缓倾斜煤层软岩巷道锚杆锚索支护研究.pdf

万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘摘摘要要要要 巷道的稳定是矿井安全建设与生产的重要的因素，如何使巷道支护变得更有效 率和更安全是煤矿在建设和生产中都要考虑的问题。目前，在利用锚杆锚索支护过 程中，往往关注于锚杆与锚索的材料以及间排距等，对锚杆支护角度的重视不够， 但三维编织复合材料得到越来越广泛的应用，证明了三维编织在提高材料各种力学 性能的巨大潜力，而围岩支护与三维编织复合材料有很多相似点，研究三维编织技 术在围岩支护中的应用，能使锚杆支护发挥更大的作用。 本文运用理论分析、数值模拟与工程实践相结合的方法，对缓倾斜软岩巷道中 编织程度不同的锚杆锚索支护的组合方式以及围岩位移与应力的相关关系进行系统 分析与研究 利用 FLAC3D 数值模拟， 对锚杆和锚索编织程度不同的三种组合方式进行了分 析，这三种组合方式模仿的是三维编织技术的“二步法”与“四步法”。在煤层倾 角为 10 度时，将顶锚杆支护角度在 90 度到 100 度作为局部角度，5 度到 175 度作 为全部角度进行比较分析，发现局部角度的位移与拉应力等各项参数要优于全部角 度，因此在往后对某种编织方式的围岩支护的模拟中，只需模拟局部角度即可，大 大降低了模拟的工作量。 标准差反应一组数据的离散程度，位移标准差则可以反映了围岩对顶锚杆支护 角度变化的敏感程度，标准差越大则代表围岩对顶锚杆支护角度变化越敏感。某种 编织构造下，在煤层倾角 10 度到 18 度时，从位移的角度看，两帮敏感度随着煤层 倾角的变化 75的可能性会同步增加或减小；顶板位移和右帮位移的敏感度有 75 的可能性同步。 研究与分析某种编织构造的围岩位移变化规律发现，当顶板锚杆支护角度发生 变化时，右帮位移受到的影响最大，其次是顶板位移、左帮位移和底鼓。 通过对棋盘井煤矿 0913 工作面的围岩位移数据进行分析， 与数值模拟得出的结 论基本相符，从而证明了这些结论是可靠的，合理的。 关键关键关键关键词词词词锚杆支护；数值模拟；敏感度；三维编织 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstractAbstractAbstract The stability of the roadway is an important factor in the construction and production of mine safety. How to make the roadway support more efficient and safer is a problem that must be considered in the construction and production of coal mines. At present, in the process of supporting with anchor bolts and cables, attention is often paid to the materials of bolts and anchor cables and the distance between the bolts, etc, and there is insufficient attention to the angle of bolt support. However, three-dimensional braided composites have been increasingly used, demonstrating the great potential of three-dimensional weaving in improving various mechanical properties of materials. The surrounding rock support has many similarities with the three-dimensional braided composite materials. The application of three-dimensional weaving technology in the support of surrounding rock can make the bolt support play a greater role. This paper uses a combination of theoretical analysis, numerical simulation and engineering practice. The systematic analysis and research on the combination of bolt anchorage support with different degree of braiding in gently inclined soft rock roadway and the correlation between displacement and stress of surrounding rock Using FLAC3D numerical simulation, three combinations of bolts with different degree of weaving are analyzed, and these three combinations mimic the “two-step “ and “four-step “ of three-dimensional weaving technology. When the coal seam inclination angle is 10 degrees, the roof bolt support angle is from 90 degrees to 100 degrees as the local angle, and 5 degrees to 175 degrees are compared and analyzed as all angles, and the local angle displacement and tensile stress and other parameters are found better than all angles. Therefore, in the simulation of the surrounding rock support of a certain weaving , only the local angle can be simulated, which greatly reduces the workload of the simulation. The standard deviation reflects the degree of dispersion of a set of data. The standard 