灵新煤矿动压条件下巷道支护技术研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 灵新煤矿动压条件下巷道支护技术研究 姓名武书泉 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师来兴平；杨春林 2011 论文题目灵新煤矿动压条件下巷道支护技术研究 专 业矿业工程 硕 士 生武书泉 签名 指导老师来兴平 签名 杨春林 签名 摘 要 动压作用下巷道稳定性控制技术依然是制约煤矿安全高效开采的难题之一。 神华宁 夏煤业集团灵新煤矿 L3515 机巷围岩赋存条件较差，受上部煤层开采的动压影响，巷道 围岩变形较大，巷道稳定性控制难度大，造成了人力、物力和财力的浪费。本论文采用 理论分析、室内实验、数值模拟和现场监测等方法及手段，针对灵新煤矿动压作用下巷 道支护存在的问题，对锚杆支护参数进行优化、对技术方案进行调整。比较分析了巷道 在不同的开采技术条件下围岩的矿压规律，优化确定了 L3515 机巷的支护方案。提出并 实施了针对性现场监测方法，综合分析了巷道在掘进期间、掘后稳定期间及受一次或二 次采动影响期间巷道矿压规律，结果表明，高预应力锚杆支护技术对动压巷道具有很好 的适应性，达到了预期的效果。本研究成果在神华宁夏煤业集团灵新煤矿 L3515 工作面 试验点得以成功应用，取得了良好的技术经济效果。对类似条件下巷道稳定性控制具有 借鉴意义。 关 键 词灵新煤矿；动压巷道；高预应力锚杆；巷道支护；监测 研究类型应用研究 Subject Research on Roadway Support Technology Under the Condition of Dynamic Pressure in LingXin Coal Mine Specialty Mining Engineering Name WU Shu-quan Signature Instructor LAI Xing-ping Signature Yang Chen-lin Signature ABSTRACT The control of roadway stability under the condition of dynamic pressure is one of the problems constrainting safe and efficient coal mining.L3515 roadway in LingXin coal mine of Shenhua Ningxia Coal Industry Group has a conditions of poor occurrence surrounding rock,by the upper part of the dynamic pressure of coal mining, large deation of surrounding rock has occoured,roadway is difficult to control, which leads to a waste of human,material and financial resources.In this thesis,theoretical analysis,laboratory experiment,numerical simulation and field monitoring s are used to settle the problem of roadway support under the condition of dynamic pressure,the parameters of technical bolting are optimized and the program is adjusted.The laws of mining tunnel in different rock strata under are comparatively analysed to optimize and determine the support scheme of L3515 roadway.The targeted on-site monitoring s are proposed and implemented, the pressure laws of the tunnel