基于稳定性分类的煤巷顶板锚杆支护设计研究.pdf

分类号I 旦3 U D C ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 密级公珏 单位代码 Q Q 2 鱼 ㈣㈣㈣㈣㈣0 Y 篱揭116 5 工学硕士学位论文 ～一‘ 基于稳定性分类的煤巷顶板 锚杆支护设计研究 作者姓名王辉 指导教师梁晓珍教授 申请学位级别工学硕士 学科专业采矿工程 所在单位资源学院 授予学位单位河北工程大学 工学硕士学位论文 基于稳定性分类的煤巷顶板 锚杆支护设计研究 河北工程大学 2 0 1 3 年5 月 AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g F o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e ro fE n g i n e e r i n g R e s e a r c ho nS u p p o r tP a r a m e t e r sD e s i g no f C o a lR o a d w a yB a s e do nR o o fC l a s s i f i c a t i o n C a n d i d a t e S u p e r v i s o r A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r S p e c i a l t y C o l l e g e ／D e p a r t m e n t W a n g H u i P r o f ．L i a n gX i a o z h e n M a s t e ro fE n g i n e e r i n g 一 M i n i n gE n g i n e e r i n g 一 一 C o l l e g eo f R e s o u r c e H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g M a y , 2 0 1 3 独创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑兰垦墨猩盘堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名 孑样 签字日期 D ，害年，月≥／日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰垦王猩盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑皇垦王堡盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 导师签名 刁褫 签字日期砷／；年，月；／日 签字日期沙B 年j ．- 月；／日 摘要 摘要 目前锚杆支护已经成为煤矿巷道的主要支护形式，但是在锚杆参数设计存在 参数过于保守、不适应复杂多变的地质条件诸多问题。本论文采用理论分析、计 算机数值分析、实验室试验、现场试验等综合研究方法，结合现场工程实际，对 煤巷顶板稳定性的理论基础、影响因素、顶板稳定性进行分类预测、针对性的煤 巷锚杆支护设计方法进行了深入系统的研究。以稳定岩层距顶板的距离、稳定岩 层的稳定跨距和巷道跨度3 个参数作为顶板稳定分类的指标，应用该方法将顶板 并按稳定性程度分为I 稳定、I I 中等稳定、I I I 不稳定、Ⅳ极不稳定四种类别，并 针对不同类别的顶板分别提出了不同的支护参数设计方法。本论文研究成果在神 东矿区大柳塔煤矿进行了工程试验，在对巷道顶板进行分类的基础上，有针对性 的设计支护参数，并通过数值模拟和现场矿压观测等方法，对支护效果进行检验， 取得了很好的效果。 关键词分类指标；顶板分类；影响因素；支护参数设计 A b s t r a c t A b s t r a c t A tp r e s e m ，a n c h o rb o l th a sb e c o m et h em a i nf o r mo fs u p p o r ti nc o a lm i n er o a d w a y , b u tt h e r ea r em u c h ，s u c ha sa n c h o rd e s i g np a r a m e t e r sa r et o oc o n s e r v a t i v e 、n o tm e e t c o m p l i c a t e da n de v e r - c h a n g i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，a n dS O o n ．