地下开采围岩稳定性及控制技术研究.pdf

兰州大学 博士学位论文 地下开采围岩稳定性及控制技术研究 姓名蔡来生 申请学位级别博士 专业固体力学 指导教师俞焕然 20090301 兰州大学博十学位论文 摘要 地下开采改变了围岩的应力分布状态，进而影响到围岩的位移以及破坏场分布， 降低了围岩的稳定性，因此充分认识地下开采引起的围岩应力变化，选用有效的支护 措施是确保围岩稳定的关键所在。 本文以窑街煤电有限责任公司天祝煤矿为研究背景，对矿区内大倾角坚硬厚煤层 综放工作面开采技术、采空区下薄顶煤大断面巷道支护技术及优化展开了多方位、全 方面研究，获得了丰硕的研究成果。 大倾角综放工作面通过相似材料模拟试验研究，揭示了在倾斜方向上，采空区项 板运动和断裂具有明显的非对称性冒落与充填特征，老项岩层在倾斜方向上可形成铰 接拱梁结构，总体上可分为四个特征区，由上山向下山侧依次分为I 、自由冒落区； I I 、上拱脚支承区；I I I 、老顶岩层铰接区；Ⅳ、下拱脚支承区。 数值计算方法进一步揭示了大倾角综放工作面倾斜剖面上应力拱的形态。工作面 上方存在的应力拱结构下拱脚位于沿煤层倾向工作面下端煤层和附近底板岩层中，上 拱脚位于沿煤层倾向工作面上部顶煤和直接顶中，应力拱中的最大主应力高于拱内外 岩层中的应力。应力拱是主要的承载体，上覆岩体荷载和压力通过应力拱传递到工作 面上下隅角位置，形成上下顺槽附近的支承压力。综放面位于应力拱保护下的低应力 区内，这是综放面主要的力学特征。 对大断面薄顶煤巷道，采用F L A C 和U D E C 程序建立地质模型，证明了在该环境 下开掘巷道的可行性，并对巷道的锚网支护设计进行了深入研究。利用正交试验方法 研究了巷道支护锚杆间距、排距、直径等关键因素对支护效果的影响；采用极差分析 法揭示了各关键因素对支护效果的影响程度；运用模糊理论和灰色关联理论对支护方 案进行了优化；采用数值模拟方法对优化支护方案的支护效果进行了验证。 通过对大断面薄顶煤巷道围岩压力分布规律的数值模拟研究，为采空区边缘回 风巷合理位置的选择提供了理论依据，在此基础上设计了切实可行的支护方案。采用 多种监测技术手段，对巷道不同顶煤厚度条件下围岩的压力、变形和破坏进行现场监 测，对锚网联合支护效果进行评价。揭示了不同顶煤厚度条件下巷道周围压力分布、 围岩移动变形与破坏规律，同时验证了巷道控制的必要性、有效性和安全性。 本文在大倾角坚硬煤层综放开采技术研究以及采空区下薄顶煤大断面巷道锚网 联合支护技术研究中取得了新的认识和发展，获得了丰硕的理论、实验研究和工程成 果，富有理论价值和实际指导意义。 关键词地下开采，围岩稳定，控制技术，综放开采，锚网支护。 3 兰州大学博士学位论文 A b s t r a c t T h ed i s t r u b i t i o n so ft h es t r e s s e s ，d i s p l a c e m e n t sa n df a i l u r ez o n e si nt h ew a l lr o c k sa r e a f f e c t e db yu n d e r g r o u n dm i n i n g ．T h es t a b i l i t yo ft h ew a l lr o c k sb e c o m e sw e a k e rd u et o u n d e r g r o u n dm i n i n g ．I ti si m p o r t a n tt or e a l i z et h ev a r i a t i o n so fs t r e s s e si nt h ew a l lr o c k s f o ra d o p t i n gr e a s o n a b l es u p p o r tm e a s u r e s ． I nt h i st h e s i s ，t h ef u l l y m e c h a n i z e dc o a lm i n i n gw i t hs u b - l e v e lc a v i n gi nh i g hs t e e p c o a ls e a m sa n dt h es u p p o r tt e c h n o l o g i e si nl a n e sw i t ht h i nc o a lr o o fa r es t u d i e do nt h e b a s i so fT i a n Z h um i n i n g ．