金源煤矿煤巷锚网支护方案优化研究.pdf

分类号分类号TD353TD353密密级级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 金源煤矿煤巷锚网支护方案优化研究金源煤矿煤巷锚网支护方案优化研究 孙孙 长长 民民 申请学位级别申请学位级别工程工程硕士硕士领域领域名名称称矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名连连 传传 杰杰职职称称教教授授 副副指导教师姓名指导教师姓名谭谭 仕仕 侃侃职职称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇〇六年五月二〇〇六年五月 论文题目论文题目 金源煤矿煤巷锚网支护方案优化研究金源煤矿煤巷锚网支护方案优化研究 作者姓名作者姓名 孙孙 长长 民民入学时间入学时间 20042004 年年 4 4 月月 领域名称领域名称 矿业工程矿业工程研究方向研究方向 特特 殊殊 开开 采采 指导教师指导教师 连连 传传 杰杰职职称称 教教授授 副指导教师副指导教师谭谭 仕仕 侃侃职职称称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期20062006 年年 5 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期20062006 年年 5 5 月月 授予学位日期授予学位日期 COAL ROADWAY BOLTMESH SUPPORT OPTIMIZATION STUDY OF JINYUAN COLLIERY ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of ENGINEERING MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Sun Changmin Supervisor Professor Lian Chuanjie Senior engineer TanShikan College of Natural Resources and Environmental Engineering May 2006 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和世世 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。交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 Engineering Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The paper has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 摘摘要要 锚网支护作为一种高效、经济、安全的煤巷加固技术，已日益广泛地应用于各类巷 道中。由于锚杆，尤其是预应力锚杆加固围岩的作用机理比较复杂，到目前为止，对锚 杆作用机理的研究仍处于探索阶段，还没有形成系统的理论体系，煤巷锚杆支护设计也 主要依靠工程类比法来实现，理论严重滞后于实践，尤其是在煤矿巷道支护中表现得尤 为突出。本文根据煤矿巷道的围岩特点，利用预应力锚杆支护具有早承载、快承载、可 充分调动围岩自承载能力的特点，对煤矿中的回采巷道进行普通锚网支护与预应力锚杆 锚网支护对比研究。实践表明，当锚杆施加一定预应力后，锚固顶板可形成组合梁结构， 减少顶板拉应力区和顶板变形，并改善围岩应力分布状态，提高巷道的稳定性。 本文根据煤矿中回采巷道的特点，建立了多个数值计算模型，利用有限元计算软件 ANSYS 对不同支护参数下的回采巷道进行了数值模拟研究，得到了预应力锚杆锚网支护 条件下巷道的变形和围岩应力分布特征，根据定义的安全系数，可判定围岩的破坏区域 和破坏程度。 最后结合济宁金源煤矿 1311 工作面回风顺槽的锚网支护工程实例， 通过数 值计算分析， 确定了预应力锚杆支护的基本参数， 显示了预应力锚杆锚网支护的优越性。 