煤矿巷道锚杆（索）分次支护及快速掘进技术研究(1).pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 tunneling of coal mine roadway. 3 The mechanical model of the tunnel is established under the spatio-temporal effect, and the mechanical analysis of the tunnel is carried out through elastic-viscoelasticity, and the variation law of the deation and stress of the surrounding rock with space and time during the tunnel is deduced. With the advancing of the driving surface, the stress release of the surrounding rock of the roadway gradually increases, and the deation of the surrounding rock and the radius of the plastic zone gradually increase. Through theoretical analysis, near the excavation face, the deation and stress release of the surrounding rock are small, and a certain number of bolts are supported closely to the working face to ensure the safety and stability of the driving space. The remaining bolts are carried out without affecting the driving. Supporting, reducing the supporting time of the anchor rod cable during the driving process, improving the driving efficiency of the roadway, and realizing the rapid driving of the roadway. 4 Taking the NingTiaota S12001 tunneling roadway as the background, combined with specific stratigraphic parameters, the support design was carried out by using the thought of fractional support, and a set of fractional support construction technology was ed. The theoretical calculation results are compared with the field measured data to verify the correctness of the theory. The fractional support scheme can not only effectively control the deation of surrounding rock and ensure the safety of tunneling space, but also reduce the supporting time of anchor bolt cable in the process of tunneling and improve the tunneling efficiency. Keywords Excavation face; Space-time effect; Surrounding rock deation; Fractional support; Rapid excavation Thesis Application Research 目录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及研究意义 ..................................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 ................................................................................................................ 1 1.1.2 研究意义 ................................................................................................................ 4 1.2 国内外研究及发展现状 .................................................................................................. 5 1.2.1 巷道锚杆（索）支护研究现状 ............................................................................ 5 1.2.2 巷道快速掘进研究现状 ........................................................................................ 9 1.3 研究内容及方法 ........................................................................................................... 12 1.3.1 研究内容 .............................................................................................................. 12 1.3.2 技术路线 .............................................................................................................. 