M a n yr e s a e a c hf i n f i n g sa r ea c q u i r e d ． T h es i m i l a rs i m u l a t i o nt e s to nw o r kf a c eu s i n gt h ef u l l y ．m e c h a n i z e dc o a lm i n i n g w i t hs u b - l e v e lc a v i n gs u g g e s t st h em o v e m e n ta n db r e a k i n go ft h er o o fa r ea s y m m e t r i ci n t h ei n c l i n e dc u t ．T h em a i nr o o fc a v i n gc a np e r f o r ma r t i c u l a t e dr o o fb e a mi nt h ei n c l i n e d c u t ．I ti sd i v i d e di n t of o u rp a r t sf r o mu p h i l ld i r e c t i o nt od o w n h i l ld i r e c t i o n ．Ii sf r e ec a v i n g z o n e ，I Ii Su pa r c h f o o ts u p p o r tz o n e ，I I Ii sa r t i c u l a t e dz o n e s ，a n dI Vi sd o w na r c h f o o t s u p p o r tz o n e ． N u m e r i c a la n a l y s i sa r ec o m p l e t e dt os t u d yt h ed i s t r u b i t i o no fs t r e s sa r c hi nt h e i n c l i n e dc u ti nw o r kf a c eu s i n gt h ef u l l y - m e c h a n i z e dc o a lm i n i n gw i t hs u b - l e v e lc a v i n g ． T h e r ei ss t r e s sa r c hu p o nt h ew o r kf a c ei nt h ei n c l i n e dc u t ．n ed o w na r c h f o o ti si nt h e d o w nc o a ls e a m sa n dr o c k si nt h ei n c l i n e dc u t ．T h eu pa r c h f o o ti si nt h er o o fc o a ls e a m s a n dr o c k si nt h ei n c l i n e dc u t ．n em a x i m u mp r i n c i p l ei ns t r e s sa r c hi sh i g h e rt h a nt h er o c k s o u to ft h es t r e s sa r c h ．T h es t r e s sa r c hi sm a i ns u p p o r tb o d y ．n el o a da n dp r e s s u r ei n h a n g i n gs t r a t aa r ec a r r i e dt ot h ed o w nc o m e ro ft h ew o r k f a c et op e r f o r ms u p p o r tp r e s s u r e n e a rg a t es t u l lt h r o u g ht h es t r e s sa r c h ．