深部回采巷道预应力桁架支护研究.pdf

分类号分类号 TD353 TD353 密密 级级 公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 深部回采巷道预应力桁架支护研究深部回采巷道预应力桁架支护研究 崔晓华崔晓华 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称 指导教师姓名指导教师姓名 工程力学工程力学 刘刘 承承 论论 职职 称称 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一六年五月二零一六年五月 万方数据 论文题目论文题目 深部回采巷道预应力桁架支护研究深部回采巷道预应力桁架支护研究 作者姓名作者姓名 崔晓华崔晓华 入学时间入学时间 专业名称专业名称 2013 年年 9 月月 工程力学工程力学 研究方向研究方向 指导教师指导教师 矿山岩体力学矿山岩体力学 刘承论刘承论 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期 论文答辩日期论文答辩日期 2016 年年 5 月月 授予学位日期授予学位日期 2016 年年 6 月月 万方数据 STUDY ON THE PRESTRESSED TRUSS SUPPORT AT DEEP ROADWAY A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Cui Xiaohua Supervisor Professor Liu Chenglun College of Mining and Safety Engineering May 2016 万方数据 声声 明明 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。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 我国有 2.95 万亿 t 煤炭资源埋深在 1000 m 以下,占全部煤炭资源总量的 53，矿井 逐渐向深部延深和采煤机械化程度的不断加大，使得深部巷道围岩稳定性问题成为煤矿 安全开采的重大问题之一。矿井巷道中，回采巷道大都为煤巷，煤巷围岩大多数属于节 理裂隙发育、松散破碎、变形强烈、完整性较差的层状岩石，同时还会受复杂外部条件 及采动影响，回采巷道变形得不到有效控制会严重阻碍矿井安全生产。针对深部回采巷 道所表现出的明显大变形、流变特性、高地应力等特征，目前虽多采用锚杆锚索网联合 支护，但支护效果各有不同，支护效果的优劣取决于特定环境下具有针对性的最优支护 方案。 本文基于深部回采巷道难以有效控制围岩变形的现状，依据巷道支护理论，总结前 人在支护方面的研究成果，以预应力桁架为研究对象，采用理论分析建立预应力桁架、 单体锚杆索支护体系力学模型；运用数值模拟软件 FLAC3D对单体锚杆索、预应力 锚杆桁架、预应力锚索桁架三种支护体系在不同支护参数下的预应力场进行考察，选择 合理支护方案及参数。 以龙固矿二采区2302N下平巷工程条件为基础建立不同模拟方案， 通过对应力分布， 位移分布和塑性区范围的分析和对比，选择预应力锚索桁架、锚杆联合支护方案为该巷 道的最佳支护方案。 关键词关键词数值模拟；预应力场；锚索桁架；联合支护 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 ABSTRACT In the depth of 1000 m below the coal resources of 2.95 trillion t, accounting for 53 of total coal resources, mine gradually to extend deep and deep and coal mining mechanization level continues to increase, so that rock stability problems of the deep tunnel become one of the major problems of coal mine safety mining.Mine tunnel, roadway mostly coal roadway coal roadway most part surrounding rock joints fractured, broken loose, strongly deed, poor integrity of layered rock, while also complicated by the influence of external conditions and mining , roadway deation is not effectively controlled will seriously hamper mine safety. For deep mining gateway exhibited significantly large deation, rheological properties, highland stress and other characteristics, at present, although use of bolt and cable networks combined support, but supporting effect varies, depending on the merits of supporting effect best targeted support programs under certain circumstances. Based on deep mining gateway can not effectively control the status of surrounding rock deation, according to the theory of roadway support, summarizing the previous existing research programs, a new joint support solution. Theoretical analysis established mechanics to simulate different support systems; numerical simulation of three different support systems in support parameters prestressed field inspection, select the appropriate support programs and parameters. Different simulation programs have been established on the basis project conditions of 2302N drift in Longgu Second Mining Area, through analysis and comparison of the distribution of stress and displacement distribution and plastic zone to choose truss prestressed anchor, bolt combined support is best supporting scheme for the program roadway. Key words numerical simulation; prestressed field; truss cable; combined support 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 目目 录录 1 绪论绪论 ............................................................................................................. 