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III deviation of displacement can reflect the sensitivity of surrounding rock to the change of the angle of roof bolt support. In some kind of weaving structure,when the coal seam angle is 10 degrees to 18 degrees,from the displacement point of view, the sensitivity of the two gangs will increase or decrease simultaneously with the possibility of a 75 change in coal seam inclination. The sensitivity of the displacement of the top plate and the displacement of the right plate has a 75 probability of synchronization. The right-hand displacement. When discovering and analyzing the law of displacement of surrounding rock in some kind of weaving structure, as the roof bolt support angle changes, the kick drum is most affected, followed by right-hand displacement, roof displacement, and left-hand displacement. Based on the analysis of the displacement data of the surrounding rock of 0913 working face of the board well, the conclusion is basically consistent with the numerical simulation, which proves that these conclusions are reliable and reasonable. KeyKeyKeyKey WordsWordsWordsWordsBolt support； Numerical simulation； Sensitivity； Three-dimensional weaving 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 IV 目目目目录录录录 摘要........................................................................................................................ I Abstract..........................................................................................................................II 目录......................................................................................................................IV 1 绪论............................................................................................................................1 1.1 选题背景.........................................................................................................1 1.2 国内外研究现状.............................................................................................2 1.3 研究的目的与意义..........................................................................................5 1.3.1 研究的目的...........................................................................................5 1.3.2 研究的意义...........................................................................................5 1.4 论文的主要内容与技术路线..........................................................................6 1.4.1 主要内容及创新点...............................................................................6 1.4.2 技术路线..............................................................................................7 2 软岩巷道锚杆锚索支护理论.....................................................................................8 2.1 锚杆支护理论..................................................................................................8 2.1.1 锚杆预紧力...........................................................................................8 2.1.2 锚杆密度...............................................................................................9 2.1.3 