n em a i nm e c h n i c sf e a t u r ei st h a tt h ew o r kf a c e u s i n gt h ef u l l y - - m e c h a n i z e dc o a lm i n i n gw i t hs u b l e v e lc a v i n gi si nt h el o ws t r e s sz o n e s u n d e rt h es t r e s sa r c h ． n eF l a ca n dU D E Cp r o j e c t sa r eu s e dt oc o n s t r u c tg e o l o g i c a lm o d e lo ft h el a n e sw i t h t h i nr o o f s ．I ti sf e a s i b l et om a k el a n e si n t h i ss u r r o u n d i n g ．n es u p p o r tt e c h n o l o g i e so f b o l t i n gw i t hw i r em e s ha r eu s e da n ds t u d i e d ．n ee f f e c t so fs p a c i n g ，d i s t a n c eb e t w e e n r o w s a n dd i a m e t e ro fb o l t so nt h es u p p o r ta r es t u d i e db yo t h o r g o n a lt e s t i n gm e t h o d ．T h e i n f l u e n c ed e g r e eo fe v e r yk e yf a c t o ro nt h es u p p o r ti ss u g g e s t e db yr a n g ea n a l y s i s ．n e s u p p o r tm e a s u r e sa r er e f i n e db yf u z z yt h e o r ya n dg r a yr e l a t i v ea n a l y s i sm e t h o d ．T h ee f f e c t o fs u p p o r ti sv e r i f i e db yn u m e r i c a la n a l y s i s ． T h eN u m e r i c a la n a l y s i so nt h ed i s t r i b u t i o n so fs t r e s si nt h ew a l lr o c k so ft h el a n e w i t ht h i nc o a lr o o fp r o v i d e s1 0 9 i c a lp r o o f sf o rt h el o c a t i o no ft h er e t u r na i r w a yn e a rg o a f ． T h es u p p o r tm e a s u r e sa r ep r o v i d e do nt h i sb a s i s ．T h es t r e s s ．d i s p l a c e m e n ta n df a i l u r ez o n e s i nw a l lr o c k so ft h ed i f f e r e n tl a n e sa r em o n i t o r e di nt h ef i e l dt oe v a l u a t et h es u p p o r te f f e c t o fb o l t i n gw i t hw i r em e s h ．T h ed i s t r i b u t i o n sl a w so fs t r e s s ，t h ed i s p l a c e m e n ta n dt h ef a i l u r e 4 兰州大学博士学位论文 z o n e si nw a l lr o c k so fl a n e sw i t hd i f f e r e n tr o o f sa r ef o u n d ．