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全日制硕士学位论文 Study on the shear characteristics of the reaming anchorage on coal mine roadway 申请人姓名 李文彬 指 导 教 师 刘少伟 教授 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 矿业工程 研 究 方 向 矿山压力与岩层控制 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二○一二○一八八年年六六月月 煤矿巷道扩孔锚固体抗剪特性研究煤矿巷道扩孔锚固体抗剪特性研究 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号TD353 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码10460 煤矿煤矿巷道扩孔锚固体抗剪特性研究巷道扩孔锚固体抗剪特性研究 Study on the shear characteristics of the reaming anchorage on coal mine roadway 申请人姓名申请人姓名 李文彬李文彬 学 位 类 别学 位 类 别 工学工学硕士硕士 专 业 名 称专 业 名 称 矿业工程矿业工程 研 究 方 向研 究 方 向 矿山压力矿山压力与岩层控制与岩层控制 导师导师 刘少伟刘少伟 职称职称 教授教授/博导博导 提 交 日 期提 交 日 期 2018.06 答 辩 日 期答 辩 日 期 2018.06 河南理工大学 二○一二○一八八年年六六月月 万方数据 2 万方数据 I 致致 谢谢 三年时光转瞬即逝，但在这三年时光中学到的知识却使我受益终生。如今即 将离别学习和生活了七年的母校，更觉感激与不舍。在此，我要深深感谢在生活 及学习上给予帮助的人。 首先，衷心感谢我的恩师刘少伟教授。刘老师为人随和热情，治学严谨细心， 在学习生活中都给予了我精心指导和关怀， 从论文的构思到完成， 刘老师都给予了 悉心的指导。刘老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，让我终生受益。借此机 会，谨向恩师表示崇高的敬意和衷心的感谢 感谢河南理工大学能源科学与工程学院对我的培养感谢所有为我授课的老 师在我学习和生活中给予的帮助感谢在论文选题、开题、写作及预答辩等环节 提出宝贵意见的老师 感谢张辉老师、贾后省老师，感谢付孟雄、朱乾坤、乔安震、罗亚飞、李亮、 吉祥、王伟、李小鹏、贺德印、高培成、王璐瑶等师兄弟在论文写作过程中给予 的鼓励和帮助感谢室友申路路、韩亚鹏及所有 2015 级矿业工程硕士研究生给予 的关心和帮助 父母真爱，感谢父母的养育之恩，感谢你们对我不求回报的付出，同时感谢 教给的我人生大道理，并不断的给予我鼓励，是我人生前进的动力。 感谢论文中所引用文献的各位著、编、译者 最后，感谢各位评审老师。由于作者能力有限，论文中难免有纰漏和不足之 处，恳请评委老师给予批评和指正。 李文彬 2018 年 06 月 万方数据 II 万方数据 I 摘摘 要要 煤矿巷道锚杆支护过程中，锚杆剪切破坏现象时有发生，严重影响着巷道支 护的稳定性，特别是巷道周边岩层节理发育区域，其锚杆剪切破断最为频繁。论 文针对煤矿巷道锚杆剪切破断的问题，通过现场调研锚杆破坏情况、查阅相关资 料等方式，确定了造成煤矿锚杆剪切破断的主要原因，根据理论分析，提出了在 剪切节理面处进行扩孔锚固的方式来提高锚固系统的整体刚度，进而增大锚固系 统的整体抗剪切性能。采用数值模拟的方法，对普通锚固、正楔形扩孔锚固和圆 柱形扩孔锚固三种锚固类型进行受力分析，以锚杆剪切位移、锚杆剪切变形影响 范围及锚杆受力为指标，确定了剪切节理面的最佳锚固方式为正楔形扩孔锚固。 在正楔形扩孔锚固的基础上，通过改变不同的扩孔位置，分析锚杆的剪切位移和 剪切载荷，确定了扩孔位置在 50mm 处最佳。在确定正楔形扩孔锚固的最佳位置 后，通过改变围岩的整体强度，发现锚固在软岩中的锚杆更容易产生较大的剪切 变形，而锚固在硬岩中的锚杆能够调动围岩试块的抗压强度来综合抵抗来自于剪 切节理面的切向载荷。设计加工了相应的锚杆剪切试验装置，并确定了相应的试 验方法，通过实验室试验进一步验证了正楔形扩孔锚固在剪切节理面处的作用机 理和提升抗剪切性能的有效性。 关键词关键词锚杆剪切；岩层节理面；正楔形扩孔；剪切试验装置 万方数据 II 万方数据 III Abstract The rock anchor bolts phenomenon of shear failure occurred time to time during the process of coal mine bolt support in roadway. It affects seriously the stability of roadway support, especially in the area of strata joint development around the roadway, where the bolt shearing break is the most frequent. In this paper, the author focuses on the coal mine roadway bolt shearing break problem, accesses to relevant ination, through field investigation to determine the main causes of anchor bolt shear breaking coal mine. According to the theoretical analysis, the author put forward the reaming anchor in shear joints way to improve the overall stiffness of the anchoring system, which overall resistance shear perance thereby increasing the anchorage system. By the of numerical simulation, anchorage stress analysis, anchorage is positive wedge-shaped reaming and reaming cylindrical anchorage three anchoring bolt type with shear