焦家寨矿全煤巷道锚网索联合支护技术研究.pdf

分类号分类号 学校代码学校代码 UDCUDC 密密 级级 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 焦家寨矿焦家寨矿全煤巷道锚网索联合全煤巷道锚网索联合 支护技术研究支护技术研究 Bolt-Cable and Wire-Netting Combined Support Technology Research of Jiao Jia Zhai Caving mining Coal Entry 研研 究究 生生 陈陈 杨杨 导导 师师 马丕梁马丕梁 研究员研究员 学科专业学科专业 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 巷道支护巷道支护 培养单位培养单位 煤科总院开采设计研究分院煤科总院开采设计研究分院 煤炭科学研究总院 2014 年 4 月 煤炭科学研究总院硕士学位论文 I 摘摘 要要 目前锚杆支护技术已经普及全国大部分煤矿，但是对锚杆合理支护参数的 研究却比较有限。 本文以隶属于山西省大同煤业集团的焦家寨煤矿为工程背景， 利用弹塑性力学理论公式和 FLAC3D数值模拟软件对综放煤巷变形机理进行深 层次分析，提出锚网索联合支护方案对巷道变形的控制，并通过对焦家寨煤矿 大断面切眼巷道顶板岩层的合理锚杆支护参数进行详细模拟和研究，得出合理 的锚网索联合支护方案。经井下试验巷道试验对支护方案进行进一步优化。取 得的主要成果有 1通过对 2 号煤层进行围岩地质力学测试，得出了焦家寨煤矿地应力、围 岩结构、围岩强度等数值，为锚网索联合支护参数选取提供现场实测数据； 2以理论计算和数值模拟为基础，探讨了巷道变形机理，并提出相关支护 对策； 3采用动态信息分析设计方法， 利用 FLAC3D 数值模拟软件分别从切眼宽 度、 开挖方式、 支护参数等多角度模拟了锚网索联合支护下围岩应力分布特征、 巷道变形以及煤岩体中预应力扩散特征等，得出锚杆应力叠加范围、二次开挖 的巷道稳定方式、锚杆预紧力与应力扩散范围成正相关的关系等结论。为焦家 寨 22106 切眼巷道提出最优支护方案。 （4）通过现场试验及巷道矿压监测论证了锚网索联合支护方案的合理性； 关键词关键词锚网索联合支护，全煤巷道，预应力场，动态信息设计方法 煤炭科学研究总院硕士学位论文 II Abstract Currently bolting technology has been used in most of the national coal mine, But there is a limited research of reasonable bolt support parameters. The engineering background of this paper is based on Jiao Jia Zhai coal mine which belongs to the Datong Coal Mine Group in Shan Xi province, elastic-plastic mechanics equations and numerical simulation software FLAC3D are used to analysis the deation mechanism of the Steel Support, comes the result that the maximum deflection changes for the Steel Support when it suffered plastic deation and plastic deation. This paper also states the tunnel’s deation control by the supporting of bolt, net and anchor. Then come to the research of Reasonable bolting for big cut tunnel’s roof rock. On this basis, optimized solution is produced for tunnel’s bolt support. The main achievements are as follows 1 Stress testing to the 2nd seam have been carried out , which shows that Jiao Jia Zhai coal mine’s obtained stress is too large; 2On the base of theoretical calculations and numerical simulations ,tunnel’s support deation mechanism