during the pre-excavation,after-excavation and after one or two mining activities are comprehensively analysed,the results show that high pre-fixed bolting technology has a good adaptability to the roadway and achieves the desired results.The research results have be successfully applied to linxin coal mine of Shenhua Ningxia Coal Industry Group in the L3515 roadway,obtaining a good technical and economic results.which provides reference for the roadway stability control in the similar conditions on the roadway. Keywords LingXin coal mine Roadway High Pretension Bolt Roadway support Monitoring Thesis Application research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景与意义 长期以来，软岩巷道的围岩控制机理与技术一直是煤矿开采领域的重大研究方向，这 一研究课题在我国“九五”科技攻关期间取得了长足的发展进步[1,2]。据中国煤炭工业协会煤 矿支护专业委员会统计[3]，2008 年国有大中型煤矿锚杆支护率接近70，实现了由棚式支 护为主向锚杆支护的逐步转化，取得了显著的经济和社会效益。但是巷道顶板的安全可靠 度仍不能满足矿井安全生产的需要。2008 年全国煤矿共发生各类事故 1954 起，死亡 3215 人； 其中顶板发生事故1032起， 死亡1222人； 分别占事故起数和死亡人数的52.8和38.0， 所占比例最大。万分之三到万分之五的冒顶率和五至十万米一次的死亡事故率仍制约着煤 巷的安全施工， 在年掘进进尺高达15000 公里的浩大井巷工程约 80为软岩巷道和半煤岩 巷中如何有效提高支护对巷道的安全控制成为矿井最关注的支护和安全技术问题之一[4]。 推动煤矿支护技术进步，促进煤矿安全生产是每一个煤炭科技工作者义不容辞的责任。 灵新煤矿四采区主采的六号煤层，地质储量 1138.7 万吨，可采储量 554 万吨，南翼 厚，北翼薄，南翼煤层厚度 2.4～2.8 米，平均 2.6 米，北翼煤层厚度 1.06～2.09 米，平 均 1.58 米，与上覆二号煤层层间距 47.6 米～63.6 米，平均层间距在 57.8 米左右，煤层 开采后，工作面顶部“三带”高度依据相似条件下的科研成果计算为 58.8 米，没有安全岩 柱，冒落裂隙带直接与上部二煤连通，但根据地质补充勘探资料和毗邻的磁矿老矿工回 忆，四采区顶部及浅部煤层露头附近都有老空区，但补勘报告提交资料对老窑区范围和 开采情况都没有明确表述，只有一个推测的大概范围，具体积水深度、积水量和静水位 标高均未明确指出， 工作面沿煤层掘进巷道时遇古小窑或巷道发生冒顶后顶板裂隙带与 顶部二号煤层老空区导通，受老空水影响，将发生重特大透突水事故，因此需要研究 并提出探放水技术方案，并积极组织探放水工程施工，消灭矿井水患，保证巷道安全掘 进和支护可靠。 矿井投产初期，由于主采煤层赋存条件简单、产量小，矿井的采掘接续关系相对和谐。 但随着矿井发展的需要，需在原有系统的基础上提升矿井的生产能力，矿井产量加大后， 工作面推进速度加快，造成矿井上部煤层工作面开采和下部煤层巷道掘进相向进行，使部 分巷道在掘进时就受到采动影响，当本工作面开采时，该部分巷道因受到二次采动影响而 破坏加剧，尤其在煤层层间距较小时，即使采用“锚网与架棚”的联合支护方式也不能有效 维护巷道，致使巷道变形大，棚梁扭曲变形严重，断面不能满足运输和通风的需要，严重 影响了矿井的安全、高效生产，导致矿井接替紧张、回采工作面推进困难。 