（采矿工程专业论文）大断面煤巷锚固参数的数值与物理模拟研究.pdf

太原臻王大学矮圭硪究生学位论文 大断面煤巷锚圈参数的数值与物理楱拟研究 摘要 袋代纯鳇综放开采要求黎遂断蓠较大，并且均、沿煤鼷底板 布置，为大凝霆全煤巷遵。这类巷道在开采过程中受采动影响， 一般变形破坯严重。对该类巷道的稳定性及其相关参数进行研 究其有踅要意义。本文就采区上山、回采工侔菊顺横和开仞限 的锚网参数进行了研究，主要瀚研究内容和研究成果如下： 1 、利用三维数值模拟，研究了在采动影响下顺槽煤柱豹合 理尺寸和j 喷槽支护的铺圈参数。随着工作谣熊推进，对距离_ i 作瑟不阔距离颗横煤柱帮顺槽围岩汝瘦力状态和照服破坏特征 进行了研究，采区上山、以及歼切眼也馓了棚应的研究，褥出 了腰槽煤柱的合理尺寸在1 6 2 0 m 范围及其捆成的顺槽和开切 眼憋镪阉参数。 2 、利用物理模拟研究了猩漾巷的保护煤楗尺寸逐渐减小的 过程中，煤槛和巷道丽岩的变形破坏特征。对有锚索和无锚索 的汗切鼹，通过物理模拟 舞究不同煤层墁深下开切眼圈岩破坏 特征。 3 、对本文所选灼地层条件下的大颐西煤巷的支护结构进彳亍 了设诗，对镌因毒季料选型和镶杼、镶索鲍锚嗣参数的确定进行 了硒究。 关键词：大断面煤巷，相似模拟，数值模拟，锚蔺参数 太原理工大学硕士研究生学位论文 n u m e l 娃c a la n bp 联y s l c ss l 潮l a t l o ns 譬e 羚y0 f a n c 疑o 薹t a g 嚣p a r a m 嚣t 嚣ro 羚t 艇嚣嚣l gc r s s s e c 弧o ng a t 嚣 a b s t 融警c t g a t es e c t i o ni sn e e d e db 追g e r m 协em o d e m 血l l ym e c h a n i z e d c 驸i 鹪黥硅l 毪y o 键s 瓤穗es e 撼蠡o o f ，确i e 圭li s 醐巧e c t e dt om 主n i n g a 爨毫c t 蠢嫩珏gs e 越秘gt i m e 。s 糟列瞧撼i 珏g e ko fg a 圭eg e 拄e r 罐l y d i s t o n ss e _ v e 糟l 黟s os 镪d y 撼g 缀e 虹n do f9 8 t eh 豁w 蹬y 巍秘f 瞧躐 s i g f l i 题c a t i o n ，也ep 姆e rm 越燃ys t l l d i e sa n 熊。热g ep a 擞越e t 髓o fg 毪t e ， w h i c ha r er a i s e ，o p e n o 谨a n dg a t e 。n em a 奴c 酿t e n t8 l l dr e s e 强e h a c l l i e v e m e n ta r es u m n l a r i z e da 8f 0 1 10 _ w s ： f i r s t l y ，u s i n g n u m e r i c a ls i m 试a t i o ns t l l d i e 8t l l e p r o p e r d i m e n s i o no fg a t ep i l l a ra l l da n c h o r a g ep a r a m e t e ro fg a t es u p p o r t w i t l lw o r k m gf a c em i n i n g ，t | l ep a p e r8 t u d i e ss 舡s sa i 】d y i e l d b a 壬谢o w nc h a r a c t e ro fg a t ep i l l a ra n dg a 土e d r a 、i n gt 0 血er e s u i t ： a n 幽o r a g ep 黼谳e t e ro fg a t e ，r a i s e ，o p e n o 括a n d 醢1 ee x 衄1 to f p r o p 猷击m e n 8 i o no f g a t ep i l i 瓯 s e e o 穗l y ，u s 诬g 像em e 搬o fs 弧i l a fm a _ t e r 黼s i m u l a t i 傩 s 钿式e s 也e 鞋癯i n gr o e k 鑫i s t o 搪醛a n 纛b 辩崧港。蝴e 渤瞄艘截o f p i l l a f a 珏c l g a 专e 。t h es u 珏貘i 罐辩c k 孰酞如硼蠢鞭i c 钕醴 o p e n i 鹅g a t e 蛾饿c 鑫b l ea n dw i 也o u tc a b l eu n d e r 娃l e 纛i 撖黯嫩d 印也 m a k e sa c o m p a r i s o n 。 