锚杆长度...............................................................................................9 2.1.4 锚杆角度.............................................................................................10 2.2 锚索支护理论................................................................................................11 2.2.1 锚杆锚索预紧力协同.........................................................................11 2.2.2 锚杆锚索结构协同............................................................................12 2.3 三维编织技术与锚杆锚索支护的相似点....................................................14 3 数值模拟...................................................................................................................16 3.1 数值模拟方法................................................................................................16 3.2 计算模型的建立............................................................................................16 3.3 锚杆与锚索编织方法的比较与确定............................................................20 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 V 3.3.1 局部位移与全部位移对比分析.........................................................28 3.3.2 局部拉应力与全部拉应力对比分析.................................................30 3.3.3 三种锚杆锚索编织方法对比分析.....................................................31 3.4 本章小结.......................................................................................................31 4 围岩位移与拉应力变化规律研究...........................................................................33 4.1 四种围岩位移同步性研究............................................................................33 4.2 顶板拉应力与两帮拉应力同步性研究........................................................35 4.3 相邻煤层倾角间围岩位移与拉应力同步性研究........................................39 4.4 本章小结........................................................................................................42 5 围岩敏感度与最佳支护角变化规律研究...............................................................44 5.1 围岩敏感度变化规律研究............................................................................44 5.1.1 四种围岩位移敏感度同步性研究.....................................................44 5.1.2 顶板拉应力敏感度与两帮拉应力敏感度同步性研究.....................45 5.2 围岩最佳支护角变化规律研究....................................................................46 5.2.1 位移最小时的支护角同步性研究.....................................................47 5.2.2 拉应力最小时的支护角同步性研究.................................................48 5.2.3 拉应力或位移最小时的支护角同步性研究....................................49 5.3 本章小结........................................................................................................50 6 工程验证..................................................................................................................51 6.1 软岩巷道的工程地质....................................................................................51 6.1.1 自然地理概况.....................................................................................51 6.1.2 煤系地层特性.....................................................................................51 6.1.3 巷道围岩的基本特征.........................................................................52 6.2 