关键词关键词锚网支护预应力锚杆煤巷煤矿 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 ABSTRACT Being an efficient and economical and safty reinforcing technique, bolt support with mesh has been widely used in different underground roadways. For complexity of interaction between bolt and surrounding rock, especially prestressed bolt, the reinforced principle is still in exploring stage and does not perfectly theory system. The bolting design new mainly depends on engineering analogy and the design theory seriously falls behind the engineering practice especially in entry support of coal mine. According to the characteristics of entry surrounding rock in coal mine, the prestressed bolting for developing entry in coal mine has been contrast studied because the prestressed bolt possesses the characters of early load bearing and quickly loadbearing and high surrounding rock loadbearing ability. The practice indicated that anchorage roof can a combined beam structure, reduce roof tensile stress area and roof distortion, ameliorate surrounding rock stress distribution and enhance the stability of entry after a suitable prestress is applied to the bolt. According to the characteristic of developing entry, some numerical models have been established in this paper and the roadway distortion and surrounding rock stress distribution have been obtained by using ANSYS to simulate developing entry in different bolting parameters. According to safety factor, the destruction area of surrounding rock can be determined. At last, the prestressed bolting designs for Jinyuan colliery were used at the return way of face 1311, and the support effect is better than that of other general belts. Keywords bolting support with wire mesh, prestressed bolt, coal roadway, coal mine 山东科技大学工程硕士学位论文目录 目目录录 1 1 绪论绪论1 1.1 问题的提出1 1.2 锚杆支护技术的发展历史2 1.3 预应力锚杆作用机理的研究现状4 1.4 本文研究的主要内容5 2 2 锚杆支护的作用机理研究锚杆支护的作用机理研究7 2.1 煤巷围岩的变形破坏特征7 2.2 锚杆加固围岩的理论分析8 2.3 我国锚网支护存在的问题及发展方向15 2.4 本章小结17 3 3 回采巷道数值模拟分析研究回采巷道数值模拟分析研究18 3.1 回采巷道的特点18 3.2 岩石强度准则18 3.3 预应力锚杆支护参数选用分析20 3.4 数值计算方法的选择23 3.5 数值模拟计算软件的选择26 3.6 回采巷道模拟结果分析27 3.7 巷道围岩应力分布的影响因素分析39 3.8 本章小结41 4 4 工程设计及应用工程设计及应用42 4.1 1311 工作面轨道顺槽锚网支护设计42 4.2 施工技术要求及安全措施56 4.3 本章小结60 5 5 结论与展望结论与展望61 5.1 主要结论61 