同时，井田内各可采煤层顶底板岩性主要为细砂岩及粉砂岩，泥岩次之，部分煤层在 西安科技大学工程硕士学位论文 2 局部范围内有泥岩或炭质泥岩的伪顶、伪底，在煤系地层的顶部有一定数量的粗粒砂岩及 中粒砂岩构成煤层的直接顶板。该井田由于在成煤阶段岩石成熟度较低，因此岩石一般比 较松软，特别是泥岩及粉砂岩类。砂岩胶结物大部分为铝土质及钙质，所以质地比较松软， 仅部分砂岩较为致密坚硬。在天然状态下较为完整、坚硬，力学性能良好，遇水后短时间 内迅速膨胀、崩解和泥化。钻孔岩芯取出后在地表暴露约一月后的粉砂岩和泥岩，即风化 成碎块。较松软的砂岩易风化成碎块，只有坚硬致密的细砂岩耐风化。而且井田地下水非 常发育，许多地段顶板围岩呈泥状，用手就可以将其捏碎，泥化围岩锚固性能较差，巷道 顶底板稳定性较差。 所以矿针对灵新煤矿试验巷道 L3515 工作面机巷支护受水患和动压影响，解决动压 及水患影响巷道支护技术，对灵新煤矿的安全生产和高产高效具有极大的意义，同时对整 个宁东矿区乃至全国其他矿井的类似巷道都有一定的借鉴作用。 1.2 国内外研究现状 我国自上个世纪七十年代以来，在煤炭、冶金、土建、水电、铁路、公路、人防等行 业遇到的地下软岩工程越来越多，特别是煤炭行业，由于从北到南一系列第三纪褐煤田的 不断开发，使得地下巷道有相当一部份分布于软岩中，支护困难。当前，我国煤矿维护的 软岩巷道近百万米之多，花费了大量的维护费用。 四十多年来，国内外岩石力学界对软岩工程问题进行了广泛的研究。自l982 年东京召 开了第一届软岩国际研讨会以来，软岩方面的国际性会议已开过多次。中国岩石力学与工 程学会于1995 年专门成立了软岩工程专业委员会， 经许多学者的共同努力， 如对甘肃金川 矿区软岩问题的全国性科技攻关等， 使得我国在软岩支护理论[5,6]和软岩支护技术[7]研究方 面取得了较大的进展。尤其是近年来，随着软岩问题越来越突出，我国在软岩支护技术方 面发展较快，形成了砌碹支护技术[8,9]、锚喷支护技术[10]、锚网索组合支护技术[11]、钢支架 支护技术[12]、锚注支护技术[13]、锚碹支护技术[14]以及以上技术形成的联合支护技术等。 现在出现了工程实践超前理论研究的局面，从而制约了支护技术的进一步发展，给工 程支护带来了很大的盲目性[15]。如自从将“新奥法”引入软岩支护以后，国内软岩支护普遍 采用锚喷系列二次或多次支护，并发展了各种让压技术，但最终支护成功的巷道不多，后 又递步采用联台强力支护，虽支护成功的工程逐步增多，但支护成本在不断地提高。“新奥 法”及其让压理论为什么在软岩支护中应用时常常失效，软岩巷道到底何时支护、 到底需要 多大的支护力等问题仍困惑着现场的工程技术人员。所以在目前的软岩支护问题处理中定 义不明、机理不清、设计不灵、支护不稳的现象仍普遍存在，导致软岩支护施工费时多， 失误多，效益差[16]。 目前，得到大家认同的定性支护理论有“新奥法理论” 、“联合支护理论”、 “松动圈支 护理论”等。 1 绪论 3 “新奥法”NATM是奥地利学者[17]Rabcewice 在总结前人经验后提出的一套隧道设计与 施工原则，前国际岩石力学学会主席米勒将其总结为 22 条[19]。至今为止，“新奥法”仍是国 际上在地下工程设计与施工中占主导地位的权威理论。我国对“新奥法”的引进与推广虽较 西欧晚十多年，但由于它的引进与软岩问题的大量出现同步，故二十多年来一直将其作为 软岩支护的主要理论。 “新奥法”摈弃了隧道力学中的以普氏理论为代表的松动地压理论， 将岩体视为承载体， 这种认识的重大转变给支护带来了一场革命。多年来的实践充分证明了这一点，它提倡的 主动支护和柔性支护方法对软岩是有效的，22 条原则组成了可用于设计、施工、监测反馈 等各种工作的较完整理论体系，各方面都有数条原则较为完整地考虑，在 22 条中，除其中 涉及到最终围岩允许变形量、一次支护时间及确定、二次支护强度及刚度等问题的的五条 原则外，其它 17 条原则比较容易理解。提法较明确，相当一部分原则可操作性强。 “新奥法”的不足主要表现在其中的五条原则难以真正理解和掌握。这五条原则为米勒 文中的第五、六、七、八及十二条原则。由于“新奥法”是大量规律性的经验总结，而对规 律本质的认识取决于当时岩石力学的发展水平，22 条中的一些原则可以用力学原理满意地 解释，而这五条原则尚难做到。米勒对原则的说明仍是经验性的。陈宗基[19]指出“新奥 法”是 50 年代60 年代发展起来的，受当时条件的限制，必然会有某些不足之处，在 2030 年后的今天我们有责任给予补充和完善。 