I nt h i sp a p e r , t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，l a b o r a t o r yr e s e a r c h ，f i e l dt e s ta n do t h e rr e s e a r c h m e t h o d sa r eu s e d ，c o m b i n e dw i t hp r a c t i c a lf i e l d ，s y s t e ms t u d yi nc o a lr o a d w a yr o o f s t a b i l i t yt h e o r e t i c a lb a s i s 、t h ei m p a c tf a c t o r s 、c l a s s i f yf o r e c a s tt h er o o fs t a b i l i t y , t h e p e r t i n e n c eb o l ts u p p o r td e s i g nm e t h o d o l o g y ．T h r e ep a r a m e t e r s ，h a r dr o c kf r o mt h er o o f i nt h ed i s t a n c e ，t h es t a b i l i t ys p a no fh a r dr o c ka n dr o a d w a ys p a na si n d i c a t o r so fr o o f s t a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o n ，u s ea l r e a d yd e v e l o p e dp r e d i c tr o o fc l a s s i f i c a t i o n s o f t w a r et o p r e d i c tc l a s s i f i e dr o o f , a c c o r dt h ee x t e n to fr o o fs t a b i l i t yt od i v i d e di n t o I ，I I ，I I I ，I V c l a s sa n dd i f f e r e n tt y p e so fr o o fs u p p o r to ft h ed e s i g np a r a m e t e r si nd i f f e r e n tw a y s ．I n t h i sp a p e r , D a l i u t ac o a lm i n i n gf o rt h et r i a l ，p e r t i n e n c ed e s i g ns u p p o r tp a r a m e t e r sb a s e d o nt h er o a d w a yr o o fc l a s s i f i c a t i o n ，t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df i e l dg r o u n d p r e s s u r eo b s e r v a t i o nm e t h o d ，t e s tt h ee f f e c to fs u p p o r t ．G o o dr e s u l tw a sa c h i e v e d ． K e y w o r d s c l a s s i f i c a t i o ni n d e x ；i n d e xc l a s s i f i c a t i o n ；i n f l u e n c i n g f a c t o r s ；s u p p o r t p a r a m e t e r sd e s i g n I I 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯．．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．．⋯⋯．⋯．．⋯．⋯⋯．．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯．．I I 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 问题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 煤巷顶板稳定性研究现状及存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1 煤巷锚杆支护设计方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2 锚杆支护煤巷顶板稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．2 ．3 锚杆支护煤巷顶板事故分类及其原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．3 本文研究的目的及内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．3 ．1 研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．3 ．2 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．3 ．