浅埋煤层综采工作面巷道支护优化设计研究.pdf

论文题目 浅埋煤层综采工作面巷道支护 优化设计研究 作者姓名 专业名称 指导教师 副指导教师 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位E l 期 入学时间2 Q 堇垄生2 旦． 研究方向挂磕珏墨 职称 熬．援 职称 直王 至Q 量垒生鱼旦 2 Q 曼垒生鱼旦 一一～一 万方数据 R E S E A R C HO NO P T I M A LD E S I G NO FR o A D Ⅵ，A y S U P P O R T I N GO NF U L L Y 二M E C H A N I Z E DW O R K I N G F A C EI NS H A L L O WS E A M 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 f t h ed e g r e eo f M A S T E RO FE N G I N E E R I N G 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 oZ h e n y u S u p e r v i s o r P r o f e s s o rG u oW e i j i a M i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n gS c h o o l J u n e2 0 1 4 万方数据 明 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。 A F F I R M A T I o N 硕士生签名 日 期弘峨，．‘ 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 s f o rt h ea 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 d T e c h n o l o g y , i sw h o l l 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 e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na t a n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 三k 乡h ∥A 如，％6 ，6 士尸 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 开展浅埋煤层大采高综采工作面围岩变形和支护优化设计课题的研究，对保证煤矿 安全生产、提高生产效率、降低生产成本具有重要的现实意义。本课题从工程实际问题 出发，针对内蒙古某煤矿浅埋煤层采矿地质条件，以巷道围岩为研究对象，利用理论计 算和数值模拟等方法，建立围岩结构形变力学模型，提出并分析了浅埋煤层合理巷道支 护方案。 本文分析了浅埋煤层巷道围岩变形破坏的特点，以内蒙古某煤矿2 2 0 7 工作面为工程 背景，依据支护设计理论计算结果提出6 种不同的支护方案，采用C O M S O L M u l t i p h y s i e s 软件模拟不同支护形式下工作面巷道围岩应力分布规律及变形特征。数值模拟结果表明 选取0 1 8 x 2 2 0 0 m m 、间排距l l O O x l O O O m m 的顶部锚杆，①1 5 ．2 4 6 3 0 0 m m 、间排距 2 2 0 0 x 2 0 0 0 m m 的锚索，0 1 6 x 2 2 0 0 m m 的帮部锚杆，用于底板铺设的厚度2 0 0 m m 的C 3 0 砼，为最优支护方案。相比原有支护条件，该方案有效地减少了围岩破碎区范围和两帮 移近量，其围岩变形控制最好，防止了片帮的发生，保证了围岩及支护结构的稳定性。 将模拟实验结果应用于现场生产，实践结果证实围岩变形得到了有效控制，围岩支护效 果明显。 关键词浅埋煤层；巷道支护；优化设计；数值模拟；围岩控制 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 A b s t r a c t G a n g u e - p a s t ef i l l i n gi s an e wt y p eo fe n v i r o n m e n t a lc o m p a t i b i l i t ym i n i n gt e c h n i c a l m e a s u r e ，w h i c hc a nr e d u c es u b s i d e n c e ，r e d u c ee m i s s i o n sa n di m p r o v et h er e c o v e r yr a t eo f c o a l ，a l s oi t ’Sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h es y s t e mo fg r e e nm i n i n gt e c h n o l o g y ．