大安山矿+400m水平轴10煤层复合顶板煤巷支护研究.pdf

分类号T D 3 5 3 U D C6 2 2 学校代码 1 0 1 4 7 硕士学位论文 1 1 1 [ I I II l l llI I I II llI I I I II l l I l l 1 1 1 4U I Y 2 9 9 8 5 6 0 大安山矿 4 0 0 m 水平轴1O 煤层 复合顶板煤巷支护研究 R e ．s ．e a r 媳．Q 飘．尽o a．r t i n go f 10 o a lon．d． ⋯⋯⋯⋯ ．w a ．y ．s ．S ．u p ．p ．o ⋯⋯- 母．- i ．五⋯A ⋯x ⋯i ⋯s ．二．二⋯C ⋯二．二⋯S ⋯e ⋯a ⋯m I⋯． 三- _ ． 土删熙．b 豁烈．u n．￡Q 舅鱼p o 娶n d i nD a ’a nM ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ．d ．．e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯R ⋯⋯o ⋯o ⋯f - i - ⋯- i i ．．f ．．． 二 j ．S ⋯h ⋯a ⋯n ⋯⋯C ⋯o ⋯a ⋯1 ．．j ．i ⋯n ⋯e ． 作者姓名王庆龙 指导教师梁冰教授 申请学位工学硕士 学科专业采矿工程 研究方向矿山压力与矿井动力灾害防治 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽主王程撞盔太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽室王程堇苤太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名燃导师签名 3 l 年t 只nE t如f 支年{ 具．2 z E t 万方数据 致谢 在此论文完成之际，首先衷心地感谢我的导师梁冰教授这两年半年来对我孜孜不倦的 教诲以及给予我的莫大支持。在我硕士研究生学习期间，梁老师在学习上和生活上给予了 我无微不至的关怀，为我提供了良好的学习条件和学习氛围。从导师身上我学到的不仅仅 是如何做学问，更重要的是她那宽广的胸怀、高尚的人格魅力让我懂得了如何做人，这是 我一生最宝贵的财富。在论文撰写过程中，她在百忙中为我指出论文总体研究方向与思路， 并对我的论文进行了具体指导，并针对论文存在的问题，提出了许多宝贵的修改意见，为 我论文的完善倾注了大量心血。在此，向我尊敬的导师表示我最诚挚的感谢 感谢辽宁工程技术大学矿业学院和研究生学院各位老师对我的教育之恩和生活中给 予的各种帮助，使我在这两年半的研究生生活中获益匪浅。同时感谢李刚老师、王俊光老 师、孙维吉老师、汪北方师兄和秦冰师姐在我论文方面给予的指导。感谢我的同窗兼同门 对我各方面的帮助和关心，他们是程士宜、贾立锋、石占山、孙赫。感谢我的师弟胡波、 马巍、王晨光、刘强对我的热情帮助。感谢大安山煤矿陈宫总工程师及相关工作人员在现 场参数测定、工业试验、论文相关资料收集中给与我的大力帮助和支持 感谢我的父母这些年来对我无怨无悔的教育和支持，他们不求回报的付出，是我努力 拼搏的动力，我将用自己的勤劳和汗水努力工作，不辜负他们的殷殷期望。在此特地感谢 评审和答辩的各位老师，你们给了我一个检验研究生期间学习成果的机会，感谢你们，祝 你们一生幸福平安 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 论文针对大安山煤矿 4 0 0 m 水平西一石门轴l O 下煤层东一工作面回采巷道处于高地 应力、复合顶板条件下，巷道支护异常困难的特点进行支护方案研究。最终现场工业试验 表明所提方案支护效果良好，有效控制了巷道围岩变形破坏。 通过室内实验测定试验巷道煤层及顶底板岩层基础力学参数，采用空芯包体应力测量 仪测定了大安山煤矿 4 0 0 m 水平地应力分布规律，为论文模拟研究提供基础参数。理论分 析高应力复合顶板条件下巷道顶板变形破坏规律，结果表明顶板经历滑移、离层和垮落过 程。采用数值模拟分析方法研究复合顶板结构发生变化时巷道围岩位移和应力变化规律， 发现轴l O 上煤层与回采巷道距离较小时，对回采巷道变形、应力集中程度影响较大。理 论分析锚杆、锚索在高应力复合顶板条件下支护原理。根据现场地质情况，应用组合梁理 论和悬吊理论分别计算锚杆和锚索支护参数，提出锚杆 长锚索和短锚索 长锚索的支护方 式。数值模拟分析两种支护方式下围岩位移变化和应力集中情况，结果表明支护后围岩变 形破坏得到了较好控制。 根据试验巷道地质情况，选择锚杆 长锚索支护方式，监测巷道四个不同地点围岩表 面位移量和锚杆、锚索锚固力。发现2 5 天后巷道变形趋于收敛，基本达到稳定状态。锚 固力监测值满足支护设计要求，但未达到锚杆、锚索破断载荷。位移和锚固力监测结果表 明支护方案是安全可行的。研究结果对该矿安全生产具有重要意义，也为其它相似地质条 件的矿井回采巷道支护提供重要参考价值。 