李建東工程碩士學(xué)位論文答辯PPT

StudyontheBoltSupportingof2308transportationroadwayinDongHeCoalMine礦業(yè)學(xué)院采礦工程專(zhuān)業(yè)2012屆答辯人：李建東指導(dǎo)老師：郭育霞（學(xué)校）

王英選（企業(yè)）東河煤礦2308運(yùn)輸巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)研究太原理工大學(xué)研究生院2016級(jí)工程碩士學(xué)位論文答辯選題意義及目的01THEMAINCONTENTS目錄巷道圍巖錨固機(jī)理02工程概況及巖石特性03巷道圍巖變形及支護(hù)參數(shù)研究04工作面平巷礦壓觀測(cè)及分析05結(jié)論與展望061第部分選題意義及目的Thesignificanceandpurposeoftheselectedtopic選題意義及目的01選題背景研究意義本論文通過(guò)東河煤礦2308運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)評(píng)測(cè)項(xiàng)目，對(duì)東河煤礦2#煤層回采巷道的煤巷支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。東河煤礦是太原煤氣化公司配套礦井之一，礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)能82萬(wàn)噸/年。2308工作面是該礦2#煤層三采區(qū)的首采工作面，該工作面設(shè)計(jì)采用綜采工藝，一次采全高，工作面平均煤層厚度1.6m，為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效綜合機(jī)械化生產(chǎn)，該工作面巷道斷面大，如果采用傳統(tǒng)金屬棚支護(hù)，施工難度較大，且支護(hù)原理落后，不能有效控制圍巖的變形破壞。本采區(qū)的圍巖特性尚不明確，為保證錨桿支護(hù)經(jīng)濟(jì)合理，安全可靠，必須專(zhuān)門(mén)研究該地段圍巖特性，選擇合理的支護(hù)參數(shù)，以便對(duì)本地段類(lèi)似工程的錨桿支護(hù)提供科學(xué)數(shù)據(jù)和指導(dǎo)依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效創(chuàng)造前提條件。

本文將從錨桿、錨索支護(hù)的作用機(jī)理出發(fā)，通過(guò)一系列現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方法、三維模擬、礦壓觀測(cè)等手段對(duì)圍巖破壞規(guī)律和錨桿的加固作用進(jìn)行研究，使用三維模擬方法對(duì)巷道錨桿支護(hù)效果評(píng)估，也為該巷道錨桿支護(hù)方案及設(shè)計(jì)參數(shù)的改進(jìn)提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

在對(duì)東河煤礦2#煤層三采區(qū)2308運(yùn)輸巷的工程監(jiān)測(cè)工作中，得到大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都是工作面的支護(hù)動(dòng)態(tài)反饋信息，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)使用科學(xué)手段匯總、歸類(lèi)并分析，最終為該巷道采用合理、經(jīng)濟(jì)的的錨桿支護(hù)方案提供現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)。

東河煤礦2308工作面是東河煤礦2#煤層三采區(qū)首采工作面，我礦在此之前一直采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和工程類(lèi)比的方法進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，而在地質(zhì)條件復(fù)雜對(duì)巷道斷面要求不大的巷道一直采用保守的金屬棚支護(hù)，從未進(jìn)行過(guò)專(zhuān)門(mén)的錨桿支護(hù)方案設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目的實(shí)施也為該礦井下巷道尤其是煤巷進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)、提高生產(chǎn)效率具有重要意義。選題意義及目的0120世紀(jì)50年代20世紀(jì)60、70年代20世紀(jì)80年代至今國(guó)外應(yīng)用錨桿支護(hù)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展出一套適合本國(guó)實(shí)際情況的技術(shù)體系，并逐步向高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度的方向發(fā)展[18]；而錨桿支護(hù)的配套施工機(jī)具也逐步得到完善，發(fā)展出了掘錨一體化流水式的機(jī)械化作業(yè)方式，這些都是值得我們國(guó)內(nèi)借鑒的。主要有漲殼、楔縫、倒楔式等機(jī)械端錨，材質(zhì)主要以木、竹居多錨桿的錨固力不高，錨固的可靠性和安全性能還很不理想。樹(shù)脂錨桿研制成功成為是全球應(yīng)用最為廣泛的一種錨桿形式，同時(shí)出現(xiàn)了縫式、漲管式等全長(zhǎng)錨固的錨桿。錨桿出現(xiàn)多樣化發(fā)展高強(qiáng)度樹(shù)脂錨桿發(fā)展突飛猛進(jìn)，其性能優(yōu)越，安全性高，成本不高，適用性非常廣泛。國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)選題意義及目的01國(guó)內(nèi)錨桿支護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)20世紀(jì)50-60年代20世紀(jì)70-80年代“九五”期間最早于1956年在巖巷使用錨桿錨桿種類(lèi)單一，主要是機(jī)械端錨和鋼絲繩砂漿無(wú)托板錨桿，錨桿強(qiáng)度、剛度低，可靠性差。21世紀(jì)后積極引進(jìn)，鼓勵(lì)自主研發(fā)，具備自制樹(shù)脂錨桿的能力到1995年，我國(guó)新掘巷道錨桿支護(hù)已近30%，以巖巷居多，煤巷錨桿支護(hù)比例不到16%。與國(guó)外發(fā)展已接近同步，開(kāi)始向高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力體系發(fā)展開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)螺紋鋼錨桿及加長(zhǎng)、全長(zhǎng)型樹(shù)脂錨固技術(shù)，設(shè)計(jì)法則有了一定理論和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。錨桿支護(hù)技術(shù)與國(guó)外的發(fā)展水平已接近同步逐漸開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，以及加長(zhǎng)、全長(zhǎng)型的樹(shù)脂錨固技術(shù)，其配套的錨桿設(shè)計(jì)法則也有了一定的理論和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。選題意義及目的01錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)巷道巖性逐漸趨向于煤巷及全煤巷道巷道綜合利用及斷面利用率逐步提高巷道施工斷面越來(lái)越大巷道布置條件越來(lái)越復(fù)雜01020304選題意義及目的01研究?jī)?nèi)容及方法首先對(duì)在該礦本采區(qū)2#煤層內(nèi)開(kāi)掘回采工作面巷道，采用錨桿支護(hù)的作用機(jī)理與其相關(guān)的圍巖控制理論及其初始設(shè)計(jì)進(jìn)行比較系統(tǒng)地研究和分析。機(jī)理分析巖力檢測(cè)深入現(xiàn)場(chǎng)，將附近巷道頂板巖石按照要求進(jìn)行取樣，對(duì)取樣巖石的各項(xiàng)物理力學(xué)特性進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，為進(jìn)一步進(jìn)行研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。工程監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)地實(shí)施2308運(yùn)輸巷的圍巖變形和工程監(jiān)測(cè)方案，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析，研究巷道圍巖變形和礦壓顯現(xiàn)對(duì)支護(hù)的影響，以評(píng)估其支護(hù)效果。數(shù)值模擬