3 研究方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 第2 章锚杆支护煤巷顶板稳定性分类研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 ．1 单指标分类方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12 2 ．1 ．2 多指标分类方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 ．3 多因素综合单一指标分类方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．1 ．4 基于神经网络的巷道围岩稳定性分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．1 ．5 目前巷道围岩稳定性分类方法存在问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 巷道顶板稳定性的力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 巷道顶板稳定性的影响因素及取值方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3 ．1 岩层特征影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3 ．2 岩层强度影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．3 岩层完整性影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．4 煤层采动影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．5 巷道埋深⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．6 地应力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 顶板稳定分类指标和原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．4 ．1 顶板稳定分类指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 l 目录 2 ．4 ．2 顶板稳定分类原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．5 大柳塔矿活鸡兔井1 。2 煤层顶板稳定性分类结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 2 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 第3 章煤巷顶板支护参数设计研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．1 目前的锚杆参数设计方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2I 类顶板锚杆支护参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．1 参数设计指导思想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．2 支护参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3I I 类顶板锚杆支护参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 ．1 参数设计指导思想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 ．2 力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 ．3 支护参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4I I I 类顶板锚杆支护参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 ．1 参数设计指导思想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 ．2 锚梁网组合支护作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．4 ．3 支护参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．5 Ⅳ类顶板锚杆支护参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．5 ．1 参数设计指导思想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．5 ．2 锚杆．