c r e t e s a m p l ew a sc o m p o s e do fs o f ta n dh a r dl a y e r sw i t hd i f f e r e n te l a s t i cm o d u l u s ．T h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t r e s sf i e l dd i s t r i b u t i o nw a sp r o p o r t i o n a lt ot h e e l a s t i cm o d u l u s ，a n da c c o r d i n gt ot h i sr e l a t i o n s h i p ，t h ei n s i t us t r e s so ft h ec o a ls e a m w a sd e d u c e df r o mt h ea s s u m p t i o no fi n - s i t us t r e s so ft h er o c ks e a mu n d e ra b o v e d i f f e r e n tb u r i e dd e p t h ． 2 T os t u d yt h ee v o l u t i o nl a wo ft h em a i ns t r e s so f s u r r o u n d i n gr o c k i nc o a lr o a d w a yu n d e rd i f f e r e n tb u r i a l d e p t h ，t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o dw a su s e d ．T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w e dt h a tt h et r e n d so ft h e m a x i m u m ，i n t e r m e d i a t ea n dm i n i m u mp r i n c i p a ls t r e s sf o rt h ed i f f e r e n tb u r i a lc o a l r o a d w a yw e r es i m i l a r ．T h e m a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s sd e c r e a s e df i r s ta n dt h e n i n c r e a s e dt ob es t a b l e ．a n dt h ei n t e r m e d i a t ea n dm i n i m u mp r i n c i p a ls t r e s sa l s o d e c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e dt ob es t a b l e ． 3 T os t u d yt h er e a s o n a b l es u p p o r t i n g s t r e s so fr o c k b o l tf o rr o a d w a y , t h ec o a ls a m p l eo fw h i c hs i z ew a sl5 0 m mX15 0 m m 15 0 m ms u b j e c t e dt ol o a d i n g p r e s s u r eu n l o a d i n g p r e s s u r er e l o a d i n gt r u e t r i a x i a l t e s t ，w h i c hs i m u l a t i n gu n e x c a v a t i n g e x c a v a t i n g s u p p o r t i n gp r o c e s so ft h ec o a l r o a d w a y ．T h ei n i t i a lc o n f i n i n gp r e s s u r eo ft h et e s tw a sd e t e r m i n e db yt h ep h y ’s i c a l s i m u l a t i o nt e s t ，a n dt h es t r e s sp a t h w a sd e t e r m i n e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．T h e E x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ec o n f i n i n gp r e s s u r ew a sr e s t o r e di m m e d i a t e l yw h e nt h e c o a ls a m p l ew a sd e s t r o y e d ，t h ei n t e r n a lr u p t u r ew a so b v i o u s l yi n h i b i t e d ，a n dt h ec o a l s a m p l ew a ss t a b l e ．B u tw h e nt h ec o n f i n i n gp r e s s u r ew a sl o w e r , t h ec o a lw a s i m m e d i a t e l yb r o k e n ，t h ep r o j e c tc o u l de x p l a i nt h e r ew a sar e a s o n a b l es u p p o r t i n g s t r e s sf o rt h ec o a lr o a d w a y , w h e nt h er e a s o n a b l es u p p o r t i n gs t r e s sw a sh i g h e r , t h e r o a d w a yw o u l db es t a b l e ，o t h e r w i s e ，r o a d w a yw o u l db eb r o k e n ． 