由于难以理解导致了认识的较大差异，从而导致支护方法也有相当大的不同。一般对 上述五条原则的理解是利用P-U 曲线来说明，然而P-U 是何种位移尚不清楚。不论是支架 架设前已完成的位移还是架设后产生的位移， 都会导致P-U 曲线解释的相互矛盾， 如将P-U 曲线理解为来源于弹塑性模型的推导结果，则由于支护不能承受开挖瞬间形成的弹塑性变 形而使解释难以成立。为此，范秋雁[20]1993指出建立在 P-U 曲线基础上的“让压理论”尚 缺少理论依据，“让压”及“应力释放”概念是不合理的。 由以上分析可以看出， “新奥法”的理论基础是当时的岩石力学理论基础弹塑性理论， 而“新奥法”的发现者观察和发现的工程问题已超出了弹塑性问题所能解决的范围，所以一 些原则虽可以通过工程实践总结出来。 但由于缺乏必要的理论基础进行充分的合理的解释、 说明以及正确的计算是无法做到的。众所周知，软岩表现出来的工程特性已超出了简单的 弹塑性问题范畴，用传统的“新奥法”处理软岩支护问题必然带来理论和技术上的不足。 陆家梁等[21]在理论分析与实践试验的基础上提出了“联合支护理论”。联合支护理论认 为对于复杂困难巷道，只提高支护体刚度难以有效控制围岩变形，要先柔后刚，先让后 抗，柔让适度，稳定支护。联合支护理论在复杂困难巷道中得到比较广泛的应用，但随着 围岩条件越来越差，该理论受到了挑战。有些巷道采用联合支护并不理想，需要多次维修 和返修，围岩变形一直不能稳定。在联合支护理论的基础上，孙钧等[22]又提出了“锚喷弧 板支护理论”，其理论的要点是对软弱围岩总是强调让压是不行的，放压到一定程度后要 西安科技大学工程硕士学位论文 4 坚决顶住，坚决限制围岩的收敛变形。在该理论的指引下，采用高强度大弧板可缩背衬材 料进行了大变形巷道的支护试验，取得了成功。但是存在施工难度大，支护成本高等缺点。 董方庭[23]等围绕开挖空间所产生的松动圈以及松动圈在支护中的作用和地位， 提出 了“松动圈支护理论”，并建立了松动圈大小与支护力大小的经验关系。该方法现场操作 简单，深受广大现场工程技术人员的欢迎，对解决软岩支护问题起到积极的作用。但由 于松动圈是围岩变形与破坏的最终产物，支护的对象就是围岩碎胀变形产生的碎胀力， 碎胀力又难于计算和测定，仅从这一最后形式分析问题，不仅难以考虑软岩中出现的各 种较为复杂的情况和影响因素， 也难以建立较为系统的又有较为严密理论基础的软岩支 护理论。 1.2.1 支护理论研究 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较稳定岩层 上，以增强较软弱岩层的稳定性。 由于煤炭开采主要在沉积岩中进行，沉积岩最主要的特点为层理性[26]，所以回采巷 道经常遇到层状岩体，当巷道开挖完成以后，直接定弯曲、变形、下沉，与老顶分离， 如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上，就能减少和限制直接顶的下沉和离层，以 达到支护的目的，如图 1.1 所示。 图 1.1 锚杆悬吊机理示意图 巷道浅部围岩松软破碎，或者开掘巷道后应力重新分布，顶板出现松动破裂区，这 时锚杆的悬吊作用就是将这部分易冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上， 这是悬吊理论的 进一步发展。 根据悬吊岩层的重量就可以进行锚杆支护设计。由于美国和澳大利亚的地质条件简 单，所以他们进行锚杆支护设计时，主要采用悬吊理论。 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能力，而 且将被锚固体与原岩体分开，与实际情况有一定差距，计算数据存在误差。 1 绪论 5 悬吊理论只适用于巷道顶板， 不适用于巷道帮、 底， 如果顶板中没有坚硬稳定岩层， 或者顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范围较大，无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层或者未 松动岩层上，悬吊理论就不适用。 2组合梁理论 组合梁理论认为在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩 层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。 