t h i r d l y ，t l l ep a p e rd e s i g n ss u p p o r ts t n l c t u r et ot h eb i gc r o s s s e c t i o ng a t et oa d o p tm es t r a t a a n ds t u d ya 1 1 c h o r a 驴m a t e r i a l l e c t o 妙p ea 1 1 da i l c h o r a g ep 猢e t e rc o m 】) u t a t i o n so fc a b l e 珏 太原理工大学硕士研究生学位论文 疆聃肋s ：b i gc r o s ss e c t i o ng a t e ，s i m i l a rs i m u l a t i o n ， n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，a n c h o r a g ep a r 啪e t e r i i i 奎堕里三奎兰堡圭堂垡堡兰 符号说明 d l 一解理间距。 d ，一分层厚度。 6 c r 一项板岩石单轴抗压强度。 4 c 6 一底板岩石单轴抗压强度。 。c c 一巷帮煤层单轴抗压强度。 h 巷道埋深。 z 护巷煤柱宽度。 采动影响系数。 d 围岩完整性指数。 盯 一水平应力。 盯。一垂直应力。 口。萤大主应力。 口，最小主应力。 c 材料的粘结力。 一内摩擦角。 口，一抗拉强度。 e 一弹性模量。 u 一泊松比。 t 一时间，a 。 k 一碎胀系数。 a ，b 一回归系数。 p 一上覆岩层的压力。 庐一直径。 盯。垂直应力。 水平应力。 工一长度。 口，一几何相似比。 口，一容重相似比。 盯，。一应力与弹性模量相似比。 口，载荷相似比。 口，一应变与泊松比相似比。 口，时间相似比。 0 0 钢材屈服强度。 一设计锚固力。 r 锚杆孔半径。 f 一树脂药卷与钻孔壁的粘结强度。 f o 一顶板锚杆的锚固长度。 z 锚固卷长度。 马锚杆杆体的半径。 恐树脂药卷的半径。 厶一实际锚固长度。 一实际锚固力。 i v 太原理工大学硬士研究生学位论文 第一章绪论 1 。1 大断嚣煤巷锚匿参数的研究意义 随着科技兴煤战略不断实施，我国高产商效工作面数量越来越多，工 作面的产量越来越大，与之匹配的回采巷道断预也必然要求增大，因此对 煤巷支轳技零魏磷突遣应g 蠹上发矮步绞。“丸聂”媒炭聪技发震趣剜毫确 立“快速煤巷掘进锚杆支护技术”是重要的玻荚课题 i j 。我困厚煤层储墩 占总储最的4 5 以上，其中5 m 以上特厚煤层占有相当比煎。现开采5 m 以上将愿煤层蛉生产矿势数为生产矿劳总数懿4 0 6 。可见器煤层开采技 术永平如何，极大影响着我国艨凝企业的技术丽貌经济效蘸。 综合机械化放顶煤开采技术熄利用采煤机开采厚煤层的底分层，使其 顶部媒体在自重和矿山压力的 乍耀下破碎、垮落。原在1 9 5 7 年苏联的熙 兹巴疑矿著迸 亍遗试验。1 9 6 4 筝法国又在毒朗藻矿稳蠲鬻“香蕉型”蓬粱 的放顶煤支架进行试验，并首先取得成功。在浅国1 9 8 2 年开始了综采敞 项煤的试验研究，至今已有二十多年历史【2 5 】。经过多年的研究和实践，现 在营逡谈为藏颈爨嚣采是开采浮滚瑟豹有效方法之一，瑟荻敖矮潆开采崧 世界备主要产煤国家相继得到推广和应用。实践证明，在条件适宜的情况 下能取得良好的经济效益与社会效益，是一种黼产、商效、安全、低耗的 罴煤方法，是一静馥鬻鸯发展藏途豹采媒方法。在我国发鼹与整广敷硬蠢 采技术，不但具有较好的煤层赋存条件，而且鼹有降低成本，减轻工人劳 动强度，提高劳动生产率等显著的技术与经济优势【6 j 。 谈技术要求巷邋断亟大，默褥利于综放开溪设备的布鼗、通风、大激 设餐豹运输等原困。巷遒的项板翻两帮全部为煤体，为全煤赣道。这类馨 道是为综放工作面煤服务的。新的煤矿蜜念规程要求综采工作面运 输巷黝净断面不小予1 2 m 2 ，以及对应用放顶煤练采技术的窝效工作面在煤 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 炭运输、通风等方面的特殊要求，综放回采巷道的断面往往很大。煤巷锚 杆支护在煤矿得到了越来越多的应用，但是大断面煤巷的全锚支护还是比 较新的课题。采用当今世界上先进的大采高综合机械化回采工艺，由于通 风、采煤设备的运输及安装和采掘衔接的需要，大断面煤巷的研究势在必 行。加上综放回采巷道的围岩为松散、破碎的煤体，同时在回采过程中受 至d 采动影响，工作面两侧的支承压力对回采巷道的稳定性也有影响。回采 巷道服务期内的围岩稳定将直接影响到开采效率和巷道维护的费用。 1 2 大断面煤巷锚固参数研究现状 早在2 0 世纪4 0 年代，美国、前苏联就已经在井下巷道使用了锚杆支 护，以后在煤矿、金属矿山、水利、隧道以及其他地下工程中迅速得到了 发展。西欧、中欧一些主要产煤国家，过去巷道中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，1 9 4 5 1 9 5 0 年，机械式锚杆研 究与应用；1 9 5 0 1 9 6 0 年，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；1 9 6 0 1 9 7 0 年，树脂锚杆推出并在矿山得到了应用； 1 9 7 0 1 9 8 0 年，发明管缝式锚杆、胀管式锚杆并得到了应用，同时研究新 的设计方法，长锚索产生；1 9 8 0 1 9 9 0 年，混合锚头锚杆、组合锚杆、桁 一架锚杆、特种锚杆答得到了应毋+ 卫| 蝴旨锚固材趋缓到改进。 