4 T h ep e a ks t r e n g t h I I 万方数据 A b s t r a c t o ft h ec o a ls a m p l ea tt h et i m eo ff a i l u r ec o u l db er e g a r d e da st h ec o n c e n t r a t e ds t r e s s c a u s e db yt h ee x c a v a t i o na c t i v i t y , a n dt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nc o e f f i c i e n tc 【w a st h e r a t i oo ft h es t r e s st ot h eg r a v i t ys t r e s s ．F o rt h e2 0 0 md e p t h ，t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o n f a c t o r0 【w a s6 ．14 ，t h er e a s o n a b l es u p p o r ts t r e s sw a s0 - 0 ．1M P a ；f o r6 0 0 md e p t h ，s t r e s s c o n c e n t r a t i o nf a c t o rc 【w a s3 ．13 ．a n dt h er e a s o n a b l es u p p o r t i n gs t r e s so ft h er o c k b o l t w a sa b o u t0 ．1M P a ．F o rt h e10 0 0 md e p t h ，t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r0 【w a s2 ，a n d t h er e a s o n a b l es u p p o r t i n gs t r e s so ft h er o c k b o l tw a s0 ．1 - 0 ．2 M P a ． 5 T h es u p p o r t i n g s u g g e s t i o n so fr o c k b o l tf o rt h ec o a lr o a d w a y w e r em a d e ．F o rt h ec o a lr o a d w a yu n d e r 2 0 0 md e p t h ，s u p p o r t i n gs t r e s so fr o c k b o l tw a s0 - 0 ．1M P a ；F o rt h ec o a lr o a d w a yu n d e r 6 0 0 md e p t h ，s u p p o r t i n gs t r e s so fr o c k b o l tw a sa b o u t0 ．1M P a ；F o rt h ec o a lr o a d w a y u n d e r10 0 0 m d e p t h ，s u p p o r t i n gs t r e s so f r o c k b o l tw a s0 ．1 - 0 ．2 M P a K e yw o r d s c o a lr o a d w a y ；r e a s o n a b l es u p p o r t i n gs t r e s so fr o c k b o l t ；t r u e t r i a x i a lt e s t ； p r e s s u r eu n l o a d i n g ⅡI 万方数据 目录 目录 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 选题意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 锚杆 索 支护应力场研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 地应力与弹性模量关系研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 l t 2 ．3 真三轴试验研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 1 ．3 存在问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 1 ．4 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 1 ．5 研究方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．18 1 ．5 ．1 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 9 1 ．5 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 1 ．6 预期成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 第2 章不同弹模煤岩层应力分布规律物理模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯．．．．2 1 2 ．