如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力增加 各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆 杆体可增加岩层间抗剪强度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几 个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层组合梁。 这种组合厚度岩层在上覆岩层载荷的作用下， 其最大弯曲应力和应变都将大大减小，组合梁的挠度亦减小，而且组合梁越厚，梁内的 最大应力、应变和梁的挠度也就越小。 根据组合梁的强度大小，可以确定锚杆支护参数。 3组合拱理论 光弹实验证明[27]，单根锚杆可以在弹性体内形成以锚杆两端为顶点的压缩区，在锚 杆锚固力的作用下，松散地层中也会产生一个锥形压密区，压缩区内岩石的密实度和强 度都有所提高。 澳大利亚“雪山”地下工程曾经做过一个“碎石锚固试验”，将 5mm 左右的碎石添入 木箱，并用模拟锚杆把碎石锚固起来，待将锚杆和垫板用螺母拧紧后将木箱反过来，碎 石并没有倒出。基于这个实验结果，他们提出了锚杆支护的“横向挤压加固作用”，认为 碎石在锚杆预应力的作用下产生了横向挤压力，这种横向力不仅能够支撑本身自重，而 且被加固的碎石可以形成具有承载能力的结构体，承受额外荷载。当所施荷载增加时， 锚杆之间会出现一个松弛区，其间碎石因松散而掉落，最终导致锚固体解体，失去承载 能力。如果在锚杆垫板下敷设一层金属网，将大大提高锚固力的承载力。 群体锚杆若以适当的间距布置，锚杆群在围岩中形成的双锥形锚固区相互交叉重 叠，则能够形成一个连续的层状承载圈，通常称为锚固层。当巷道顶板为直线时，该锚 固层形成“叠合梁”；当巷道顶板为拱形时，该锚固层形成“组合拱”。 组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆的作用机理， 但在分析过程中没有深入探讨支 护-围岩的相互作用，只是将各支护力的最大值简单相加，从而得到复合支护结构总的 最大支护力，缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步探讨，计算与实际情况存在一定 差距，一般不能作为准确的定量设计，但可以作为锚杆加固设计的重要参考。 4最大水平地应力理论 自从 20 世纪 80 年代以来， 水平应力对巷道围岩稳定性的影响已经引起了人们的普 遍关注，澳大利亚 W.Gale[28,29]博士通过数值模拟分析和现场观测结果，提出了最大水平 西安科技大学工程硕士学位论文 6 地应力理论。该理论认为矿井水平地应力通常大于垂直地应力，水平应力具有明显的方 向性，最大水平地应力通常为最小水平地应力的 1.25～2.5 倍，巷道顶板的稳定性主要 受水平地应力的影响。且具有三个特点巷道轴向与最大水平主应力方向平行时，巷道 受水平地应力的影响最小，顶板稳定性最好；巷道轴向与水平最大主应力方向垂直时， 巷道受水平地应力的影响最大，顶板稳定性最差；巷道轴向与水平最大主应力方向呈锐 角相交时，巷道一侧会出现水平应力集中而另一侧水平应力降低，其顶板破坏偏向巷道 的某一侧。W.Gale 博士进一步指出，在最大水平地应力的作用下，顶底板岩层易于发生 剪切破坏，出现错动与松动而膨胀，造成围岩变形。锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层 膨胀，和垂直轴向的剪切错动。因此要求锚杆必须具有强度大、刚度大、抗剪阻力大， 才能起到约束围岩变形的作用。所以澳大利亚锚杆支护强调锚杆的高强度及全长粘结。 在设计方法上，借助于计算机数值模拟不同支护情况下锚杆对围岩的控制效果，进 行优化设计，在使用中强调监测的重要性，并根据监测结果修改完善初步设计。这种设 计方法得到大多数人的认可，并在实践中广泛应用。 5刚性梁理论 在大量的实践经验和理论分析基础上，郭颂[30,31]基于高水平地应力，提出了锚杆支 护的“刚性梁”理论。 基于刚性梁理论，陈庆敏和郭颂运用大型有限元分析软件 Ansys，结合我国典型的 巷道布置方式，建立了一系列二维、三维通用化有限元矿山巷道模型，用户可以在输入 提示窗口中给模型有关变量比如采深、岩石力学性质、巷道尺寸、水平应力大小和方 向等赋予用户所使用的数值，就能产生用户所期望的模型。 