T h i sp a p e rm a i n l y s t u d i e dt h ep r o b l e m ss u c ha sf i l l i n gp r o c e s s ，t h ef o r mo fo v e r l y i n gs t r a t am o v e m e n ta n dt h e c h a n g e so fs t r e s si nf i l l i n gm i n i n g ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf i l l i n gc o m p r e s s i o nr a t i oa n dt h e s u b s i d e n c eo fr o o f , e t c ． T h r o u g ht h es t u d yo ff i l l i n gm a t e r i a lp r o p e r t i e si nD a i z h u a n gC o a lM i n e ，c o m b i n i n g 、Ⅳi t l l t h es i m i l a rs t a n d a r d ，u s i n gu n i f o r mp r o p o r t i o nd e s i g nm e t h o d ，w eg o tt h el a b o r a t o r yf i l l i n g m a t e r i a l sr a t i oo ns i m i l a rc o n d i t i o n s ．B a s e do nt h i s ，s i m u l a t e dt h ed y n a m i cf i l l i n gp r o c e s so f g a n g u e p a s t ef i l l i n gw i t ho u ro w nd e s i g nl a b o r a t o r yf i l l i n gs y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f t h es i m u l a t i o n ，p a p e ra n a l y z e dt h ef o 姗o fo v e r l y i n gs t r a t am o v e m e n ta n dt h ec h a n g e so f s t r e s so nt h ew h o l ef i l l i n gm i n i n gc o n d i t i o n ，讪t ht h e o r e t i c a ld e r i v a t i o nw eg o t t h eo v e r l y i n g s t r a t ao n l yd e v e l o p sf r a c t u r ez o n e sa n db e n d i n gz o n e s ，t h ei m m e d i a t er o o fi nc o l l a p s em i n i n g t r a n s f o r mi n t ob a s i cr o o fw h e ni nf i l l i n gm i n i n g ，p r e s s u r ep h e n o m e n o ni nm i n i n gf a c ei sn o t o b v i o u s ，t h es t r a t aa b o v eb a s i cr o o fd e v e l o p su p w a r d si na b s c i s s i o nl a y e rf o r m ．C o m b i n e d w i t ht h em i n i n gc o n d i t i o n so fD a i z h u a n gC o a lM i n e ，g o ta “p i l l a r - f i l l i n g - c o a lw a l l ’’c o m m o n b e a t i n gs t r u c t u r em e c h a n i c sm o d e l ，a n da n a l y z e dt h ei m p o r t a n c eo fc o a lp i l l a ri ni s o l a t e dc o a l p i l l a r 、Ⅳi t l lg a n g u e - p a s t ef i l l i n g ． T h r o u g ht h e s i t em o n t o r i n go f2 351 f i l l i n gf a c ei nD a i z h u a n g ，w ec o n c l u e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef i l l i n gc o m p r e s s i o na n ds u b s i d e n c eo fr o o f , r o o fi n i t i a lp r e s s u r i z e d d i s t a n c ea n dr o o fp e r i o d i c a lp r e s s u r i z e dd i s t a n c e ．T h r o u g ht h er e s i s t a n c e sm o n i t o r i n go f h y d r a u l i cs u p p o r to nw o r k i n gf a c e ，g o tt h a tt h eo v e r a l lw o r kr e s i s t a n c ei sn o tb i g ，t h ef i l l i n g b o d yh a st h eo b v i o u ss u p p o r te f f e c tf o rr o o f ． K e yw o r d s g a n g u e - p a s t ef i l l i n g ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；o v e r l y i n g s t r a t a m o v e m e n t ； a b u t m e n tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ；f i l l i n gb o d yc o m p r e s s i o nc o n t e n t 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”⋯””⋯⋯⋯⋯”⋯⋯⋯””””⋯1 1 ．