is discussed; 3 Using dynamic ination analysis and design s, in order to provide the best supporting programs for Jiao Jia Zhai coal mine’s 22106 working tunnel ; 4 Field trials and monitoring of tunnel’s bolting are used to demonstrate the feasibility promotion of bolt support in Jiao Jia Zhai coal mine; Keywords Bolt-Cable andwire-Netting combined support; Coal Lane; Prestressed field; dynamic ination design; 煤炭科学研究总院硕士学位论文 I 目目 录录 1 绪论 .............................................................. 1 1.1 选题背景及意义 .............................................. 2 1.1.1 选题背景 .............................................. 2 1.1.2 选题意义 .............................................. 3 1.2 国内外研究现状 .............................................. 4 1.2.1 国外研究现状 .......................................... 4 1.2.2 国内研究现状 .......................................... 6 1.2.3 存在的问题 ............................................ 9 1.3 研究内容 ................................................... 10 1.4 主要研究方法和技术路线 ..................................... 10 1.4.1 主要研究方法 ......................................... 10 1.4.2 技术路线 ............................................. 11 1.5 研究条件及预计存在问题 ..................................... 11 2 焦家寨矿煤巷围岩地质力学测试与评估 ............................... 13 2.1 地应力测量 ................................................. 13 2.2 巷道围岩强度测试 ........................................... 17 2.2.1 现有围岩强度测量方法评述 ............................. 17 2.3 围岩结构观测 ............................................... 19 2.4 测站布置及结果 ............................................. 20 2.4.1 各测站顶板岩层分布 ................................... 21 2.4.2 地应力测试结果 ....................................... 22 2.4.3 围岩强度测试结果 ..................................... 25 2.4.4 顶板围岩结构观测及结果 ............................... 27 2.5 本章小结 ................................................... 30 3 综放煤层巷道变形机理及影响因素分析 .............................. 31 3.1 综放煤巷变形力学机制 ....................................... 31 3.1.1 煤岩组合层状顶板失稳机制 ............................. 31 3.1.2 煤帮破碎失稳增跨机制 ................................. 