6围岩强度强化理论 悬吊作用机理、 组合梁作用机理和组合拱作用机理是针对弹性状态的完整岩体提出 的，以前研究锚杆强化作用机理也是对围岩破碎前弹性状态下力学参数的改善。中国矿 业大学矿山压力研究所侯朝炯[32,33]和勾攀峰[34]等在分析已有锚杆支护提高岩石力学性 质的基础上，综合模型试验、理论分析和井下应用的研究成果，提出了巷道锚杆支护围 岩强度强化理论。该理论了揭示了锚杆的作用原理和加固巷道围岩的实质，并为合理确 定锚杆支护参数提供了理论依据。 7高预应力锚杆系统支护理论 高预应力锚杆系统支护理论立足于现场，在总结国内外锚杆支护使用实践的基础 上，综合运用岩石力学、地质工程和流变学等理论，提出的一种以实践为基础的科学理 论。该理论认为，由于围岩性质随着时间的推移而劣化，所以锚杆支护的作用在不同的 时期具有不同的作用；由于地质体本身的复杂多变性，在不同的岩体中，锚杆的主要作 用不同，但锚杆支护的实质是对扰动区围岩的加固作用，提高了松动区内围岩的强度。 1 绪论 7 1.2.2 支护技术研究现状 根据支护对围岩的作用方式，可以将煤矿巷道支护分为以下四类○ 1支护力作用在巷 道围岩表面的支护技术，比如砌碹、各种类型的钢支架和喷射混凝土等；○ 2支护力不但作 用在围岩表面而且作用在围岩内部的支护技术，比如锚碹支护、锚杆锚索支护等；○ 3改善 巷道围岩力学性质，提高围岩加固的方法，如锚注、注浆加固方法等；○ 4改善巷道围岩应 力状态，使围岩处于应力降低区的各种支护技术，比如卸压、应力释放等。 1砌碹支护 砌碹支护是应用最早的地下工程支护技术， 目前在一些矿井的硐室、 大巷中仍然采用。 按砌碹支护材料可分为料石、混凝土砌块、现浇混凝土、现浇钢筋混凝土等。但是,砌碹 支护属于刚性被动支护不仅支护成本高、施工速度慢，劳动强度大，而且不能适应围岩大 变形。除特殊巷道和硐室，一般不宜采用。 2棚式支架 棚式支护曾经是煤矿巷道的主要支护方式，在 20 世纪 90 年代初，这种支护所占的比 重高达 80以上。按支护材料可分为木支架、钢筋混凝土支架及金属支架，其中木支架与 钢筋混凝土支架已经逐步被淘汰。金属支架按工作原理分刚性与可缩性支架；按支架材料 分为工字钢、U 型钢及其它；按断面分为梯形、拱形、圆形、环形。但是，棚式支架也属 于被动支护，支架与巷道表面很难密切接触，控制围岩早期变形的能力差，在复杂困难条 件下支护效果差、成本高。在一些老矿区，U 型钢可缩性支架在复杂条件巷道一直在用， 不过对钢支架进行了背后充填，改善了受力环境，使钢支架的性能得到发挥。总的来看， 棚式支架的用量在逐年减少，有被锚杆支护逐渐替代的趋势。 3锚网索梁联合支护 70～80 年代，国家“七五”和“八五”科技攻关中将锚杆支护定为软岩巷道支护的主攻方 向之一。 锚杆支护在我国有了新的发展， 形成了“锚杆钢带钢筋梁钢筋网”的组合支护技 术，解决了当时到现在的一大批软岩巷道支护问题，后来又增加了小孔径预应力锚索，实 现了“锚网索梁”联合支护，当给锚杆和锚索施加足够大的预应力后，该联合支护结构可以 解决松散破碎软岩、 膨胀性软岩和高地应力软岩及复合型软岩， 但是在水患和动压环境下， 该支护结构容易失效。 4锚喷支护[24] 我国煤矿于 1956 年开始在岩巷中使用锚喷支护，至今已有 50 多年的历史。喷射混凝 土可及时封闭巷道周边，实施密贴支护，减少水、风对围岩强度的影响。锚杆可及时支护 围岩，起到主动加固作用，充分发挥围岩的自承能力。经过多年来连续不断的研究、试验 与推广应用，锚喷支护技术无论在支护理论、支护设计，还是支护材料、施工机具与工艺、 质量检测方面都取得了长足发展。锚喷支护不仅成为岩巷首选的、性能优越的支护形式而 西安科技大学工程硕士学位论文 8 且锚杆支护也成为煤巷的主体支护方式。但是单纯的锚喷支护柔性很大，在地压较大时往 往发生剪切破坏，后来意大利人对锚喷支护进行了改进，在喷射混凝土中加入纤维，形成 纤维混凝土，混凝土的各项力学性能都大幅度提升，强度可达50MPa，已经在隧道中成功 进行了单衬支护应用，我国西南交通大学对单衬支护进行了系统的研究，并在实践中得到 应用，效果良好。 5锚注支护。 锚注支护[25]是利用锚杆兼做注浆管实现外锚内注的支护方式。通过注浆将破碎围岩胶 结成整体，改善围岩的结构及其物理力学性质，既提高围岩自身的承载能力，又为锚杆提 供了可靠的着力基础，使锚杆对松散围岩的锚固作用得以发挥，从而有效地控制住软岩巷 道的大变形。