1 试块设计及制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 2 ．1 ．1 试块设讨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 ．1 ．2 材料选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 2 ．1 ．3 模具设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．1 ．4 分层制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．1 ．5 试块制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯2 4 2 ．2 试验加载及数据采集系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．2 ．1 加载系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 2 ．2 ．2 数据采集系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 2 ．3 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．3 ．1 加载路径及应力水平⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 2 ．3 ．2 加载方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 2 ．4 力学参数测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 万方数据 目录 2 ．5 不同弹模岩层应力场分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 2 ．5 ．1 3 ．3 M P a 加载应力水甲应力场分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一31 2 ．5 ．2 5 ．5 M P a 加载应力水平应力场分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 2 ．5 ．3 7 ．7 M P a 加载廊力水平应力场分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 7 2 ．5 ．4 9 ．9 M P a 加载应力水平应力场分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 2 ．6 不同弹性模量岩层应力场关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 2 ．7 煤层地应力确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 2 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 第3 章煤巷围岩主应力演化规律数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 3 ．1 数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 3 ．1 ．1 数值模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 3 ．1 ．2 力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 3 ．1 ．3 边界条件及方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 3 ．2 不同埋深地应力下煤巷围岩主应力演化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 3 ．2 ．1 2 0 0 m 埋深地应力F 围岩主应力演化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 3 ．2 ．2 6 0 0 m 埋深地应力卜‘围岩主应力演化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 3 ．2 ．3 1 0 0 0 m 埋深地应力下围岩主应力演化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 3 ．2 ．4 不同埋深煤巷崮岩主应力演化规律对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 3 _ 3 不同埋深地应力下围岩主应力路径确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 第4 章煤巷锚杆合理支护应力试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．1 试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．I ．1 煤样制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 4 ．1 ．2 试验系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 4 ．1 ．3 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 4 ．2 试验结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 4 ．2 ．