I ti Si m p o r t a n tt oc o n t r o lt h e t r a n s f o r m a t i o n so ft h el a n e st om a k es u r eo ft h es a f t yo ft h el a n s e s ． T h e r ea r em a n yn e wk n o w l e d g c sa n dr e s e a r c hf i n d i n g sf r o mt h es t u d yo nm i n i n g t e c h n o l o g i e so ft h et h ef u l l y m e c h a n i z e dc o a lm i n i n gw i t hs u b - l e v e lc a v i n gi nh i g l ls t e e p c o a ls e a m sa n ds u p p o r tt e c h n o l o g i e si nl a n e sw i t ht h i nr o o f s 。T h e s ef i n d i n g sw i l lp l a ya k e yr o l ei np r a c t i c ea n dt h e o r y ． K e yW o r d s U n d e r g r o u n dm i n i n g ，s t a b i l i t yo ft h ew a l lr o c k ，c o n t o lt e c h n o l o g y , f u l l y 。m e c h a n i z e dc o a l m i n i n gw i t hs u b l e v e lc a v i n g ，b o l t i n gw i t hw i r em e s h ． 5 兰州火学博十学位论文 原创性声明 本人郑重声明本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进 行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名E t 期兰竺堡芝 兰州大学博士学位论文 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名 兰州人学博士学位论文 引言 窑街煤电集团有限公司是经甘肃省人民政府批准，于2 0 0 0 年3 月由始建于1 9 5 8 年的窑街矿务局整体改制成立的大型能源企业。公司位于兰州市连海经济开发区内， 东距兰州市1 0 7 公里，西至西宁市1 1 0 公里，地处兰青铁路、兰海高速公路和1 0 9 国 道之间，地理位置优越，交通运输便利。公司管辖窑街、天祝、海石湾、大有、大滩 五块煤田，2 0 0 4 年末地质储量8 ．2 7 亿吨。企业成立以来，累计生产煤炭1 亿吨，上 缴税金6 ．7 3 亿元，为国民经济和社会发展做出了积极贡献。 窑街煤电有限责任公司天祝煤业公司自建矿以来，长期采用走向长壁、倾斜分层 方法开采，该方法主要缺点是万吨掘进率低、工效低。为了提高工效、降低成本，适 应机械化开采的发展潮流，2 0 0 6 年初，天祝煤矿在3 2 2 5 工作面试验采用走向长壁、 中上层煤合采的综采放顶煤开采，这是天祝煤矿有史以来首个综采放顶煤开采工作 面，实现了天祝煤业公司综放开采零的突破。 天祝煤矿3 2 2 5 工作面煤层倾角变化大、顶煤坚硬且厚度变化较大，给生产和管 理带来诸多难题。本文旨在揭示大倾角综放工作面推进过程中，采场矿压显现特征及 覆岩与顶煤运移规律、回采工作面围岩与液压支架相互作用关系、支承压力的分布情 况及其对生产的影响，为后续采场顶板控制和支护方案设计提供理论证据。 窑街煤电有限责任公司天祝矿除在工作面开采方法上进行了改革，对特殊地质环 境下的巷道支护技术也进行了系统研究与创新。 3 2 2 6 上工作面位于己采3 2 1 6 工作面采空区下方，采用综合机械化放项煤技术开 采。3 2 2 6 上工作面煤层厚4 ．3 8 ～7 ．3 7 m ，平均5 ．5 m ，煤层结构复杂，工作面巷道掘进 走向长度为8 7 0 m 。