displacement, shear deation and anchor stress as the index. In order to determine the best type of shear joint surface, anchoring is wedge reaming anchor. On the basis of positive wedge reaming and anchorage, the shear displacement and shear load of anchor rod are analyzed by changing the location of reaming. Also, the location of reaming is best at 50mm.It is the positive wedge-shaped reaming in determining the best position. For all, the author changes the overall strength of surrounding rock, founds in soft rock anchor bolt which is more prone to large shear deation. Anchorage in hard rock bolt can mobilize rock strength to comprehensive resistance from shear joints tangential load. The corresponding bolt shear test device has been designed and manufactured, and the corresponding test has been determined. Through laboratory tests, the mechanism of the positive wedge-shaped reaming and anchorage at the shear joint surface is further verified, and the effectiveness of improving the shear perance is also verified. Keywords bolt shear; rock stratum joint surface; positive wedge-shaped reaming; shear test device 万方数据 IV 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................... III 目目 录录 .......................................................................................................................... V 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 论文研究目的及意义 ..................................................................................... 1 1.2 国内外研究进展 ............................................................................................. 2 1.2.1 锚杆支护技术研究现状 ........................................................................................ 2 1.2.2 锚杆锚固孔扩孔锚固技术研究现状 .................................................................... 4 1.2.3 锚杆剪切理论研究现状 ........................................................................................ 5 1.3 研究的方法和主要内容 ................................................................................. 9 1.4 技术路线 ......................................................................................................... 9 2 巷道围岩地质力学性质与锚杆力学性能分析巷道围岩地质力学性质与锚杆力学性能分析 .................................................... 1111 2.1 矿井巷道地质条件概况 ............................................................................... 11 2.1.1 矿井概况 .............................................................................................................. 11 2.1.2 巷道支护现状与存在问题 .................................................................................. 12 2.1.3 地质力学评估巷道的选取 .................................................................................. 12 2.2 巷道围岩强度测定 ....................................................................................... 13 2.2.1 岩样选取地点 ...................................................................................................... 