工程验证.......................................................................................................52 6.3 本章小结.......................................................................................................55 结论......................................................................................................................56 参考文献......................................................................................................................57 在学研究成果..............................................................................................................62 致谢......................................................................................................................63 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 1 1 1绪论绪论 1.11.11.11.1 选题背景选题背景 能源是现代化的基础和动力，煤炭是我国的主要能源，中国煤炭已探明的储量 逐年上升，2015 年我国煤炭探明 15663.1 亿吨，仅次于美国和俄罗斯。2016 年我国 的煤炭消耗量在 34.9 亿吨左右，煤炭消费比重占能源消费总量的 63，火力发电 10.4 亿千瓦，占发电总量的 66.2。 火电脱硫机组容量占总装机量的比例也从2005年的12蹿升到2012年的92， 随后进入稳定期。火电厂烟气排放标准历经数次提高，目前最新的超净排放标准已 经与燃气机组排放标准一致。理论上煤炭清洁利用后可以达到的能源转换效率和污 染物（除 CO2 以外）排放都可以接近或达到天然气的水平。所以对于我国来说， 煤 炭不仅储量丰富，而且是能够清洁利用的能源，根据 2014 年底，国务院颁布的能 源发展战略行动计划 2014-2020，要求降低煤炭消费比重，将煤炭消费比重控制 在 62以内，可见虽然煤炭消费比重在下降，但仍将在很长的一段时间内占据很大 的比重，难以替代。 地下煤炭资源的开采需要挖掘一系列的巷道，包括开拓巷道、准备巷道和回采 巷道等，在巷道围岩中插入锚杆可以改善围岩的力学状态，利用锚杆和围岩共同形 成一个岩石带， 达到稳定围岩的目的。 从 1911 年美国的一家煤矿开始使用锚杆支护 巷道底板，到现在已经 106 年，出现了许多不同的锚杆，例如端头锚固锚杆、全长 灌注锚杆、顶板桁架、可缩性锚杆、可泵注锚杆、螺旋体锚杆、缝管锚杆和水力膨 胀锚杆等，锚杆的力学理论主要有悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论和水平应力 理论等。 我国煤矿生产的方针是“采掘并举，掘进先行”，掘进和回采是非常重要的环节， 巷道的稳定是矿井安全建设中重要的组成部分，巷道支护的优化是控制煤巷变形的 有效措施，关系到煤矿高效的生产和人员的安全，如何使巷道支护变得更有效率和 更安全是每一个煤矿在生产中都要考虑的问题。目前我国煤矿的巷道支护还是以现 场设计人员的经验为主，对锚杆支护角度的重视不够，从网上搜索锚杆支护角度， 百度百科里都没有相应的词条， 从知网里搜索锚杆支护角度， 能搜到的论文也很少， 少数的几篇论文也是研究某个煤矿的最佳支护角度，事实上，每个锚杆以一度为最 小间隔，有去 180360 种可能性，每增加一根锚杆，可能性都会以指数形式增长， 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 在这些近乎无限的可行性中，或许蕴含着非常有价值的组合方式，能大大增强围岩 的稳定性，依靠实验的一次次尝试，这几乎是无法完成的任务，即使依靠数值模拟， 也需要非常优秀的算法和强大的计算能力才能实现，好在我们处于一个算法和计算 能力都飞速发展的年代，只要引起足够的重视，相信这个问题终究会解决的，这个 问题有点类似于计算机下围棋，看似有无限种可能，但只要算法足够优秀，完全可 以在短时间内找到非常精巧的解决方案。希望我的研究能吸引对锚杆支护角度有兴 趣者的目光，有助于锚杆支护角度的研究发展。 棋盘井矿主要可采煤层为 9 号和 16 号两层煤，现在主采煤层为 9 号煤层，9 号 煤层平均厚度为 3.32m，含夹矸 3-5 层，夹矸岩性多为泥岩或炭质泥岩等。9 号煤层 直接顶为砂质泥岩，属软弱岩类，老顶为细、粗粒砂岩，均属半坚硬岩类；直接底 为砂质泥岩和 10煤层，属软弱岩类，老底的砂质泥岩和 11煤层亦属软弱岩类， 该 巷道布置在 9 号煤层中， 巷道沿煤层顶底板布置。 本文将借助于数值模拟软件 FLAC 3D， 分析与研究了 10 度到 18 度的煤层倾角下， 当顶板锚杆支护角度在 90 度到 108 度时围岩位移与拉应力的数据，发现有的位移与拉应力之间具有良好的同步性，有 的位移与拉应力则没有相关关系，希望能对锚杆支护角度的研究和应用发展添砖加 瓦。 1.21.21.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 锚杆支护可以改变围岩的受力状态，对岩体起到悬吊、加固和合成梁等作用， 不仅提高了岩体的稳定性，而且增大了岩体的承载能力，实践证明，锚杆支护具有 支护及时和经济效益高等优点，随着实践经验的积累和研究的不断深入，出现很多 各种各样的锚杆支护理论，代表性的主要有 悬吊理论19521962 年路易斯经过长期的实践与研究，提出了悬吊理论，认 为巷道的开挖导致围岩应力状态的改变，进而出现了破碎和不稳定的岩体块，但应 力的改变和岩体破碎的区域是有限的，在巷道围岩的一定范围内，应当还存在稳定 的岩层，通过锚杆将不稳定的岩体与稳定的岩层连接在一起，增强破碎岩体的稳定 性[1]。 组合梁理论实践证明，即使巷道上部没有稳定的岩层，锚杆支护仍然有用， 在为了解决悬吊理论的局限性，1952 年德国的加考比发表了组合梁理论，认为在没 有稳定岩层的情况下，可利用锚杆的连接作用将层状地层组合成一个整体，也就是 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 锚杆和岩层共同形成一个组合梁的结构，其本质在于增大岩层间的摩擦力，再加上 锚杆拥有的抗剪能力，使岩层的抗弯刚度大大提高[2]。 