5.2 展望62 参考文献参考文献63 致谢致谢67 山东科技大学工程硕士学位论文目录 CONTENTS 1 Introduction1 1.1 The questions to be studied..1 1.2 Bolting technique development process2 1.3 The status about prestressed bolting mechanism4 1.4 The main study contents5 2 Study on bolt support mechanism.7 2.1 Distortion and destruction characteristic of coal roadway.7 2.2 Mechanism analysis on prestressed bolt reinforcement surrounding rock8 2.3 The existence problem and development aim of bolt with wire mesh support in China15 2.4 Brief summary..17 3 Numerical simulation of extraction opening..18 3.1 The characteristic of extraction opening18 3.2 Rock strength criterion18 3.3 Parameters selection analysis of prestressed bolting20 3.4 Selection of numerical computation s23 3.5 Selection of the numerical simulation computation software26 3.6 Simulation results of extraction opening27 3.7 Influence factors analysis on entry surrounding rock stress distribution39 3.8 Brief summary41 4 Engineering design and application42 4.1 The bolt support with wire mesh design for 1311 haulage roadway..42 4.2 The bolt construction technical management and safety measures56 4.3 Brief summary..60 5 Conclusions and forecast61 5.1 Conclusions..61 5.2 Forecast62 References63 Acknowledgments.67 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 1 1 1 绪论绪论 1.11.1 问题的提出问题的提出 我国的煤炭资源丰富，现煤炭产量居世界首位，而且煤炭在我国一次能源生产和消 费中占 75﹪左右。据有关部门预测，在未来 20～50 年内，我国一次能源生产和消费以 煤为主的格局不会有太大改变。 由于我国煤炭赋存条件复杂，绝大多数矿井采用井工开采。巷道作为煤矿井下生产 的脉络，每年巷道掘进和维护达千万米，保持其畅通和完好状态对改善井下的劳动条件 和作业环境以及防止巷道顶板事故，对保证矿井正常生产和安全生产具有重要意义。 近年来，国内外经济、政治形势在发生着不断的变化，国际人权斗争日趋尖锐，对 煤矿特别是监狱煤矿的安全生产提出了更高的要求。因此，金源煤矿积极筹措资金，不 断加大安全技术措施投入，机械化程度不断提高，目前其顺槽支护主要是矿工钢梯形支 架和 U 型钢可缩支架。这两种支护形式钢材消耗量大，成本高，施工架设体力消耗大； 与锚杆支护相比，矿工钢金属支架是一种被动式支护，不能主动加固破裂煤（岩）体， 且动压适应性差，在工作面顺槽中使用支护维护效果较差；随着高产高效工作面建设力 度的加大，工作面推进速度加快，工作面端头维护和矿工钢支架回收工作量大的问题较 为突出，煤巷支护改革迫在眉睫。 锚杆支护作为一种有效的回采巷道支护方式，由于对巷道围岩强度的强化作用，可 显著提高围岩的稳定性，加之具有支护成本较低、成巷速度快、劳动强度减轻、提高巷 道断面利用率、简化回采面端头维护工艺、明显改善作业环境和安全生产条件等优点， 可提高矿井的经济效益，因而成为世界各国矿井巷道的一种主要支护形式，代表了煤矿 巷道支护技术的主要发展方向。 