美国、澳大利亚等国由于煤层埋藏条件好，加之锚杆支护技术不断发 展和日益成熟，因而锚杆支护使用很普遍，在煤矿巷道的支护比重中几乎 达到了1 0 0 。 澳大利亚锚杆支护技术已经形成比较完整的体系，处于国际领先水 平。澳大利亚的煤矿巷道几乎全部采用w 型钢带树脂全长锚固组合锚杆 支护技术，尽管其巷道断面比较大，但支护效果非常好。对于复合顶板、 破碎顶板及其巷道交叉点、大断面硐室等难维护的地方，采用锚索注浆进 行补强加固，控制了围岩的强烈变形。美国一直采用锚杆支护巷道，锚杆 消耗量很大。锚杆种类也较多，有胀壳式、树脂式、复合锚杆等。组合件 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 锚喷支护已经成为岩巷支护的主要形式，煤祷、半煤搿巷中所占比重 还缀低，恧熙主要使髑在条件 g 较篱单瓣l 类、l 类、i l l 类回采巷遭，条 件比较复杂的i v 类、v 类回采赣道还处于试验、总结经验阶段或者采用锚 秆与其他支护的联合支妒形式。因此研究煤巷锚阉参数在我国巷道支护中 有重要的意义h “。煤巷锚杆支护设计方法已经从过去简单的经验法、计算 法，发展到现在以数值计算、现场监测为基础的动态信息反馈设计法。 1 3 本文研究内容、方法与意义 本文首先根据围岩稳定性分类确定煤巷应采用锚固方式和锚固参数 的范围。其次用三维数值模拟通过不同的计算方案确定煤巷的保护煤柱的 宽度和巷道的锚固参数。根据距离工作面不同距离时巷道的应力状态和围 岩屈服特征，研究受采动影响的回采工作面顺槽和煤柱的围岩稳定性状 况。用物理模拟试验研究不同煤柱宽度和所选锚固参数支护的巷道围岩稳 定性。在有锚索和没有锚索条件下两条巷道在顶部施加不同压力下巷道的 围岩破坏的演化过程。根据数值模拟和物理模拟研究的结果确定的锚固参 数，对工作面顺槽和开切眼进行了设计，锚固材料的选择和锚杆锚索锚固 参数的确定，最后提出锚固质量监测。 本文采用的研究方法主要是有限差分法三维数值模拟和物理相似模 拟试验。 回采巷道作为临时性巷道，服务时间短，随着工作面开采结束，本工 作面的回采巷道就报废，采用锚杆支护对巷道围岩强度的强化作用可以明 显提高围岩的稳定性，加之具有支护成本低，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。因此，研究大断面煤巷的锚固参数选择的合理性和可 行性是一个非常有意义的课题。 5 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 有钢带和桁架。具体应用时，根据岩层条件选择不同的支护方式和参数。 喜霪薹耋雾囊薹薹羹蠹孽奏冀墓1 9 8 7 囊薹鬟! 囊疆蔑薹季燃州萋9 0 霍匍峨湾谤鬣篷慑：呸归纳为三态类鞴譬螽研斟裂j 萋艇酐娃静鞋蔺嫒 地质，力学袋。傺愆垂倒鄹瓤德i 零钱曩k 譬爱。强鍪罐溅幢建鹾懑鬻 舔壤溺：苗忐霪箱嚣产镑窆囊秀器鬈篓璧瓣i 灌腰秀遵穗灞艇的方法很多，主要有悬吊理论、组合梁理论、冒落拱理论等 | j 2 j 。在众多的理论中，蘸苏联库兹巴辫矿区豹基予灏落拱理论豹设诗方法 袋具代表霞，这种方法鼹缀攥特定煤灏豹遗质条传，应甭冒落获瓒论分辑 围岩的松动状态，认为锚杆支护的作用是防止松动破碎区的围岩垮落，设 计所用主要参数的获取靠经验并结合定的观测筝段来实现。设计的主要 任务是确定镶耪支护豹溺蹲疆。塑避j 窭多次实黢涯鞠，这静设诗方法对于 i 、i i 、珏i 炎巷道使用效栗良好，而对于、v 类巷遵，特别怒厚煤层综 放巷道、层状碎裂顶板下大断面巷遒镣的设计结果不能满足安全的要求， 有待于进步完善。总之，由于各种理论计算方法所依据的理论熬础不同， 热浚诗冀孛您一些参数滚予霹靠碜定，诗算结栗存纛蔗疆篷，是露祭季孛静， 在某些条件下能够应用，某些条件下则难以应用。 英国、澳大利亚等娥立了以地质力学条件和以数值计算为基础的煤巷 锚轷支护暴绕设计方法，箕核心是首毙根据地应力测试结果，以卷体力学 评信为基礁，结合鼗傻模攘分析进幸亍键秆支护裙始设许，蒸螽露淤雍现场 监测结果对原设计进行修正和完善。j 采种设计方法通过方案的比较分析， 可以选择到较好方案 。 2 2 戮巷道豳者稳定拣分类菀蒸鹚貔工程类鲍设计方法 工程炎比法是煤矿然6 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 锚喷支护已经成为岩巷支护的主要形式，煤祷、半煤搿巷中所占比重 还缀低，恧熙主要使髑在条件 g 较篱单瓣l 类、l 类、i l l 类回采巷遭，条 件比较复杂的i v 类、v 类回采赣道还处于试验、总结经验阶段或者采用锚 秆与其他支护的联合支妒形式。因此研究煤巷锚阉参数在我国巷道支护中 有重要的意义h “。煤巷锚杆支护设计方法已经从过去简单的经验法、计算 法，发展到现在以数值计算、现场监测为基础的动态信息反馈设计法。 1 3 本文研究内容、方法与意义 本文首先根据围岩稳定性分类确定煤巷应采用锚固方式和锚固参数 的范围。其次用三维数值模拟通过不同的计算方案确定煤巷的保护煤柱的 宽度和巷道的锚固参数。根据距离工作面不同距离时巷道的应力状态和围 岩屈服特征，研究受采动影响的回采工作面顺槽和煤柱的围岩稳定性状 况。