采用FLAC3D大型三維數(shù)值模擬軟件對(duì)2#煤層內(nèi)巷道開(kāi)掘后圍巖破壞變形與錨桿支護(hù)作用關(guān)系及埋深、回采推進(jìn)度之間的內(nèi)在聯(lián)系來(lái)進(jìn)行探討。2第部分巷道圍巖錨固機(jī)理Theanchoringmechanismofsurroundingrockofroadway巷道圍巖錨固機(jī)理02圖2-1巷道開(kāi)挖后圍巖變形及應(yīng)力分布圖Fig.2-1Thedeformationandstressdistributionofsurroundingrockafterroadway’sexcavation巷道圍巖變形機(jī)理

根據(jù)有關(guān)彈性力學(xué)方法對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行研究，可將巷道開(kāi)挖后的圍巖按照圍巖變形破壞變形范圍可劃分為圖2-1中的A、B、C、D四個(gè)區(qū)域：A——破裂區(qū)（卸載和應(yīng)力降低區(qū)）；

巖石已發(fā)生破裂和位移，已無(wú)法繼續(xù)承載；B——塑性區(qū)：

巖石處于塑性狀態(tài)，但有一定的承載能力；C——彈性區(qū)（應(yīng)力增高區(qū)）：

巖石發(fā)生彈性變形，但卸載后可恢復(fù)原狀；D——原始盈利區(qū)：

處于圍巖深處，尚未受工程擾動(dòng)變形破壞。圍巖變形的影響因素（1）巷道圍巖特性。（2）巷道的埋深。（3）巷道斷面規(guī)格。（4）地質(zhì)構(gòu)造。（5）水脹作用。（6）動(dòng)壓影響。（7）時(shí)間效應(yīng)。巷道圍巖錨固機(jī)理02懸吊理論

該理論認(rèn)為，錨桿的作用就是將巷道頂板的軟弱巖層或是由于巷道開(kāi)挖而形成的破裂巖石直接懸吊于巷道頂板深處更穩(wěn)定巖層中，這也就要求錨桿的錨固力都要足夠承受離層巖石的重量，懸吊理論的基本作用原理如圖2-3所示：組合梁理論該理論強(qiáng)調(diào)了錨桿桿體的抗剪切作用和錨桿的錨固作用，當(dāng)錨桿桿體穿過(guò)巷道周邊數(shù)層巖層時(shí)，桿體的抗剪切作用就會(huì)限制層狀巖層之間的相對(duì)的錯(cuò)動(dòng)移位；同時(shí)由于錨桿的緊固作用，增大了巖層間的摩擦力，維持穩(wěn)定，避免離層，在這兩種的作用下，將錨桿錨固范圍內(nèi)的巖層緊固為一體，成為一個(gè)較厚、較穩(wěn)定的巖層，即組合梁。