组合拱理论由兰氏和鹏德通过光弹实验提出，认为在巷道支护中锚杆将在围 岩中形成圆锥形分布的拉应力，如果锚杆的间距足够小，各个锚杆形成的拉应力区 域将相互交错，形成一个承压拱，不仅能保持自身的稳定，还能增强上部围岩的稳 定性。 锚杆减跨理论认为锚杆支护可以通过减小顶板岩层支点间的跨距，从而降低 冒落拱的高度，其本质上还是利用了锚杆的悬吊理论；由于层状岩层的变形特征类 似于梁或板，基于梁或板提出的锚杆支护理论，认为锚杆提高围岩稳定性的原理在 于缩短了梁或板的跨距[3]。 最大水平应力理论有澳大利亚的一名学者提出，认为巷道的稳定性主要由水 平应力决定，水平应力不仅具有方向性，而且远远大于垂直应力。 围岩松动圈理论根据应力应变曲线，巷道围岩分为破裂稳定区、破裂剧烈区 与弹性区，岩石应力越大，强度越低，松动圈越大，小松动圈只需几天即可形成， 大松动圈往往需要几个月。小松动圈采用喷射混凝土支护或者不支护，大松动圈采 用锚杆组合拱理论加金属网局部支护[4]。 锚杆桁架支护理论提出于 20 世纪 60 年代，认为桁架锚杆对巷道围岩有挤压 加固的作用，不仅能改善应力状态、促进裂隙体梁的形成，还能提高裂隙体梁的抗 滑动性能。 锚固平衡拱理论该理论认为软弱岩层会经历一个压缩变形的过程，然后进入 塑性破坏，顶板岩层的力学性质和锚杆的组合拱共同决定了锚固支架的承载能力， 其关键就在于通过锚杆保持锚杆岩层的整体性。 巷道锚杆支护围岩强度强化理论由中国矿业大学矿山压力研究所提出，锚杆 支护形成的锚固体比原来的岩体拥有更高的力学参数，在力学性能、峰值强度、峰 后强度和残余强度等方面都得到了强化，从而可以破碎区和塑性区的范围，使巷道 围岩更加稳定。 刘福斯发现周围岩石特征参数与螺栓灌浆支撑结构参数之间的定性和定量关系 [5]；刘庆顺根据对锚杆支护的力学机理揭示，找到围岩的破坏形式及解决办法[6]；徐 金海基于软岩体破坏特征的分析，证明了螺栓增强强度的功能取决于提高周围巷道 破碎岩体的残余强度，周围破碎岩体形成加筋拱[7]；康虹普研究了锚杆表面周围岩 石锚杆的应力分布特性及其对无支撑巷道顶板的影响。提出了周围岩石与支撑结构 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 之间的机械相互作用[8]；康虹普指出，不连续平面的分布和力学性能是变形和岩石 锚杆载荷的最重要因素[9]；杨建辉研究了具有物理（建模）的螺栓分层的周围岩体 的变形和失效机理，得到了横向载荷与挠度的关系曲线，轴向载荷与螺栓分层岩石 围岩的挠曲曲线[10]。 李青锋，证明了树脂锚杆的锚固损伤属于渐进式破坏，通过弹性波可以测出其 有效锚固长度，进而计算出实施承载力[11]。孙海洋，通过数值模拟，确定了袁店一 矿 103 采区的最佳锚杆支护角度和最佳间排距[12]。孟宪志，通过实验室和井下实验 证明了推力球轴承性能稳定而且扭矩转化效率比尼龙垫片更高，提高了锚杆的支护 强度和刚度[13]。张益东，利用自行研制的锚固承载体测试系统，获得了承载体的破 坏特征以及应力和位移的变化规律[14]。刘家成，通过数值模拟得出了围岩较大应力 出现在围岩 0.81.6m 范围内，且最大应力值与锚杆预应力成正比[15]。陈鑫源运用 MATLAB 软件计算得到两帮和顶底板位移的回归方程和对应的回归系数， 再用数值 模拟方法得到高强预应力让压锚杆最佳让压点为 150KN[16]； 杜晓磊通过对层状围岩 在不同的倾角中进行应力场特征分析，发现由于层状围岩，当岩层倾角变化时，围 岩受力特点也不同[17]。李亚晨以石圪台煤矿辅助运输巷为实验巷道，使用 FLAC3D 数值模拟软件分析变形情况，发现原始围岩垂直方向应力导致顶底板首先变形，进 而影响肩部和帮部，随后扩散到两帮部，与水平应力共同造成帮部的破坏[18]。付玉 凯通过数值模拟和理论分析， 发现巷道开挖形成的节理和裂隙使煤岩体完整性降低， 使煤岩体塑性变形能力增强，高冲击韧性锚杆能使冲击载荷下煤岩体的塑性变形能 力减弱，从而增强煤岩体的稳定性[19]。龙景奎通过模拟，得出锚杆的长度和角度等 锚固变量内部及互相之间存在协同作用，并且协同效应使得系统的整体效果要大于 各子系统之和[20]，于志勇等对锚杆索联合支护及优化进行了研究[2124]。 王爱文，证明了在塑性岩体中降低锚杆支护间排距有利于减少冲击地压，但会 增强冲击破坏力[25]。 吴学震， 证明了大变形锚杆的主要作用在于减小塑性区的变形， 并揭示了时间效应对锚杆支护的影响[26]。曲彪，通过数值模拟，发现了涨壳式中空 预应力锚杆的支护效果要优于全长砂浆锚杆[27]。田亮，通过力学模型和数值模拟， 证明了单独对两帮支护效果要优于单独对顶板支护[28]。鲁方，通过对某围岩变形的 监测，证明了串联型灰色神经网络的预测精度优于并联型灰色神经网络和BP 神经 网络[29]。肖旺，证明了一定范围内增加锚杆长度可以减小沉降，但超过临界长度后 沉降将趋于稳定值[30]。王晓卿，通过数值模拟提出了优化锚杆外形和围岩接触条件 可以提高锚固剂的安装质量[31]。郭吉平，通过模拟软件，发现在将系统锚杆变为局 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 部锚杆也可以满足安全性的要求[32]。陈盼盼，通过无锚杆和有锚杆条件下的隧道模 型试验，对围岩的位移和应力的变化规律进行了研究[33]。张文锡通过数值计算，发 现锚杆长度增加，间距减小有利于锚杆间预应力的扩散，并且应力场中的最大垂直 应力也随之增加[34]。丁潇设计了一个室内模型试验，用于研究离层对锚杆的作用， 得出了离层作用下锚杆的应力分布规律，并与理论计算值进行对比，验证模型的正 确性[35]。王伟使用围岩强度系数 K 来评价锚杆支护效果，位移解析解可以通过统一 强度理论来得到，通过分析，可以知道，对于同一巷道，K 基本不变，对于不同巷 道，K 随着原岩应力的增加而增大[36]，王建利等对立柱和深部巷道支护进行了研究 [3741]。 刘建伟，测出了时间效应对煤巷变形量和锚杆索附加应力的影响，分别是 1977和 3137[42]。白鑫，通过对平沟煤矿盘区车场进行数值模拟，证明了 锚杆联合支护对复杂交叉巷道的围岩控制是有用的[43]。任建喜，通过组合梁理论和 数值模拟，提出并验证了新的支护方案能有效的控制围岩变形[44]，张厚全等对锚杆 质量检测进行了较深入的研究[4548]，曹俊才通过数值模拟研究了剪应力椭圆对顶板 的破坏规律[49]， 丁国强通过钻孔窥视和力学分析， 确定了某运输巷道的支护参数[50]。 1.31.31.31.3 研究的目的与意义研究的目的与意义 1.3.11.3.11.3.11.3.1 研究的目的研究的目的 在保证巷道的稳定与安全中，锚杆与锚索的支护是非常重要的内容，在施工过 程中，锚杆的预紧力、长度以及间排距等受到大家的重视，对于锚杆与锚索的支护 角度往往只是根据经验垂直于顶板或两帮，缺乏更加深入的研究。 使用 FLAC 3D 数值模拟，可以有效的对锚杆与锚索的支护角度进行分析研究， 对锚杆锚索支护角度之间不同的组合方式进行比较，还能够进一步分析在这些支护 角度变化的同时会对围岩的位移与应力产生什么影响。通过对锚杆锚索支护角度的 研究，使锚杆锚索的支护更有效率，煤矿的开采生产变得更加经济与安全。 1.3.21.3.21.3.21.3.2 研究的意义