用物理模拟试验研究不同煤柱宽度和所选锚固参数支护的巷道围岩稳 定性。在有锚索和没有锚索条件下两条巷道在顶部施加不同压力下巷道的 围岩破坏的演化过程。根据数值模拟和物理模拟研究的结果确定的锚固参 数，对工作面顺槽和开切眼进行了设计，锚固材料的选择和锚杆锚索锚固 参数的确定，最后提出锚固质量监测。 本文采用的研究方法主要是有限差分法三维数值模拟和物理相似模 拟试验。 回采巷道作为临时性巷道，服务时间短，随着工作面开采结束，本工 作面的回采巷道就报废，采用锚杆支护对巷道围岩强度的强化作用可以明 显提高围岩的稳定性，加之具有支护成本低，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。因此，研究大断面煤巷的锚固参数选择的合理性和可 行性是一个非常有意义的课题。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 据已经成功的粪似工程的经验，通过类比，直接提出锚杆支护参数。它与 设计卷薛实践经验关系缀大。然嚣，要求每一个设计人员鄂其有丰塞的实 践经虢是不切合实际的。为了将特定岩体条件下的设计与融有的相应条件 下的工程实践经验联系起来进行工程类比，做出魄较合理驰设计方寨，进 行围岩稳定性分类是必要的。 1 9 8 8 年原煤炭工业部颁发试用我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩 稳定性分类方案以来，经过十余年的应用，已进一步完善，发展成为包 括缓倾斜、倾斜、急倾斜和各种煤层厚度的回采巷道，煤层上下山，其它 煤巷以及岩石巷道等全部在内的采准巷道围岩稳定性分类。根据这个分类 方案，煤巷围岩的稳定性可划分为非常稳定( i 类) 、稳定( i i 类) 、中等 稳定( m 类) 、不稳定( 类) 和极不稳定( v 类) 等5 个类别。 我国煤炭系统的专家、学者和工程技术人员在煤巷锚杆支护研究、设 计与施工方面做了大量的工作，积累了丰富的经验，原煤炭工业部锚杆支 护专家组将他们的经验集中起来，在采准巷道围岩稳定性分类的基础上， 制定了煤巷锚杆支护技术规范( 送审稿，1 9 9 7 年8 月) “。该规范的要点 为： 项板必须采用金属杆体锚杆。全长锚固或加长锚固锚杆应选用螺纹 钢杆体。采用端部锚固锚杆时，设计锚固力不应低于6 4 埘；采用全长锚 固锚杆时，杆体破断力不应小于1 3 0 克。 一般情况下，巷帮应支护。巷帮锚杆的设计锚固力以不低于4 0 克为 宜。根据巷道断面、煤层厚度与强度、节理裂隙发育程度、埋藏深度、护 巷煤柱尺寸、锚杆是否经受截割等因素确定巷帮锚杆的形式与参数。 锚杆孔径与锚杆杆体锚固段直径之差，宜保持在6 1 0 删范围之 内。 顶板靠巷道两帮的锚杆，一般应向巷道两帮倾斜1 5 。3 0 。( 与铅 垂线夹角) 。 推荐的巷道锚杆基本支护形式与主要参数见表2 一l 所示。 7 太原理工大学硕十研究生学位论文 4 一“项板较完整”指节理、层理分级的i 、i i 、i i 】级，“项板较破碎”指、v 级，如表2 3 所示。 表2 2 金属杆体锚杆支护系列参数 项目 系列 锚杆长度埘 14 ， 16 ，l8 ，20 ，22 ，2 4 ，2 6 锚杆杆体直径，”m1 6 ，1 8 ，2 0 ，2 2 ，2 4 锚杆孔径，珊研 2 6 ，2 8 ，3 l ，3 3 锚杆排距m0 6 07 ，08 ，0 9 ，10 ，1 1 ，12 ，14 锚杆间距，卅 0 6 ，0 7 ，o 8 ，0 9 ，l0 ，1 1 ，12 ，14 表2 3 节理、层理发育程度分级 节理、层理分级 l1 ii i iv 层、节理发育程度极不发育 不发育中等发育发育很发育 节理间距d 1 ( ) 3l 30 4 l0 1 0 4 21 - 2o 3 l0 l 如- 3 3l 30 4 - , 10 1 i i 4 蓍1 j 分层厚度d 2 ( m 1 21 - - 2o 3 l0 1 - 4 ) ! ；蓍1 2 3 夭断面巷道围岩稳定性分类 2 。3 。1 分类指掭 根据相关溉料，获得上榆泉矿1 0 # 煤层采准巷道与围糟稳定性分类有 关的7 个参数及其变化范围，见装2 - 4 所乐。 表2 - 4 上榆泉矿1 0 # 垛层围岩稳定性分熬基本参数 t a b l e2 - 4s u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t ys o r t i n gb a s i cp a r a m e t e ro fs h a n g y u q u a n m i n e s1 8 誊s o a m 序号分类参数单位参数值 l 顶板岩科单轴抗压强度口。 朋孙1 4 2 底援岩磊攀鞍藐压强赛5 出 嫩4 9 + 3 巷帮煤屡单轴抗压强度o c c胁 1 4 4 棼道埋深日 卅 1 3 0 - 2 3 0 5 护赫煤柱宽度爿 l ”5 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 注：1 一项板岩石单向抗压强度取巷道宽度2 倍范围内顶板岩石单向抗压强度的加权s f 均值。按最大 煤层厚度考虑，应为顶煤及其夹矸的加权平均强度1 4 m p a 。 