锚索协调支护原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 7 3 ．5 ．3 支护参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．6 ／J 、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 第4 章工程实践⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．1 地质和开采条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．1 ．1 主采煤层概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．1 ．2 岩石物理力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．1 ．3 顶板赋存特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．1 ．4 地应力测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．2 顶板分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 支护参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 ．1I 类顶板锚杆支护参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 ．2I I 类顶板锚杆支护参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．3 ．3I I I 类顶板锚杆支护参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．3 ．4 技术及其施工要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．4 支护效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 目录 4 ．4 ．1 数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．4 ．2 巷道围岩变形规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 I I I 第1 章绪论 1 ．1 问题的提出 第1 章绪论 煤矿巷道支护初期以棚式支护为主，后又发展到锚杆支护占主导的过程。由 于锚杆支护技术具有明显的技术经济优越性，美国、英国、澳大利亚等国外发达 国家的煤巷锚杆支护率高达9 0 ％以上u ’3 l 。2 0 世纪九十年代以来，尤其是1 9 9 6 年 以来，我国在煤巷锚杆支护技术方面开展了大规模的引进、消化、吸收、研究和 试验工作，锚杆支护机理及设计方法不断得以完善，新的支护材料、支护机具、 安全监测设备不断研制成功并投入生产应用，逐步形成了适合我国煤巷地质、技 术条件的锚杆支护成套技术及设备，大大提高了我国煤巷施工速度和巷道围岩变 形的控制质量，取得了显著的技术经济效益【4 驯，2 0 世纪9 0 年代初期我国国有重 点煤矿煤巷锚杆支护比重仅占3 ％～5 ％左右，而目前我国很多矿区煤巷锚杆支护率 已达到6 0 ％左右，有些甚至已超过9 0 ％t 1 0 J ，说明锚杆支护技术已经成为我国煤矿 巷道支护的主要发展方向。 然而，就地质角度而言，煤巷与岩巷及其它地下岩土工程相比有着突出的特 殊性，主要表现为受沉积环境的控制，煤巷顶板围岩多以层状结构赋存、顶板 岩体节理裂隙等构造发育、强度低、顶板围岩的变化情况复杂且其稳定性影响因 素众多；从工程角度来看，煤巷与其它地下工程相比也存在较大的差别，主要表 现为①受生产条件的制约，煤矿回采巷道多采用矩形断面，理论研究和现场实 践均表明，矩形巷道断面易于产生较高的应力集中【l l ，1 2 J 而不利于巷道支护；②由于 回采巷道都直接为工作面生产服务，因此，必然要受到工作面采动影响，甚至有 些回采巷道要经受两次采动影响，大量生产实践表明，采动引起的应力集中也是 影响回采巷道顶板稳定性的重要因素之一。目前为了满足大型现代化矿井高产高 效的要求，许多生产矿井回采巷道断面都不断增大，巷道长度也急剧增加，这些 都对煤巷支护特别是锚杆支护提出了更为严格的要求，使得煤巷顶板锚杆支护技 术凸现很多理论和应用问题，集中表现在如下几个方面①大约6 0 ％以上的巷道 锚杆支护参数设计存在盲目性，支护密度过大，支护材料浪费惊人，巷道的支护 费用往往高达巷道工程总费用的5 0 ％以上【1 3 , 1 4 J ；②极大地增加了掘进时的支护工 作量，导致巷道掘进速度慢、采掘紧张，影响矿井的高产高效，同时由于锚杆支 护参数过于保守，采后有时需要强制放顶措施，给矿井安全生产带来新的隐患； ③缺乏可靠的锚杆支护设计依据，支护形式及支护参数选择难以适应煤巷顶板随 河北工程大学硕士学位论文 机变化的特点，导致煤巷冒顶事故不断发生，严重威胁井下人员的生命安全。 