1 研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．3 论文主要研究内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 巷道支护形式选择及支护参数的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 巷道支护基本形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 锚杆支护的相关参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 巷道围岩变形及支护方式的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯O O O O O O O O D - 2 2 3 ．12 2 0 7 工作面巷道围岩变形数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 支护参数计算与选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 9 3 ．3 原有支护方式评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 巷道支护优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．1 数值模拟方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 7 4 ．2 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 8 4 ．3 巷道支护控制变形效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 8 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 5 结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 2 5 ．2 论文展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”⋯”⋯一⋯⋯⋯⋯“⋯”一5 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1P u r p o s ea n dS i g n i f i c a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2C u r r e n tR e s e a r c ha tH o m ea n dA b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．3T h eC o n 玺e n ta n dM e t h o d so f t h eP a p e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2S u p p o r tS e l e c t i o na n dC a l c u l a t e dP a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1B a s i cF o r m sR o a d w a yS u p p o r t i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2B o l t i n gP a r a m e t e r sR e l e v a n tP a r a m e t e r sC a l c u l a t e d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯一1 4 2 ．3C h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 3R o a d w a yD e f o r m a t i o na n dD e t e r m i n e dS u p p o r tW a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1N u m e r i c a lS i m u l a t i o no f D e f o r m a t i o nS u r r o u n d i n gR o c ko n2 2 0 7F a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2S u p p o r t i n gP a r a m e t e rC a l c u l a t i o na n dS e l e c t i o n 。- ⋯’⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘2 9 3 ．3E v a l u a t i n gO r i g i n a lS u p p o r t i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，’3I 3 ．