2 底板岩石单向抗压强度取巷道宽度l 倍范围内底板岩石单向抗压强度的加权平均值 4 9 1 m p a 。 3 巷帮煤层单向抗压强度为煤和夹矸的加权平均值1 4 z p a 。 4 巷道埋深指巷道位置与地表的垂直距离，1 嘴煤层的虽大埋深2 3 0 m ，最小埋深1 3 0 m ，平 均埋深1 7 0 m ，应讨论不同埋深时的围岩类别。 5 护巷煤柱的宽度指一侧煤柱的实际宽度，上山巷道的煤柱宽度已经取定，每侧为7 5m ：顺 稽煤柱的宽度尚未取定，应讨论不同煤柱尺寸时的围岩类别。 6 采动影响系数指因工作面回采引起的超前支承压力的影响，值等于直接顶板厚度除以煤 层采高。直接顶板厚度为43 6 m ，煤层最大采高为1 37 m ，故n = 0 3 2 。 7 围岩完整性指数指围岩节理、裂隙、层理的影响程度，一般可利用直接硕初步垮落步距代替， 在此应为顶煤的初次垮落步距。由于上榆泉矿井尚未投产，按模拟试验结果，取顶煤垮落 高度为21 0 m 时的垮落步距，d = 1 2 m 。 2 ，3 2 分类结采及冀变纯艇镶 根据圈岩稳定性分类方案，取巷道埋深为2 3 0 m ，护巷煤柱尺寸为 2 0 m ，箕余参数为寝2 4 蕊示露，褥鑫t 0 # 潆层巷遥鬻舞静稳定稳类鬟梵 类。蓿考虑护巷煤柱尺寸为2 0 m ，埋深为1 3 0 m - 2 3 0 m 的不同值时，巷 遴羞岩稳定挂夔类期不变，谨暖在鼗埋深莲鬻内，理滚瓣巷j 薹溺爱稳定链 的影响不大。若考虑埋深为2 3 0 m ，护巷煤枝尺寸为1 0 m , - - 4 5 m 的不同值 瞬，巷道围岩稳定性类别的变化规律见表2 ，5 所示。当护巷煤柱足寸为 】0 m 3 5 m 时，围瀣稳定性为类；当护巷煤桂尺寸为3 6 m 时，围岩稳定 性为i i i 类；当护巷煤柱尺寸为3 7 m 4 4 m 时，围岩稳定性为1 i 类：当护巷 媒柱尺寸， 4 5 m 孵，圃岩稳定性为l 类。 表2 - 5围露稳定性随护巷煤娃尺寸的变化 煤柱尺寸，m 1 0 - 3 53 63 7 - 4 4 4 5 围豢类别 l i 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 本章小结 本章就在巷道围岩稳定性分类的基础上确定了巷道的基本支护形式 与主要参数选择，得出上榆泉矿1 0 # 煤层巷道围岩的稳定性类别为类， 根据表2 1 煤巷锚杆支护技术规范推荐的类巷道锚杆基本支护形式为： 锚杆+ w 钢带+ 网+ 锚索或桁架+ 网+ 锚索；顶板支护主要参数为：全长锚固， 杆体直径1 8 2 2 m 卅，杆体长度1 8 2 4 m ，间排距0 6 1 o m 。上述结论将 作为本次研究的基础。 太原理工大学硕十研究生学位论文 4 一“项板较完整”指节理、层理分级的i 、i i 、i i 】级，“项板较破碎”指、v 级，如表2 - 3 所示。 表2 - 2 金属杆体锚杆支护系列参数 项目系列 锚杆长度m14 ，16 ，l8 ，2 0 ，22 ，2 4 ，2 6 锚杆杆体直径，m m1 6 ，1 8 ，2 0 ，2 2 ，2 4 锚杆孔径珊研 2 6 ，2 8 ，3 l ，3 3 锚杆排距m 0 6 o7 ，o8 ，0 9 ，10 ，1 1 ，12 ，14 锚杆间距m0 6 ，o 7 ，o 8 ，0 9 ，lo ，1 1 ，12 ，14 表2 - 3 节理、层理发育程度分级 节理、层理分级l1 ii i i v 层、节理发育程度极不发育 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章基于遗质力学条件和数值计算的大断嚣巷邋 锚圈参数研究 3 1 前言 实践证明，在工程条件相近时，采用工程类比法进行锚杆支护设计可 能十分成功。然而，由于煤层赋存条件和围岩结构千差万别，围岩的类别 受多种因素的影响，往往同一类别的巷道，其主导因素差异很大，这就导 致同类别的巷道对锚杆支护形式与参数的要求不同。特别需要指出的是： 在围岩稳定性分类中，没有考虑巷道断面的大小与形状，而大断面巷道 与中小断面巷道的支护方式与支护参数必将有所区别；根据围岩稳定性 分类设计出的锚杆支护参数只是一个范围，需要进一步确定准确数值。在 此运用以地质力学条件为基础的数值计算方法，系统地对上榆泉矿1 0 煤 层各巷道的锚固参数进一步的研究。 3 2 以地质力学条件为基础的数值计算设计方法 以地质力学条件为基础的数值计算设计方法是由英国、澳大利亚等国 建立的煤巷锚杆支护系统设计方法的一部分内容。系统设计方法具有两大 特点：设计不是一次完成的，而是一个动态过程；设计充分利用每个 过程中提供的信息。该设计方法包括五部分内容，即试验点调查和地质力 学评估；以数值模拟为主的初始设计；井下专项监测；日常监测；信息反 馈和修正设计。其中，试验点调查包括围岩强度、围岩结构、地应力及锚 固性能测试等内容，为初始设计提供可靠的参数。初始设计采用数值计算、 解析法和经验法相结合的方法进行，根据围岩参数和已有实测数据确定出 比较合理的初始设计。然后将初始设计实旋于井下，并进行详细的围岩位 移和锚杆受力监测，根据监测结果验证或修正初始设计。