31 煤炭科学研究总院硕士学位论文 II 3.1.3 底鼓塑性流动诱发失稳机制 ............................. 32 3.2 巷道围岩变形影响因素分析 ................................... 32 3.2.1 采动垂直应力集中 ..................................... 32 3.2.2 围岩力学性质 ......................................... 33 3.2.3 围岩结构 ............................................. 33 3.2.4 巷道断面尺寸 ......................................... 33 3.2.5 巷道支护形式与参数 ................................... 34 3.3 综放煤巷支护对策 ........................................... 34 3.3.1 预拉力组合梁承载 ..................................... 34 3.3.2 锚索减跨及强力悬吊承载 ............................... 35 3.4 本章小结 ................................................... 35 4 焦家寨煤矿 2 号煤层工作面巷道锚杆支护试验 ......................... 37 4.1 22106 工作面切眼支护现状 ................................... 37 4.2 锚杆支护设计方法 ........................................... 37 4.3 锚杆支护初始设计 ........................................... 38 4.3.1 试验点调查和地质力学评估 ............................. 38 4.3.2 数值模型及边界条件 ................................... 39 4.3.3 模拟方案 ............................................. 40 4.3.4 模拟结果及分析 ....................................... 40 4.3.5 支护方案 ............................................. 54 4.4 本章小结 ................................................... 57 5 工业性试验及矿压监测 ............................................. 59 5.1 现场工业性试验 ............................................. 59 5.2 巷道支护效果监测评价 ....................................... 59 5.2.1 表面位移监测效果评价 ................................. 59 5.2.2 顶板离层监测效果评价 ................................. 62 5.2.3 锚杆受力监测效果评价 ................................. 64 5.3 本章小结 ................................................... 65 6 结论与展望 ....................................................... 66 6.1 主要结论 ................................................... 66 煤炭科学研究总院硕士学位论文 III 6.2 展望 ....................................................... 67 参考文献 ........................................................... 68 致 谢 ............................................................. 72 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 1 绪论绪论 经济的发展和社会生产是建立在能源生产的基础上，在我国已探明储量的 常规能源中， 煤炭资源占有率超过90。 从资源上来说煤炭可以作为可靠能源， 从经济方面讲，煤炭是较为廉价的能源，从环境方面讲，煤炭主体成分为碳， 其又可作为洁净能源[1]。