为保证在3 2 1 6 工作面开采后，3 2 2 6 上工作面仍可利用已有生产 系统正常回采，本文旨在掌握3 2 2 6 上工作面巷道掘进过程中，采空区下层顶煤的力 学状态，开掘巷道后围岩应力变化、位移特征和破坏机理，有效控制巷道变形，确保 正常生产和安全，为同类型开采条件的巷道稳定性评价和支护提供理论与技术。 目前，国内锚网支护技术同渐成熟，并在多种复杂条件下应用取得成功。然而， 类似本文涉及的地质与开采条件下进行大断面薄顶煤锚网支护支护在国内尚不多见。 在地下巷道开挖支护中，锚网支护已经作为一种基本的巷道支护方法，被广泛的 应用。但锚网支护设计中，经验方法依然占有重要的地位，工程设计是在与类似工程 条件及地质条件类比的基础上进行的。而对于一些特殊环境下的地下工程，经验类比 法就显得有些牵强。在一些进行二次开采的采矿活动中，由于前期开采的影响，巷道 开采位置可能已经处于了低应力的松软破碎岩体中，在这样的环境下，影响巷道正常 使用的主要因素是什么 影响程度又怎么样 比如巷道顶板的下沉量或帮部位移与 兰州人学博十学位论文 锚杆长度、锚杆间距、锚杆直径、锚杆排距等多个因素密切相关，各因素都或多或少 地对巷道顶板的下沉量和帮部的位移产生影响，到底哪个因素更重要，哪个因素不重 要，各因素依什么样的水平搭配起来支护效果更好等，这些问题都很有研究的意义。 随着岩石力学的发展以及计算方法的不断进步，数值模拟为岩石力学研究和工程 设计提供了重要的依据，起到了不可忽视的作用。数值模拟方法可以人为地控制和改 变试验条件，试验效果清楚、直观，试验周期短、成本低、见效快、可视化效果好， 试验可多次重复进行且能保存试验结果，已得到较广泛地应用。对于以上课题，可以 引入数值模拟来完成。但是，在巷道支护设计过程中，其稳定性受到众多因素的影响， 且各个因素之间都是相互联系的，不少因素既难以确定又难以定量分析。因此，影响 巷道稳定性的诸多因素构成了一个部分信息己知、而部分信息未知或不完全明确的灰 色系统。系统中的因素不仅具有随机性，而且具有模糊性，无法找到一一对应的特定 映像，只能凭经验得到一些定性的认识。 正交试验设计方法是一种科学安排试验的方法。它是用一种规范化的表 正交表 来合理安排试验。其突出的优点是，在不影响全面了解对象中众多因素对其性能指标 影响的条件下，大大减少试验次数；同时它又可以通过“极差分析法”或“因子的变差 平方和”分析试验结果，找出主次因子，分析出主次因子对指标性能的影响程度，从 而找出最有利的生产条件，按照正交试验设计方法来安排所需要模拟的模型，将会获 得快速、高效、合理、准确的分析结果。 对处于低应力区松软破碎煤巷锚网支护，将计算机对参数处理的灵活性和正交设 计对参数的有效性结合在一起，研究影响巷道锚网支护效果的关键因素，实现巷道支 护设计的优化。 本文将针对天祝矿3 2 2 6 综放面薄顶煤巷道特殊的地质与采矿工程条件，进行锚 网综合支护研究。开展本项研究，既是现场生产需要，同时也将为发展和丰富煤巷锚 网支护设计理论与工程实践提供有益参考和积累经验。 2 兰州大学博士学位论文 1 文献综述 1 ．1 综采放顶煤技术概述 近年来，随着综采放顶煤技术的不断进步与提高，综采放顶煤已成为我国煤炭系 统实现矿井高产高效的主要途径之一【M 。放顶煤开采的优势是能在不同条件下，实 现不同水平的、但却是前所未有的高产、高效率和高效益，把厚煤层的储量优势充分 转变为技术经济优势。成功地进行综放开采的重要标志是在对采场及巷道围岩进行有 效控制的前提下，安全、经济和最大限度地回收煤炭资源。综放开采技术在我国必将 有较大的和持续的发展，必然会成为我国厚煤层开采的一种基本采煤法1 5 圳。 按照传统的矿山压力理论【乳1 2 】，综放开采的采高大于或远远大于分层开采，那么 综放开采液压支架所受的载荷自然要大于分层开采液压支架所受的载荷，采场矿压显 现将明显增强，周期来压显现也将严重，因此，综放开采液压支架应具有大于或不小 于分层开采液压支架的工作阻力。 但是，随着综放开采技术的普及应用以及对综放开采技术、测试、实验研究不断 深入，发现综放开采液压支架所受的载荷并没有如预想的那样随采高的增大而明显增 大，放顶煤整层开采的矿压显现往往并不比分层开采更强烈【1 3 - 1 7 1 。现场观测及试验结 果表明同一煤层，尽管整个煤层放顶煤开采的一次采出厚度比分层开采大，支架载 荷不仅不增加，反之，载荷减少了5 ％巧8 ％，来压强度减少1 5 ％- 2 0 ％。