神东矿区各生产矿井作为世界一流的现代化煤矿，近年来，随着矿井产量的 提高，为了满足现代化大型矿井高产、高效的要求，矿区各生产矿井均采用大型 综采设备，这就要求回采巷道断面面积不断增大，回采巷道的长度也相应增加， 来满足其运输、通风等生产要求。另外，矿区各生产矿井回采巷道都为全煤巷道 且9 5 ％以上回采巷道都采用锚杆 索 支护，回采巷道锚杆支护技术凸现了不少 问题。大部分巷道锚杆支护参数过于保守，支护密度过大，支护材料浪费惊人， 支护费用较高。巷道支护参数采用“一刀切”，即常用的工程类比方法，缺乏可靠 的锚杆支护参数设计依据，锚杆支护参数设计只能是一种粗略的设计，支护参数 单一，不适应复杂多变的煤矿地质条件。在回采巷道支护参数设计中，没有考虑 组成顶板、两帮和底板各岩石分层厚度和强度的较大差异，均以一个煤层地质综 合柱状图的岩层结构为基础进行设计并将其结果用于整条巷道或整个盘区，造成 锚杆支护巷道绝大部分支护强度过剩，而有一部分巷道支护严重不足，留下安全 隐患，严重威胁井下人员的生命安全。详见图1 ．1 至图1 - 6 。 图1 ．1 不支护较稳定顶板 F i g ．1 一lN o no rs i m p l eb o l ts u p p o r t i n gr o o f 图1 - 2 一般锚杆网支护顶板 F i g ．1 - 2 C o m m o nb o l ts u p p o r t i n gr o o f 图1 - 3 支护较困难项板图1 4 支护困难顶板 F i g ．1 - 3T h er o o fi sn o te a s yt ob es u p p o r t e dF i g ．1 - 4T h er o o fi sv e r yd i f f i c u l tt ob es u p p o r t e d 因此，对于神东矿区而言，根据矿区特殊地质及工程条件，通过系统研究煤 巷顶板变形破坏过程、自身的稳定性、稳定状态和巷道矿压显现规律，恰当地评 价巷道所处围岩及应力条件下支护的难易程度，准确进行矿区煤巷顶板稳定性分 2 第1 章绪论 类，为矿区煤巷锚杆支护参数设计提供可靠依据，真正做到有针对性的进行煤巷 锚杆支护参数设计，“岩变我变”，根据不同区域的岩层情况调整支护参数，对于 有效遏制矿区锚杆支护煤巷顶板事故，保证矿区各生产矿井的高产高效具有重要 意义。 图1 ．5 冒顶事故1 F i g ．1 5T h e1 s te x a m p l eo f r o o f f 矾l i n g 图1 - 6 冒顶事故2 F i g ．1 - 6T h e2 e de x a m p l eo f r o o f f a l l i n g 1 ．2 煤巷顶板稳定性研究现状及存在的问题 1 ．2 ．1 煤巷锚杆支护设计方法研究 锚杆支护巷道围岩的稳定性、经济性和安全性与巷道锚杆支护设计息息相关， 因此锚杆支护设计方法历来都是巷道支护领域专家学者的重要研究方向，得到了 大量的关注。煤巷现有的锚杆支护设计方法主要有理论计算法、计算机模拟分析 法、现场监测法和工程类比法四大类。 1 理论计算法 该方法以岩石力学作为理论指导，根据围岩稳定性理论分析和锚杆支护机理 研究得出的一些理论和经验公式进行支护参数设计，主要是岩石力学计算法或荷 载结构模式计算法。这种方法已不再依靠任何一种荷载假定，而是依靠结构 与岩体之间的相互作用，对巷道周围的应力与变形的分析来进行支护设计，是围 岩稳定性分析的主要方法【1 7 。2 0 】。有很多的设计方法属于理论计算设计方法，包括 锚杆支护设计经典的悬吊、挤压平衡拱、组合梁和冒落拱等理论计算。国外最具 有代表性的理论计算法是原苏联库兹巴斯矿区锚杆支护设计方法，该方法基于库 兹巴斯矿区的实际工程条件，通过冒落拱理论计算巷道周边岩石的塑形区 如图 1 ．7 ，基本观点是控制巷道周边塑形岩石的冒落是锚杆的主要功能。根据松动破 坏区范围大小及顶板围岩状态，通过计算确定锚杆的间 锚杆根数 、排距【2 训。 锚杆根数 M _ K 3 Q r H o t 3 河北工程大学硕士学位论文 锚杆排距 Q 铲篙 Q “ 』JJJl ／／／一、＼、 I B H m ／／ 4 飞 ] 号 ／ 1 ．2 图1 ．7 冒落拱理论计算示意图 F i g ．1 7T h ec o u n ts k e t c hm a po ft h ef a l l i n ga r c ht h e o r y 在国内比较有代表性的理论计算法为杨建辉教授等人基于板裂结构模型 见 图1 ．8 ，研究得出了岩层保持稳定的跨距计算公式，并获得了用于判别岩层稳定 性的公式，为进行锚杆和锚索的支护设计提供理论依据。 t 善 1 ．3 式中亏一蠕变系数；h 一计算岩层的厚度；”一安全系数；m z 一下方岩石重量 系数；m J 上覆岩 “ 1 ．．一s i 一 图1 - 8 绞接拱破坏试验试件受力模型 F i g ．1 - 8T h ec a r r y i n gm o d e lo fe x a m i n a t i o n a ls a m p l eo fs p l i c ea r c h 巷道支护的理论计算方法为巷道支护设计在一定程度上发挥了重要的作用， 但目前的这些方法的理论依据并不统一，而且在计算过程中有些参数获取要么比 较困难，要么与现场实际差别较大，所以理论计算方法的应用受到了一些限制， 实践中比较难以推广应用。 