因此，煤炭资源可以说是我国现阶段推动经济发展的 主要能源，并且其储量可以保证在今后相当长时期内作为主体能源，具有不可 替代的位置[2]。随着煤炭资源的不断开采，浅部煤炭资源越来越少，深部煤炭 资源将是我国未来的主体能源。据有关统计表明[3,4]，我国煤矿开采深度正以每 年 8～12m 的速度增加。由此引发矿井矿压显现更强烈，冲击地压危险加大， 瓦斯涌出量增加，地温升高，通风、提升和勘探困难，开采条件恶化等问题， 而回采巷道又必须沿煤层掘进，无法选择围岩，在回采过程中又受到移动支撑 压力和固定支承压力的综合作用，给回采巷道的稳定性控制带来许多困难的问 题。 作为煤炭开采过程中最为关键技术之一，巷道支护技术的合理性、安全性 及可靠性常常制约着矿井高产高效的实现[5]。锚杆（索）支护[6]作为主要的主 动支护技术， 以其安全度高、 成本低、 工作量小等显著优点日益得到广泛应用。 近年来煤矿巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过 程。国内外实践表明锚杆支护可以显著的提高巷道支护效果，降低支护成本， 改善通风状况。锚杆支护技术理论发展日渐成熟，支护理论从最开始的悬吊理 论、压缩拱理论、组合梁理论发展到围岩强度强化理论、最大水平应力理论、 锚杆支护扩容-稳定理论等，很好地推动并发展了锚杆的支护作用[7][8]。锚杆已 经成为了煤矿最主要的支护形式，为采煤工作面的快速推进、产量与效益提高 创造了良好条件[9-11]。 但是，对于有些煤层巷道，尤其是受采动影响较大的回采巷道，单纯的锚 杆支护不能满足支护要求，需要进行联合支护，锚网索联合支护作为联合支护 的一种方式，对于解决回采巷道面临的新问题以及提高煤矿的生产效益具有十 分重要的意义。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 2 锚网索联合支护实际上是根据开挖扰动影响或受到采动影响后，巷道周围 煤岩体所处应力的大小，首先找到影响巷道围岩失稳的关键部位，其次对其进 行主动支护，减小局部破坏变形，以达到巷道围岩与锚固体在强度及结构上的 联合，使破碎围岩形成自稳结构，充分发挥其自承能力。由于巷道地质条件复 杂多变，因此针对特定的地质条件需要结合巷道具体情况对联合支护的参数进 行研究，以确定合理的联合支护参数。 1.1 选题背景及意义选题背景及意义 1.1.1 选题背景选题背景 轩岗矿区焦家寨矿位于宁武煤田的东北端，区内走向断层发育，倾角一般 在 60 ～75 。主要断层有黄甲堡断层、段家堡断层、漫坡断层，均为南东盘下 降的正断层，落差都在 300m 以上。区内另一组与上述断层相对应，多为北西 盘下降，以后口断层为代表。故本地区地质构造形式以地垒型为主，伴有小断 层组成地堑构造及阶梯状构造。 焦家寨矿含煤地层主要为石炭系太原组。含煤地层平均厚度为 106m，共 含煤层 8 层，煤层平均总厚度为 20.01m，含煤系数为 18.9。主要可采煤层及 局部可采煤层平均总厚度为 19.28m，工业价值含煤系数为 18.2。其中主要可 采煤层三层，由上至下为 2、3、5。 2煤层位于上煤组之顶部，上距山西组底界砂岩（K2）0～5m。厚度 3.20～ 6.46m，平均为 5.2m。该煤层为全区稳定之主要可采煤层。结构复杂，一般夹 石 2～4 层，夹石单分层一般不大于 0.6m，夹石成分一般为泥岩、泥岩类软弱 夹层，部分区域为泥灰岩。煤层顶板中泥岩或砂质泥岩覆盖面积较大，个别地 区为中细砂岩，底板多为中细砂岩，局部为砂质泥岩。 3煤层位于 2煤层以下 6.60m 左右，层位稳定，全区可采，结构单一，厚 度 0.96～1.30m，平均厚为 1.19m。 5煤层位于太原组下部。结构复杂，夹石 2～5 层，最多达 8 层，一般夹石 厚度不大于 0.40m，为本区主要可采稳定煤层。煤层沿走向倾向变化不大，厚 度 5.81～13.26m，平均 9.70m。煤层顶板多为泥岩，局部为粉、细砂岩，砂岩， 煤炭科学研究总院硕士学位论文 3 底板多为泥岩，局部为中细砂岩。5煤体特别松软，巷道顶压侧压大，掘进过 程中顶煤极易冒落。 焦家寨矿井采掘揭露发现的小型断层极为发育，2、5两个煤层共揭露落 差大于 20m 的断层 18 条；20m-10m 的 3 条；10m-5m 的 28 条；15m-1m 的 198 条。其中 2煤开采面积约 7.45km2，揭露断层 229 条，平均密度 30 条/km2，延 伸长度 2206.9m/km2。5煤开采面积 7.15 km2，揭露断层 150 条，平均密度 21 条/km2，延伸长度 9114.0m/km2。 层间滑动断层在 5煤层中所见较为明显，导致煤层减薄或增厚，上下煤组 中的小断层，产状虽然相似，但互不联系，这些小断层走向延长短，落差变化 大，即使用探巷也难以控制，对工作面的正常回采影响极大。