设计实施后还要 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 遴行日常监测，确保巷道安全。由于上榆泉矿尚未开掘耱道，在此仅进行 黪疆整努蠹窑，帮试验点瀵焱与建凄力学谬嵇帮采爝数藏诗算迸行裙始设 计。该初始设计应用后，进行井下专项监测和日常监测工作是必需的，取 得反馈信息后，对初始设计进行进一步的修正，以确保矿井安全生产。 试验点谴焱露缝度力学谬 鑫夔主要内容： 巷道围岩的岩性和强魔 煤层厚度，倾角，抗压强度，节理、裂隙分布情况； 巷道顶底板卷层分毒，各磐层强度； 建震构逸和函岩结构 巷道周围比较大的地质构造，如断层、褶曲等的分布，对巷道的影响 程度等。巷道围嚣中不连续灏的分布状况，如分层厚度靼节理裂隙间距的 大小，不连续嚣鹣力学特淫等。 地应力 地应力包括瓣直主应力和两个水平主威力，其中最大水平主应力的方 淘裙大毒黯锾移支轳设诗茏必燕要。 环境影响 水文地质条件，涌水量，水对围岩强度的影响，瓦斯涌出量大小，岩 石的鼹纯性质等。 粘结强度测试 采用锚杆拽拔计测定树脂锚固剂的粘绒强度。测试成采用旋工中所用 的镶籽和树e 旨麴漆，分别在麓道顶板和两帮设计锚固深度上进行三缀控拔 试验。糖结强黢满足设计要浓磊方虿在势下施王孛采蔫。 现有支护情况 现有巷道断砸、尺寸，嶷护形式和参数，支护费用和支护效果等。 3 3 地质力学条件 3 3 1 煤层结构 上羧轰煤犷l 棼媒垂戆终褥复杂，夹舜鼷数多。由s 令链琵缮至豹l 潞 】3 太原理工大学硕士研究生学位论文 煤层弑存深度、厚度积结梅特征照表3 l 所示。 袁3 1 上榆泉煤矿lo # 煤层赋存特征统计表 钻孔编哮h 2 ：k 1 4 ，ih z k l 3 * 1 s z k 5 2 s z k 3 3s z k 5 * 3平均 埋滚抽2 撼+ 1 9 1 9 7 。l ?l 1 6 7 8 l 。7 3l ? l ，i 61 8 2 夹石罄数8 471 21 38 8 夹石层厚度范围，m0 1 5 0 8 0 3 0 70 1 0 90 0 5 0 7o 1 0 70 1 4 0 8 夹石总厚度，m 24l82 4 72 329 52 3 8 夹石蘑平均厚度趣 0 30 ，4 s，3 5氇1 90 ，2 30 3 0 煤层厚艘，m 1 1 3 77 8 31 37 11 3 21 2 ，3 2 1 1 7 央石占烛 屡， 2 l - 12 3 0 l & 01 7 42 392 0 6 8 放袭3 一l 瑟示镳嚣资辩哥黻嚣冬，1 0 # 爨擦戆平均壤滚为1 8 赫，乎均 夹石层数为8 8 层，每层夹石的平均厚度为o 3 m ，煤层平均脬度为1 1 7 m 。 根据试验结果，夹石的强度比煤的强度大，夹石的层厚增加泽口层数增多， 有利予巷道的稳定，露漾层厚度豹壤大不利予旗遂貔稳定我。为健醭究缝 果更凝代表性和安全性，在研究中取夹石层数为8 层，每滋哭石的层厚为 o 2 5 m ，夹石的总厚廪为2 0 m 。焰l 层厚度取最大值1 3 7 m ，则9 个煤分层 的平均脬度为1 3 m 。 3 0 。2 矮板岩缝及其j l | 巷遥蓠者稳定性静影稿 若仅从受静压米说，巷道围糟的稳定性主骚受顶煤的结构和力学特性 鲍影响；蚨综放开采工作面超前移动支承应力麓侧向移动支承应力对巷邋 稳定浚豹影晌来说，所涉及静颈叛岩俸达到巷遴上方5 0 m 以上鹣范围。扶 5 个钻孔柱状图来灌，顶板上方糟层主要有泥岩、砂岩和砂质页岩等，属 于中硬顶板，据推断属于i l 级来聪明显的顶板。因此综放工作砸超前移动 支承成力窝键舞移动支承痤力对麓遵围岩浆稳定瞧有一定影镝。 3 3 3 底板岩性及其髓巷道匿岩稳定性的影螭 从5 个钻孔柱状看，有2 个钻孔为泥岩底板，3 个钻孔为砂岩底板， 其抗藤强度为23 2 9 4 8 g 船8 ，瀛予孛硬底扳，慰巷道靛稳定瞧影响不大。 1 4 太原理工大举硕士研究生举位论文 _ m w 一 但混岩遇水软化或崩解对巷道稳定性有较大的影响。 3 。3 。4 整遴墨岩瓣魏毽秀学特燕 综合钻孔岩芯的物理力学特性测试结果，得到1 0 # 煤屡及其顶底板岩 石的物理力学参数，见表3 2 所示。表3 2 所示的煤岩结构及其物理力学 参数撼传为数值诗冀黪基础。 3 3 5 工作嚣开采条件 回采工作面采用综放开采，底层采高3 m 。根据煤厚的变化，顶煤厚 度】1 0 。7 m ，采放毖0 3 3 5 7 。按对巷道稳定性最不利袈传考虑，取顶 漾蓐笈1 0 7 疆。 3 3 6 地质构造与水文条件 井田内地层产状乎缓，倾角一般为2 - 8 。袒皱构造和断裂构造不发 赛，辩蓥道圈岩戆稳定毪影唆不大。著羁悫豹充零因素主舞是漾屡鑫上薅 屑岩裂隙含水层。井田的水文城质类型为二畿一型，即以裂隙充水为主的 水文地质条件简单的矿床。由于巷道的顶板大多为泥岩，瓣注意顶板岩石 遇水较仡两影响巷邋围岩酶稳定瞧。在巷道服务翅内要对顶板岩层的稳定 性送行整测。 表3 - 2 上榆泉矿1o # 煤屡及其顶底板岩石的物理力学特性 t a b l e3 2 p h y s i c a lm e c h a n i c s c h a r a c t e ro fs h a n g y u q u a nm i n e s1 0 # s e a ma n d r o o f f l o o rr o c k 序 卷性 层岸窑重泊松 抗压挠控抗剪 弹性模簧 肉蘩内摩 强度强度强度力擦角 号 mt m 3 比 肝a m p a 伊am p a d p a 。 