实现了锚注一体化。 6锚碹支护。锚碹支护技术是西安科技大学王晓利教授研发成功的一项新型支护技 术。该技术利用了现浇混凝土碹体强度高、刚度大和锚杆主动加固围岩，提高围岩承载能 力的优点，实现了锚碹一体化。采用柔性模板将高强混凝土浇注与围岩表面，混凝土能与 围岩密贴。该技术已经在宁东矿区的多个煤矿应用，支护性能可靠，成本合理，施工速度 快， 适应高产高效矿井的模式。 锚碹支护技术分为连续锚碹支护技术和条带锚碹支护技术， 连续锚碹支护技术主要用于服务年限较长的开拓巷道和准备巷道，条带锚碹支护技术适用 于服务年限较短的回采巷道。 1.3 研究内容及研究方法 1.3.1 研究内容 1高预应力锚杆系统支护理论 传统的锚杆支护理论建立时间早，受限于当时的岩石力学水平，这些理论已不能科学 地解释复杂条件下的锚杆支护作用机理。后来郭颂博士基于美国井下的实践经验和数值模 拟研究，提出了“刚性梁”理论，使得人们对锚杆支护的本质认识向前迈进了一步，但是“刚 性梁”理论只是定性地认识，不能深入地进行定量计算。20 世纪末，中国矿业大学侯朝炯 教授在进行锚杆支护科技攻关研究时，通过模型试验和井下试验，提出了锚杆支护“围岩强 度强化”理论，给出了具体的围岩强化计算公式。 在国内外锚杆支护工程实践和理论研究的基础上，作者基于地质条件和时间因素，提 出高预应力锚杆系统支护理论。文中，作者系统研究了不同地质条件和不同时间作用下锚 杆的主要作用，进而提出了巷道锚杆支护设计的原则，指导工程实践。 2高预应力锚杆支护关键技术研究 系统研究高强度锚杆杆体尺寸、形状和材质；扭矩螺母、减摩阻垫片和护表构件等附 件；锚杆施工工艺和施工机具等对高预应力锚杆锚固效果的影响。 1 绪论 9 3高预应力锚杆预应力作用机理研究 锚杆支护跟传统钢支架和砌碹支护最大的区别在于锚杆支护是主动加固围岩，提高 岩石的强度，充分发挥围岩的自承能力。而锚杆预应力则是发挥锚杆主动加固围岩作用的 重要手段。通过对锚杆施加高预应力，使锚杆锚固范围内的围岩处于一个受压状态，这样 整个顶板就从传统高密度锚杆支护形成的“钢性梁”变为“刚性梁”极大地提高了顶板的承载 能力，但是预应力也不能过高，过高容易在围岩表面形成应力集中，当收到动压影响时， 容易造成危险。所以必须研究预应力对围岩的锚固机理，根据围岩条件，找到一个经济可 行、科学合理的预应力范围。 4高预应力锚杆支护设计方法研究 根据高预应力锚杆和软岩巷道的特性， 提出针对复杂条件下软岩巷道的锚杆支护设计， 该设计方法现场工作人员容易掌握，且具有很好的适应性。 1.3.2 研究方法 以灵新煤矿 L3515 动压巷道稳定性控制为依托工程背景，综合运用理论分析、数值模 拟和现场试验相结合的方法，开展了深入研究。 1.3.3 技术路线 理 论 分 析 室内 试验 数 值 模 拟 灵新煤矿动压条件下巷道支护技术 现场 监测 支护方案优化 围岩力学 性能 支护 原理 方案优化 效果评价 灵新煤矿动压条件下巷道支护 图 1.2 技术路线 西安科技大学工程硕士学位论文 10 2 巷道支护影响因素分析 2.1 矿井概况 灵新煤矿位于宁夏回族自治区灵武市宁东镇原磁窑堡镇境内， 是国家“八五”计划重点 建设项目，是神华宁夏煤业集团公司的主要生产矿井，矿井设计生产能力为 240 万吨/年， 核定生产能力 320 万吨/年。 2.1.1 井田范围 灵新煤矿井田范围东以下组煤16煤＋1150m 标高为界，南以 13 勘探线为界，西部 13 线到 51 线以＋1250m 标高为界，51 线到北部以16煤层露头为界，深部至＋600m 水平 标高或向斜轴为界。矿井南北走向长 11km，平均倾向宽2.486km，面积27.4937km2。 2.1.2 开拓方式及采区划分 矿井开拓方式采用斜井单水平上下山开拓、分区片盘开采。水平标高为1050m，在 1050m 水平设轨道运输大巷及皮带运输大巷，服务于矿井整个生产采区。全矿井共划分 为六个采区，其中一、二、三、四、五为上山采区，六采区为下山采区。采区范围分别为 一采区范围为1050m 以上，西天河以北，开采下组 14、15、16煤，采区设计生 产能力 120 万 t/a，于 2008 年2 月结束生产。 二采区范围为深部至1050m 水平，西至二煤露头，南到 08 线，北至二煤露头，开 采 2煤。 