扩大区构造由东 向西逐渐复杂，断层多集中在西部及南部，以高角度正断层起主导作用，主要 为斜交走向和倾向的正断层，反向断层多被正向断层拦截呈 Y 字型。 从支护形式来看， 目前焦家寨煤矿基本采用上世纪 80 年代的支护方式， 工 作面巷道支护基本全部采用架设木棚的方式进行支护， 巷道支护技术非常落后。 木棚选用直径为 18-30mm，长度为 3000-6000 的红纤圆木，木支架的排距一般 为 600-700mm。该支护方式施工进度慢，工人劳动强度大、安全程度低，不能 满足现代煤矿高产、 高效的生产要求； 同时， 该支护方式采用大量的优质木材， 毁坏了大量的森林树木，与目前提倡的建设环境友好型社会相抵触。因此，必 须对矿区的煤巷支护技术进行改进和提高，使其适应社会发展需要。 1.1.2 选题意义选题意义 针对轩岗矿区焦家寨矿的地质条件，采用锚网索联合支护技术后，不仅可 以提高煤矿的经济效益和巷道支护的安全状况，还可以加快施工进度，减轻工 人劳动强度。 论文就在这样的工程背景下， 通过现场工程地质调查、 理论分析、 数值模拟等手段，研究该巷道工程变形破坏的机理，提出了锚网索联合控制对 策。锚网索联合支护[12]实际上是根据开挖扰动影响或受到采动影响后，巷道周 围煤岩体所处应力的大小，首先找到影响巷道围岩失稳的关键部位，其次对其 进行主动支护，减小局部破坏变形，以达到巷道围岩与锚固体在强度及结构上 的联合，使破碎围岩形成自稳结构，充分发挥其自承能力。此支护方式可以充 分调动围岩的强度，与支护体形成统一的整体协调承载，施工方便快捷，可以 煤炭科学研究总院硕士学位论文 4 缩短工期，而且能够降低施工和材料费用。最初的联合支护技术[13]只是把各类 支护体简单的叠加在一起，随着人们对锚杆支护理论研究的加深，逐步出现了 多种支护方式的联合、耦合，保证最大限度地发挥每种支护方式的优势，以做 到优势互补。目前，联合支护技术主要采用主动支护方式的联合，如锚网喷 十注浆加固、锚网喷注浆十 U 型钢支架等形式。因此，研究该支护形式在回 采巷道中的应用，有利于资源优化利用以及提高煤矿的经济效益。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 1.2.1.1 理论研究 1） A.Haim[14]1957等人最早提出了古典压力理论， 最初认为地下的岩石是 处于四面等压的一种静水压力状态下，而作用在岩层上的水平应力和垂直应力 实际上等于岩层单位面积上覆岩体的自重。随着岩石力学理论研究的深入以及 测量技术水平的提高，人们对这一说法有了新的认识，认为地下岩层周围压力 是不相等的，而地下工程中产生的动力灾害为人们提供了实际依据，所以古典 理论的缺陷也日益突出。 2）K.Terzaghi[14]等人提出了“塌落拱”理论，认为受到开挖扰动影响的地下 岩层会在巷道周围形成一个塌落拱，支护体所承受的压力实际上与塌落拱内破 碎岩石自重相等，由于破碎岩体压力释放，所以作用在支护体上的力仅为上覆 岩层载荷的很小一部分。随着现场试验及实验室试验手段的增加，对巷道周围 煤岩体在理论上力学上研究的深入，发现破碎煤岩体在支护体的作用下会形成 一个整体，在解决地下工程问题时因将其作为整体考虑，维护巷道稳定主要靠 围岩的自稳能力。 3）L.V.Rabcewicz[15]等人提出了“新奥法”理论，认为在解决地下工程围岩 稳定性问题时，必须考虑到原岩应力、开挖扰动影响以及岩石中存在的节理裂 隙对巷道围岩稳定性的影响，而且必须对施工过程中支护体的预应力，围岩表 面位移和深部离层信息进行及时监测、 反馈， 掌握影响围岩稳定性的动态信息， 对支护体与围岩的相互作用加以重视， 尽量利用围岩的自承能力维持巷道稳定。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 5 因其具有支护效果良好，社会经济效益显著等优点，新奥法已经为解决地下工 程支护问题的主要设计方法。 4）M.D.Salamon[16]在 1975 年提出了能量支护理论，该理论认为支护体与 围岩相互作用后会共同变形，伴随着变形的是能量的释放，而能力释放过程中 部分能量被支护体吸收，其释放的能力与吸收的能量之和不会改变。主张在进 行巷道支护设计时，充分考虑支护体结构自身的特性，使支护体可以自动调节 围岩所释放能量以及支护体所吸收的能量，而能量吸收到一定程度后，支护体 结构可以释放部分能量，达到与围岩变形协调。但是该理论的理论性过强，很 难应用到实际的施工过程中。 1.2.1.2 实验及支护对策研究 J. Hematian，I. Porter N. I. Aziz[17]根据实验测试及现场调查，建立了许多 2-D FE 模型，分别运用线弹性、非线性弹塑性、弹塑性理论对模型进行分析， 认为岩体的后变形破坏行为对巷道围岩的位移和应力分布有重要影响，据此提 出相应的支护对策。 