13 2.2.2 岩样测试与数据分析 .......................................................................................... 14 2.3 巷道围岩松动圈测试 ................................................................................... 15 2.3.1 测试仪器选取 ...................................................................................................... 15 2.3.2 测试目的及工作原理 .......................................................................................... 16 2.3.3 测点选取及测试过程 .......................................................................................... 17 2.3.4 测试结果处理分析 .............................................................................................. 19 2.4 锚杆力学性能分析 ....................................................................................... 24 2.4.1 锚杆抗拉性能 ...................................................................................................... 24 2.4.2 锚杆抗剪切性能 .................................................................................................. 25 2.5 本章小结 ....................................................................................................... 26 万方数据 VI 3 锚杆孔扩孔锚固体剪切理论分析锚杆孔扩孔锚固体剪切理论分析 ...................................................................... 2727 3.1 普通锚杆锚固段剪切强度计算分析 ........................................................... 28 3.2 锚杆孔扩孔锚固段剪切强度计算分析 ....................................................... 30 3.2.1 锚杆锚固段剪切破类型 .......................................................................................30 3.2.2 锚杆孔扩孔锚固段抗剪能力计算方法 ...............................................................33 3.3 本章小结 ....................................................................................................... 36 4 煤矿巷道扩孔锚固体剪切数值模拟研究煤矿巷道扩孔锚固体剪切数值模拟研究 .......................................................... 3939 4.1 ANSYS15.0 有限元模拟软件模型建立 ....................................................... 39 4.1.1 德鲁克-普拉格（Drucker-Prager）模型 .............................................................39 4.1.2 接触面模型 ...........................................................................................................40 4.2 锚杆剪切仿真试验模型 ............................................................................... 41 4.2.1 模型的建立 ...........................................................................................................41 4.2.2 边界条件与约束 ...................................................................................................41 4.2.3 计算中采用的单元 ...............................................................................................42 4.2.4 模型材料力学参数 ...............................................................................................42 4.2.5 接触面间参数设定 ...............................................................................................43 4.3 不同扩孔形状锚固体剪切试验数值分析 ................................................... 