1砂质泥岩4 0 260 3 65 l - 4 82 8 87 09 9 4 2 1 8 0 5 2 2 串砂岩 1 0 ，02 。5 28 ；3 24 7 ，5 2 4 4 8 2 53 7 2 0 8l l 。53 7 ，z 3砂质泥岩 5 s2 60 3 65 1 4 82 8 8 7 0 9 9 4 2 1 8 0 5 2 48 # 煤1 5l3 60 4 11 2 3 1 5 l 2 31 0 9 3343 1 4 5 细砂岩 3 52 5 80 2 65 5 73 88 05 3 9 7 71 1 94 4 6 6 掘岩 3 。l2 6 50 3 93 5 ，l3 2 66 14 8 5 4 07 8 54 l ，3 7 妙蹑漉砉 2 。9 32 。60 、3 65 l ，4 82 8 87 09 9 4 2 ，i8o5 2 8中粗砂岩39 9 2 50 3 24 7 5 24 48 ，2 53 7 2 0 61 l - 53 7 2 99 艄#2l1 3 0 04 11 2 31 5 l2 31 0 9 3 3 4 3 1 4 1 0 绷砂岩 2 32 5 80 2 6s s 73 88 05 3 9 7 7l i 94 4 9 娃 秽鹱疆老 2 22 80 3 6s 1 畦82 ，8 8o9 9 4 2 ，18 。05 2 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 续表3 - 2 序层厚容重泊松 抗压抗拉抗剪 弹性模量 内聚内摩 号 岩性强度强度强度力擦角 mt m 3 比m p a m p a m p a m p a m p a。 1 2 泥岩 082 6 503 93 51 3 2 66l4 8 5 407 8 54 1 3 1 3 砂质泥岩 1 2 92 60 3 65 1 4 82 8 8709 9 4 2 18 05 2 1 4 中粗砂岩 16 825 o3 24 7 5 24 48 2 53 7 2 0 61 1 53 7 2 1 5 砂质泥岩 2 9 92603 65 l _ 4 82 8 87 09 9 4 2 18 05 2 1 6 细砂岩 21 12 5 802 65 573 880 5 3 9 7 7 1 l9 4 4 6 1 7 粗砂岩 23 32 5o 2 53 0 5 723 4 8 42 9 2 1 26 02 8 1 8 中粗砂岩 1 0 62 5 2o 3 24 7 5 24 48 2 53 7 2 0 51 l _ 53 7 2 1 9 细砂岩 2 7 32 5 80 2 65 5 73 88 05 3 9 7 71 194 4 6 2 0泥岩l5 326 50 4 03 5 13 2 66 14 8 5 4 07 8 54 1 3 2 1 1 0 # 煤 1 3l _ 3 60 4 l1 z 31 5 12 31 0 9 3 343 1 4 2 2夹矸02 5 21 30 4 02 5 o2 34 71 5 1 3 85 83 2 1 2 3 1 0 # 煤 1 3l3 6o4 l1 2 31 5 1231 0 9 3 343 1 4 2 4 夹矸 0 2 52 1 30 4 02 5o2 34 71 5 1 3 85 83 2 1 2 5 1 0 # 煤 l3l _ 3 60 4 11 231 5 l2 31 0 9 3 343 1 4 2 6 夹矸 o2 52 1 30 4 02 5 02 34 71 5 1 3 85 83 2 1 2 71 0 # 煤 131 3 60 4 11 2 31 5 12 31 0 9 3 343 1 4 2 8 夹矸 02 521 3 o 4 02 502 34 71 5 1 3 85 83 2 1 2 9 1 0 # 煤 1 3l3 60 4 11 231 5 12 31 0 9 3 343 1 4 3 0夹矸0 2 5 2 1 30 4 02 5 02 34 71 5 1 3 85 83 2 1 3 1 1 0 # 煤 1 31 3 60 4 11 2 31 5 12 31 0 9 3343 14 3 2 夹矸 0 2 5 21 3o 4 02 5 02 34 71 5 1 3 85 83 21 3 3 1 0 # 煤 1 31 3 60 4 11 2 31 5 12 31 0 9 3 343 1 4 3 4 夹矸 o 2 52 1 3o 4 02 5 02 34 71 5 1 3 85 83 2 1 3 51 0 # 煤 131 3 60 4 11 2 315 l231 0 9 3 343 1 4 3 6 夹矸 02 52 1 30 4 02 5 023471 5 1 3 85 83 2 1 3 7 i 0 # 煤 131 3 60 4 l1 2 31 5 l 23 1 0 9 33 43 1 4 3 8砂质泥岩 2 02 60 3 65 1 4 82 8 87 09 9 4 2 18 05 2 3 9 中砂岩 502 5 20 3 2 4 7 5 24 48 2 53 7 2 0 6“53 7 2 4 0 泥岩 8 02 6 5o 3 93 5 1 3 2 66 14 8 5 4 07 8 54 1 3 3 3 7 掘进方式 采用综掘机掘进，顺槽均采用一次成巷的掘进方式；开切眼由于宽度 较大，可能要采用两次成巷的掘进方式，应考虑二次扩巷对巷道围岩稳定 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 性的影响。 