Lars malmgren[18]从巷道表面粗糙度、岩体强度、杨氏模量、锚杆强度、喷 层厚度、喷层岩体分界面性质等方面入手，研究了喷层-岩体-锚杆相互作用的 影响因素，认为岩体强度和表面粗糙度对喷层岩体的相互作用影响最大。 澳大利亚学者 Skybey G 在文章“New rock bolting concept for underground roadways”中指出对树脂锚杆施工时， 应该保持杆体与锚孔孔壁之间的最佳间隔 距离；对锚杆-树脂药卷-钻孔孔壁围岩的载荷传递机理进行解释；对砂浆锚杆 和胀壳锚杆分别进行了实验室拉拔试验，结果显示 Skybolt 比现有普通锚杆的 功能明显增强[19]。 Akyol、Erdal 等在分析了构造条件在软岩巷道施工中对巷道稳定性的影响 之后，提出了基于有限元数值计算的锚杆支护设计方法[20]。M.moosarvi 等用 DDAdiscontinuous deation analysis算法，并与全长锚固锚杆的作用原理相 结合，研究了锚杆锚索与岩体相互作用机理[21]。 E Unal，I Ozkan，G Cakmakci[22]在回采巷道布置围岩位移监测装置，根据 统计分析理论，建立变形收敛模型、收敛速度模型、收敛加速度模型，分析收 煤炭科学研究总院硕士学位论文 6 敛变形的影响因素，并通过绘制收敛速度及加速度曲线来解释支护体和顺槽围 岩的力学行为。 N.G. Baxter，T.P. Watson，B.N. Whittaker[23]在工程实践和理论分析的基础 上，提出 T-H 可缩性金属拱支护形式，认为其中的夹紧机构是该支护形式充分 发挥作用的关键部分， 并在现场实验工程中与 H-section 刚性拱支架进行支护效 果对比，充分显示了 T-H 可缩性金属拱的潜在优势。 德国学者 Witthaus Holger，Adams Michael，Junker Martin 等认为在对支护 设计优化后及对巷道支护效果加强监测的前提下，锚杆（索）支护可以在深井 和保留巷道中使用。在加强对锚杆支护巷道的特性监测的基础上，提出了可伸 缩性锚杆的设计原理，在对锚杆间排距进行优化后，降低了围岩失稳对原有支 架的破坏，并且获得的经济效益显著[24]。 Hall.A 在 2003 年着文介绍了一种采矿方法， 沿空留巷时设计采用在可缩性 支架和纤维网进行支护，前期巷道的掘进采用锚杆进行顶板锚固，加快了掘进 施工进度，提高了掘进效率[25]。 英国学者Williams G着文对英国煤矿巷道设计中所采用的顶板加固技术进 行了介绍，其中包括了顶板锚杆支护技术，文中对一下井下锚杆拉拔实验进行 了详尽的介绍 [26]。 为了提高锚杆支护强度及更好地约束围岩变形，许多工程都采用施加预紧 力的方法，但预紧力要控制在弹性极限以下，Reinhard.vilbrantd 等[27]利用超声 波法确定施加预紧力的方法，可以将其精度提高到 5。Ben walters 等[28]研制 了锚杆受力监测系统，控制预紧力的精度。 C.trenaman 等[29]采用 hilti onestep 锚杆以及 Hilti 系列施工设备，简化了施 工程序，加快了施工速度，提高打锚期间的安全性，降低了支护费用。 A.bascetin[30]建立 ahp 模型，对几种巷道开挖法案进行对比，通过优化开挖设计 提高巷道稳定性。 1.2.2 国内研究现状国内研究现状 1.2.2.1 理论研究 1）于学馥[31]等人于 1981 年提出了“轴变论”， 其运用弹性理论知识对巷道 塌落-自稳过程进行了定性和定量分析，巷道周围岩体的破坏是由于其所承受的 煤炭科学研究总院硕士学位论文 7 载荷超过自身所能承受的最大承载能力所致， 顶板的冒落可以改变巷道的内部的 轴向比，进而引起巷道周围应力重新分布。重新分布的应力形成的轴比为巷道周 围岩体最稳定的轴比，形状趋近于椭圆形。但是该理论不适用于那些受结构面控 制岩体的失稳破坏，具有一定的局限性。 2）郑雨天[32]、冯豫[33]、陆家梁[34]等人在对软弱岩层巷道支护技术的研究 中，主张采取刚柔相适对巷道围岩进行支护，指出单方面地增加支护刚度并不 能起到最好的支护效果，支护过程中应先进行柔性支护，等到围岩变形量达到 一定程度后再进行具有一定刚性的支护，整个支护过程确保刚柔适度，最终达 到稳定支护的效果，上述学者将该支护理论称为“锚网索联合支护”理论，以 此理论为基础的主要支护技术有锚喷网技术、锚喷网架支护技术等。在该理论 指导下的支护技术的发展已经有了很大的发展，但不足之处也根据地下围岩条 件的复杂性日益显现，对该理论的进一步完善还需要做出很大的努力。 3）何满潮[35]首次提出了“软岩工程力学支护理论”，他将软岩巷道施工破坏 的实质归咎于巷道围岩与支护体在结构、强度上的不协调。对于软岩巷道的支护 应该考虑到围岩自身变形的力学机制，要求对症下药，抓住关键原因。而对于位 于深部复杂条件下的巷道支护问题，要进行分次支护应用柔性支护进行一次支 护，进行二次支护时应找出巷道围岩的关键部位进行联合支护。 