4C h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘3 5 4O p t i m a lD e s i g no fR o a d w a yS u p p o M i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯3 7 4 ．1N u m e r i c a lS i m u l a t i o nD e s i g n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2N u m e r i c a lR s u l t sA a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3R o a d w a yC n g o lD f o r m a t i o nE f e c t sA a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯‘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．4C h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 5C o n c l u s i o na n d P r o s p e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．1M a i nC o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2P a p e rP r o s p e c t ‘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 A c k n o w l e d g e m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 ．1 研究目的及意义 中国是一个煤炭，石油，天然气资源丰富的国家，煤炭在未来5 0 年的主要能源的地 位不会改变，在一次能源消费结构中将长期占据主导地位【l 】。在最近的1 0 年，我国煤炭 开采活动主要在内蒙古、山西、宁夏、新疆等西部地区进行，其中距地表较近的浅部煤 层 即浅埋煤层 占据着相当重要的组成部分。由于西部浅埋煤层特殊的地质条件，浅 埋煤层的安全高效回采至关重要【2 ，3 1 。浅埋煤层开采一直是我国煤矿开采专家、学者的研 究重点【4 ‘1 1 1 ，目前此领域的研究获得了丰硕的成果，但对于浅埋煤层软薄基岩巷道围岩 变形规律、浅埋煤层软薄基岩巷道支护是否具有优化空间等问题的认识尚不成熟。 内蒙古某煤矿是国家批复的设计生产能力5 0 0 万讹的大型煤炭建设项目的矿井，井 田面积3 6 ．8 4 k m 2 ，服务年限4 2 年。矿井于2 0 0 8 年下半年动工建设，2 0 1 1 年5 月1 8 日 由基础建设转入试运行。目前，内蒙古某煤矿2 2 采区区段煤柱留设尺寸为2 0 m - 2 5 m ， 工作面顺槽的顶板采用直径为18 m m ，长度度为2 2 0 0 m m 高强度左旋连续螺纹锚杆支护， 其间排距为8 5 0 m m 1 0 0 0 m m ，每排锚杆为六根；锚索采用直径为1 5 ．2 4 m m ，长度为 6 3 0 0 m m 的钢绞线截制而成，问排距为2 0 0 0 m m x 2 0 0 0 m m ；帮部采用直径为1 6 m m ，长 度为1 8 0 0 m m 高强度螺栓左连续锚杆，间排距为1 0 0 0 1 2 0 0 m m ，每排采用四根锚杆支 护，现支护方式如图1 ．1 所示。基于某煤矿2 ．2 上煤层开采地质条件，如何减小支护强度 且保证安全、高效回采成为采矿技术人员面临的难题。因此，进行浅埋煤层巷道支护优 化研究，对延长煤矿服务年限、提高煤炭回收率、降低煤矿支护成本，提高矿山的发展 具有重要的作用。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 巷道围岩控制理论研究现状 二十世纪六十年代，工程师R a b c e w i c z 提出了新奥法，该理论是在总结以往隧道施 工方法的基础上提出的相比以往比较创新的巷道设计施工方法【1 2 J6 1 ，全称新奥地利隧道 施工方法。新奥法理论重点之处在于围岩是支护结构系统中主要的承载体，其本身是支 护结构的重要组成部分。开挖空间在施工过程中形成封闭的筒形结构，这种结构用于支 撑巷道上方载荷，同时在施工后待支护变形基本稳定的条件下进行二次修筑支护。该方 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 法被许多国家广泛应用，用以指导地下工程的支护设计和施工。 二十世纪七十年代，苏联煤矿科学研究院的研究学者从物理学能量守恒原理出发提 出了新式与能量有关的支护理论，即能量支护理论【1 7 , 1 8 】。能量支护理论的重点在于在地 下工程施工以前，围岩体处于垂直方向和素质方向受力平衡的情况，在地下工程施工以 后隧道围岩应变能的释放量与岩体内部受采动影响体积做功之和，等于相邻周边开挖岩 石储存的应变能和对外做功过程中弹性能损失量之和。因此根据支护构造的特征，支护 结构经过两个过程释放多余的功效，即自动调整围岩受开挖影响释放的能量和支护体受 挤压吸取的能量。 图1 ．1 工作面顺槽支护方式 F i 9 1 ．1C r o s s h e a d i n gs u p p o r t i n gw a yo nw o r k i n gf a c e 淮南矿院、东北大学的朱效嘉教授和郑雨天[ 1 9 , 2 0 1 教授合作在概括相关理论的基础上， 即新奥法提出了新的联合支护理论。