組合梁越厚，其承載能力和抗變形能力越好，發(fā)生的撓曲程度越小。組合梁理論的基本作用如圖2-4所示：圖2-3錨桿支護(hù)的懸吊作用Fig.2-3Thesuspensionactionof

boltsupporting圖2-4錨桿支護(hù)的組合梁作用

Fig.2-4Theprincipleofcompressionofbeamsafterboltsupporting巷道圍巖錨固機(jī)理02加固拱理論

該理論強(qiáng)調(diào)錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)錨桿兩端部間巖石的擠壓加固作用，當(dāng)錨桿托板和末端承受很大的預(yù)緊力時(shí)，在錨桿兩端部之間就會(huì)形成一個(gè)呈圓錐形分布的正壓力區(qū)域，當(dāng)錨桿平行緊密布置，錨桿間距足夠小，就會(huì)在各個(gè)錨桿體周?chē)纬傻恼龎毫A錐體之間形成一個(gè)相互交錯(cuò)，垂直于錨桿桿體且平行于巖體表面的均勻壓縮帶，壓縮帶內(nèi)巖體重新具備了承載壓力的能力，巷道穩(wěn)定性提高、圍巖變形小，其作用機(jī)理如圖2-5所示：圖2-7水平應(yīng)力方向與巷道變形破壞的關(guān)系Fig.2-7Therelationofthedirectionofhorizontalstressanddeformationanddestructionofroadway最大水平應(yīng)力理論序號(hào)巷道掘進(jìn)方向與水平主應(yīng)力方向關(guān)系水平應(yīng)力對(duì)巷道影響情況巷道穩(wěn)定情況1平行影響最小有利于巷道穩(wěn)定，條件允許時(shí)應(yīng)考慮平行布置巷道2垂直影響最大穩(wěn)定性最差頂?shù)装灏l(fā)生剪切破壞3成一定夾角影響中等，巷道一側(cè)出現(xiàn)水平應(yīng)力集中顯現(xiàn)頂?shù)装宓淖冃纹茐钠蛳锏赖哪骋粠捅?-1水平應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定影響對(duì)照表Tab.2-1Theinfluenceonthedriftstabilityofhorizontalstress圖2-6錨桿支護(hù)的均勻壓縮拱示意圖Fig.2-6Theuniformcompressionarchofbolt

supporting巷道圍巖錨固機(jī)理021——預(yù)應(yīng)力錨索2——預(yù)應(yīng)力錨桿3——錨索組合加固拱4——錨桿支護(hù)加固拱圖2-8雙重組合加固拱示意圖Fig.2-8Therecombinationreinforcedarch錨桿支護(hù)對(duì)圍巖的加固作用（1）加強(qiáng)圍巖強(qiáng)度；（2）改善巖體的受力結(jié)構(gòu)；（3）改善巖體受力狀態(tài)。錨桿支護(hù)體系的作用機(jī)理錨索與錨桿的作用功能一致，既能加固圍巖結(jié)構(gòu)，也能懸吊下部軟弱破碎巖石，但錨索更長(zhǎng)，煤礦巷道支護(hù)的錨索一般都在10m左右，而在大壩、邊坡治理中使用的錨索可達(dá)20～60m，這也就保證了錨索的錨固段可以超出圍巖破碎松動(dòng)范圍外，錨固在圍巖深部的穩(wěn)定巖層中.相比較預(yù)應(yīng)力錨桿而言，預(yù)應(yīng)力錨索的錨固點(diǎn)深、錨固范圍更大，但施工難度也大，通常只需要在關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)上施工數(shù)量有限的錨索就可以形成一個(gè)比錨桿加固拱更大的“組合加固拱”，同時(shí)還能將由錨桿形成的小加固拱錨固在圍巖的深部穩(wěn)定巖體上，如圖2-13所示?！板^桿+錨索”的雙重加固拱可以在更大程度上控制圍巖松動(dòng)圈的碎脹變形和圍巖的彈塑性變形，使圍巖總體變形大大減少，保證支護(hù)效果。巷道圍巖錨固機(jī)理02錨桿組合構(gòu)件的作用鋼

帶增大錨桿預(yù)緊力作用面積，提高錨桿支護(hù)整體力；金

屬

網(wǎng)封閉圍巖表面，防止冒落、片幫，阻止碎脹變形；托

盤(pán)阻止圍巖向巷道內(nèi)側(cè)位移，對(duì)圍巖施加支護(hù)反力；樹(shù)脂錨固劑將錨桿或錨索的尾端牢牢地粘結(jié)在圍巖深處；噴射混凝土的支護(hù)作用（1）加固作用；（2）改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)；（3）混凝土本身的防變形作用；（4）防止風(fēng)化的作用；3第部分工程概況及巖石特性Theengineeringsurveyandtherockproperties工程概況及巖石特性03工作面概況煤層名稱(chēng)2#水平名稱(chēng)第一采區(qū)名稱(chēng)三采工作面名稱(chēng)2308工作面地面標(biāo)高1380~1450工作面標(biāo)高1190~1260地面位置橫跨公路東內(nèi)梁，地面無(wú)任何建筑物，但有兩趟35kv高壓線路經(jīng)過(guò)。井下位置及四鄰采掘情況位于三采區(qū)北翼，巷道掘進(jìn)方位正北，本工作面距井田邊界最近距離有20m保安煤柱。三采區(qū)北側(cè)為郭家山煤礦，東側(cè)為石家山、小柴溝煤礦，西側(cè)為隰東、杏嶺西煤礦。周?chē)徑∶旱V，暫未發(fā)現(xiàn)越界開(kāi)采。鄰近采掘情況對(duì)掘進(jìn)巷道的影響鄰近2306、2310工作面都為未掘工作面，所以掘進(jìn)期間對(duì)本工作面沒(méi)有影響。表3-1工作面井上、下對(duì)照關(guān)系表