工作面支架 所受动载的显现普遍不强烈。周期来压对支架的影响明显缓和；顶煤强度高的综放工 作面，支架实际载荷就高，松软煤层工作面的实际支架载荷就低。传统的矿压理论很 难解决综放开采中出现的新问题。在顶煤与巷道围岩相互作用力学过程、工作面支架 选型与参数设计等等问题上，有待突破传统模式和经验的束缚，开展深入和特征鲜明 的科学研究。针对影响因素多、物理过程复杂的综放采场与巷道围岩力学过程和力学 分布、顶煤破碎运移规律的研究，不仅具有重要的理论价值，而且具有推广应用价值。 虽然国内外学者对综放工艺的煤岩移动及顶煤破坏规律等问题进行了大量的现 场实测及理论分析和研究【1 8 - 2 1 】，取得了一定的成果，但这些分析与研究工作主要是针 对缓倾斜近水平煤层进行的，对倾斜煤层开采进行的综放研究工作却相对较少，目前， 该领域的许多研究工作尚处于探索阶段，特别是在支架选型和顶煤与覆岩运动方面所 面临的问题，基本上仍是靠经验类比，缺乏科学的指导。 倾斜煤层开采由于煤、岩层沉积的结构特点造成了显著的各向异性，倾角越大， 各向异性越显著1 2 2 彩J ，因而，相对于缓倾斜近水平煤层开采具有其特殊的矿压显现规 律与综放工艺特点【2 睨8 1 。所以，针对影响因素多、物理过程复杂的倾斜综放采场的顶 煤破碎机理、顶煤的垮落和放出规律的研究，具有十分重要的理论和应用价值。 3 兰州大学博士学位论文 1 ．2 锚杆、锚索支护发展现状 “煤是工业的食粮”，近现代工业离不开煤炭生产，因而煤炭生产在我国乃至全世 界都占有非常重要的地位。但是随着煤炭的不断开采，浅部、易开采的煤层已所剩无 几，大部分地区均己开采深部煤层或地质条件较复杂、地应力较大、较难开采的煤层。 这样就给井下巷道维护带来更高的要求，传统的巷道支护如棚式支护、砌碹支护等方 式已不能满足煤炭安全生产的要求【2 9 ．3 1 】，因而需要有新的巷道支护理论与技术来指导 巷道维护，确保煤炭的安全生产。 1 8 7 2 年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡，1 9 1 2 年德国谢列兹矿 最先采用锚杆支护井下巷道1 3 2 。，1 9 2 4 年前苏联的顿巴斯矿开始应用锚喷支护。5 0 年 代初，瑞士和西德生产了高效喷射机，并采用了速凝剂。随后，锚喷与锚杆支护在奥 地利、瑞士、瑞典、挪威、德国、加拿大、英国、法国、美国和澳大利亚等国家的地 下工程中得N T 广泛应用【3 3 l ，至今锚杆支护技术己有一百多年的历史。 我国的锚杆支护技术应用始于1 9 5 6 年【3 4 J ，当时只在个别矿作试验性研究，6 0 7 0 年代开始在围岩条件相对稳定的岩巷中推广应用，8 0 年代后期开始在煤巷中推广应 用锚杆支护技术。 目前，美国、澳大利亚巷道锚杆支护率已达9 0 ％以上，西欧一些主要产煤国锚杆 支护率也达到了8 0 ％以上。我国经过多年的推广应用锚杆支护技术，岩巷锚杆支护率 达到了8 0 ％，煤巷锚杆支护率仅为4 0 ％，与发达国家相比仍有一定的差距【3 5 瑚J 。 锚杆支护的出现，实现了巷道支护方面的一次重大革命。以前传统的支护方式存 在一些弊端，如砌碹巷道，巷道掘进断面大，支护厚度大，工人劳动强度大，掘进速 度慢，材料消耗大，支护成本高等缺点。又如，棚式支架，首先是支护成本高，钢材 消耗量巨大，无法实现机械化作业，工人劳动强度大，因而造成掘进速度也较慢。这 两种支护方式均属被动支护，即随着巷道地应力的增大，巷道的支护厚度或工字钢的 型号就要增加，这样不仅造成支护成本的进一步提高，而且当地应力超过一定限度后 这两类支护方式根本就无法维护住巷道，巷道变形量大，鼓帮、片帮、冒顶事故经常 发生。巷道维护困难，返修量大，成本提高，更重要的是造成工作面停产，直接影响 到煤矿的经济效益。被动支护还表现在支护体与围岩相脱离，巷道稳定性取决于支护 体的强度，围岩则作为荷载作用于支护体，不能充分利用围岩的自身承载能力【3 9 枷l 。 锚杆支护摒弃了以上传统支护方式存在的这些弊端，掘进断面小，材料消耗量少，机 械程度高，工人劳动强度低，掘进速度快。属于主动支护方式，能充分利用巷道围岩 自身承载能力来抵抗围岩的变形，像石材支护一样，岩石本身具有一定的强度，在锚 杆的锚固作用下，岩体被压缩加强，以该部分岩体抵抗其外部围岩施加的地应力，另 外锚杆可于围岩共同变形，释放一定的围岩应力，从而降低围岩的变形量1 4 5 1 。 