关键词复合项板；高地应力；锚杆 长锚索；短锚索 长锚索；现场工业试验 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 A b s t r a c t T h er o a d w a y so fD o n gY iw o r k i n gf a c eo n 4 0 0 ml e v e li nD a ’a nS h a nC o a lM i n ea r e l o c a t e du n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g hs t r e s sa n dc o m p o u n dr o o f , i ti sv e r yd i f f i c u l tt os u p p o r tt h e r o a d w a y s ．A i m i n g a t s o l v i n gt h es u p p o r t i n gp r o b l e m ，t h ec o u p l i n g s u p p o r ts c h e m eo f b o l t m e s h c a b l ei s p u tf o r w a r d ．F i n a l l yi ts h o w st h a tt h es c h e m eh a sg o o ds u p p o r t i n ge f f e c t ， c o n t r o l l i n gt h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r eo fr o a d w a ye f f e c t i v e l y ． T h ep h y s i c a lm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fc o a l ，r o o fa n df l o o rs t r a t aa r em e a s u r e dt h r o u g h e x p e r i m e n t ，u s i n gt h eh o l l o wi n c l u s i o ns t r e s sm e a s u r i n gi n s t r u m e n tt om e a s u r et h ed i s t r i b u t i o n l a w so fs t r e s so n 4 0 0 ml e v e l ，t op r o v i d eb a s i cp a r a m e t e r sf o rs i m u l a t i o nr e s e a r c h ．T h ef a i l u r e l a w so fr o a d w a y su n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g hs t r e s sa n dc o m p o u n dr o o fi ss t u d i e db yt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，t h er o o fe x p e r i e n c i n gs l i p p a g e ，s e p a r a t i o na n dc a v i n gp r o c e s s ．U s i n gt h es o f t w a r e F L A C 3 Dt os t u d yt h ec h a n g i n gl a w so f d i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sw h e nt h es t r u c t u r eo fc o m p o u n d r o o fi s c h a n g i n g ，i ti sf o u n dt h a tw h e nt h ed i s t a n c eo fa x i s10 c o a ls e a mf o r mr o a d w a yi ss m a l l ， t h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s sc o n c e n t r a t i o no fr o a d w a yi ss e r i o u s ．T h ef u n c t i o no fb o l ta n da n c h o r c a b l ei sa n a l y z e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i su n d e rh i g hs t r e s sa n dc o m p o u n dr o o f ．