Tab.3-1Thecomparison

relationship.ofsurfaceandundergroundoftheroadway地質(zhì)概況頂?shù)装迕Q(chēng)巖石類(lèi)別厚/m巖性頂板基本頂砂質(zhì)泥巖5.65深灰色、灰黑色、中部夾0.3m粉砂巖直接頂中粒砂巖0.6灰黑色、厚層狀，主要成分石英長(zhǎng)石偽頂粉砂泥巖0.6灰黑色厚層狀，質(zhì)均細(xì)膩，見(jiàn)植物化石底板直接底泥巖1.45灰黑色，中部夾0.3m的粉砂巖基本底細(xì)砂巖2.8灰白色，層理發(fā)育表3-2煤層頂?shù)装迩闆rTab.3-2Theconditionofroofandfloorofcoalseam2308工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷分別長(zhǎng)1160m、1126m，切眼150m，其余輔助巷道共計(jì)133m，巷道工程量總計(jì)2569m。工作面所有巷道均沿本礦2#煤層頂板掘進(jìn)，巖性為半煤巖。運(yùn)輸巷用于進(jìn)風(fēng)、行人、運(yùn)煤?；仫L(fēng)巷用于回風(fēng)、運(yùn)料、行人。切眼巷用于布置工作面，該工作面設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量約為35萬(wàn)噸，工作面于2016年4月開(kāi)工，先施工2308運(yùn)輸巷，預(yù)計(jì)可于2016年11月底竣工，服務(wù)年限2.5年。（1）工程地質(zhì)情況2308工作面地層構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作面的頂板較為完整，破碎程度很小，在距離2308運(yùn)輸巷200米左右的位置，有一物探資料測(cè)出的陷落柱。（2）水文情況對(duì)工作面影響較大的為第四紀(jì)松散孔隙含水層，上覆為山西組，厚度大，泥巖多，隔水性良好。預(yù)計(jì)工作面掘進(jìn)時(shí)最大涌水量10m3/h，正常涌水量5m3/h。工程概況及巖石特性03巷道特征與支護(hù)設(shè)計(jì)表3-3工作面支護(hù)材料表Tab.3-3Thesupportingmaterialsoftheroadway支護(hù)設(shè)計(jì)（經(jīng)驗(yàn)公式法）2308工作面巷道均沿2#煤層頂板掘進(jìn)。2308運(yùn)輸巷在三采運(yùn)輸上山SHS5點(diǎn)前115.5m位置以0°方位開(kāi)口；回風(fēng)巷在三采回風(fēng)上山343m位置以0°方位開(kāi)口。兩巷道預(yù)計(jì)以3~4°上坡，上風(fēng)橋施工以8°上坡，再以5°12′下坡掘進(jìn)工作面剩余巷道。

施工順序?yàn)椋?308運(yùn)輸巷→運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)巷→2308回風(fēng)巷→2308回風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)巷→切眼貫通對(duì)掘施工。

運(yùn)輸回風(fēng)、聯(lián)絡(luò)巷斷面為9.12m2，高為2.4m，寬為3.8m。切眼巷斷面10m2，高2.0m，寬5m。a、錨桿長(zhǎng)度計(jì)算：L＝KH＋L1＋L2

式中：L——錨桿長(zhǎng)度，單位：m；H——冒落拱高度，單位：m；K——安全系數(shù)，一般取K＝2；L1——錨桿在穩(wěn)定巖層安裝深度，L1＝0.4m；L2——錨桿在巷道中外露長(zhǎng)度，取L2＝0.07m；其中：nH＝B/2f＝5/（2×4）＝0.625m則：L＝2×0.625+0.4+0.07＝1.72m。材料名稱(chēng)規(guī)格/mm材質(zhì)用途錨桿φ16×1800圓鋼支護(hù)頂幫樹(shù)脂錨固劑CK2350化學(xué)合成劑錨固錨索φ18×5000鋼絞線支護(hù)頂板木托板250×150×50松木支護(hù)兩幫吊環(huán)φ16圓鋼臨時(shí)支護(hù)前探梁6m10#槽鋼臨時(shí)支護(hù)木板梁3400×150×50松木臨時(shí)支護(hù)網(wǎng)3800/5000×1000鐵絲支護(hù)頂板鋼帶3500/5000圓鋼

c、根據(jù)懸吊理論計(jì)算錨索的間距L＝nF2/[BHr-（2F1sinθ）/L1]式中：L——錨索間距，單位：m；B——巷道最大冒落寬度，取B＝5m；H——巷道冒落高度，取H＝2.0m；r——被懸吊巖石的重力密度，取r＝25KN/m3；L1——錨桿排距，取L1＝0.8m；F1——錨桿的錨固力，取F1＝50KN；F2——錨索承載力，取F2＝230KN；計(jì)算得：L＝3.56m，取間距2.4m，排距3.2m。b、錨桿間距、排距計(jì)算：設(shè)計(jì)時(shí)令間距、排距均為a，則式中：A——錨桿間排距，單位：m；Q——錨桿設(shè)計(jì)錨固力，取Q＝50KN/根；H——冒落拱高度，取H＝0.625m；r——被懸吊巖石密度，取r＝25KN/m3；計(jì)算得：a＝1.26，施工時(shí)間排距取800mm。c、根據(jù)懸吊理論計(jì)算錨索的間距L＝nF2/[BHr-（2F1sinθ）/L1]計(jì)算得：L＝3.56m，取間距2.4m，排距3.2m。工程概況及巖石特性03巷道頂板巖石力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究