4 兰州大学博士学位论文 随着开采深度的增加及地质条件的复杂化，巷道围岩应力增大。另外，沉积岩顶 板一般较软弱，且裂隙较发育，煤矿巷道更难维护，单纯的锚杆支护已不能满足求。 为了保证煤矿的安全生产，各局矿开始探索新型的锚杆支护形式。如 1 锚杆喷射 混凝土支护、锚喷金属网支护，锚杆加金属网【删9 1 ，在这类支护形式中，锚杆起主要 作用，将围岩形成整体，喷射混凝土及金属网封闭并补强围岩。 2 衍架锚杆、锚杆 加钢筋梯子梁、锚杆加钢带等【5 吣1 1 ，这类方式是将多根锚杆组合成一体进行维护巷道。 3 锚杆锚索或锚杆锚索金属网支护【5 2 6 6 1 ，这是近年来在矿山岩土工程中应用较多的 支护方式之一，主要原因是由于地质条件的复杂化及地应力的增大，影响范围较小的 锚杆支护能保证巷道的安全，而锚索则能在较大范围内控制围岩。 1 ．3 锚杆支护作用原理 锚杆支护中锚杆的作用的原理主要有悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用、锚 固平衡拱作用1 5 7 制J 。 1 锚杆的悬吊作用 巷道开挖后，围岩中的原始地应力出现重新分布，形成应力集中区。该区域内， 岩体中原有的节理、裂隙、层理、断层等不连续面可能进一步发展，并可能产生新的 不连续面，各不连续面可能相交、贯通，并在自重作用下产生冒落。锚杆的悬吊作用 就是将这些松散、破碎岩石锚固在围岩内部较坚硬、稳定的岩层中【6 1 柳J 。如图1 - 1 所 示。 a C o a 一悬吊软弱层状岩层；蝴吊危石 图1 - 1 锚杆支护的悬吊作用 2 锚杆的组合梁作用 该理论适用于巷道顶板为较厚的层状岩层。当巷道顶板出现下沉和离层时，沿层 面将产生垂直位移和水平位移，锚杆所提供的轴向力将对岩层的下沉和离层产生约 束，并且增大岩层间的摩擦力，该摩擦力与锚杆所提供的抗剪力一同阻止岩层间产生 相对滑动，从而将几个薄岩层通过锚杆夹紧而形成一个岩层组合梁[ 6 4 - 6 5 1 。层状岩层的 5 兰州大学博士学位论文 巷道顶板安设上锚杆后，能大大降低岩层中的应力和减小顶板的下沉量，图1 ．2 为组 合梁作用与组合梁前后的挠度及内应力对比。 图1 - 2 组合梁作用与组合梁前后的挠度及内应力对比 3 锚杆的组合拱作用 该理论认为，在拱形巷道围岩的破碎区中安装预应力锚杆 或破碎围岩整体位移 使锚杆受拉 时，在杆体两端形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群， 只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将交错重叠，使松散破碎的围岩 串联在一起，成为一个具有自承能力的整体结构，即组合拱 亦称承压拱 ，如图1 ．3 所示。沿锚杆轴向的压力在组合拱中产生环向应力，从而，明显的改善了承压拱应力 状态，使围岩应力状态由单向、双向受压变为三向受压，这样，就在围岩中形成一个 均匀压缩的连续承压区，因此大大提高了组合拱承载能力I 叫。 图1 - 3 锚杆组合拱作用 4 锚杆的锚固平衡拱作用 锚固平衡拱理论主要用来解释全煤巷中的锚杆作用机理。对于深井厚煤层动压巷 道，围岩的地质力学条件是煤层的强度低、围岩层理发育、各向异性特性明显、围压 6 手， 目目 兰型堂堂塑笙塞 。。。。’■√‘．7 。一u 。们叫x 肜啾卅、土殳何化苊苍旭升形后，刷边围岩由三向应 妻竺态娄譬兰皇应力状态，致使周边围岩产生塑性破坏或沿节理弱面破坏丢破臻盖 苎皇。曼妻竺登而应力降低，高应力向围岩深部转移，并使破坏区向深茹扩磊‘蔷薯 至兰苎竺破坏的过程中，同时产生侧向变形、岩层错动和离层，引起侧呙；曲磊磊 部拉伸破坏。 。⋯～～～ 姗。登墨登兰挈压巷道围岩的这种变形破坏机制和特点提出的锚固平衡拱原理是把 竺竺竺苎竺守作用范围内的岩石作为一种锚固支护体，该锚固体通过锚弄的荔嘉磊鬲 竺篓竺竺 堡处在单向挤压状态而易于破坏松动的岩石构成具有一定未聂磊另磊≤ 竺冒喜竺篓竺f 衡拱 图1 _ 4 。锚杆在加固锚固平衡拱中起到了关键作用“ 2 ；“ ℃Z II - “ ／二D - J q i ． h 詈苎要磬锚 望约束作用阻止岩层离层和岩块转动，通过锚杆的抗剪秸用。阻止岩层和 苎竺矍苎。．