T ou n d e r t a k e s u p p o r t i n gd e s i g nw h e na x i slO c o a ls e a mi slma w a yf r o mr o a d w a y , c o m p o s i t eb e a mt h e o r yi s u s e dt oc a l c u l a t et h eb o l tp a r a m e t e r sa n dt h es u s p e n s i o nt h e o r yi su s e dt oc a l c u l a t et h ea n c h o r c a b l ep a r a m e t e r s ．A c c o r d i n gt ot h eg e o l o g i c a ls i t u a t i o n ，s u p p o r ts c h e m e so fc a b l e l o n ga n c h o r a n ds h o r ta n c h o r l o n ga n c h o ra r e p u tf o r w a r d ，a n a l y z i n g t h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s c o n c e n t r a t i o nb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e f o r m a t i o na n dd e s t r u c t i o no f s u r r o u n d i n gr o c kc a nb ec o n t r o l l e dw e l l ． B a s e do ng e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，s u p p o r ts c h e m eo fb o l t l o n ga n c h o ri s u s e d ，m o n i t o r i n g t h ed i s p l a c e m e n to fs u r r o u n d i n gr o c ka n da n c h o rf o r c ea tf o u rd i f f e r e n tl o c a t i o n s ，i ti sf o u n dt h a t d e f o r m a t i o nt e n d st oc o n v e r g ea f t e r2 5d a y s ，a n db a s i c a l l yr e a c ht h es t a b l es t a t e ，t h ea n c h o r i n g f o r c ec a nm e e tt h es u p p o r td e s i g nr e q u i r e m e n t s ，b u td o e s n ’tr e a c hb r e a k i n gl o a d ．T h er e s u l t so f d i s p l a c e m e n ta n da n c h o r i n gf o r c es h o wt h a ts u p p o r ts c h e m ei ss a f ea n df e a s i b l e ．T h er e s e a r c h r e s u l t sh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et os a f e t yp r o d u c t i o ni nD a ’a nS h a nC o a lM i n ea n do t h e rc o a l m i n e sw i t hs i m i l a rg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ． K e y w o r d s c o m p o u n dr o o f ；h i g hs t r e s s ；b o l t l o n ga n c h o r ；s h o r ta n c h o r l o n ga n c h o r ； o n ．s i t ei n d u s t r i a lt e s t 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．。I I l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．． 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 I ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 复合顶板煤巷变形破坏特征研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 高应力条件下煤巷变形破坏特征研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．