取樣時(shí)間：2016年4月17日至5月9日

取樣地點(diǎn)：東河煤礦三采區(qū)2#煤層運(yùn)輸大巷100m處，巖芯10m。

測(cè)定時(shí)間：2016年5月31日至6月11日

測(cè)定內(nèi)容：此處取樣共涉及該礦2#煤層頂板5個(gè)層位的巖樣，達(dá)到了預(yù)定要求，巖芯取樣完畢后在井下密封包裝，運(yùn)往太原理工大學(xué)礦業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。本次實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的項(xiàng)目有：容重、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等。圖3-1部分煤巖取樣試件實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3-1Theexperimentalphotographsofsomesamplesofrock巖樣巖層描述實(shí)測(cè)厚度/m抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa抗剪強(qiáng)度/Mpa彈性模量/MPa泊松比內(nèi)聚力/MPa內(nèi)摩擦角/°02#煤及0.45偽頂----------------1#炭質(zhì)泥巖0.514.172.792.4928980.244.8621.062#砂質(zhì)泥巖0.526.383.196.0269650.258.2725.823#細(xì)粒砂巖0.447.924.2611.48101520.2514.2928.394#粉砂質(zhì)泥巖0.824.014.038.3849670.227.9922.735#砂質(zhì)泥巖1.310.601.603.7026840.313.4623.776#泥巖1.611.661.292.8547290.243.6026.627#砂質(zhì)泥巖1.118.701.858.1530350.225.6727.52表3-10井下取樣巖石物理力學(xué)特性匯總表Tab.3-10Thephysicalandmechanicalpropertiesofrocksample4第部分巷道圍巖變形及支護(hù)參數(shù)研究Thestudyondeformationofsurroundingrockandsupportingparameters巷道圍巖變形及支護(hù)參數(shù)研究04以地質(zhì)力學(xué)條件為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法①調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)和進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)評(píng)估；②以數(shù)值模擬為主的初始設(shè)計(jì)；③井下專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)測(cè)；④日常監(jiān)測(cè)；⑤信息反饋和修正設(shè)計(jì)。巷道的地質(zhì)力學(xué)條件（1）煤巖物理力學(xué)參數(shù)；

本文計(jì)算模型中的煤巖層原始條件主要是根據(jù)東河煤礦補(bǔ)充勘探地質(zhì)報(bào)告、D1和D2號(hào)鉆孔鉆探和測(cè)井曲線柱狀圖、2308巷道規(guī)程及其煤巖物理力學(xué)特性測(cè)定結(jié)果，同時(shí)兼顧煤層厚度和頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行確定，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)取樣試件測(cè)定獲得，其檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4-1所示。（2）地應(yīng)力條件

根據(jù)構(gòu)造情況，考慮水平應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響及支護(hù)安全，計(jì)算中取水平應(yīng)力

。（3）開(kāi)采條件

本采區(qū)的2＃煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，煤層的平均厚度1.6m，在煤層中上部存在著一層砂巖泥巖夾矸（厚度0.03～0.08m）。序號(hào)巖石名稱(chēng)層厚/m累厚/m容重/g·cm-3抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa抗剪強(qiáng)度/MPa彈性模量/MPa內(nèi)聚力/MPa內(nèi)摩擦角/°泊松比1上覆巖層25.0025.002.5810.601.603.7026843.4623.770.312中粒砂巖4.5029.502.5135.143.263.66535010.1136.180.333細(xì)砂巖2.0031.502.5047.924.2611.481015214.2928.390.254砂質(zhì)泥巖1.2032.702.5810.601.603.7026843.4623.770.315中粒砂巖1.2033.902.5135.143.263.66535010.1136.180.336砂質(zhì)泥巖5.5039.402.5810.601.603.7026843.4623.770.317粉砂巖2.2041.602.5635.532.425.54536811.0331.560.338泥巖0.7042.302.6011.661.292.8547293.6026.620.249細(xì)粒砂巖1.2043.502.5047.924.2611.481015214.2928.390.2510砂質(zhì)泥巖1.1044.602.5918.701.858.1530355.6727.520.2211泥巖1.6046.202.6011.661.292.8547293.6026.620.2412砂質(zhì)泥巖1.3047.502.5810.601.603.7026843.4623.770.3113粉砂巖0.8048.302.5524.014.038.3849677.9922.730.2214細(xì)粒砂巖0.4048.702.5047.924.2611.481015214.2928.390.2515砂質(zhì)泥巖0.5049.202.6326.383.196.0269658.2725.820.2516炭質(zhì)泥巖0.8050.002.5614.172.792.4928984.8621.060.24172#煤0.4050.401.3511.800.622.8113052.4228.350.3118夾矸0.4050.802.5810.601.603.7026843.4623.770.31192#煤0.8051.601.3511.800.622.8113052.4228.350.3120泥巖1.4553.052.6011.661.292.8547293.6026.620.24213#煤0.4553.501.3511.800.622.8113052.4228.350.3122泥巖1.5055.002.6011.661.292.8547293.6026.620.2423細(xì)粒砂巖3.5058.502.5047.924.2611.481015214.2928.390.2524砂質(zhì)泥巖2.5061.002.5810.601.603.7026843.4623.770.3125泥巖3.6064.602.6011.661.292.8547293.6026.620.2426粉砂巖1.0065.602.5635.532.425.54536811.0331.560.3327細(xì)粒砂巖2.0067.602.5047.924.2611.481015214.2928.390.2528砂質(zhì)泥巖4.0071.602.5810.601.603.7026843.4623.770.31表4-1計(jì)算模型的煤巖層條件Tab.4-1Thecalculationmodel