誓警宝作用是阻止锚固体的松散、保持锚固体的整体性、提高锚固罩磊簇 的承载能力和白稳幛． 一⋯～。一“’。“ 竺孽墨竺篓竺动体 没有承载能力 。岩石松动是造成锚固平衡拱破坏的孟囊原言，‘ 三篓竺 篓堑警失抗剪作用，使其约束作用转变为悬吊作用，从而使锚杆失芸磊；蔷 呈三苎攀竺两等基本作用。研究表明全长锚固的锚网组合等支护形式主菇蓬；薹磊蒜 曼差要拱璺理警行有效的围岩支护，因为这种支护形式可以充分发挥磊并磊茹菜；磊 剪作用，防止岩石松动，保持锚固平衡拱的整体性和承载能力。 “。“”。一 ， ／。 卜二 ●．一● 爨 ，● k ， ／● - ● ● X 一、 ＼ 嘲。曼萼’。仝们对煤巷围岩存在松动圈已基本达成共识。巷道开掘以后，破坏了原来 苎萎竺毒差} 夸，会发生应力重新分布，直至达到新的平衡，形成薪鬲平磊关j 主三 之霎要竺要节过程中，巷道围岩内产生塑性变形区，塑性区内围岩强磊南三舌i 弱_ 磊 竺要受磐要妻挈显降低，巷道周边的围岩产生破坏，甚至松动、塌落。。茹柔善孬主荨 支 ．松动圈内的围岩可能会发生冒落，还会导致松动范围的进一步扩大2 ～“一。 锚固理论中悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用以及其它锚固理论鲁都研究的 兰州大学博士学位论文 是如何阻止松动围岩的进一步扩张，提高围岩的自稳能力。锚杆的作用就是改变围岩 的受力状态和结构，提高围岩的自稳能力，控制岩层的变形和垮落。 1 ．4 全长树脂锚杆锚固作用机理 全长树脂锚固高强度锚杆施工可靠，人为影响因素小，其锚固力分布于杆体全长， 避免了端锚锚杆锚固力集中于周边围岩，使软弱围岩受集中力破坏而导致的锚空实 效；通过贯穿软弱夹层，直接对其进行加固，强化了顶板的稳固性，安全可靠性大大 提高f 6 7 】。 在低应力、破碎围岩环境下，煤巷支护全长树脂锚杆锚固作用机理包括以下几个 方面 1 改变围岩属性 对于地下巷道，从工程实际需要出发，围岩常抽象为各向同性材料。采用全长粘 结式锚杆支护系统，锚杆作用于围岩内部，与围岩通过粘结剂成为一体。由于锚杆几 何尺寸的影响，巷道围岩锚固体将由原来宏观各向同性属性变为宏观各向异性。围岩 属性改变是全长锚固作用机理的本质所在，反映出全长锚固锚杆与其它传统支护方式 本质的区别。 2 改善围岩受力状态、增加围压 带托盘的全长树脂锚固锚杆对围岩的锚固力主要有两部分第一部分是托盘对锚 杆孔口及外段附近围岩的挤压作用力，称之为托锚力，托锚力在锚杆安设时上紧托盘 后就存在，随围岩变形，该力逐渐增大。第二部分是锚杆对围岩的剪切作用力，简称 剪锚力，随深入围岩该力加大至最大值后减小。锚固力的这种分布形式不仅是围岩表 面及围岩内部受力状态由双向受压变为三向受压，改善了锚固区域内围岩受力状态， 也可避免锚杆孔口的托锚力过大造成局部岩层松动破碎，有利于形成稳定的塑性区。 3 提高围岩岩石力学性质参数 全长树脂锚杆锚固时，锚杆孔内没有任何空隙，杆体、锚固剂与围岩成为一体， 由于杆体和锚固剂的存在，提高了围岩岩石力学性质参数，如围岩强度，峰前和峰后 的粘聚力C ，内摩擦角，等。上述围岩力学参数的提高，增强了围岩的承载能力。 4 加固围岩中软弱夹层 煤系地层中普遍发育有软弱夹层，软弱夹层等结构面具有差异性变形的力学特 点。全长粘结式锚杆通过粘结剂和杆体对弱面加轴向和切向约束，提高其刚度，控制 差异变形，出现均匀的塑性圈。 1 ．5 问题的提出 窑街煤电有限责任公司天祝煤业公司自建矿以来，长期采用走向长壁、倾斜分层 方法开采，该方法主要缺点是万吨掘进率低、工效低。为了提高工效、降低成本，适 8 兰州大学博士学位论文 应机械化开采的发展潮流，2 0 0 6 年初，天祝煤矿在3 2 2 5 工作面试验采用走向长壁、 中上层煤合采的综采放顶煤开采。天祝煤矿3 2 2 5 工作面煤层倾角变化大、顶煤坚硬 且厚度变化较大，给生产和管理带来诸多难题。为了保证3 2 2 5 工作面综放开采成功， 本文将揭示大倾角综放工作面推进过程中，采场矿压显现特征及覆岩与顶煤运移规 律、回采工作面围岩与液压支架相互作用关系、支承压力的分布情况及其对生产的影 响，为后续采场顶板控制和支护方案设计提供了必要的证据。 3 2 2 6 上工作面位于已采3 2 1 6 工作面采空区下方，采用综合机械化放顶煤技术开 采。为保证3 2 1 6 工作面