3 煤层回采巷道支护技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．3 ．1 主要研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．矿井地质条件及煤岩基础力学参数测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．1 矿井概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 煤岩基础力学参数实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 ．1 实验目的及实验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．2 煤岩基础力学参数测试及结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 地应力分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ． 回采巷道变形破坏规律数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．1回采巷道变形破坏规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．2 复合项板结构对回采巷道变形破坏影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．2 ．1 F L A C 3 D 数值模拟软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．2 ．2 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 ．3 位移、应力结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．支护设计与支护方案数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 4 ．1 锚杆、锚索支护作用理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 I I I 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 ．2 锚网索支护参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．2 ．1 锚杆支护参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 4 ．2 ．2 锚杆、锚索预紧力参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 ．3 支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．3 支护方案数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．3 ．1 支护方案数值模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．3 ．2 支护位移、应力结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 现场工业试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．1 现场应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 矿压监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 ．1 监测内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 ．2 监测结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 6 ．结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 I V 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1绪论 1 ．1 研究背景与意义 1 ．1 。1研究背景 我国有大量煤炭资源，在未来很长时间内，煤炭将占消耗总能源的三分之二。因此， 如何高效合理地开发煤炭资源将关系到整个国民经济能否持续快速地发展。相较于国外， 我国煤炭赋存状态十分复杂，所以导致煤炭开采难度很大。煤炭资源主要依靠矿井开采， 而井下巷道是矿井开采的关键，因此保证巷道有效服务生产十分关键。但随着浅层煤炭资 源减少，开采深度逐渐增加，巷道支护问题日益突出，围岩受煤层开采影响更加剧烈【卜2 1 。 在巷道支护问题中，深部高应力复合项板煤层巷道支护问题越来越受到重视。