煤巷采用锚网支护技术不仅能够显著提高巷道支护效果，增加安全程度，而且可以 节约大量的支护和维修费用， 在减轻劳改人员劳动强度的同时， 能够改善井下作业环境， 提高产量，为矿井高产高效创造条件。 金源煤矿为了改变井下煤巷的被动支护局面，开始采用了普通全螺纹钢锚杆，由于 锚杆强度低，预应力小，很难有效控制巷道变形，特别在工作面回采期间，顺槽变形严 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 2 重，个别地方需翻修，为矿井的安全生产带来隐患。经过现场实践的检验，采用高强可 变形让压锚杆，通过施加足够的预应力，可以有效地控制巷道变形，巷道在工作面回采 期间也变形很少，取得了很好的技术经济效果。 由于我国煤矿面临的地层结构非常复杂、工作空间也十分有限，锚网支护技术在煤 巷支护中的应用受到了限制，发展比较缓慢，尤其是在像金源煤矿这样地质条件复杂、 地质灾害严重的矿区，发展预应力锚固技术更为困难。至今，预应力锚固技术在很多国 家煤矿中的应用还很不成熟，没有形成系统、成熟的理论。现有的预应力锚固技术只是 在少数国家部分煤矿中得到了应用， 由于此技术在各种规程中都没有明确和具体的规定， 不具有可操作性， 在煤矿中主要采用的是工程类比法， 没有统一的理论指导和科学依据， 存在明显的不合理性，因此对预应力锚固技术的作用机理及合理参数设计进行研究具有 重要的现实意义[1]－[8]。 1.21.2 锚杆支护技术的发展历史锚杆支护技术的发展历史 1.2.11.2.1 国外锚杆支护的发展现状国外锚杆支护的发展现状 由于锚杆支护显著的技术经济优越性，现已发展成为世界各国矿井巷道以及其它地 下工程支护的一种主要形式。 早在 20 世纪 40 年代，美国、前苏联就已在井下巷道使用了锚杆支护，以后在煤矿、 金属矿山、水利、隧道以及其它地下工程中迅速得到了发展。西欧、中欧一些主要产煤 国家， 过去巷道支护主要采用金属支架支护， 随着巷道维护日益困难和支护成本的增加， 各国均在积极发展锚杆支护。几十年来，世界锚杆支护经历了如下发展过程20 世纪 40 年代，机械式锚杆研究与应用；50 年代，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； 60 年代， 树脂锚杆推出并在矿山得到应用； 70 年代， 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；80 年代，混合锚头锚杆、 组合锚杆、桁架锚杆、特种锚杆等得到应用，树脂锚固材料得到改进。 美国、澳大利亚等国由于煤层埋藏条件较好，加之锚杆支护技术不断发展和日益完 善，因而锚杆支护使用很普遍，在煤矿巷道的支护比重几乎达到了 100％。法国煤巷锚 杆支护的发展也很迅速，到 1986 年其比重已达 50％。 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 3 1.2.21.2.2 我国煤矿锚杆支护技术的发展现状我国煤矿锚杆支护技术的发展现状 我国从 1956 年起在煤矿岩巷中使用锚杆支护，至今已有 50 年的历史。20 世纪 60 年代锚杆支护开始进入采区，但由于煤层巷道围岩松软，受采动影响后围岩变形量大， 对支护技术要求很高，加之锚杆支护理论、设计方法、锚杆材料、施工机具、监测手段 等还不够完善，因而发展缓慢。 煤巷锚杆支护不同于一般岩巷的锚（网）喷支护，它的主要形式是单体锚杆、锚杆 加金属网或锚杆加钢带加金属网，或者锚杆加钢筋梁加金属网，简称锚网、锚带网、锚 梁网支护。 在“八五”期间，原煤炭工业部把煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行攻关，取得 了一大批水平较高的科研成果，并应用于新汶、铁法、兖州、峰峰、淮南等多个矿区， 基本上解决了一般条件下巷道支护问题。但是对于困难条件，如复合顶板、破碎顶板、 煤层顶板巷道，以及沿空掘巷等，锚杆支护的可行性和适用性还没有得到深入细致的研 究。我国进入“九五”期间，原煤炭工业部“锚杆支护”列为煤炭工业科技发展的五个 项目之一，展开了更深入、细致的实验研究。经过联合攻关，煤巷锚杆支护技术有了较 大提高，取得了不少宝贵经验，主要有单体锚杆支护，锚网支护，锚梁网支护，桁架锚 杆支护，沿空巷道锚杆支护等等，同时，困难条件下锚杆－锚索联合支护技术得到了应 用，并取得了良好的效果。 在煤矿井巷工程中，锚网支护目前已成为世界产煤国家巷道支护的主要形式，而我 国煤矿锚网支护比例仅 30％，从使用条件看，国外煤巷锚杆支护均使用在煤质中硬以上 的煤层中，我国煤巷锚杆支护主要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类 回采巷道，在软岩回采巷道、深井巷道、受采动影响的巷道等复杂困难条件下，锚网支 护正进行试验性研究。