ofconditionsofcoal

androck巷道圍巖變形及支護(hù)參數(shù)研究04數(shù)值模擬計(jì)算方法2308運(yùn)輸巷為矩形斷面，寬×高＝3800×2400mm，沿2#煤層底板掘進(jìn)，需破頂約0.8m，與采空區(qū)間凈煤柱20m。

為考慮工作面采動(dòng)對(duì)運(yùn)輸巷的影響，模型總長(zhǎng)取100m；兩側(cè)各留20m煤柱，沿工作面長(zhǎng)度方向取其一半，為98.8m；2#煤頂板巖層厚度50m，煤層厚1.6m，底板巖層20m，總高度71.6m，則所取模型為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)×寬×高＝100×98.8×71.6m。

除模型上部外，其余四個(gè)側(cè)面和底部均為固定邊界，約束水平位移和垂直位移，而模型上部設(shè)定為一定量值的均布荷載。

模型共劃分了19334個(gè)單元，21210個(gè)結(jié)點(diǎn)。除了圍巖變形和支護(hù)評(píng)價(jià)外，還要分別考慮巷道在110m、160m、210m、260m和310m等不同埋深條件下的圍巖穩(wěn)定性。

采用巖土工程模擬軟件FLAC3D進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算模型為彈塑性材料，可運(yùn)用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體破壞情況，計(jì)算公式為：

當(dāng)

時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞；

當(dāng)

時(shí)，材料將產(chǎn)生拉伸破壞。主要錨固材料與特性錨桿（索）類(lèi)型材質(zhì)直徑/mm屈服載荷/KN破斷載荷/KN兩幫錨桿Q235圓鋼1648.276.4頂板錨桿25MnSi20119.4182.2頂板錨索鋼絞線15.24204.2240.2性能單位指標(biāo)備注抗壓強(qiáng)度MPa≥55在20℃，24h的條件下測(cè)定抗拉強(qiáng)度MPa11.5剪切強(qiáng)度MPa30彈性模量MPa1.6×104泊松比