因巷道 项板的复合赋存特性，顶板非均匀性和分层性突出，相较于普通顶板，复合顶板更易变形 破坏。同时，在高应力作用下，加剧了巷道的破坏，使其塑性区和破坏区都大于普通情况 下顶板p J 。为此针对该类巷道，提高围岩整体支护能力，提高巷道服务能力是首要解决问 题。所以对这类巷道的支护手段提出了新难题，需要针对这类巷道提出更高效的支护措施。 北京吴华能源股份有限公司大安山煤矿准备开采 4 0 0 m 水平西一石门轴l O 下煤层， 根据现场地质资料显示，回采巷道支护主要面临以下两方面问题①复合型顶板 4 0 0 水 平西一石门轴1 0 下煤层东一面回采巷道顶板为煤岩互层的复合型顶板，巷道顶板极易产 生滑移、离层和冒落；②高地应力 4 0 0 m 水平西一石门轴1 0 下煤层东一面采深达到6 8 0 m ， 进入深部开采阶段，回采巷道处于高地应力环境中，巷道围岩稳定性差，变形速度快，周 期长，变形量大。为此本文以该矿为工程背景，对轴1 0 下煤层回采巷道支护措施做深入 的研究，保证矿井安全开采。 1 ．1 ．2 研究意义 论文针对大安山煤矿 4 0 0 m 水平西一石门轴1 0 下煤层地质条件，采用实验室测定煤 岩体基础力学参数、理论分析、数值模拟和现场工业试验相结合的方法，研究大安山煤矿 轴1 0 下煤层东一工作面回采巷道在高应力和复合顶板条件下的破坏形式和支护措施。工 业试验结果表明支护方案在现场应用取得了良好效果，有效维护了巷道稳定，为该矿安全 开采创造了有利条件。研究在高应力和复合顶板条件下煤巷变形破坏特征，从而提出科学 有效的支护手段，不仅对大安山煤矿具有重要实际意义，对其他具备类似地质条件的巷道 支护，也具有一定借鉴意义。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1复合顶板煤巷变形破坏特征研究现状 在我国，煤矿复合顶板问题较为突出，国内大多数学者也对复合顶板进行了一系列深 入研究。而国外的许多产煤大国，复合顶板问题出现的相对较少，比如美国、澳大利亚和 加拿大等国家，地质条件较好，所以他们对复合顶板问题研究也相对较少。我国关于复合 顶板研究主要有以下几方面 何满潮、齐干【4 】等人针对复合顶板巷道作了详细研究，认为其上方岩层与普通顶板相 比较更加松散、破碎，赋存状态也更加复杂，所以其地质力学环境更加多变，普通支护方 式很难保证其稳定性。他们对复合顶板破坏机理以及形式进行了深入研究，并且采用数值 模拟和理论分析相结合的办法，对支护方式进行改进，提出了采取锚网索耦合支护的方法 控制复合项板的支护方式。 陆庭侃、刘玉洲、许福胜【5 j 对埋藏深度大的煤巷顶板离层现象进行研究，得出如下结 论在煤巷项板上方6 m 以下的区域有大量离层出现，在该位置上方则相对较少，导致巷 道顶板离层的因素是多方面的，但其中主要因素是由于开挖扰动破坏了围岩应力平衡以及 巷道所处的复杂地质环境。 李东印、邢奇生、张瑞林【6 J 等人对复合顶板的变形破坏机理进行了深入分析，建立了 高应力状态下软弱夹层复合顶板力学模型，并在借鉴前人研究基础上，提出了复合顶板力 学方程。结论认为巷道顶板受轴向应力大于其临界应力0 ．8 倍时，破坏程度加剧，破坏 明显。 郜进海【7 J 以相似模拟试验为手段研究了薄层状特厚复合顶板在无支护状态下的破坏及 理论，认为该类巷道顶板主要发生双支点梁氏拉剪破坏，因为复合顶板各岩层在受力后发 生不同步变形，项板逐渐产生下沉离层，随着破坏程度的加剧，顶板由下向上形成多层叠 加的破断拱，拱的内部发生双支点梁氏破坏，并且拱宽和拱高由载荷大小和顶板岩性决定。 黄达，康天合，段康廉f 8 1 运用F L A C 3 D 程序，模拟了当垂直应力为定值的情况下，改 变水平应力后，软弱层状复合顶板塑性区域、位移和应力发展的一般规律。 贾剑青、王宏图等【9 】对单一煤岩及层状复合煤岩在三轴不等压应力状态下变形特性和 强度特性进行了较为系统的实验研究，分析了不同加载途径对煤岩变形和峰值强度的影响。 周应麟l Jo J 研究了层状围岩条件下隧道的受力特点，并提出了该类隧道围岩变形破坏机 理和典型失稳模型。 潘生健，陈科【1 l 】认为复合顶板条件下的围岩破坏主要是因为初期支护力不足，以及围 岩节理裂隙发育、易风化和遇水膨胀破坏。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 候朝炯I J ，2 J 研究了不同条件下巷道围岩塑性区产生、发展过程，得到不同地质条件下塑 性区的一般规律，即塑性区首先产生于强度最小的位置，最终巷道帮角处塑性区范围最大。 王东，段克信【l3 】采用R F P A 数值模拟的方法，通过模拟普通顶板巷道和复合顶板巷道 开挖后围岩破坏的动态变化过程，得到了复合顶板巷道围岩破坏的特征。 李长权，威文革【1 4 】采用I 强P A 2 D 数值模拟，在前人基础上通过对不同组合的层状顶板 的破断过程进行数值模拟研究。通过分析可知拉、剪共同作用是导致顶板岩层破坏的原因。 杨峰，王连国0 5 1 等认为复合顶板的变形破坏主要是锚杆主动支护不力，同时因为复合 顶板节理裂隙比较发育，导致顶板变形离层直至破坏。 