2 计算机模拟法 澳大利亚和英国目前较多的通过计算机进行数值模拟分析来进行锚杆锚索的 支护设计，认为锚杆支护设计必须保证巷道始终处于安全可靠状态，而可靠的设 计须以对开采引起的岩层变形，锚杆受力及支护效果的精确监测为基础。通过研 究提出了以下手段，首先通过巷道围岩测试和监测，获得巷道矿压显现规律以及 不同时期锚杆等支护体的工况状态；然后，通过计算机建立相应的数值计算模型， 4 第1 章绪论 分析验证选取的不同的支护参数的优劣，进而选取更为合理的支护参数和最优方 案[ 6 , 1 7 - 1 9 ] 。 计算机数值分析目前有U D E C 、F L A C 、R F P A 、A N S Y S 等实用软件，这些模 拟软件的出现为巷道支护设计和矿山压力显现的认识发挥了重大的作用，但由于 计算机固有的缺点，以计算机数值分析为基础的锚杆支护设计方法也有一定的局 限性，例如计算机数值模拟对于原始参数的定义要求较高，而现场巷道围岩的 基础参数获取往往不准确，这就产生了计算机模拟出的结果与现场实际往往不符 的问题。出现这个问题，不但不会指导巷道支护设计，反而会误导设计。 3 现场监测法 现场监测设计法主要以新奥法为代表。它起源于奥地利，发展于西欧诸国， 7 0 年代后期在日本蓬勃发展，随后逐渐用于世界各地的隧道施工中。它的理论是 属于粘弹塑性理论学派，是以研究围岩中应力再分配为中心来解决巷道支护结构 设计问题的。 新奥法的基本思想和主要原则如下 ①巷道是以其自身的围岩来支护的，衬砌与围岩应紧密地贴合在一起，使围 岩与衬砌形成整体结构； ②在开挖过程中，应最大限度地保持围岩的原始强度； ③尽可能地防止围岩松动，因围岩松动必将导致其强度的降低； ④应尽量避免围岩出现单向或双向应力状态； ⑤恰当地控制围岩变形，即一方面要允许围岩向巷道空间收缩变形，以便形 成围岩支承环，而另～方面又要限制其产生过大变形而造成围岩强度变低； ⑥应及时地进行支护，既不能过早也不能过晚； ⑦如果预计在巷道开挖时围岩产生较大的变形或松动，则所采用的支护应能 覆盖全部开挖岩面并能与围岩紧密贴合； ⑧第一次支护应该是软性支护结构，以便最大限度地限制弯矩和由弯矩引起 的拉裂破坏。 新奥法作为支护理论是一种较新的支护思想，它提出了主动支护的概念，指 出了利用围岩自身强度进行自我支护才能充分发挥支护的效果，并为此总结出一 套用于指导巷道施工的支护原则。 4 工程类比法 工程类比法是现场应用最普遍的设计方法，这种方法以大量的成功经验为基 础，将下一步要设计的巷道工程地质条件和生产要求与邻近的或者类似的已有成 功工程时间进行对比分析，将已有的类似条件的成功经验和参数，挪用的新建工 程上来，是一种主要依据经验并结合较简单的经验公式计算进行设计的方法。因 5 河北工程大学硕士学位论文 此这种设计方法不是简单照搬，而必须在搞清地质条件和工程条件的基础上，科 学界定工程的类别，并结合现场工程实际条件，合理确定新建巷道支护参数，以 保障巷道围岩稳定和安全【1 9 。2 0 1 。 1 ．2 ．2 锚杆支护煤巷顶板稳定性研究 锚杆支护技术与各种传统支护方式相比，在控制巷道围岩变形量方面具有明 显的技术经济优越性，但是由于锚杆支护煤巷冒顶事故经常发生，使人们对于锚 杆支护技术的可靠性提出了质疑，因此，锚杆支护煤巷顶板稳定性问题受到了国 内外学者的广泛关注并对此进行了大量的研究，得出了一些有意义的结论。 S o f i a n o sA ．I ．【2 1 , 2 2 J 通过U D E C 计算机数值模拟方法分析了巷道层状顶板的性 质，获得了顶板厚度与其稳定的关系。得出结论，岩层厚度越小，顶板的变形越 大，尤其是顶板厚度小于l m 时，顶板变形迅速。岩层的厚度越大，顶板的稳定性 越好，整体承载能力越高。 林崇德1 2 3 - 2 4 ] 应用数值模拟软件研究了层状顶板的稳定性，水平应力主要影响 无支护条件的层状顶板破坏，采用锚杆支护后的顶板稳定性明显提高，试验结果 表明，锚杆支护能够提高顶板破坏后的峰后强度，锚杆柔性较好。 杨建辉【2 5 J 采用现场调查法重点分析了层状结构顶板工程地质特征和稳定性特 点，认为层状结构是煤巷常见的顶板岩体结构类型，层理面是它的主要结构面， 节理面是次要的结构面。并采用理论分析、物理模拟和数值模拟研究了层状结构 顶板变形性质、结构演化、顶板应力分布和其它诸因素对项板稳定的影响规律。 揭示了不同方向地应力对煤巷顶板稳定性的不同影响。 薛亚东、康天合【2 6 J 通过对大量现场资料研究，将巷道顶板根据不同的岩层结 构分成了四种类型，分为多层薄层、厚煤层、厚层整体和复合顶板。煤系地层岩 石具有强度指标低和变形指标高、分层厚度小和节理裂隙发育等特点，巷道的顶 板岩层结构不同，巷道围岩的变形破坏规律也呈现多种形式，因此，岩性和层次 结构对巷道顶板的稳定性具有重要影响。 张顶立，王悦汉【2 7 。2 8 】分析了层状岩体的结构特征和力学特点，并把夹层作为 整个岩体的一部分，将含夹层的岩体视为一个整体进行研究。结果表明，包含夹 层的围岩中强度较低的岩层首先发生破坏，其后，因体积膨胀及顺层变形使尚未 破坏的岩层承受拉应力 相当于围压减少 ，降低了强度。当降至系统的目前应力 状态时则破坏继续发展，如此下去，直至最终完全破坏；当两者的强度差异较大 时，应采取加固软层或弱化硬层的措施，以实现系统的稳定或协调破坏。 