该理论认为分布在较高地应力的围岩允许相对程度 的位移形变，在周围岩体发生相对程度的位移形变后立马对巷道实施刚性支护。地下工 程的开挖前期采用柔性支护促使围岩释放部分集聚的能量，当围岩形变发生到一定程度 之后再进行刚性支护。提出支护的法则，首先柔后刚，增强支护灵活性，节制性和稳固 性。由此发扬出了锚喷支护加架金属网技术、锚带支护加架金属网技术、锚喷网带等联 合支护技术。 巷道围岩松动圈理论【2 1 , 2 2 1 是由受聘于中国矿业大学的董方庭教授等人建议的。该松 动圈理论认定岩体在巷道开挖后，受力状况由三向应力平衡态转变为二向应力状平衡态， 万方数据 山东科技大学坝士学位论文绪论 巷道周围岩体因遭到扰动而引起了各向应力的从新分布，部分围岩体发生的应力集聚增 加了周边围岩应力，当集聚的围岩应力超过了岩体的最大承载强度时，岩石发生损害， 周围岩石的承载力发生下降，直至应力向深部转到低于岩体的塑性屈服应力为止。巷道 周边形成的松动圈，依次为破裂区、塑性区和弹性区。根据围岩发生破坏处松动圈向外 延伸的大小，将松动圈分为小、中和大三种松动圈，有尺寸差别的不同大小的松动圈选 用的支护方式不同。 何满潮【2 3 , 2 4 1 教授在深部巷道破损机理的基础上发展出了关键部位处耦合配合支护理 论。该理论认为巷道是从局部开始破损的，其破损的原因是由于锚固支护体的强度、刚 度和巷道围岩体的不耦合性。巷道支护的重心是高强度的支护巷道关键部位，要点放在 在二次支护，围岩支护工序需要“对症下药”，适当可能的将复合型支护方式转化为简单 型支护。 方祖烈㈤教授发展出了主次承载区的支护理论，该理论认定巷道围岩是重要的支护 承载体是，在周围的岩石中构成拉伸和压缩域，压缩域内的岩体处于垂直和水平方向的 应力平衡形态，地下工程开挖后埋藏较深的围岩由于应力集中而形成压缩区域，为保证 开挖区域巷道围岩的稳定性，该压缩区域起到至关重要的作用。为了确定支护方式及支 护参数，需探究主要承载区和次要承载区域相互作用过程当中呈现的动静特性，支护强 度达到合理的范围。 应力控制理论也称应力转移法，应力控制方法主要包括切割、卸荷槽、钻孔减压、 深孔爆破和卸压煤柱【2 ∞8 1 。围岩的破损是由于应力集中造成的，其根本原因是，巷道围 岩的应力状态和应改变形成的应力集中和应力的重新散布。为实现对隧道围岩应力的有 效控制，需将巷道围岩集聚的能量进行释放或转移，改变围岩体内部的应力分布情况， 从新变更巷道应力的分布范围，使得围岩的破坏范围相对缩小，提高了周围岩体的整体 完整性。 侯朝炯、勾攀峰教授等人提出了锚杆锚固体的围岩强度强化理论【2 9 】，该理论内容是 支护体系通过改变支护结构特征从而改变锚固体的受力状态，通过提高锚固岩体的力学 性能将锚固体形成统一的承载结构，从而提高了围岩的整体稳定性。锚注技术是通过向 围岩内注入加固材料，使巷道围岩与锚杆、加固材料和围岩共同组成支护体，改变围岩 在注浆前的无约束破碎状态。在围岩的破碎区域内实施注浆加固能够改变围岩的破碎结 构，提高围岩的粘聚力和内摩擦角，防止岩体受到水的侵蚀，提高围岩强度。锚注法的 应用拓展了围岩注浆加固技术和锚杆支护技术各自的适用范围。 3 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 通过多数学者的集思广益，对巷道围岩控制机理的认识达成了以下共鸣巷道支护 可以起到调节与控制围岩变形的作用，这类控制和约束作用产生在围岩松动和破损之前， 支护结构仍保持对围岩自承力的情况下与围岩共同承载，使围岩和支护结构形成稳定的 整体，而不是等围岩体失去承载力的情况下利用支护体承受上部岩块重量。因此，围岩 和支护结构和相互制约和依赖于条件实现共同承载，是巷道围岩控制的一个重要途径。 1 ．2 ．2 采场岩层控制国内外研究现状 地下开采活动中，研究岩层应力场及岩体性质具有一定的复杂性，在采矿工程的研 究领域中涉及到相关方面，于是从一开始人们对采场矿山压力现象提出了各类不同的假 说和设想，这些揭示矿山压力现象内在联系的假说被称为矿山压力假说。 在第二十世纪末第十九世纪早期，矿山压力假说，利用比较简单的力学原理对实践 中出现的矿压现象进行比较简单的解释，其中“压力拱”假说和“悬臂梁”假说是具有 代表性的两个假说，它们分别是由德国的施托克在1 9 1 6 年提出的和德国的哈克和吉里策 尔于1 9 2 8 年提出的。在第二十世纪5 0 年代，随着开采技术的发展，开采覆岩层运动的 观测技术以及围岩支护技术的得到较大的发展，研究学者对覆岩层运动的结构形式产生 了新的认识。在此时期，比利时A ．拉巴斯和前苏联库兹涅佐夫相继提出了“预成裂隙假 说”和“铰接岩块假说”。二十世纪六十年代至八十年代初期，采场项板结构学说得到 全面的发展，“砌体梁”结构学说在此时应运而生。在中国相关学者总结归纳各种顶板 覆岩运动假说的基础上，经过大量生产实践和对采场覆岩运动现场观测，于二十世纪七 十年代末八十年代初提出了“砌体梁”力学模型，图1 ．2 表示地下工程开挖后覆岩运动 形态，A 为煤壁支撑区，B 为离层区，C 为重新压实区，其中I 为垮落带，Ⅱ为裂缝带， I I I 为弯曲下沉带。 一一⋯⋯～一一一- _ 一- - - - - - - _ ．_一～- _ _ 一 ⋯⋯．J 一 ～一一7 一⋯⋯一⋯一 l Z ● A ⋯⋯t 一一B 一一⋯。一一～一■～ j j 掣⋯J 虹≮_ 二二二兰一I | 二二．’二一j ‘一 - _ 一一] _ T f l lI I 可IT ] 旱l 斗 ■■■■ ■』⋯- - - 一一- 一一一．一土 图1 ．2 覆岩移动破坏的“横三区”与“竖三带” F i g1 ．2O v e r b u r d e nm o b i l ed e s t r u c t i o n ”h o r i z o n t a lt h r e ez o n e s ”a n d ”v e r t i c a lt h r e ez o n e s ” 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 基于“砌体梁’’力学模型，院士钱鸣高提出了采场围岩“大“ 、“小”结构，形成了 一个相对完整的矿山压力理论。