≥0.3收縮率%0.6容重g/cm31～2.2表4-2頂板與兩幫錨桿（索）規(guī)格與力學(xué)特性表4-3樹(shù)脂錨固劑的主要物理力學(xué)性能計(jì)算模型圖4-1運(yùn)輸巷計(jì)算模型計(jì)算方案方案一：頂板采用Ф16×1600mm的圓鋼錨桿支護(hù)，搭配鋼帶，錨桿間排距為800×800mm；兩幫采用Φ16×1600mm的圓鋼錨桿支護(hù)、搭配木托盤(pán)及鋼托板，錨桿間排距為800×800mm。方案二：頂板采用Ф20×2000mm的左旋螺紋鋼錨桿，搭配鋼帶，錨桿間排距為800×800mm，破碎帶加掛金屬網(wǎng)；頂板加打Ф17.8×8000mm錨索，排距4m，每排1根；兩幫采用Φ16×1800mm的圓鋼錨桿，配合木托盤(pán)及金屬托板，錨桿間排距為800×800mm。巷道圍巖變形及支護(hù)參數(shù)研究04不同支護(hù)方案的對(duì)比計(jì)算與分析圖4-2埋深210m原支護(hù)條件下圍巖屈服破壞狀態(tài)圖4-3埋深210m現(xiàn)支護(hù)條件下圍巖屈服破壞狀態(tài)由圖可知，在改進(jìn)后的支護(hù)條件下，頂板圍巖破壞范圍已大大縮小，僅為0.9m，這說(shuō)明頂板錨桿的支護(hù)剛度、強(qiáng)度達(dá)到安全設(shè)計(jì)需求，錨索能夠錨固到圍巖深部，產(chǎn)生較強(qiáng)的懸吊作用，支護(hù)系統(tǒng)形成一個(gè)承載整體。由圖可知，在巷道未受采動(dòng)影響前，巷道開(kāi)挖并采用原支護(hù)設(shè)計(jì)達(dá)到應(yīng)力平衡后，兩幫的破壞深度1.0m，底板為0.5m，頂板為1.7m。兩幫錨桿支護(hù)能夠保證安全要求，但頂板屈服范圍涵蓋整個(gè)頂錨桿錨固范圍，安全性不高。（1）原支護(hù)方案模擬結(jié)果（2）改進(jìn)后支護(hù)方案模擬結(jié)果巷道圍巖變形及支護(hù)參數(shù)研究04采動(dòng)影響前埋深對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性研究（a）埋深110m（b）埋深160m（c）埋深260m（d）埋深310m埋深110m，巷道兩幫的破壞深度為0.5m，底板未明顯破壞。埋深160m，巷道兩幫最大破壞深度為1.0m，巷道底板破壞范圍沿巷道徑向可達(dá)0.48m，頂板為0.9m。埋深260m，巷道兩幫的最大破壞范圍可達(dá)巷道表面往里1.5m，底板為1.45m，頂板為1.7m。埋深310m，巷道周邊的破壞深度與埋深260m時(shí)基本一致。（1）圍巖屈服破壞特征（2）圍巖垂直應(yīng)力分布特征（a）埋深110m（b）埋深150m（c）埋深260m（d）埋深310m埋深從110m到160m，頂板中部錨固段的圍巖應(yīng)力由1.5MPa～2.0MPa擴(kuò)大到2～4MPa；而頂板角度錨桿錨固段圍巖應(yīng)力由2.0MPa～2.5MPa擴(kuò)大到6～8MPa；兩幫的垂直應(yīng)力升高，基本呈對(duì)稱(chēng)分布，埋深110m，為3.77MPa；埋深160m，為5.60MPa；埋深210m，為7.66MPa；埋深260m，為9.601MPa；埋深310m，為11.49MPa。圖4-4采動(dòng)影響前不同埋深運(yùn)輸巷圍巖屈服破壞單元分布圖圖4-5采動(dòng)影響前不同埋深運(yùn)輸巷圍巖垂直應(yīng)力分布云圖巷道圍巖變形及支護(hù)參數(shù)研究04采動(dòng)影響前埋深對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性研究（3）圍巖水平應(yīng)力分布特征（a）埋深110m（b）埋深160m（c）埋深260m（d）埋深310m圖4-7采動(dòng)影響前不同埋深運(yùn)輸巷圍巖水平應(yīng)力分布云圖巷道開(kāi)挖后，埋深從110m到310m，頂板錨固段圍巖應(yīng)力由3.0～4.5MPa擴(kuò)大到10～11.9MPa，而頂板錨索錨固段圍巖應(yīng)力從3～4MPa發(fā)展到10～11.9MPa。埋深從110m到310m，巷道兩幫中間錨固段內(nèi)圍巖水平應(yīng)力由2.0～2.6MPa逐漸增大為4.0～6.0MPa，兩幫邊部錨桿均在接近原巖的應(yīng)力區(qū)。從水平應(yīng)力情況看，不同埋深的巷道圍巖均比較安全，未受較大擾動(dòng)。（4）圍巖位移變化特征埋深/m移近量/mm下沉量/mm離層量/mm頂?shù)装鍍蓭湾^桿高度錨索高度錨桿范圍錨索范圍總1106.267.862.431.110.761.312.071609.2311.833.621.671.121.953.0621012.6316.804.982.271.612.714.3126016.6823.066.583.002.363.585.9431022.7931.328.283.774.224.518.73表4-7不同埋深時(shí)運(yùn)輸巷圍巖變形量計(jì)算結(jié)果圖4-11圍巖移近量隨埋深的變化圖4-12頂板離層量隨埋深的變化巷道圍巖變形及支護(hù)參數(shù)研究04采動(dòng)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響研究（e）5m（f）10m圖4-18埋深210m超前工作面煤壁不同距離運(yùn)輸巷圍巖屈服單元分布圖（a）30m（b）20m（c）15m（d）10m（e）10m（f）0m圖4-18埋深210m超前工作面煤壁不同距離運(yùn)輸巷圍巖屈服單元分布圖圖4-13運(yùn)輸巷頂?shù)装逡平侩S工作面煤壁至測(cè)點(diǎn)距離的變化曲線圖4-14運(yùn)輸巷兩幫移近量隨工作面煤壁至測(cè)點(diǎn)距離的變化曲線圖4-15錨桿范圍頂板離層量隨工作面煤壁至測(cè)點(diǎn)距離變化曲線5第部分工作面平巷礦壓觀測(cè)及分析Theobservationandanalysisofpressureinroadheadmine工作面平巷礦壓觀測(cè)及分析05工程監(jiān)測(cè)內(nèi)容（1）巷道兩幫移近量?jī)x器：JSS30A型收斂計(jì)主要技術(shù)參數(shù)：儀器重：1.8kg儀器長(zhǎng)：40cm量程：1～10m讀數(shù)精度：0.01mm儀器精度：＜0.09mm張拉力：7kg接長(zhǎng)桿：1m×3（根）（2）巷道圍巖徑向位移變化儀器：DW-4型多點(diǎn)位移計(jì)主要技術(shù)參數(shù)：基點(diǎn)數(shù)（個(gè)）：4～6適用鉆孔直徑（mm）：28深基點(diǎn)最大深度（m）：6～10最大量程（mm）：180～680mm分辨率：0.1mm布置于2308工作面運(yùn)輸巷內(nèi)的2個(gè)測(cè)站中，每個(gè)測(cè)站都在巷道的左、右兩幫之間各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，該收斂計(jì)的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)分別安裝在巷道左、右兩幫已安裝牢固的幫錨桿外露端頭上，按照要求安裝固定好。右?guī)蜏y(cè)點(diǎn)與巷道底板的垂直距離為1.1m，左幫測(cè)點(diǎn)與巷道底板的垂直距離為1.2m。在2308工作面運(yùn)輸巷中分別布置2個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站布置測(cè)點(diǎn)3個(gè)（巷道頂板和兩幫各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)），共12個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)孔深6m，直徑32mm，頂板上的測(cè)點(diǎn)距巷道右?guī)?.2m，右?guī)蜏y(cè)點(diǎn)距巷道底板1.3m，左幫測(cè)點(diǎn)距巷道底板1.2m。布置方法布置方法監(jiān)測(cè)儀器布置工作面平巷礦壓觀測(cè)及分析05工程監(jiān)測(cè)內(nèi)容（3）錨桿工作載荷儀器：MCJ-10錨桿測(cè)力計(jì)（4）錨桿受力分布狀態(tài)儀器：CM-12型測(cè)力錨桿桿體安置KDW-2靜態(tài)電阻應(yīng)變儀主要技術(shù)參數(shù)：變測(cè)量范圍：0～±19999με②分辨率：0.01KN（1με）③基本誤差：不大于測(cè)量值的±0.2%④零點(diǎn)漂移：4h內(nèi)不大于±2με⑤電源；自備鎘鎳電池供電。主要技術(shù)參數(shù)：由液壓盒與壓力表組成，量程：0～60MPa,精度：0.1MPa。