1 1.1 选题背景及意义 ............................................................................................................... 1 1.2 国内外研究进展 ............................................................................................................... 1 1.3 主要研究内容和方法 ....................................................................................................... 7 1.4 主要技术路线 ................................................................................................................... 8 2 预应力桁架作用机理预应力桁架作用机理 .................................................................................. 9 2.1 预应力锚杆桁架作用机理 ............................................................................................... 9 2.2 预应力锚索桁架作用机理 ............................................................................................. 12 2.3 单体锚杆索支护与预应力桁架支护区别 ................................................................... 14 2.4 小结 ................................................................................................................................. 17 3 预应力支护围岩预应力场数值模拟预应力支护围岩预应力场数值模拟 ......................................................... 19 3.1 模拟软件及模型结构单元选择 ..................................................................................... 19 3.2 锚杆支护参数对预应力场的影响 ................................................................................. 20 3.3 锚杆桁架支护参数对预应力场的影响 ......................................................................... 28 3.4 锚索桁架支护参数对预应力场的影响 ......................................................................... 33 3.5 小结 ................................................................................................................................. 37 4 龙固矿井龙固矿井 2302N下平巷支护下平巷支护方案选择方案选择 .................................................... 38 4.1 工程概况 ....................................................................................................................... 38 4.2 数值模拟方案 ............................................................................................................... 40 4.3 计算结果分析及方案选择 ........................................................................................... 44 4.4 小结 ............................................................................................................................... 53 5 结论与展望结论与展望 ............................................................................................... 54 5.1 主要结论 ......................................................................................................................... 54 5.2 展望 ................................................................................................................................. 54 参考文献参考文献 ....................................................................................................... 56 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 致谢致谢 .............................................................................................................. 61 作者攻读硕士期间主要研究成果作者攻读硕士期间主要研究成果 ................................................................. 62 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 Contents 1 I ntroduction .......................................................................................................... 1 1.1 Bckground and Significance .................................................................................................................. 