三采区范围为1050m 以上，南界为 08 勘探线南 200m，北到西天河，开采下组煤 14、15、16，采区设计生产能力180 万t/a，于2007 年 11 月结束生产。 四采区范围为深部至1050m 水平，西至六煤露头，南到 08 线，北至六煤露头，开 采 6煤。 五采区范围为1050m 以上，南起 51 线，北到08 线以南200m 与三采区为界，开采 下组 14、15、16煤。 六采区范围为北及西到1050m 水平，东到磁窑堡向斜轴，南到 F2 断层，开采煤层 下组 14、15、16煤。 目前，一、二、三采区已回采结束，四、五两个采区正在回采，六采区正在开拓建设。 各采区开采方法为走向长壁式落煤法，工作面采用综合机械化采煤方式。各采区分别设轨 道上山、运输上山及回风上山，通过石门与1050m 大巷连通。 2 巷道支护影响因素分析 11 图 2.1 矿井采区划分图 2.1.3 煤系地层 灵新井田主要煤系地层为侏罗系中下统J1-2y延安组。煤系地层厚度为 339.73～ 391.84m，平均厚度355.61m，共含煤37 层，煤层总厚度平均 27.79m，含煤系数为7.8。 可采或局部可采煤层 17 层，编号为1～17 煤，其中2煤、6煤、13煤、14煤、15煤、 16煤为灵新井田主要可采煤层，主要可采煤层总厚为 21.65m，含煤系数为6.1。含煤地 层岩性以砂岩为主，泥岩次之，与下伏三迭系地层呈假整合接触。井田大部分被第四系所 覆盖，井田地层由新至老为 1第四系Q 遍布全区，掩盖或半掩盖了本区所有下伏地层，岩性多为风积沙、冲击沙土、砾石、 卵石层。厚度为0-18.26m，平均厚度7.01m，与下伏各系地层呈不整合接触。 2侏罗系J 在本区广泛发育，自上而下可分为中统安定组，直罗组；中下统延安组。岩性为灰绿、 黄绿、棕黄、灰褐等杂色砂岩、粉砂岩及泥岩、与下伏三迭系地层呈假整合接触。 ①中统安定组J2a 井田内仅见于南部向斜轴部，岩性以棕色、棕紫色粉砂岩、细砂岩及泥质岩为主。与 下伏直罗组呈假整合接触。 ②中统直罗组J2z 该组在井田内广泛发育，分布在磁窑堡向斜轴部，向南残留厚度逐渐增加，以砂岩为 主，疏松易碎，质地松散，可见残留厚度 9.76～425.9m，平均厚度 100.92m。岩性1上 部为土黄、绿色、紫红色、砖红色的粉砂岩和细砂岩为主，夹薄层长石石英中粒砂岩及泥 岩。2中部以灰绿色及灰绿带紫斑的粉砂岩、细砂岩为主．夹薄层中砂岩，其底为一层灰 白色粗砂岩。3下部为浅灰、灰绿色粉砂岩与石英长石粗、中、细粒砂岩互层。4底部为 西安科技大学工程硕士学位论文 12 平均厚度为12.48m 的粗粒含长石石英砂岩常称直罗镇砂岩，与下伏延安组分界。两者呈 假整台接触。 ③中下统延安组J1-2y 本组为井田主要含煤地层， 区内广泛发育。 是一套陆相碎屑岩含煤构造， 厚度 339.73～ 391.84m，平均厚度 355.61m。含可采及局部可采煤层 17 层编号 1～17 层煤层平均总厚 27.79m， 未编号的薄煤层或煤线20 层。 岩性为灰、 灰黑、 黑色的粉砂岩、 泥质岩及根土岩， 其上部夹1～2 层灰色泥岩及灰白色厚层及薄层各粒级的石英、 长石砂岩。 底部为一套含砾 砂岩或中粒砂岩相当宝王山砂岩．与下伏三迭系地层呈假整合接触。 3三叠系T 该系地层上统延长群T3yn下部以浅灰绿色、灰白色、肉红色长石砂等夹混质岩；上 都为灰、灰黑、褐灰，灰绿、草绿色长石石英砂岩、粉砂岩、泥质岩为主．夹 杂色粉砂 岩及黑色炭质泥岩薄层。中下统T1-2为一套灰绿、紫灰，棕灰色的厚层至块状细粒，中 粒砂岩，夹灰绿色、棕红色等杂色泥岩。本井田及邻区碎石井勘探区钻孔所见该地层均未 钻穿，其中本井田102 号孔钻穿厚度 273m，碎石井区 1302 号孔钻穿厚度151m。与下伏地 层呈假整合接触。 2.1.4 煤层 灵新井田主要含煤岩系为早、中侏罗系延安组，共含煤37 层，煤层平均总厚 27.79m。 含煤系数为7.8％。 由上而下编号煤层 17 层． 主要可采煤层为 6 层2、 6、 13， 14、 15、 16煤．平均总厚 2l.66m，含煤系数为 6.1％。局部可采煤层 8 层1、5、7、8、9、 10、11、17煤。 各主要可采煤层简述 12煤 2煤是本井田主采煤层之一，上距 1煤层10～15m，全区稳定可采。是煤系内最厚的 一层煤，煤厚 3.0912.52m，平均7.7m，北薄南厚，厚度变化较大，8 线以南．煤层厚度为 8.511m，一般含一层夹