12 2 煤巷锚杆（索）分次支护技术的提出 .............................................................................. 14 2.1 围岩变形破坏类型及机理 ........................................................................................... 14 2.1.1 拉裂破坏 .............................................................................................................. 14 2.1.2 剪切破坏 .............................................................................................................. 16 2.1.3 巷道围岩失稳力学机理分析 .............................................................................. 17 2.2 掘进巷道开挖面的时空效应 ....................................................................................... 19 2.2.1 物理效应 .............................................................................................................. 19 2.2.2 力学效应 .............................................................................................................. 20 2.2.3 围岩变形的时间效应 .......................................................................................... 22 2.3 时空效应下巷道围岩纵向变形分析 ........................................................................... 22 2.4 煤巷锚杆（索）分次支护技术 ................................................................................... 25 2.5 小结 ............................................................................................................................... 26 3 巷道锚杆（索）分次支护力学计算分析 .......................................................................... 27 3.1 力学模型建立与分析 ................................................................................................... 27 3.2 巷道开挖时空效应及参数分析 ................................................................................... 30 3.2.1 时空效应分析 ...................................................................................................... 30 3.2.2 参数分析 .............................................................................................................. 32 3.2.3 算例验证计算分析 .............................................................................................. 33 3.3 巷道掘进时围岩应力分析 ........................................................................................... 34 3.3.1 围岩释放应力 ...................................................................................................... 34 3.3.2 掘进巷道分次支护设计 ...................................................................................... 37 目录 II 3.3.3 巷道分次支护时间关系 ...................................................................................... 39 3.4 锚杆（索）分次支护设计思路 ................................................................................... 40 3.5 小结 ............................................................................................................................... 41 4 柠条塔 S12001 辅运顺槽分次支护设计及效果评价 ........................................................ 42 4.1 工程概况 ....................................................................................................................... 