1 1.2 Research Progress .................................................................................................................................. 1 1.3 The Main Research Contents and s............................................................................................ 7 1.4 Main Routes........................................................................................................................................... 8 2 Prestressed Truss Mechanism................................................................................. 9 2.1 Prestressed Anchor Truss Mechanism.................................................................................................... 9 2.2 Prestressed Anchor Cable Truss Mechanism ........................................................................................ 12 2.3 Difference Between Single Bolt Support and Prestressed Truss Support ............................................ 14 2.4 Summary .............................................................................................................................................. 17 3 Numerical Simulation of Prestressed Field by Prestressed Support ......................... 19 3.1 Simulation Software and Model Structure Selection Cells .................................................................. 19 3.2 Effect of Prestressed Field by Bolting Parameters............................................................................... 20 3.3 Effect of Prestressed Field by Bolt Supporting Parameters ................................................................. 28 3.4 Effect of Prestressed Field by Cable Truss Support Parameters .......................................................... 33 3.5 Summary .............................................................................................................................................. 37 4 The Selection of Support Scheme for LONGGU 2302N Under Drift ........................ 38 4.1 Project Overview .................................................................................................................................. 38 4. 2 Numerical Simulation Scenarios ......................................................................................................... 40 4.3 Calculation Results and Plan Choice ................................................................................................... 44 4.4 Summary .............................................................................................................................................. 53 5 Conclusion and Outlook ....................................................................................... 54 5.1 Main Conclusion .................................................................................................................................. 54 5.2 Prospect ................................................................................................................................................ 54 References ............................................................................................................. 56 Acknowledgments .................................................................................................. 61 The Main Achievements During on Master Paper ..................................................... 