“大结构”是指采场上覆岩层破断后形成的结构，由 于这种结构，采场支架所受的力并不是上覆岩层的总重量，而是其中的一部分；“小结构”， 是指工作面控顶区域内“支架．围岩“ 相互作用形成的小结构，实现对这种结构的运用有 效的保证了地下工程的正常生产，为合理利用自然资源提供基础；同时，“小结构”会受 到“大结构”下的影响，两者产生相互的作用。 这一时期，山东科技大学宋振骐院士提出了“传递岩梁假说“ ，该假说完成在控制岩 层运动的长期实践和老顶来压的实测现象及经验的基础上。院士宋振骐就提出了“限定 变形“ 的观点，支架在一定的“位态方程”下工作，由于限定变形的状态老顶在一定的 层位形成平衡状态。还提出了“外部和内部的应力场“ 的概念，并在内部和外部的采动 应力场的变化进行观察，从而能够成功预测顶板来压。 二十世纪八十年代后期至今，是砌体梁理论发展的黄金时期，也是该理论理论由力 学理论模型向体系化发展和定量化发展的阶段。钱鸣高院士提出的砌体梁理论己得到广 泛的应用，并在实践中不断的完善和发展。九十年代年代后，在覆岩运动研究领域砌体 梁理论取得了重大的突破，解决了砌体梁结构受力的理论解，处理了岩层内部移动含义 等问题，砌体梁理论逐步完善。 随着浅埋煤层开采实践的发展，由于矿浅埋煤层地质特征的特殊压力行为的特殊性， 进一步研究浅埋煤层长壁开采顶板动态结构理论是非常必要的[ 3 2 - 3 8 】。随着开采深度增加， 近浅埋煤层开采和大采高工作面日益增多，本研究项目的应用前景更加广泛。 1 ．2 ．3 巷道围岩控制技术研究现状 国内外煤矿巷道围岩控制技术的发展经历了漫长的过程。从木支架支护发展到刚性、 可伸缩性的金属支架支护，从单一锚杆支护到共同支护，各类料混凝土石碹、喷射混凝 土梁网、桁架锚杆、锚索、锚杆注浆、高强度混凝土弧板支架，构成了多种不同的支护 方式。随着支护理论研究的不断深入，围若支护形式从最初的联合支护形式，演化为多 种支护方式的联合，并在破碎围岩巷道和软若巷道工程中广泛应用。联合支护是指多种 不同性能的单一支护形式的叠加，己广泛应用于巷道支护实践中去【3 0 ‘3 7 】。 几十年来锚杆支护的发展过程可以分为五个阶段1 3 8 J 二十世纪四十年代末，在煤矿和金属矿中，机械式锚杆的研究与应用。 二十世纪五十年代，采矿业广泛采用楔缝式、涨壳式、倒楔式等机械端头锚杆，并 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 在锚杆支护技术方面进行系统研究。 二十世纪六十年代，树脂锚杆推出并在矿山中得到应用。 二十世纪七十年代，发明与应用了管缝式锚杆、胀管式锚杆；产生新的支护设计方 法，即长锚索。 二十世纪八十年代，混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆、特种锚杆得到广泛应用， 树脂锚固剂材料得到改进。 由于树脂锚杆锚固性能，现场施工方式简单，在现有的支护市场上锚杆占据着较大 的比重，相比之下用砂浆锚杆由于现场施工复杂和支护作用时间难以有效确定从而逐渐 被淘汰；由于受到钢材材质和围岩破坏的影响，管缝式锚杆和水泥锚杆的发展和应用也 受到一定的障碍。 当前，煤矿巷道锚杆支护设计方法有许多种，而常用的设计方法基本上可归纳为三 大类第一类为工程类比法，即用简单的经验公式进行设计第二类为理论计算法，即 采用各种支护理论对煤矿巷道进行支护设计；第三类是数值分析设计法。 煤巷锚杆支护设计在我国多采用工程类比的方法，主要分为两类，一是以回采巷道 围岩稳定性分类为基础的锚杆支护设计方法，二是以及巷道围岩松动圈分类为基础的锚 杆支护设计方法等。因为前者的方法应用最为广泛，这种设计方法成为指导巷道支护设 计基础，但该设计方法过度的依赖现场应用情况，通过单方面的增加安全系数经常导致 煤矿资源的浪费，由于过密的支护条件巷道围岩的不稳定性增加。理理论计算和数值分 析方法设计支护参数虽然是合理的，但支护设计计算或仿真参数难以选择，严重阻碍了 两种支护设计方法的应用。 理论计算法与工程类比法相结合是一种比较成熟的巷道支护设计方法，在理论计算 中应用较多的锚杆支护设计理论主要有以下几种 1 悬吊理论。由L o u i sA ．P a n e k 在二十世纪五十年代提出了。锚杆支护的目的在 于将巷道受采动影响顶板破坏区软弱岩层悬吊在上部岩层处于稳定区域或弹性变形区域 内，以提高其稳定性。 2 组合梁理论。由J a c o b i n 等于二十世纪五十年代提出了组合梁作用理论，其实 质是认为，顶板锚杆的作用，一方面体现在巷道顶板各岩层间的接触压力受锚杆的固定 挤压而增加，阻止了层间分离现象的发生；另一方面，各层之间的抗压强度有所增加， 防止了岩层之间发生水平错动的可能，从而将作用范围内的几个岩层锚固成一个较厚的 相互作用的整体，即组合岩梁。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 拱形压缩带理论。T ．L ．V ．R a b c e w i c z 于二十世纪五十年代提出安装锚杆后巷道 围岩中形成连续的压缩带，锚杆的作用是使围岩中产生一定厚度的压缩带来承受围岩压 力。沿周围岩体按照一定径向方向布置，当围岩发生变形时，锚杆由于锚固力的作用进 而产生压应力用以应对围岩产生的变形，每根锚杆周围形成的锥形体压缩区彼此重叠， 在巷道围岩中形成了一个均匀的连续压缩带。它不仅能够保持其稳定性，并能承受围岩 压力，防止松动和变形，这是挤压加固拱。 4 锚杆作用机理的新发展。近年来，许多学者提出了新的研究思路，对锚杆作用 机理进一步研究。加拿大的I n d r a r a t n a 和K a i s e r 于二十世纪就是