由于锚杆锚固力不足和可靠性差等问题，这些巷道采用普通锚网 支护很难有效控制巷道变形。因此，在困难地质条件下发展锚网支护还有很大潜力，发 展煤巷锚网支护是我国继推行综采后的第二次重大支护技术革命，将给我国煤矿带来巨 大的经济效益。 目前，指导锚网支护的多种理论均从不同的方面解释了锚杆支护机理，分别提出了 锚杆支护参数的计算公式。但在井下工程实践中，随着岩性和顶板结构的变化，现在尚 无综合各种支护机理的锚网支护参数计算方法。对复杂困难条件下的巷道围岩实施锚杆 支护，必须确定哪一种支护机理起主要作用。 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 4 1.2.31.2.3 预应力锚固技术在煤矿中的应用历史预应力锚固技术在煤矿中的应用历史 20 世纪 50 年代中期，预应力锚固技术已经开始在煤矿井巷锚喷支护中应用，如胀 壳锚杆、倒楔锚杆、树脂锚杆、水泥卷粘结锚杆，均为端头锚固的预应力锚杆。尽管这 些锚杆应用数量很大，但其长度较短，钢材强度较低，因而施加的预应力较小，达不到 理想的效果，预应力锚固技术的发展也比较缓慢[9]。20 世纪 70 年代末，美国首次将涨 壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，使得锚杆能承受很高的预应力，同时锚杆的直径和强 度有了进一步的提高（直径达到 22mm 和 25mm，强度达到 517MPa） ，锚杆的高预应力可以 达到杆体本身强度的 50％～70％。现在美国煤矿巷道锚杆的预应力一般为 100kN 左右， 可很好地控制巷道层状顶板的离层。另外，英国研制的锚固力达 500kN 的“大锚杆” ，也 在巷道支护中取得了成功和推广[9]。由于高预应力锚杆能够有效控制顶板的离层，因而 巷道的顶板变形就能得到有效控制，安全状况得到改善。采用预应力锚杆可以加大锚杆 的间排距，减少锚杆的用量，提高掘进速度，降低掘进成本，具有巨大的发展空间和良 好的发展前景。 由于我国煤矿的地质条件相对较复杂，含煤地层的围岩比较软弱且破碎，而且多种 锚固机具的配套设备不够完善，因此预应力锚杆在煤矿中的应用和发展受到了很大的限 制，现在还很不成熟、不完善。尽管现在已有少数煤矿采用了预应力锚杆来加固巷道围 岩，但由于预应力锚固技术的作用机理比较复杂，没有统一的认识，主要采用工程类比 法进行设计，存在很大的不确定因素，预应力锚固技术的优越性得不到充分体现。虽然 预应力锚固技术在煤矿中的应用发展较慢且存在很多问题，但其良好的支护效果已经被 国内外的矿山支护实践所证实。随着煤矿开采深度的增加以及巷道断面的增大，原有棚 式支护以及普通锚杆支护方式已经滞后于煤矿生产高产高效的需要，预应力锚杆的优势 将得到进一步的体现，具有良好的应用前景。 1.31.3 预应力锚杆作用机理的研究现状预应力锚杆作用机理的研究现状 到目前为止，对预应力锚杆作用机理的研究仍处于探索阶段。早期，一般认为锚杆 具有悬吊作用、组合梁作用和挤压加固作用，与此相对应提出了传统的三种锚杆支护理 论，即悬吊理论、组合梁理论、组合拱（压缩拱）理论[10]。由于每一种理论都是在特定 的条件下，以一定的假说为基础的，各自从不同的角度阐述了锚杆支护的作用机理，具 有特定的适用条件。近年来，人们根据不同的岩体强度理论，对锚杆的作用机理进行了 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 5 多种理解和解释，如从岩体塑性理论上分析，认为锚杆具有限制岩体流变松弛的作用； 从脆性断裂强度理论上分析，认为锚杆具有降低裂隙尖端应力强度因子的作用；从损伤 理论分析，认为锚杆可以降低岩体节理面损伤因子，增加承载面积，降低节理岩体的有 效应力的作用。同时，人们以弹性、弹塑性、粘弹性力学为基础，在锚杆的计算方面进 行了有益的探索。如王明恕在试验和理论分析的基础上提出了全长粘结式锚杆的“中性 点”理论；杨根社、何唐镛提出了戴垫板锚杆的中性点公式；葛友庭、黄新良以弹塑性 力学为基础，推导出了锚固区的应力分布，即 Mindin－Boussinesp 解等，但是由于预应 力锚杆与围岩的作用机理比较复杂，至今尚无统一的结论，其作用机理值得进一步分析 研究。现在人们认识到从理论上探索预应力锚固作用机理存在一定困难，因此很多研究 工作者把研究工作转向数值计算和模型试验方面，取得了一定的成果[1,13～36]。 在模型实验方面，苏锦昌通过光弹实验，分析了预应力压缩区范围与锚杆长度和间 距的关系，但由于模型的尺寸较小，受模型和模拟材料的影响，其成果只能定性地反映 这一问题。