62 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 选题背景及意义选题背景及意义 关于煤炭工业“十三五”规划的思考[1]中提到我国是世界上煤炭生产和煤炭消 费水平最大的国家，是少数几个以煤为主要能源的国家之一，煤炭将长期以一次能源消 费占据主体位置。我国煤炭在生产和消费方面均超过世界总量的一半，煤炭约占一次能 源消费的 66，是世界平均水平 2 倍多。 目前，我国在煤炭资源开采方面已探明的煤炭资源总量占世界总量的 11.1，石油 和天然气已探明总量仅占世界总量的 2.4和 1.2。而我国煤炭资源有 2.95 万亿 t 埋深 在 1000 m 以下，占我国已探明煤炭资源总量的 53[2-3]。 随着开采深度的不断增加，巷道围岩逐渐显现出压力大、变形量大、难于维护的特 点[4-6]。在煤矿中，回采巷道的长度占矿井巷道总长度 60以上，且回采巷道大都为使用 年限较短的煤巷，煤巷围岩多呈块状或者层状结构，这类围岩自身强度较低、节理裂隙 发育明显、松散且破碎、易变形、完整性较差，煤巷会受复杂外部条件及采动影响，在 工程中多数回采巷道要维修 3-4 次才能保证生产系统的顺畅与安全，巷道维修使得矿井 浪费大量的时间、精力，造成财力、物力资源的消耗[7-8]。 针对深部回采巷道所表现出的明显大变形、流变特性、高地应力等特征，目前虽多 采用锚杆锚索网联合支护，但支护效果各有不同，支护效果的优劣取决于特定环境下具 有针对性的最优支护方案。回采巷道在矿井生产中量大、服务年限相对较短，近年来断 面逐渐加大且受采动影响大，如何维持回采巷道在生产期间的稳定性，关系到矿井安全 生产和经济效益。 因此，回采巷道支护虽是矿井生产中的常规问题，但也是煤矿生产中常见的难以解 决或对生产产生极大影响的问题。 1.2 国内外研究进展国内外研究进展 1.2.1 国内外关于深部回采巷道支护理论国内外关于深部回采巷道支护理论 自然平衡拱理论[9]俄国学者普罗托奇雅阔诺夫提出了该理论，指出深埋洞室开挖， 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 洞顶塌落后的洞室围岩具有一定的自承载能力， 从而推翻了洞室支护要被动支撑的思想。 应用自然平衡拱理论时要注意所挖洞室要有一定的埋深，理论公式根据弹塑性力学解算 得出，其中的普氏系数只能根据工程经验选取。因此，普氏理论并不是普适方法。 新奥法[9]新奥法全称为“新奥地利隧道施工法” ，是由奥地利学派学者缪勒教授等 人提出，新奥法的先进理念表现在对岩体的认识，该方法认为洞室开挖后岩体承担了围 岩压力的主要部分，应充分发挥围岩的自承载能力，视围岩为承载体，这也为锚杆支护 技术提供了理论依据。迄今为止，新奥法仍是国际各大岩土工程设计与施工中所应用的 权威性理论与方法。但新奥法也有其弊端，采矿工程中当巷道受采动影响较严重且围岩 较为软弱时，就要根据具体条件综合分析选择最佳支护理论。 悬吊支护理论[8] 路易斯阿.帕内科LouisA.panek认为锚杆支护的作用是将巷道软弱 易变形的顶板悬吊在上部较为稳定坚固的岩层上。当施加锚杆预紧力作用时，锚杆施加 的预紧力要大于上部锚固岩体所产生的重力。悬吊理论简明揭示了锚杆的作用，但在理 论分析过程中并没有将围岩的自承载能力考虑其中； 而且悬吊理论只能适用于巷道顶板， 对两帮及底板不适用，同时也不能适用于顶板无坚硬岩层情况。 组合梁理论 [8、10]组合梁理论认为，采用锚杆支护后，锚杆提供的轴向力将对各岩 层产生轴向约束，能增大各岩层之间的摩擦力，锚杆将作用范围内的岩层锚固形成组合 岩梁，从而减小岩层中的弯曲应变和应力，能对层状岩层中锚杆所起到的作用作出很好 解释。组合梁理论揭示了锚杆对岩层之间的作用，但当顶板岩层破碎、连续性很差时， 理论不再适用；组合梁理论同样是仅对巷道顶板进行研究分析，对巷道两帮和底板并不 适用。 组合拱理论 [8、10]当巷道掘进断面为拱形时，将预应力锚杆沿拱形巷道周边按一定 间距进行径向排列，锚杆共同作用形成的锥体压应力区相互叠加，扩展成一个能承受载 荷的均匀压缩带。锚杆支护的作用是形成压缩区，通过增大节理裂隙面及岩块间的摩擦 阻力抑制岩块的转动与滑移，改善围岩应力使其处于稳定的三向应力状态，提高岩体承 载能力，组合拱厚度越大，越有利于围岩的稳定。理论充分考虑了锚杆支护体系的整体 作用，使其广泛应用到软岩巷道支护中。组合拱理论只考虑了锚杆形成椎体简单的压应 力区叠加，没有对锚杆加固岩体本身力学行为进一步探讨。 围岩强度强化理论 [11-13]由侯朝炯、勾攀峰等提出该支护理论，指出巷道壁面打设 锚杆后，锚杆与围岩相互作用组成锚固体，促使岩体的残余强度和峰值强度显著提高， 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 构成了共同承载体，使得巷道围岩的承载能力充分发挥；锚杆支护改善锚固体的力学参 数，有效的控制围岩塑性区、破碎区的范围以及巷道变形量，保证巷道的安全性和稳定 性。 图 1.1 半圆拱巷道预应力锚杆形成的组合拱 Fig.1.1 Combined voussoir by prestressed anchor at semicircular arch 冯豫、陆家梁、郑雨天等 [14-15]提出的“联合支护理论”是基于新奥法形成的，该理 论核心观点认为，在巷道支护中，不能一直重视提高支护刚度，要重视支护的让压性。 依据此理论发展而来的支护方式有锚带喷架、锚喷网架技术、锚带网架技术、锚网喷技 术等联合支护技术。孙均、郑雨天教授等 [16-17]提出的“锚喷一弧板巷道支护理论”是对 联合支护理论的发展，认为在巷道支护中，一味重视让压将不能得到良好支护效果，因 此释放压力到一定程度时，为了更好限制围岩变形的进一步发展，要利用联合支护理论 中先柔后刚的刚性巷道支护形式，采取刚性支撑方案，选用高标号、高强度钢筋混凝土 弧板作为支护材料。 董方庭教授提出“围岩松动圈理论” [18]，该理论认为支护的作用体现在限制围岩 松动圈形成过程当中碎胀力所造成的有害变形，锚杆在此的支护作用主要是使碎胀的岩 体压实，抑制岩体破裂缝的过度破张。松动圈越大，支护越困难，在采用锚喷支护时应 对松动圈的大小进行确定。 方祖烈教授提出的“主次承载区支护理论” [19]认为，压缩区是体现围岩自承载能力 的关键区域，把压缩区域称为主承载区；巷道支护加固后会在围岩中形成张拉区域，也 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 具有一定的承载能力，但与压缩区域相比，张拉区域只起辅助的承载作用。 陆士良 [20]等对锚杆锚固力作用机理进行深入研究后认为，围岩的弹塑性变形已经完 成后，锚杆才开始布设，此时，锚杆所能产生的锚固力是围岩的峰后剪胀变形，因剪胀 变形的逐步发展，锚杆在径向和切向两个方向将产生支护阻力，以便它可以保持高应力 条件下的巷道围岩的稳定。 何满潮 [21-22]提出的“回采巷道力学支护理沦”认为，软岩巷道中，软岩变形、破坏 是复合型变形力学机制的作用效果， 复合型变形力学机制是软岩变形和破坏的核心原因， 同时提出了将复合型变形力学机制变为单一变形力学机制的支护理论。认为若要对软岩 巷道实施成功支护，须运用以下 3 个技术关键。 1正确的确定软岩变形力学机制的复合型式。 2有效的将复合型变形力学机制转化为单一型。 3合理的运用复合型变形力学机制的转化技术。 孙晓明、何满潮 [23]等阐述了“关键部位耦合支护理论” ， 软岩巷道围岩在塑性大变 形的作用下，发生的变形部位可以通过耦合支护而使得变形重新协调，最终抑制围岩有 害变形的进一步扩展，并且在最大程度上来依靠围岩的自承力，充分发挥刚性锚杆在支 护方面的作用。可以总结为主动促稳、适时支护，不要被动等稳。最终达到荷载的均 匀化、支护的一体化，实现巷道稳定。并提出了支护体与巷道围岩在刚度、强度和结构 方面耦合是软岩巷道支护达到耦合的基本特征。 “巷道支护的能量原理” [8]最早由苏联煤矿科学研究院提出，他们认为巷道开掘后 围岩将释放能量，从而引起围岩的应力重新分布、产生位移和破裂。弹性应变能量级较 低，加之弹性位移通过声速的方式进行传播，因而弹性应变能短时间内释放完毕，未对 支护产生影响。在没有支护的情况下，来自塑性区范围内的