43 4.3.1 不同扩孔模拟方案设计 .......................................................................................43 4.3.2 剪切载荷选定 .......................................................................................................44 4.3.3 不同扩孔形状下锚固体力学特征分析 ...............................................................45 4.3.4 不同扩孔位置下锚固体力学特征分析 ...............................................................50 4.3.5 不同围岩强度下锚固体力学特征分析 ...............................................................55 4.4 小结 ............................................................................................................... 60 5 剪切试验装置设计与实验室试验剪切试验装置设计与实验室试验 ...................................................................... 6161 5.1 剪切试验装置的设计 ................................................................................... 61 5.2 实验室相似模拟试验 ................................................................................... 62 5.2.1 围岩体配比材料及方案确定 ...............................................................................62 5.2.2 围岩体实验室强度测定 .......................................................................................62 5.2.3 实验室试验材料与过程 .......................................................................................63 5.2.4 试验数据分析 .......................................................................................................65 万方数据 VII 5.2.5 现场锚杆抗剪对策 .............................................................................................. 67 5.3 小结 ............................................................................................................... 68 6 结论与展望结论与展望 .......................................................................................................... 6969 6.1 结论 ............................................................................................................... 69 6.2 不足及展望 ................................................................................................... 70 参考文献参考文献 .................................................................................................................. 7171 作者简历作者简历 .................................................................................................................. 7777 学位论文数据集学位论文数据集........................................................................................................ 7979 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 论文研究目的及意义 自 20 世纪 50 年代以来，我国煤矿锚杆支护技术便得以迅速发展，支护理论 不断被完善，支护技术不断被改革与推广，并以其优越的实用效果、施工速度、 施工成本等优点在煤矿领域中得到广泛认可[1-3]。煤矿巷道锚杆支护作为一种主动 支护方式，对煤矿巷道围岩体提供较好的主动约束力，明显地改变了巷道支护状 况，有利于降低巷道支护成本和维护费用，有利于降低材料消耗和减少支护材料 运输量，有利于安全快速的掘进和回采，目前国内约有九成以上的生产煤矿均以 锚杆支护作为主要的支护方式[4-8]。 锚杆支护作为一种优越的主动支护方式，经常被用在边坡、岩土深基坑的地 表支护工程及隧道、采场等地下施工中。在现场应用中采用的锚杆种类繁多，但 从锚固方式可划分为端部锚固锚杆、加长锚固锚杆和全长锚固锚杆[9-12]。在同等 条件下，全长锚固锚杆锚固效果是端部锚固效果的数倍，同时也直接地提高了整 个锚固系统的抗剪能力，但端部的锚固体不能得以充分发挥其黏结强度，造成材 料的浪费，并且全长锚固将丧失锚杆的自由段，不能使预应力较好的在围岩体中 进行扩散，使其整体锚固效果大大折扣；端部锚固使得锚杆在预留较大的锚杆自 由段的同时，却丧失了锚杆的锚固力，同时容易受动压影响而发生脱锚现象，导 致锚固效果急剧下滑，造成不必要的安全隐患。 在煤矿井下影响巷道控制的关键是对围岩应力场的控制和改善，其中，煤矿 井下应力场一般指原岩应力场和采动应力场[13-20]。