通过上述研究分析，总结复合顶板变形破坏规律如下 1 复合顶板的破坏不是单一应力造成的，是垂直应力和水平应力共同作用的结果， 其中对复合项板的变形破坏起主要作用的是水平方向的构造应力； 2 煤巷复合顶板离层破坏是由以下几种因素共同作用下产生的，包括恶劣的地质 条件、顶板中的软弱夹层以及巷道开挖引起应力集中等； 3 煤巷复合顶板从岩性较差位置开始破坏，然后逐渐延伸，最终导致顶板整体失 稳。 1 ．2 ．2 高应力条件下煤巷变形破坏特征研究现状 在众多影响巷道稳定性因素中，地应力占据了相当大的比例。当巷道处在高应力环境 下时，巷道的维护相当困难。有的煤矿使用了强度很高的拱形金属支架和全封闭的支护方 式，依然难以控制巷道的变形破坏【1 6 】。高应力条件下围岩变形破坏特征有以下几方面[ 1 7 _ 1 8 】 1 巷道围岩变形量大 处于深部地层的巷道受到的应力非常大，对于支护不及时或不合适的巷道，变形量能 达到l m 多。同时随着工作面的推进，巷道受采动的影响，导致整个巷道断面破坏，无法 区分哪里首先破坏，巷道全面封死，无法行人和运料。 2 巷道围岩变形速度快，自稳时间短 自稳时间是指巷道形成后，在没采取任何支护手段的情况下，岩体从被揭露到失稳、 冒落所经历的时间。因此在高应力条件下开掘巷道必须及时支护或者采取超前支护手段， 方能保证巷道围岩不致冒落。围岩强度和地压大小两个因素决定了巷道围岩的自稳时间长 短，同时巷道围岩的自稳时间长短也和巷道的断面形状、掘进方法、巷道所处的位置有关。 3 巷道底鼓严重 深部矿井处于高地应力环境下，由于水平应力的挤压和铅直方向的压力作用，底板岩 层容易向巷道自由空间凸出，导致底鼓现象十分严重并且普遍，而底鼓现象是巷道在竖直 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 方向主要变形方式。研究结果表明随矿井深度增大地应力值也随之递增，因此巷道越容易 产生底鼓现象；而且随开采深度增大，底鼓量在项底板相对移近量中占的比重也增大。 4 巷道围岩变形量随巷道埋深增加而递增 对于处于不同深度和地质条件下的围岩，其本身存在着软化临界深度值，当开采深度 超过这个数值后，围岩的支护难度将会急剧增加。围岩变形随深度增加呈线性递增，且软 岩巷道变形具有明显的方向性。并且随着开采深度增大，巷道上方覆岩施加的垂直应力增 大，导致巷道变形随之增大。此外，地下温度随着采深的递增也逐渐变大，温度越高，围 岩发生变形量越大，对支护造成更大的困难。 5 巷道围岩具有流变特征 深部巷道在服务生产过程中，伴随着高温、高压和高孔隙压力，在这些条件的作用下， 围岩流变变形十分明显。流变特性包括蠕变弹性后效、流动等，具体表现为结构面的闭合 和滑移变形。蠕变是指在恒定应力下，应变随时间而增加的现象；弹性后效是指施加应力 后不会立刻产生相应应变，而需要一段时间应变才会达到相应数值的现象，是一种延迟发 生的弹性变形；流动又有粘性流动和塑性流动，是一种随时间延续而发生的永久变形，其 中粘性流动是指在微小外力作用下发生的永久变形，塑性流动是指外力达到围岩屈服极限 后开始产生的塑性变形，当围岩变形达到一定程度后，便会导致巷道失稳破坏。 1 ．2 ．3 煤层回采巷道支护技术研究现状 1 锚杆支护理论 锚杆支护是一种主动支护方式，直接将锚杆插入到围岩内部，使得锚杆能够对巷道围 岩表面施加托力，由于锚杆能够对岩体施加一种用于约束围岩变形的锚固力，使得被锚固 岩体强度得到了提高，进而起到加固围岩的作用眇2 0 1 。从目前来看，由于锚杆支护方式对 矿井来说非常经济有效，因此应用极为广泛，国外锚杆支护理论主要有以下几种 ①巷道锚杆支护悬吊理论 该理论认为巷道开挖后，顶板岩层因为下方失去约束作用，会向巷道空间产生离层、 下沉，如果在离层下沉产生之前，使用锚杆可以将下方软弱破坏较严重的岩层锚固在上方 较稳定的岩体内，控制其与上位坚硬岩层离层现象的恶化，从而可以起到有效控制巷道稳 定的作用。当顶板出现较为松软破碎的区域时，锚杆依旧可以发挥悬吊作用，将破坏区悬 吊在未松动的岩体内，其原理如图I ．1 所示。虽然该支护理论应用较为广泛，但还是存在 一些不足之处 a ．考虑不全面，当水平应力比较大时，顶板离层很大，此时锚杆安设后对破碎岩层变 形和离层产生控制作用。为了阻止破碎岩层与上部稳定岩层的分离和保持巷道顶板的稳定 4 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 性，锚杆在悬吊下部岩层时的工作阻力必须增大。 b ．对于锚杆与围岩相互作用关系考虑不够充分。该理论仅仅是单纯从锚杆支护角度出 发，并未考虑围岩自身承载能力。在实际支护过程中，其实围岩的自承能力起到很大作用。 坚硬岩层 ⋯⋯，／T ⋯j 松i 软岩层 ■■ 坚硬岩层 a b a 坚硬顶板锚杆 b 软弱项板锚杆 图1 ．1 锚杆支护悬吊作用 F i g ．1 ．1S u s p e n s i o ne f f e c to fb o l t ②巷道锚杆支护组合梁理论 该理论认为对于顶板存在若干层状岩层的巷道，将预紧力锚杆打入顶板岩层内，锚 杆通过锚固压紧作用增加各分层之间的摩擦力，从而防止岩层间的相对滑动，避免离层现 象的产生。