4）郑雨天、孙均、朱效嘉[36]在 1996 年提出了“锚喷-弧板支护理论”，该理 论指出对于软岩巷道的支护不可以单一强调让压， 应该在让压到一定程度后采用 强度较高的钢筋混凝土弧板对围岩向巷道内部的位移进行硬性抵抗。 应用此理论 会使巷道的支护成本大大增加，升高了煤矿的开采成本，而且弧板较为笨重，对 施工造成难度，不具有实用性。 5）董方庭[37]等人提出“松动圈理论”，该理论认为巷道在开挖后周围的岩体 的原岩应力受到破坏，引发围岩的破坏失稳，破碎的围岩会在巷道周围形成 “松 动圈”，而开挖后形成的松动圈在形成过程中产生碎胀力，可以认为是支护过程 中支护体所承担的主要载荷，而支护就是为了限制这种碎胀力引发的有害变形， 利用巷道围岩的强度和地应力参数对支护难度进行量化。 由于围岩自身的离散性 和随机性导致了不能准确得到围岩体参数，实际中多以经验判断，如果松动圈超 过 300mm，此理论不再适用。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 8 6）方祖烈[38]提出“主次承载区支护理论”，他将巷道围岩的压缩区和通过支 护加固的张拉区分别命名为主、次承载区，并且认为主次承载区的相互协调作用 可以决定巷道支护的成败。 1.2.2.2 实验及支护对策研究 李连华，张文哲通过理论分析提出[39-40]巷道支护对象应为松弛岩体，并不 是塑性区和弹性区，巷道的稳定性取决于主承载区，次承载区仅仅起到辅助围岩 的作用。在一定条件下，主承载区可以转化为次承载区，它们的相互作用程度可 以直接影响巷道的稳定性。 康红普[41-42]提出了支护应力场的概念， 并指出三种应力场构成了煤矿井下综 合应力场，阐述了原岩应力场对采动应力场的影响，以及采动应力场与支护应力 场的相互作用与关系。 康红普等[43]以淮南某矿深部沿空留巷为背景， 运用数值模 拟分析巷道围岩变形情况，研究得出由于深部地应力大，沿空留巷受采动影响更 为强烈，煤体塑性区不断扩大，煤帮扩容、鼓出，顶板下沉与回转不断增大，底 鼓严重. 孙晓明， 杨军等[44]根据深部巷道围岩在开挖和支护时所表现的非线性力学过 程特性，对锚网索联合支护时空规律进行了数值模拟和工程应用研究，提出了锚 网索与围岩之间时空联合的最佳二次支护时间。 沈荣喜， 刘长武等[45]认为锚网支护最大的潜在威胁是顶板离层， 并建立了顶 板临界离层的力学模型，求解了实体和沿空锚网煤巷的离层临界值数学表达式。 B.liu，Z.Q.Yue 等[46]应用解析分析方法，研究了锚杆桁架系统在破碎顶板巷 道中的应用，并给出横向锚杆受力、桁架拉杆拉伸和加固设计公式，以及桁架系 统预紧力上下限的解析公式。 Gao fu qiang， kanghongpu[47]采用 FLAC3D数值分析方法和特殊的后处理分析 法，研究了锚杆预紧力对巷道围岩应力重分布的影响。认为对于顶板，预紧力 可以增强岩体承受横向压力的能力， 减小深部岩体的水平应力集中程度。 对帮部， 预紧力可以增强岩体承受竖向荷载的能力，预紧力愈大，岩体强度增加得越多。 在松软煤层巷道支护方面，屠世浩等人[4850]针对实验回采巷道的实际情况， 利用 FLAC3D数值模拟方法，对初步拟定的支护方案进行对比分析，比较各种方 案中围岩变形的时间效应、塑性区分布特征，选最佳支护方案。黄庆享等[51-55] 煤炭科学研究总院硕士学位论文 9 根据煤岩物理力学参数和围岩变形破坏规律分析，采用锚网钢筋托梁支护形式， 按照岩石松动圈组合拱支护理论确定锚杆参数。 王旭锋等[56-58]采用理论计算和非线性数值分析软件 UDEC， 对不同断面锚网 梁索联合支护参数进行深入分析，确定合理的支护参数，解决非等宽断面软岩回 采巷道的支护问题。Huang ml 等[59]根据实验煤巷两帮工程地质条件和受力情况 的不同，通过现场观察和数值分析，提出锚网非对称设计对策，实现两帮协调均 匀承载。 于甫喜等[6063]通过对试验巷道现场破坏现象的分析，利用数值模拟计算， 采用锚网索 W 型钢带梁联合支护形式，优化支护参数，加强关键部位的支护和 底鼓控制，解决高应力煤巷的支护问题。大断面复合顶板煤巷的支护方面，主要 是根据锚杆的悬吊理论、组合梁理论、加固拱理论，锚索的悬吊加固作用，理论 公式和数值模拟优化的方法进行参数设计。 对于倾斜煤层回采巷道，单仁亮[64]等通过改变锚杆和锚索的直径、排距、倾 角建立了 10 种数值实验方案，利用 FLAC3D 进行数值计算，比较分析了倾斜煤 层回采巷道中各支护构件在控制围岩变形方面的作用，提出倾斜巷道中应以顶 板、高帮下部、低帮上部、靠近低帮的底板为关键部位；顶板锚杆锚索有垂直于 顶板改为竖直设置能更好发挥悬吊作用。 常聚才等[6567]认为 倾斜煤层巷道中， 帮部稳定性大于顶部稳定性，支护思路应从控顶护帮转向控帮护顶。可以通过降 低高帮的高度来提高围岩的稳定性。 1.2.3 存在的问题存在的问题 在国内外岩土工程中，锚网索支护技术应用目前较为普遍，与之相适的理