42 4.1.1 地质条件 .............................................................................................................. 42 4.1.2 水文条件 .............................................................................................................. 42 4.1.3 瓦斯煤层自燃、煤尘爆炸性及其他地质情况 .................................................. 42 4.1.4 煤层顶底板性质 .................................................................................................. 43 4.2 巷道锚杆（索）分次支护方案设计 ........................................................................... 44 4.2.1 现有巷道锚杆支护设计方案 .............................................................................. 44 4.2.2 锚杆（索）分次支护设计方案 .......................................................................... 46 4.2.3 分次支护时机分析 .............................................................................................. 49 4.3 S12001 辅运顺槽分次支护施工及效果分析 ............................................................... 50 4.3.1 巷道掘进方式 ...................................................................................................... 50 4.3.2 分次支护工艺 ...................................................................................................... 51 4.3.3 分次支护效果模拟分析 ...................................................................................... 52 4.4 现场监测方案及结果 ................................................................................................... 54 4.4.1 监测方案 .............................................................................................................. 54 4.4.2 监测结果及分析 .................................................................................................. 56 4.4.3 分次支护经济效益分析 ...................................................................................... 58 4.5 小结 ............................................................................................................................... 60 5 结论与展望 .......................................................................................................................... 61 5.1 结论 ............................................................................................................................... 61 5.2 展望 ............................................................................................................................... 62 致 谢 ...................................................................................................................................... 63 参考文献 .................................................................................................................................. 64 附 录 ...................................................................................................................................... 68 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 我国正处在经济高速发展的阶段，是一个能源消耗大国，在众多能源中，煤炭资源 一直在国民经济发展中占据主导地位。 我国基础产业和工业化进程的发展需要大量的煤 炭资源作为保障，因此煤炭工业的好坏关系到国民经济的命脉和国家能源安全。