原岩应力场一般分为自重应力 场和构造应力场，这是地下开采活动必须面对和解决的难题，其中，自重应力是 上覆围岩层自重产生的天然应力，并随着开采深度的增加不断增加；而构造应力 是由地球构造运动引起的，按形成时期大致划分为古构造应力场和现今构造应 力场，它们主要以水平应力和近水平应力的两种形式表现，并对煤矿巷道锚杆支 护造成了极大的危害，采用锚杆支护的岩层在较大的水平应力和近水平应力的作 用下，发生岩层错动，极易导致锚杆发生破断（如图 1-1 所示） ，造成冒顶等事故 的发生。同时，在井下采掘过程中，受动压影响作用下，锚固剂与锚固孔围岩之 间容易发生脱锚，导致锚固力衰减较快，造成巷道锚固系统整体失稳，巷道围岩 严重变形和部分垮落，进而间接影响煤矿生产和安全。 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 图图 1-1 锚杆剪切变形形态图锚杆剪切变形形态图 Fig.1-1 Shape diagram of anchor shear deation 在煤矿生产过程中，锚杆以其优越的实用价值作为对煤矿巷道围岩体施加约 束的一种主动支护结构，在国内外诸多研究领域中得到广泛的应用，国内外的专 家学者普遍认为，锚杆失效的形式大致分为拉断破坏、扭曲破坏、剪弯破坏和 剪断破坏四种形式[25-28]，其中多以锚杆拉断破坏和剪断破坏为主，但锚杆剪断破 坏发生最多。对于由于岩层节理面错动和采动影响造成的锚固系统失效的问题， 国内外诸多学者[21-24]多采用大直径、高强度和全长锚固的方式解决，在部分情况 下达到了较好的巷道围岩控制的目的。但盲目的使用大直径、高强度的锚杆，不 仅造成了支护材料的浪费，更是增加了煤矿支护成本；其次，全长锚固锚杆在受 动压影响下， 实现了较好的锚固效果， 但在岩层错动剪切过程中发挥的作用较小， 不能满足现场需求，同时，全长锚固情况下，锚杆失去了自由段，不能使预应力 较好的扩散到围岩体中，大大降低了支护效果。如何在提高锚固系统锚固力的同 时，又能提高锚固系统的抗剪能力，使锚固系统更加稳定，成为当前研究的重点。 1.2 国内外研究进展 1.2.1 锚杆支护技术研究现状 巷道支护技术在煤矿领域中的应用已有一百多年的历史，巷道支护形式先后 从木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆锚索支护，一百多年的生产实践经验证实， 在煤矿锚杆支护过程中，锚杆支护以其较佳的经济优势得到广泛应用，其显著的 支护效果和较低的支护成本给煤矿的发展带来的新的生机，同时煤矿锚杆支护极 万方数据 1 绪论 3 大的降低了煤矿工人的劳动强度、 改善了作业环境、 保证了煤炭生产的安全进行。 现今，锚杆支护技术不仅在煤矿当中得到了较好的推广和应用，也在其他领域得 到了较好的改进和推广。 康红普等[70]通过现场试验调研、实验室分析和有限元数值模拟提出高预应 力锚杆、锚索有利于预应力在围岩体中的扩散，其配合注浆加固技术，两者相辅 相成，能够较好的控制松软围岩巷道的变形，进而取得较好的支护效果；其中强 力锚杆支护理论与技术在深井巷道、软弱围岩巷道和动压影响较大的巷道中取得 了较好的理论和工业性试验效果。 张农等[71]针对锚杆使用现状，分析高预应力锚杆支护对于控制煤矿巷道顶板 离层的作用机理得出高预应力锚杆支护不仅能够使松软软弱顶板岩层达到稳定 平衡，而且能够对顶板形成一定的约束作用，能够有效的控制离层现象的发生， 进而不断完善煤矿巷道高强预应力锚杆支护技术。 何满潮等[72]针对煤矿巷道中由于锚杆支护问题而导致的巷道冒顶事故，通过 分析不同的力学参数、不同的力学散体模型，进一步的补充说明安全系数和其他 不确定性因素，完善锚杆支护中关于围岩稳定可靠度分析中的抗力和载荷计算方 法，以保证煤矿巷道中锚杆支护的可靠性。 刘洪涛等[73]通过现场调研五家沟煤矿巷道支护大变形问题，合理分析对比矿 用锚杆、锚索与可接长矿用锚杆的受力特点和变形特征，有效构建煤矿巷道围岩 支护系统的本构模型，进一步提出巷道顶板可接长矿用锚杆支护系统，并通过 现场试验证实可接长矿用锚杆能有效的提升锚杆系统的延伸率，其中 4000mm 长 的可接长矿用锚杆，其延伸率达 17.13，其破断载荷在 160180kN 的多达八成以 上，在一定程度上满足了强力支护和有效让压的作用。 柏建彪等[74]通过长时间现场和实验室研究复合顶板的软弱围岩巷道的变形问 题，为了提高围岩体自身的刚度和稳定性，在围岩薄弱处实施注浆加锚支护，极 大程度上提高围岩自身的承载强度，在满足支护原理的基础上，通过注浆和锚固 有机的结合，使得软岩巷道中顶板与两帮之间的相互影响作用降到最低，并在工 程中取得了较好的效果。 张农等[75]通过对白集煤矿深井三软煤层巷道的研究，发现在深井巷道中围岩 压力较大，巷道围岩变形大，尤其是软弱围岩巷道；经过现场调研和实验室试验 发现深井软弱围岩巷道锚杆支护的重点是巷道顶板和巷道的帮角，同时发现全 长锚固在一定程度上起到了限制岩层离层的作用。针对这一现象通过理论分析、 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 4 数值模拟计算分析提出对于顶板采用全长锚固加锚网支护，而对于帮角采用小 孔径加长锚固支护技术，在现场采用该支护方法的软弱巷道相对于同等条件下的 其他巷道有较为明显的优势。 1.2.2 锚杆锚固孔扩孔锚固技术研究现状 近年来，我国在锚固孔扩孔方面做了较大的研究，一大批专家学者在提高和 改善锚杆锚固能力方面做出了较大的贡献，其研究依据扩孔方式和扩孔数量分为 两大类端部扩孔锚固式和多段扩孔锚固式。其中以岩土工程方向应用较多，部 分研究成果在煤矿和其他工程实践中得到了初步验证和推广。 我国在锚固孔扩孔方面的认识较晚，并且首次成功应用是通过爆破的方式实 现锚固孔扩孔，其扩孔半径 300mm500mm 不等，虽较好的提高了锚固系统的锚 固能力，但其成孔半径的难以控制和较为繁琐的施工工艺极大的限制了其现场推 广和应用。 马飞等[66]通过理论分析和实验室验证水射流参数和不同岩层参数之间的影响 关系，得出了锚固孔扩孔效果与水射流功率和水射流压力之间的关系，实验室试 验中发现调节水射流功率和水射流压力均能不同程度的影响扩孔效果，并以调节 水射流功率影响最大，在现场工艺试验中通过合理匹配钻机输出参数能进一步提 升钻孔扩孔效果，并实现了多环扩孔锚固性锚杆，最大程度的提高锚杆锚固系统 的整体锚固性能。 胡建林等[65]通过研发新型机械扩孔机具，并进行现场工艺性试验和实验室拉 拔试验发现该扩孔机具在地表岩层中扩孔有较好的效果，其锚固系统平均承载 能力提高 20-30不等，并表现出较为明显的端部承载效果。 黄清和等[67]通过现场工业性试验发现现场中不同岩层其力学特性各有不同， 根据不同岩层特性采用不同扩孔