另一方面锚杆依靠自身的抗剪能力，可以协同岩层共同抵抗层面之间的剪切破 坏，并且锚杆的预紧力有助于形成抵抗破坏能力更好的组合梁结构。其原理如图1 ．2 所示。 组合梁理论考虑到了锚杆在控制离层和层间滑动的作用，但是该理论依旧存在以下两 点考虑不周的地方 a ．因为组合梁能够起到承载作用的有效厚度受到很多因素的影响，目前还没有很精确 的办法来确定其有效厚度； b ．没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性以及锚杆载荷的影响，而水平应力在地下 工程中是影响工程稳定性的主要因素。 图1 ．2 层状项板锚杆组合梁 F i g ．1 ．2B o l tc o m b i n a t i o nb e a mo fl a y e r e dr o o f 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ③巷道锚杆支护组合拱理论 组合拱理论认为对于拱形巷道，向其顶板破碎区内安装预应力锚杆，在端头树脂药 卷粘结作用和端尾预紧力作用下，会在杆体两端产生圆锥形分布的压应力区，如果在巷道 周边布置成间距足小的锚杆群，每个锚杆形成的圆锥形压应力区就会重叠，形成一个承载 能力更强的承载拱，即组合拱。承压拱内岩体在径向和切向均处于三向受力状态，围岩强 度得到大幅度提高，支撑能力也相应增强。组合拱理论在松软煤层中应用较为广泛，但是 该理论同样存在一些缺陷 a ．同组合梁一样，组合拱的厚度受到诸多因素影响，很难估计出其准确厚度； b ．当组合拱厚度小于巷道跨度时，组合拱的破坏不仅与自身强度有关，更与其稳定性 息息相关，这一点在该理论中没有考虑充分。 图1 ．3 锚杆组合拱 压缩拱 F i g ．1 ．3A n c h o rc o m b i n e da r c h ④最大水平应力理论 澳大利亚学者盖尔f W ．J ．G a l e 提出最大水平应力理论。这个理论充分考虑了地下应力分 布的规律，通常在地下工程中水平应力值远大于铅直应力，并且水平应力具有明显方向性， 巷道的稳定与否很大程度受到水平应力的影响 a ．将巷道轴向方向布置成与最大水平应力方向平行，有助于减小地应力对巷道的破坏， 利于维护巷道稳定； b ．j 备巷道轴向方向布置成与最大水平应力方向成锐角相交，巷道的某一侧帮会破坏更 加严重； c - j 等巷道轴向方向布置成与最大水平应力方向垂直，巷道最容易发生破坏。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 水平J 立力～水平应力 _ } ”⋯ ⋯I 1 ●一●一●一 滑僦卜煤帮移近 卜一滑僦 ’ l ，t iYYi ～ l ●一●一●一 ff 图1 ．4 最大水平应力原理 F i g ．1 ，4M a x i m u mh o r i z o n t a ls t r e s sp r i n c i p l e ⑤巷道锚杆支护围岩强度强化理论主要有以下几点 a ．锚杆锚固后围岩岩体力学性能得到了改善，锚杆加固后提高岩石强度、弹性模量、 粘聚力和内摩擦角； b ．由于锚固区内岩体有正交异性，沿锚杆杆体方向，围岩E 随锚杆密度递增，围岩内 摩擦角p 对围岩强度影响很大，而C 值基本不变； c 。锚杆支护的本质在于它能和其锚固范围内的岩体形成共同承载体 d ．锚杆的锚固效果受到非常多的因素影响，例如锚杆长度、密度、间排距、强度等。 所以，支护时需要全方面考虑这些影响因素。 e ．锚杆支护后可以提高围岩力学性能，减小塑性区发展和巷道破碎区域范围，从而保 证巷道的稳定程度。 随着锚杆支护在巷道支护中的应用越来越广泛，国内越来越多的学者投入到锚杆支护 机理的研宄中，为进一步阐释锚杆作用机理做出巨大贡献，在这种情况下，锚杆支护理论 研宄取得了巨大进步，其中一些主要观点如下‘2 心2 】 ①全长锚固中性点理论 东北大学王明恕教授提出该理论，认为在靠近巷道表面处，锚杆阻止围岩向巷道空间 移动，岩层内剪应力垂直巷道壁面。在巷道围岩深处，锚杆阻止岩层沿着巷道壁面方向滑 动，锚杆上受到的剪切应力指向中性点，即滑移面相背的分界点，在该点位置处剪应力为 零，轴向拉应力值最大。从中性点位置开始向锚杆两端，剪应力递增轴向拉应力递减。这 几年该观点逐渐被广大学者接受，但仍存在一些该理论解释不了的支护问题，例如对于锚 杆尾部发生断裂的问题目前该理论还是无法很好的解释，因此对于中性点理论还需进一步 完善。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ②松动圈理论 矿业大学董方庭教授提出松动圈理论。围岩在受到工程破坏后产生一定范围的松动圈 是围岩自身固有的属性，测量松动圈范围的方法有很多，现在用的较多的是声波仪和多点 位移计。围岩在受到干扰后产生了松动圈，并逐渐发展扩大，在此过程中伴随着碎胀变形 力的产生和发展，而巷道支护的首要目的就是控制该破坏区域的扩大发展，以免对巷道产 生进一步破坏。现在根据国内不同矿区松动圈产生的大小，将其分为大、中、小三类，对 于不同大小的松动圈范围有不同的支护手段。对于小范围松动圈 L “ 1 5 0 0 m m ，巷道围岩破坏程度严重，围岩自身承载能力被 破坏十分