倪建明、朱子副四J 根据淮北矿区不同煤田、不同煤层的开采条件，提出了适 6 第1 章绪论 宜锚杆支护煤巷的顶板结构类型，将顶板岩层结构分为四类即完整型；较完整 型；较破碎型和破碎型，并对每种类型的岩层厚度、岩体完整性给出了参考指标。 根据淮北矿区现有的锚杆支护手段，认为煤层顶板2 - - 一3 m 范围内的岩性状况，是 选择顶板锚杆支护参数和顶板锚杆锚固形式的关键。 1 ．2 ．3 锚杆支护煤巷顶板事故分类及其原因分析 冒顶事故的发生与地质因素、掘进方法、顶板的支护控制方法和采矿环境等 紧密相连。关于煤巷冒顶事故产生的原因，国内外学者从不角度进行了分析并提 出了多种不同的分类方法。 美国学者韦尔【3 0 】将巷道冒顶分为以下六类页岩成碎屑或潮解、砂岩凸起、 结核、煤柱片帮、粘土层及大块冒落等。这种分类主要是研究印第安纳州的特殊 地区，对整个地区来说用途有限。希尔伯特提出了以构造特征、成份特征和肯塔 基东部煤矿顶板为基础的分类。这种分类在规划顶板条件的趋向时，作为预测前 进式开采时有问题的地点的一种辅助手段是有用的。帕特里克与奥享鲍提出的一 种分类方法仅仅以冒顶的几何形状为依据。这种分类就是半球形冒落、拱形冒落、 小块冒落，脱层片落。这种简易分类是用来加快作出与局部条件无关的冒顶报告， 并作为建立未来冒顶的发生与范围预测手段的第一步。当有关冒项原因的推论可 以只根据几何分类得出时，进一步用来分析顶板管理问题是很有限的。N o e l n ， M o e b s 等在总结前人分类的基础上，对美国煤矿中锚杆支护煤巷冒顶分为两类 与应力有关的S 型和与地质有关的G 型。认为大型冒顶事故主要是与应力有关， 与地质有关的G 型所指的是小型冒顶事故如顶板结核掉落、节理引起的顶板小型 抽冒等。美国矿业局提出的顶板分类所需的资料与其他研究人员著作中所需资料 相比要多一些，然而它应保证应用范围更广，为分析判断冒顶的基本原因提供了 完善的基础，并为减少事故率指明了一些适当的方法。 陈炎光、陆士赳‘7 】将巷道冒顶归结为以下因素一是自然地质因素，包括岩层 层理影响、镶嵌型围岩结构影响、岩层节理裂隙及破碎带影响、地下水影响；二 是工程质量因素，包括支架支设质量差、支架稳定性较差、掘进打眼放炮掌握不 好、锚杆支护失效、施工过程中未严格按操作规程施工；三是采掘工程影响；四 是未严格执行顶板安全制度。 杜长龙、蔡津玲等【3 I 】研究获得了G S M 方法对巷道的冒顶类型进行了划分，认 为巷道冒顶可以划成三个大的类型，分别为包括G 1 、G 2 、G 3 、G 4 四个小类的G 型冒顶，这种冒顶主要受工程地质条件的影响；包括三个小类的S 型冒顶，这种 冒项主要受支护质量的影响；包括五个小类的M 型冒顶，这种冒顶主要受巷道围 7 河北工程大学硕士学位论文 岩性质和应力环境的影响。 邹喜正、柳兴江【3 2 】通过对淮北张庄矿锚杆支护的观测，并参考国内外实例， ‘ 将锚杆支护巷道的破坏形式归为六种 见图1 - 9 所示 ，破坏原因分为三类第一 种是巷道项板比较破碎，节理比较发育，顶板支护的锚杆密度较小，碎裂的顶板 在锚杆支护的中间漏冒，如果这种情况没有进行及时的处理，将会发生大的冒顶； 第二种情况是巷道项板的结构比较特殊，或者是复合型顶板，或者具有镶嵌结构， 使稳定岩层的位置超过了锚杆或者锚索的长度，巷道顶板发生大面积的垮落，这 种冒顶隐蔽性强、危险性大；第三种情况是巷道的两帮比较破碎或者较为软弱， 在顶板压力作用下已经发生了破坏，片帮后造成顶板的破坏加剧，引起冒顶。 ， l 卜{㈠1 { | 、、 t‘1l 』 _ 二 ，{．一一 ⋯⋯一 s { i ⋯一 一一一r t ⋯⋯一 ．。 【dJ f e {I f 图1 - 9 锚杆支护巷道破坏的主要形式 F i g ．1 - 9T h eb r e a k a g es t y l eo fb o l ts u p p o r t i n gr o a d w a yr o o f 侯朝炯、勾攀峰‘3 3 。3 4 1 通过大量的研究发现，煤矿锚杆支护巷道主要有两种较 为严重的破坏形式，第一种是剪切破坏，顶板破坏后沿着两帮滑落；第二种是压 缩破坏，巷道顶板由于处于高应力环境，超过顶板岩体的极限强调而发生破坏。 在以上分析的基础上推导出了巷道顶板分析的力学模型，即 矾一2 N , s i n 口 t a n ∞≥兰‘．一 1 ．4 l o T n T D S ．一2 N lC O S g K 。0 - 3 ” 0 - 。。 0 - 7 1 ．5 式中妒，W ，Ⅳ1 ，口，0 - r ，S c ，K 朋，仃，朋，O - c * 分别为顶板锚固后的等效内摩擦角、可能 发生冒落的块体重量、锚杆索的排距、巷道顶板角部的锚杆在冒落范围外可以发 挥的作用力、锚杆在巷道顶板角部的安装角度、可能发生冒落范围内的最大水平 应力0 - 。一平衡值、水平方向载荷与埋深比的平衡值、锚杆轴向等效应力对锚固体 强度的强化系数、锚固体残余的单轴抗压强度。 褚秀生、苏建引3 5 1 根据邢台矿区大量工程实践分析认为，岩体的破坏与岩体 的结构和应力环境密切相关，软弱夹层对岩体破坏的影响要大于岩体本身岩性强 度的影响，因各种弱面和软弱夹层的隐蔽存在而未能及时发现并采取针对性地加 囤 第1 章绪论 强支护措施，是发生顶板事故的主要原因。 张恩强【3 6 】通过对几起锚杆支护煤巷冒顶事故分析，将冒顶原因归为四类一 是无临时支护和没及时支护型冒顶事故；二是整体塌垮型冒顶事故；三是锚杆力 学性能与顶板不协调造成的冒顶事故；四