顾金才、沈俊（1991 年）进行了单根预应力锚杆的模拟实验，获得了预应力 锚杆加固区围岩纵向应力分布和锚固区的形状[1]。近些年，很多学者在现场通过对预应 力锚杆实际测试，得到了预应力锚杆的轴力分布规律，所以这些实验工作虽然有一定的 局限性，但这些工作都为预应力锚杆（索）作用机理的研究提供了有益的指导作用。 近年来，随着计算机技术的飞速发展，以有限单元法为代表的数值计算方法在很多 领域得到了广泛应用。岩石力学问题的数值计算方法主要有有限单元法、有限差分法、 边界单元法及离散单元法[11]。由于地下工程的地质条件复杂多变，无论是理论分析或是 模型实验方法都很难求得精确解，而且也不利于现场技术人员理解。实践证明，在模拟 岩土体的复杂状态及锚杆的支护作用方面，数值计算方法为问题求解提供了有效的计算 方法。但是，在数值计算前，力学模型与力学性质参数的确定需要有岩石力学理论指导 以及现场实测的原始数据。现在很多地下工程采用了数值计算的软件对工程进行设计， 其工作思路为首先深入现场提取原始数据，然后进行数值模拟，确定设计方案，最后 进行现场监测检验，修改设计，确定最终设计方案。这种方法已经为很多现场技术人员 所接受，具有很大的灵活性，适应性强，结果较准确[12]。 1.41.4 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 本文主要研究锚网支护在加固煤巷中的作用机理，根据不同的围岩条件，用大型有 限元计算软件 ANSYS 模拟预应力锚杆在不同支护参数作用下的围岩变形情况以及巷道围 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 6 岩中的应力分布情况，根据模拟结果分析、总结预应力锚杆对围岩的支护效果，确定主 要影响因素，然后根据具体条件结合数值计算的结果确定合理的支护参数，提出系统的 锚网支护工作程序， 结合金源煤矿煤巷的具体条件， 根据实际的围岩条件和巷道的形状、 尺寸等因素，结合以上的理论分析和 ANSYS 模拟的结果，得到合理的预应力锚杆加金属 网的支护参数，并对煤巷支护进行设计、施工和检测，根据煤巷支护效果对巷道支护进 行优化研究，使金源煤矿顺槽锚杆支护设计经济、有效。 本文完成的主要工作包括 （1）分析地下工程中围岩的特点、巷道的变形破坏机制以及锚杆的作用机理。 （2）在理论分析和数值模拟的基础上研究锚杆，尤其是预应力锚杆与围岩的相互作 用机理。 （3）利用大型有限元计算软件 ANSYS 对预应力锚杆支护的回采巷道进行模拟分析， 总结预应力锚杆煤巷的特点，分析煤巷围岩的应力分布特征，确定合理的锚杆支护参数 和工作程序。 （4）利用分析获得的规律，结合金源煤矿进行回采巷道的数值计算，确定支护设计 的基本参数， 然后进行初步支护设计， 根据设计进行 1311 工作面轨道顺槽锚网支护施工。 然后，根据巷道在工作面回采过程中的变形情况对锚网支护方案进行优化。 山东科技大学工程硕士学位论文锚杆支护的作用机理研究 7 2 2锚杆支护的作用机理研究锚杆支护的作用机理研究 2.12.1 煤巷围岩的变形破坏特征煤巷围岩的变形破坏特征 由于工作面回采工作的需要， 需要在工作面上侧方挖掘轨道和运输顺槽以满足通风、 运输、行人等的需要。同时要保证顺槽在其服务期限内的稳定性。由于空间的开掘，破 坏了原岩的应力平衡状态，致使围岩由原来的三向应力状态，变为二向甚至单向应力状 态，使围岩的岩石强度大大降低，并产生应力转移、集中，使空间周围的岩体发生变形 甚至破坏。 一般情况下，空间开挖后，空间围岩的破坏由表及里发展，根据破坏程度和继续变 形的能力不同，可以把空间周围的岩体分为四个区第Ⅰ区为完全丧失了结构能力，成 为破碎的岩块，无法承受继续变形，且因重力作用可随时冒落的破碎区；第Ⅱ区为具有 一定的破坏程度，但仍具有一定的变形能力，可承受部分外载，在围岩的维护期限内不 会转变为第Ⅰ区的塑性区；第Ⅲ区为受较小甚至不受空间开挖影响的弹性区，它具有较 大的变形能力，可以承受较高荷载；第Ⅳ区为原岩应力区，如图 2.1。 塑性区 破碎区 弹性区 原岩应力区 P0 P0 P0 P0 图 2.1圆形巷道围岩破坏示意图 Fig.2.1 Diagrammatic drawing of circular roadway surrounding rock crack 对于煤矿这个特殊的地下工程而言，巷道围岩的层状结构明显，且围岩的强度一般 山东科技大学工程硕士学位论文锚杆支护的作用机理研究 8 偏低，且顺槽还将受到工作面采动压力的影响，会再次产生应力集中。煤矿中巷道顶板 的破坏主要是由于岩层的破裂和离层引起的，因此，如何控制煤矿巷道的顶板破裂和离 层的发生是控制巷道稳定的关键因素。