科学、 安全、高效、经济的开发煤炭资源，是我国经济协调发展的基石，也是保证民生和社会 稳定的必然要求[1]。 随着我国经济社会的飞速发展，煤炭资源的消耗也在逐年增加，采煤技术和工艺不 断提升，机械化水平也得到长足发展，但是制约盘区接替和煤炭高效生产的矛盾依然比 较突出即巷道掘进速度跟不上回采速度。 井工开采和露天开采是我国煤炭开采的两种方 式，其中井工开采产量占总产量的 86以上，但是井工开采巷道环境复杂，围岩性质多 变，使得巷道存在开采工程量大、安全性差且成本高等诸多问题。近些年我国煤矿综掘 机械化程度达到 33，月进尺和年进尺都得到大幅度提升（如图 1.1），但是依旧存在 采掘比例失调的问题， 其一直维持在 13 （如图 1.2） 综掘跟不上综采的步伐。 在我国 80 以上的煤矿均具备快速施工的条件， 但煤矿巷道的掘进速度受限于地质条件、 围岩性质、 掘进设备和施工人员的技术素质，通常在每月数百米到每月上千米，进尺参差不齐，总 体水平不高。 图 1.1 近年原煤产量及巷道掘进进尺 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 图 1.2 原国有重点煤矿综采、综掘水平统计 采煤和掘进是煤矿开采的两大主要工序。采煤工艺基本上已完全实现机械化，制约 煤矿企业经济效益的关键因素为巷道的形成。在巷道掘进过程中，主要由掘进、运煤、 破岩、通风、支护等工序组成，在巷道施工中掘进设备如掘进机、掘锚机的大量应用， 采用现代化和机械化的设备极大的提高巷道的掘进速度， 但是巷道在掘进过程中也仅仅 只是破煤、装煤和运煤实现机械化（如图 1.3），远远不能满足现场要求，支护工艺大 多仍然依靠人海战术（如图 1.4），掘进和支护不能够完全平行作业，巷道支护速度远 远落后于掘进速度，支护时间占掘进时间的比重比较大，巷道掘进依然存在众多问题如 作业环境差、掘进工作量大、掘进速度慢、劳动强度大效率低、采掘比例失调等。 图 1.3 机械化掘进破岩作业 图 1.4 工人现场支护作业 巷道掘进过程中掘进和支护不能够完全平行作业， 也是制约巷道快速掘进的关键因 素之一。目前在我国绝大多数煤矿巷道掘进过程中，主要采用悬臂式掘进机和单体锚杆 钻机配套掘进施工，掘进机开进掘进工作面，向前掘进 1～2 个锚杆排距，掘进机退出 并做临时支护，然后将锚杆钻机开进刚掘的巷道中开始进行锚杆支护，锚杆机支护完成 后退出，掘进机再次开至工作面，继续掘进 1～2 个锚杆排距，完成一个循环作业。通 过巷道掘进过程中的施工工艺可比较清晰明确地认识到， 巷道的掘进过程是一个比较复 1 绪论 3 杂的工程，主要包括煤体切割，锚杆（索）支护，煤体和材料的运输，通风管道的铺设， 排水设施的建设，通信、通电等，唯独掘进与支护完全不能平行作业，且锚杆（索）支 护时间占整个巷道成巷时间的 60～70，基于现场大量的统计和实地考察，某掘进巷道 现场作业时间统计如表 1.1 所示。 表 1.1 现场作业时间统计 表 1.1 现场作业时间统计 工序 时间 工作内容 工序 时间 工作内容 掘进前准备工作 35-45min 清理工作面，并完善上一支护工序 掘进机开至掘进面 4-6min 割底板、底角，正常平均 5min 切割巷道左半部分煤， 宽 3.55m，高 3.8m 45min 由下向上切割煤体，运煤；地质条 件良好时平均耗时约 45min 切割巷道右半部煤 30min 由下向上切割煤体，运煤；地质条 件良好时平均耗时约 30min 掘进机退机时间 4-7min 后退距掘进面 5m 耗时平均 5min 临时支护 10min 准备工具，临时支撑，挂防护网 打顶部锚杆 钻孔 5-6min，装填锚固 剂，注锚杆 2-4min 需两根 1.2m 钻杆，锚固剂，托盘， 防护网等，安装完成平均 8min/根 打帮部锚杆 钻孔 3-6min，装填锚固 剂，注锚杆 2-4min 锚固剂，托盘，防护网等，安装完 成平均 5min/根 打锚索 钻孔 13-16min，注锚索 3-5min 安装完成平均 15min/根 有锚索支护 顶部 75-85min（平均 80min） ；帮部 55-68min （平均 60min） 顶板支护 6 根/排和 2 根锚索；平均 约 72min 无锚索支护 顶部 40-48min（平均 45min） ；帮部 35-46min （平均 42min） 顶板支护 6 根/排，帮部 6 根锚杆； 平均约 38min 国民经济的高速发展离不开煤炭能源的利用，煤矿企业每年需要掘进大量的巷道， 开采出足够的煤炭为经济高速发展保驾护航， 而制约开采煤炭产量的关键因素是巷道的 形成， 同时巷道形成的快慢直接影响煤矿企业的经济效益， 巷道掘进是顺利采煤的前提， 伴随着国民经济的飞速发展，煤炭资源需求量激增，对煤矿的快速掘进以及回采技术将 会是更大的挑战，因此对于煤炭企业来说，寻求新的掘进技术、新的方法，努力提高煤 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 矿巷道的掘进速度，使巷道快速、安全的形成，是一种自我提升的机遇与挑战，对煤矿 企业的发展具有深远的影响[2]。 1.1.2 研究意义 巷道的掘进一直是一个复杂的多工序交替的施工工艺。主要由掘、运、破、通、支 等五大工序组成，影响巷道快速掘进的因素有很多掘进设备的先进程度，各个施工工 序的科学合理衔接，巷道围岩的地质条件性质等。巷道的稳定与安全是保证井下作业人 员和生产设备正常运营的前提，直接影响煤矿的生产效率及经济效益，煤矿企业及业内 专家对此类问题都很重视，如何采用合理的掘进破岩、装运和支护技术，科学的组织管 理施工工序，减少各个工序的交叉，研究与之相适应的掘、装、运、支、综合掘进技术， 通过科学管理和施工，掘进和支护设备的提升，提高煤矿巷道的掘进速度，是生产、科 研人员追求的重要目标。 为了实现安全、高产、高效开采煤炭资源的要求，矿井巷道的埋深由浅埋向深埋不 断发展，巷道的断面尺寸和长度也在不断增大。对于煤巷支护来说，使得支护要求更为 严格，支护难度也在不断地上升。但就现阶段的研究还存在以下问题 （1）现有支护设计基本上是一次成巷的设计方法，没有充分研究巷道围岩的变形 过程，变形机理考虑的不够全面，锚杆（索）支护密度大，支护成本过高，但支护效果 也不尽人意。 （2）一次成巷的支护设计过高的支护参数，使得掘进时支护工作量较大，支护时 间过长，进而导致巷道掘进速度慢，影响巷道的快速形成。 （3）现有支护理念不适应巷道快速掘进工艺工法，施工规范要求支护紧跟工作面 进行，但是现有的一次支护设计理念不能达到该要求，造成空顶距过大，不能达到规范 要求，不利于巷道稳定性。 （4）现有支护理念不利于巷道快速掘进，现有煤矿巷道一次成型支护技术中，锚 杆（索）支护时间占整个巷道掘进时间的 60～70，严重制约了巷道快速掘进的进行。 现有支护理念的经济合理性不足，现有支护设计主要是对巷道进行一次成型支护，没有 充分围岩的变形特性和开挖面的空间效应影响，无法保证支护方案的经济合理性，可能 造成支护成本与支护工期的增大。 （5）巷道掘进设备已经基本实现了现代化和机械化，但是掘锚一体机过于庞大， 机械长度数十米，既不利于设备应用，也不利于成本控制，故障率高，造价过高，不利 于连续作业。 工作面巷道的形成时间直接影响到煤矿生产效率，关系到煤矿企业的经济利益。如 何在保证巷道安全稳定的前提下，使支护方案高效经济，减少锚杆支护在掘进过程中的 时间，使巷道快速掘进并投入生产中，故研究巷道的锚杆（索）分次支护及快速掘进技 1 绪论 5 术十分必要。 1.2 国内外研究及发展现状 1.2.1 巷道锚杆（索）支护研究现状 （1）国外支护研究现状 早在一百多年前锚杆支护技术在西方国家就已经开始应用， 英国最先使用过金属锚 杆进行围岩支护，而美国最开始使用的是木质锚杆进行围岩支护，经过大量的研究和实 践，锚杆支护技术在 20 世纪 40 年代末期被大规模的推广和应用，因此锚杆支护技术在 矿山工程、隧道工程以及边坡工程中得到了飞速发展，成为一种安全、经济高效的支护 技术[3]。 锚杆支护技术在美国、澳大利亚等国发展十分迅速，在这些国家中，煤层地质条件 简单，开采深度较浅，因此煤矿巷道支护中几乎全部采用锚杆支护。经过长时间的发展 和现场工程经验的总结，逐渐对锚杆支护理论进行完善。随着开采矿区煤层地质条件的 不同，发现大量采用单一的锚杆支护是不经济的，开挖成本高，工人安全无法保障。巷 道支护技术在澳大利亚已经有了一套完整的支护体系，在巷道支护中形成了 W 钢带树 脂全长锚杆的支护技术，支护断面大且支护效果好，同时对于顶板围岩破碎严重以及 巷道交叉口，采用锚索注浆对巷道进行加固支护，很好的限制围岩变形。 在欧洲国家的矿井巷道支护中最先采用金属支架支护， 但是随着煤炭资源竞争越来 越激烈，开采深度和难度不断增加，使得欧洲国家逐渐采用锚杆进行巷道支护，同时对 锚杆支护技术进行积极的研究并加以广泛推广[4]。 在 1987 年以前，英国矿山巷道主要采用金属支架，该支护方式使得巷道支护成本 过高，支护效果不理想且严重影响矿井的生产效益[5]。于是英国开始积极引进澳大利亚 的锚杆支护技术，改变支护理念，经过十年的不断发展，在英国煤巷支护中几乎 90的 巷道均采用锚杆支护技术[6]。 在使用锚杆支护后， 英国矿井安全生产得到了极大的提高， 生产安全事故明显减少，巷道支护成本大大降低，为煤矿企业带来了巨大的经济效益。 而在德国，最先采用的是 U 型钢支架的支护形式，支护技术最成熟、最先进，但是用钢 量巨大， 使得巷道支护成本增加。 在复杂巷道中， 该支护技术使得巷道在施工难度困难， 支护和维护成本增加，因此不得不进行锚杆支护技术研究。锚杆支护技术在国外应用十 分广泛，主要取得的成果有 A.Haim[7]等人最早提出了古典压力理论，认为地下岩石处于一种静水压力状态，即 围岩的水平应力和垂直应力相等，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量。随着 对理论的深入研究以及测试手段的提高，发现围岩周围的应力不相等，与实际工程不相 符，在支护设计中并未考虑围岩自身的承载能力。 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 6 K.Terzaghi[8]等人提出了“塌落拱”理论，认为巷道跨度和围岩性质均与坍落拱的 高度有关系，支护结构的支护力等于坍落下来的围岩重量相等，并提出了巷道围岩自身 具有一定的承载能力，其中太沙基认为坍落拱为矩形，而普氏认为其为抛物线形。该理 论的缺陷是未将围岩的结构作用，在实际地下工程中将其作为整体结构考虑，巷道围岩 有一定的自稳能力。 L.V.Rabcewicz[9]等人在总结前人经验的基础上提出了“新奥法”理论，提出主动支 护的观点，发挥围岩的自承能力，对巷道围岩采用动态监测，监测围岩的表面位移以及 锚杆的应力变化，通过实时监测反馈支护效果，新奥法的支护方法得到世界各国工程师 的大力推广和发展，但在实际应用效果却差强人意，不同使用者对“新奥法”思想的理 解也存在着诸多问题，盲目的应用到不适宜的地质环境中，也出现了诸多问题。 M.D.Salamon[10]在 1975 年提出了能量支护理论， 该理论从能量守恒的角度考虑， 围 岩变形伴随着能量的释放，支护体将这部分能量吸收，能量吸收到一定程度后，支护体 结构可以释放多余的能量，使围岩和支护结构协调变形共同达到稳定状态。该理论在太 过于理论化，假设条件理想化，难以在实际工程中推广应用。 Pelizza[11]等认为锚杆作用效果改变了围岩所处的应力场，提高了围岩的粘聚力，约 束围岩的径向变形同时防止围岩横向的剪切破坏，使围岩稳定性显著提高。 Lars malmgren[12]从巷道围岩和锚杆体的力学参数，混凝土的喷射厚度等角度，研究 支护体结构与喷射混凝土层的相互作用， 认为围岩的强度和围岩表面的破裂程度是影响 喷层岩体协调变形的主要原因。 Akyol、Erdal[13]等通过在软岩巷道施工过程中分析构造条件对围岩稳定性的影响， 基于有限元数值计算方法对锚杆进行支护设计，并在实际工程中取得较大的效果。 E Unal，I Ozkan，G Cakmakci[14]对回采巷道进行围岩位移监测，根据围岩的变形， 变形速度和变形加速度建立模型，分析影响回采巷道围岩变形的因素，并通过绘制变形 曲线来解释围岩的力学行为。 Hall.A[15]在巷道掘进过程中，支护采用可缩性支架和纤维网，在巷道掘进前期先对 顶板进行锚杆支护加固，提高巷道循环掘进的效率，大大加快巷道掘进速度。 C.trenaman[16]等采用 Hilti Onestep 锚杆以及 Hilti 系列施工设备，对施工工序进行了 优化，降低支护成本，保证了施工人员施工的安全，同时提高了掘进速度。 A.bascetin[17]通过建立 Ahp 模型，对比不同的开挖方法，优化开挖设计提高巷道的 掘进速度，保证巷道的稳定性。 Bobet 和 Einstein[18]依据锚杆和围岩的协同变形建立力学模型， 推导出全长锚杆、 注 浆锚杆等支护下的围岩位移和应力解析解。 （2）国内支护研究现状 在我国锚杆的使用已经有 60 多年的历史，随着我国工业的高速发展，锚杆支护技 1 绪论 7 术得到了巨大发展，提出了适合本国煤矿支护的理论和支护方法，由低强度向高强度发 展，再到高预应力锚杆支护、强力支护[19-20]，在我国锚杆的发展大致经历了以下几个阶 段[21-22] 1）单体锚杆阶段 20 世纪 50 年代，当时锚杆的支护理论比较成熟的是悬吊理论，锚杆支护也仅仅停 留在被动支护层面，支护时锚杆打入围岩内部，注入砂浆，但是没有锚杆托盘锚固，容 易产生滑落，每根锚杆是一个独立的个体，各个锚杆间无法有效的形成联系成为一体。 在实际工程中，锚杆失效大量存在，单根锚杆的失效导致该锚杆支护的范围没有得到有 效的加固。该理论的支护方式没有考虑围岩的自身的承载能力，在一些顶板破碎严重、 松软的岩层中无法发挥有效支护，经常因为