1 变形特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 4 ．2 ．2 强度特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 4 ．2 ．3 声发射行为⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 4 ．2 ．4 破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 l T 万方数据 目录 4 ．3 不同埋深地应力F 煤巷合理支护应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 4 ．3 ．1 2 0 0 m 埋深地应力下煤巷合理支护应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 7 4 ．3 ．26 0 0 m 埋深地应力下煤巷合理支护应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．91 4 ．3 ．31 0 0 0 m 埋深地应力下煤巷合理支护应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 5 4 ．4 不同埋深地应力下煤巷锚杆支护建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 8 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 9 第5 章主要结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 0 5 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 0 5 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 5 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 至殳谓j ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 7 在读期问发表的学术论文与取得的其他研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 9 I I I 万方数据 第1 章绪论 1 ．1 选题意义 第1 章绪论 煤矿巷道在开挖前，煤层处丁 原岩应力状态。巷道丌挖引起的卸荷，使围岩 原有的平衡状态发生变化，围岩应力重新分布以达到新的平衡，在此过程中，围 岩逐渐向开挖空间移动，产生位移，为了防1 卜围岩变形破坏甚至失稳垮塌，就必 须进行支护，恢复其i 向受力状态，提供的支护应力需使围岩重新达到平衡1 1 - 4 1 。 我国煤矿巷道支护逐渐由木支护、砌碹支护、型钢支护等被动支护形式发展到以 锚杆支护为主的主动支护形式，国内外煤矿巷道支护经验表明锚杆支护的火范 围推广应用，巷道围岩控制效果得到明显改善，成巷速度大幅度提高，机械化程 度明显增强，回采速度得到了释放，取得了显著的经济与技术效益。目前，锚杆 支护技术己成为我国煤矿巷道首选的、安全高效的主要支护方式[ ’1 3 】。 但是，随着煤矿开采深度不断增加、开采规模不断扩大、地质条件日益复杂， 出现了如冲击地压巷道、软岩大变形巷道和千米深井高应力巷道等困难复杂条件 巷道，锚杆支护在这类巷道的应用中出现支护构件破坏、失效等问题，造成巷道 围岩先局部破坏，后出现整体结构大变形，甚至冒顶，严重影响了矿井正常生产 和井下人员、设备的安全。 针对锚杆支护在工程实践中出现的问题，国内外学者纷纷加大对锚杆支护的 研究力度和深度，研究内容主要集中在锚杆构件和预应力的支护作用机制、不同 锚固方式和受力状态下锚杆的应力分布规律和锚杆构件失效的形式与机理，取得 了大量研究成果1 1 4 。2 引。 在此基础上，煤炭科学研究总院开采研究分院针对我国煤矿锚杆支护出现的 问题，2 0 0 5 年开始对锚杆支护构件进行精细化研究，主要集中在预应力与支护 效果关系、锚固体应力场分布规律和杆体、螺纹、托板、垫圈、钢带、金属网的 受力状态、力学性能及其相互之间的匹配性。研究发现不同的杆体尺寸及外形、 不同锚固方式、不同锚固剂质量、彳i 同护表构件、不同预应力对支护效果均有影 响。开发出一套适合我国煤矿巷道的锚杆支护材料及其构件，并将这些成果及时 应用于煤矿巷道锚杆支护设计，支护效果得到明显改善，同时也为锚杆支护设计 起到了很好的指导作用。通过这些研究，对锚杆杆体及护表构件中的应力场分布 规律有了较为全面、清楚的认识[ 2 4 之8 | 。近年来，煤炭科学研究总院开采研究分院 也采用理论分析、数值模拟和实验室试验等方法对锚杆、锚索施加的预紧力及其 扩散在围岩中产生的预应力场的分布规律进行深入的研究。 万方数据 第l 章绪论 影响锚杆支护应力场主要有两方面的因素一方面要采用高强度的锚杆、锚 索支护材料；另一方面锚杆、锚素预紧力的施加至关重要。预紧力越大，提供的 主动支护应力越大，支护系统的刚度也越大，越能控制锚固区围岩离层、滑动、 新裂纹产生等扩容变形与破坏，支护效果越好。但是，在很多情况下，如松软破 碎围岩的巷道，不仅要重视锚杆支护强度和预紧力，还要选择合理的匹配护表构 件，使锚杆、锚索的预紧力能有效地扩散到围岩中，最大程度地保持围岩的完整 性，以防止锚杆、锚索问围岩的破坏，造成锚杆、锚索预紧力损失甚至支护结构 失效。 虽然锚杆支护应力场的研究成果在煤矿巷道支护中广泛应用，解决了大量巷 道支护难题，但还没有将锚杆支护应力场的研究成果作为设计的关键环节与巷道 锚杆支护定量化设计紧密结合。为此，本文在已有锚杆 索 支护应力场的研究 成果基础上，将锚杆支护应力场中的支护应力来作为锚杆支护设计的指标，对煤 巷开挖后围岩稳定所需的合理支护应力进行研究，使锚杆支护在定量化设计上更 进一步，同时，对锚杆支护理论也有一定提升。 1 ．