在巷道掘进的短时间内，围岩的弹性变形和塑性 变形已经基本结束，维护巷道围岩的目的就是阻止围岩的进一步变形破坏。 图 2.2 是巷道开挖后围岩变形与支护抗力 P 之间关系的特征曲线。由特征曲线可以 看出，要求围岩产生的变形越小，需要的支护抗力越大。当围岩变形超过允许值时，围 岩就产生破坏，形成作用于结构体上的“松散压力” ，此时支护结构的荷载反而增大。在 特征曲线的 K 点处进行支护，则是以最小的支护抗力维护围岩稳定，及时有效地限制围 岩有害变形的发展。采用预应力锚固技术可以及时均匀地提供支护抗力，有效地限制围 岩有害变形的发展，维护围岩的整体稳定[1]。 图 2.2巷道围岩变形与支护特征线 Fig.2.2 The characteristic curve of surrounding rock distortion and its support 2.22.2 锚杆加固围岩的理论分析锚杆加固围岩的理论分析 巷道稳定取决于围岩特性和工程开挖两个方面，前者表现为对工程力和环境因素的 敏感性，后者表现为对原岩的扰动作用和开挖的空间效应。可见稳定是包括围岩材料稳 定和空间结构稳定两个方面，前者是强度范畴的问题，后者是变形范畴的问题。巷道失 稳主要是指空间结构失稳，围岩材料失稳最终也表现为空间结构的失稳，因此用变形来 判断稳定是最基本最主要的手段。维护的原理是支护体系、支护结构和参数以及施工 工艺过程适应围岩变形的力学状态， 确保支护特性和围岩变形力学特性相适应、 相匹配， 以达到最大限度发挥围岩自承能力和支护体系支承能力，以控制围岩变形、维护巷道稳 定的目的。 山东科技大学工程硕士学位论文锚杆支护的作用机理研究 9 2.2.12.2.1 锚杆支护的理论基础锚杆支护的理论基础 常用的锚杆支护理论有悬吊理论、组合梁理论、组合拱（压缩拱）理论、最大水 平应力理论。这些理论都是以一定的假说为基础，各自从不同的角度、不同的条件阐述 了锚杆支护的作用机理。由于其力学模型简单，计算方法简明易懂，因此得到了很多技 术和施工人员的认可。近年来，又提出了巷道锚杆支护围岩强度强化理论，进一步丰富 了锚杆支护理论，扩大了锚杆支护技术的范围[8,9,10,11,44～54,67]。 （1）悬吊理论 悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上， 以增加较软弱岩层的稳定性，如图 2.3 所示。悬吊是锚杆最简单、最基本的作用。 笔者认为悬吊应分为广义悬吊和狭义悬吊两个方面。广义的悬吊是指巷道开挖后， 直接顶因弯曲、变形与老顶离层，锚杆的作用就是把直接顶挤压并悬挂在坚硬老顶上， 以减小和限制直接顶的下沉和离层，其典型的应用是大型地下工程的锚索加固。狭义的 悬吊是指锚杆的头部锚固在巷道周围塑性区（或松动圈）外的稳定岩体里，其需要的锚 杆长度要比广义的悬吊的锚杆长度短很多，它是高预应力短锚杆能够得到应用的理论基 础。广义的悬吊包括了狭义的悬吊，只是二者的适用性有差别。 图 2.3锚杆的悬吊作用 Fig.2.3 Hanging function of bolt 悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用，在分析过程中不考虑围岩的自承载能力， 而且将被锚固体与原岩分开，与实际情况有一定差距。 （2）组合梁理论 如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用包括两个方面，一方面是依靠锚杆 的锚固力增加各层间的摩擦力，防止岩层沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一 方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪强度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚 山东科技大学工程硕士学位论文锚杆支护的作用机理研究 10 固范围内的几个薄岩层锁紧成为一个较厚的岩层（组合梁） 。 对于平顶巷道的层状岩石顶板，可以看作是以巷道两帮为支点的叠合梁，在荷载作 用下，叠合梁各层岩石都有各自的单独弯矩，每层岩石的上、下边缘分别处在受压和受 拉状态。组合梁前后的挠度及内应力对比图如图 2.4 所示。 由材料力学知识可知，当叠合梁各岩层的弹性模量相同时，组合梁所受到的最大拉 应力及挠度与叠合梁的比值分别为 （2.1） 2 1 1 2 max max            n i i n i i l c h h   PP - - - - 图 2.4 组合梁形成前后的挠度及内应力对比图 Fig.2.4 Deflection