3 3 8 攮应力条件 在该地区没有进行过地应力测试，按一般规律，计算时取盯 = 1 1 仃，。 3 。4 数值计算方法 计算采用f l a c 3 d 进行，f l a c 3 d 是为岩土工程而开发的，程序建立在 拉格朗日算法基础上，主要适应计算岩土类工程地质材料的力学行为，特 别适应模拟材料的大变形、弯曲和扭曲。模型采用弹塑性材料，运用 m o h r - c o u l o m b 屈服准则判断岩体的破坏，即： 正= ( r i a 3 n + 2 c n ( 3 一1 ) = o 3 一q ( 3 - 2 ) 式中，1 3 ，吧分别为最大和最小主应力；c ，分别为材料的粘结力和内 摩擦角：1 3 ，为抗拉强度；虬= ( 1 + s i n ) ，( 1 一s i n ! i ) 。当正= o 时，材料将发 生剪切破坏；当，= 0 时，材料将产生拉伸破坏。 3 5 三条上山锚固参数的数值计算 3 5 1 数值模型与模拟方案 根据图3 一l 所示的三条上山的相对位置和断面尺寸，确定上山模型的 宽度为2 6 6 0 4 m ；考虑煤层底板2 0 m ，煤层厚度1 3 7 m ，顶板7 6 3 m ，则模 型高度取l l o m ：考虑巷道中的锚杆排距9 0 0 r a m ，锚索排距3 6 0 0 r i h ，取布置 1 0 排锚索的巷道长度，则模型沿巷道轴线方向上的厚度为3 6 m 。按最大埋 深2 3 0 m 考虑，上覆1 4 0 m 的岩层重力，按均布荷载施加在模型的上部边界。 整个模型共划分为4 2 5 0 4 个单元( 不同方案，由于锚杆、锚索的数量和长 度不同，其单元数不同) ，5 0 7 7 8 个结点。计算中初始水平应力用i n i t i a l 语 句赋值。三条上山的计算方案如表3 3 、3 4 、3 5 所示。 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 表3 - 3回风上山锚固参数的数值计算方案 方顶板锚杆顶板锚索 煤帮锚杆 备注 案 长度排距间距根长度排距间距根 长度排距间距根 r a m r a mm m ，排 r a mr a mr a m ，排 r a mm m r a mg e l2 2 0 09 0 09 5 076 2 0 03 6 0 02 8 5 021 8 0 09 0 01 0 0 0 4 ，惯0 项锚 杆长 21 8 0 09 0 0 9 5 0 76 2 0 03 6 0 02 8 5 0 21 8 0 1 ) 9 0 01 0 0 04 侧 度影 32 0 0 09 0 09 5 076 2 0 03 6 0 02 8 5 021 8 0 09 0 01 0 0 0 4 侧 响 42 4 0 09 0 09 5 0 7 6 2 0 03 6 0 02 8 5 021 8 0 09 0 01 0 0 04 戳 52 2 0 06 0 09 5 076 2 0 03 6 0 02 8 5 02 i8 0 09 0 0 1 0 0 04 倭l 项锚 杆排 62 2 0 07 0 09 5 076 2 0 03 6 0 02 8 5 021 8 0 09 0 01 0 0 0 4 ，便4 距影 72 2 0 08 0 09 5 0 7 6 2 0 03 6 0 02 8 5 0 21 8 0 09 0 0 1 0 0 04 侧 响 82 2 0 01 0 0 09 5 076 2 0 03 6 0 02 8 5 021 8 0 09 0 01 0 0 04 侧 92 2 0 09 0 01 1 8 066 2 0 03 6 0 02 8 5 021 8 0 09 0 01 0 0 04 ，但4 顶锚 杆间 1 0 2 2 0 09 0 08 4 086 2 0 03 6 0 02 8 5 021 8 0 09 0 01 0 0 0 4 自e j 距 1 l2 2 0 09 0 07 3 096 2 0 03 6 0 02 8 5 0 21 8 0 0 9 0 01 0 0 04 侧 1 22 2 0 09 0 05 9 01 06 2 0 03 6 0 02 8 5 021 8 0 09 0 01 0 0 04 僦 1 32 2 0 09 0 09 5 074 ：2 0 03 6 0 02 8 5 021 8 0 09 0 01 0 0 04 便i 锚索 长度 1 42 2 0 09 0 09 5 0 7 5 2 0 03 6 0 0 2 8 5 021 8 0 09 0 01 0 0 0 4 f 碱 影响 1 5 2 2 0 09 0 0 9 5 0 77 2 0 03 6 0 02 8 5 021 8 0 09 0 01 0 0 04 ，侧 】62 2 0 09 0 09