2 研究现状 巷道开挖后及时进行铺杆 索 支护，锚杆与围岩相互作用，锚杆支护体内 和巷道围岩内部都会产生应力场，形成锚杆 索 支护应力场[ 2 9 1 。为了将这些 研究成果与巷道锚杆支护量化设计紧密结合，首先需要确定合理的支护应力，由 于巷道开挖围岩卸荷，拟用卸围压试验方法来确定合理支护应力。所以，研究现 状主要分为两方面锚杆 索 支护应力场和卸围压试验。 1 ．2 ．1 锚杆 索 支护应力场研究现状 锚杆支护应力场概念由煤炭科学研究总院开采研究分院康红普1 2 9 I 首次提出， 目前，国外还未见有该方面的研究成果，所以，锚杆支护应力场研究现状主要介 绍国内的研究成果。该方面的研究主要通过物理模拟、数值模拟方法，对在不同 锚杆长度及数量、不同护表构件和不同预应力等条件下锚杆 索 预应力场的分 布规律进行的详细研究，成果如下 顾金才等【3 0 ] 采用相似模拟方法研究单根锚杆在不同锚杆长度及不同预应 力条件下的加固范围。相似模型及锚杆支护试件的示意图分别如图1 ．1 所示，并 初步得出以下几条结论 1 不同锚杆轴向应变曲线如图1 ．2 所示，模型内部的轴向应力和应变沿轴 向的分布均呈葫芦状，而且沿模型横向逐渐呈指数规律衰减，随锚杆长度的增加 2 万方数据 第1 章绪论 和预紧力的增大，这种不均匀分布越严重。 。 ／ 心夕 ～”“⋯9 i 。 ．蒹。。赢 锚忏 。 弓 ∞ L 一 5 盟 一 图1 ．1 相似模型及试件示意图 F i g ．1 ．1S i m i l a rm o d e la n ds p e c i m e nd i a g r a m 图1 ．2 不同锚杆预应力应变变化曲线 F i g ．1 ．2P r e s t r e s s e ds t r a i nc u r v eo fd i f f e r e n tb o l t 2 不同长度锚杆加固范围如图1 ．3 所示，大致呈上窄下宽的鸭梨状，但预 应力数值几乎对其没有影响。最宽处位于鸭梨形的中部偏下位置，其宽度约为锚 杆长度的二分之一。加固范围与锚杆长度的比值随锚杆长度增加而减少。 ’“ T b L 1 2 0 C L 1 6 0 | ≯一一j ／／◆- 。。j 。I 、1 ＼＼．＼。j 鎏、＼一。≮。i 『| j I I ／，夕’ 万方数据 第1 章绪论 图1 ．5 、1 ．6 、1 ．7 为锚固岩体在不同预紧力作用下I ～I I I 断面上的轴向应变扩 散半径的变化曲线。从图中可以明显看出，不同断面上的轴向应变随着预紧力的 增大而增加，随着离锚索孔距离的增加而快速衰减，在大约r 0 ．6 m ，即5 倍钻 孔直径处应变值都降至2 0 9 e 以下。锚索的锚固范围通过轴向应变的分布来确定， 锚固范围见图1 ．4 。本次试验，对锚索施加的最大预紧力为1 0 0k N ，锚固的最大 轴向范围约为1 ．8m ，径向的最大受力半径范围约为0 ．6m 。 垫 ＼ 图1 ．5I ．I 断面￡z图1 ．6I I ．I I 断面￡z图1 ．7 Ⅲ．Ⅲ断面￡z F i g ．1 ．5 ￡zi n I Is e c t i o n F i g ．1 ．6 ￡zi nI I - I Is e c t i o n F i g ．1 ．7 ￡zi n Ⅲ一I I Is e c t i o n 康红普等[ 3 2 - 3 3 1 采用数值模拟方法研究了锚杆在不同预应力、不同密度、不同 长度、不同安装角度和不同锚固方式条件下在围岩中产生的预应力场分布规律， 以及护表构件对锚杆预应力在围岩中的扩散作用，并首次提出锚杆主动支护系数、 强度利用系数、预应力长度系数、有效压应力区、预应力扩散系数等概念来强调 预应力在锚杆支护中的作用。不同锚固方式的预应力场分布的模拟效果如图1 ．8 所示，从图中可见，全场锚固方式的支护应力场数值大、连续且范围广。有无钢 带下预应力模拟效果图见图1 ．9 ，从图中可以明显的看出，没有钢带时锚杆的预 应力分布较孤立，而有钢带时围岩的支护应力相互叠加，形成支护应力场，说明 钢带对于预应力的扩散起着重要作用． 毒 浅。 赣 赣”i 攀r 霉i 攀i i 豢j i 荣篓； 馨管 棼孥 嚣 ●獭鬻 黪，寻 黪瀵 _搏9鞲 。； “ 雾熏 臻 ≤ 婺罐 * 。 豢藕 靠 ， 啭羞黪檬。i 蔫■●睡麓黼瀚瓣囊黼鬻熬 图1 ．8 不同锚固方式的预应力场分布 康红普等，2 0 0 7 F i g ．1 ．8P r e s t r e s sf i e l dd i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n tb o l t s H ．RK a n ge t c ，2 0 0 7 4 万方数据 第1 章绪论 HH 一衄 图1 ．9 有无钢带锚杆预应力场分布 康红普等，2 0 0 8 F i g ．1 ．9P r e s t r e s sf i e l dd i s t r i b u t i o no f d i f f e r e n tb o l t sw i t h ／w i t h o u ts t e e ls t r i p H ．P ．K a n ge t c ，2 0 0 8 王金华等[ 3 4 1 首次提出了锚索预应力场的概念，采用数值模拟方法研究了锚 索在不同长度、不同间排距、不同安装角度、不同预应力及组合构件条件下预应 力场的分布规律。不同间距条件下锚索的预应力场如图1 ．1 0 所示。研究表明 单根锚索在预应力作用下，其附近形成一片压应力区，类似“心”形，其分布规律 为，锚索端部最大，中间自由段最小，起始锚固段中等，其锚固段端部出现了拉 应力区域，但数值较低；当多根锚索同时作用时，在围岩中形成了大范围、连续 的压应力区，分布区域类似“鼓”形，此时，锚索预应力有效扩散到大部分锚固区 域，锚索的预应力支护效果明显。 孽露j 鄹≮≯_ 引葳⋯i ≥ 漓赫，o 滴蠢攀鬻i 蠡▲| I ▲l a 1 根锚索 b 3 根锚索 l } } | ●▲▲▲‘橇 c 4 根锚索 图1 ．1 0 不同间距锚索支护应力场分布 王金华等，2 0 0 8 F i g ．1 ．10D i s t r i b u t i o no fb