布置于2308工作面運(yùn)輸巷的2個(gè)測(cè)站中，每個(gè)測(cè)站有3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別在巷道的頂板及兩幫各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，將測(cè)力計(jì)布置于安裝好的錨桿托板與巖面之間，安裝時(shí)，要按要求在壓力盒前后各墊放一塊鋼托板，共布置測(cè)點(diǎn)12個(gè)。為避免數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，要求初次度數(shù)不為0，此處要求為1MPa，頂部測(cè)點(diǎn)位于中部錨桿上，左、右?guī)蜏y(cè)點(diǎn)均安裝在幫部最下一排錨桿上。2308運(yùn)輸巷的2個(gè)測(cè)站分別布1個(gè)測(cè)點(diǎn)，將測(cè)力計(jì)布置在工作面頂板上已打好的錨索索具托板與巖面之間，為保證測(cè)量精度，要在測(cè)力計(jì)油壓盒前后各墊一塊金屬托板，共布置測(cè)點(diǎn)2個(gè)。在2308運(yùn)輸巷的2個(gè)測(cè)站中，每個(gè)測(cè)站分別在巷道的頂板及兩幫各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)站布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)12個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)力錨桿眼深1.9m，直徑φ32mm，錨桿孔深2m，孔徑φ32mm，使用快硬樹(shù)脂錨固劑做錨固材料，并實(shí)施全長(zhǎng)錨固，使其快速承載。鉆眼設(shè)備為風(fēng)煤鉆，鉆機(jī)配套連接裝置，帶動(dòng)測(cè)力錨桿進(jìn)行機(jī)械攪動(dòng)安裝。測(cè)力錨桿安裝時(shí)要保證錨固劑充實(shí)整個(gè)孔深。其中頂板測(cè)點(diǎn)安裝位置距巷道右?guī)?.0m。左幫測(cè)點(diǎn)安裝位置距巷道底板1.3m，右?guī)蜏y(cè)點(diǎn)安裝位置距巷道底板1.4m，本測(cè)站距工作面掘進(jìn)頭13.5m。監(jiān)測(cè)儀器布置布置方法布置方法工作面平巷礦壓觀測(cè)及分析05監(jiān)測(cè)結(jié)果

本次現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)共計(jì)得到1000組數(shù)據(jù)，依據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)繪出的一系列曲線圖，結(jié)果如下：圖5-102#測(cè)站2#點(diǎn)測(cè)力錨桿軸力(KN)--時(shí)間(d)曲線Fig.5-10.Thecurveofaxialforceofmeasuringbolts(2#point)–timein2#measuringstation圖5-11#測(cè)站錨桿工作載荷(KN)--時(shí)間(d)曲線圖5-22#測(cè)站錨桿工作載荷(KN)--時(shí)間(d)曲線圖5-31#測(cè)站左幫測(cè)力錨桿軸力(KN)--時(shí)間(d)曲線圖5-42#測(cè)站左幫測(cè)力錨桿軸力(KN)--時(shí)間(d)曲線圖5-51#測(cè)站右?guī)蜏y(cè)力錨桿軸力(KN)--時(shí)間(d)曲線圖5-62#測(cè)站右?guī)蜏y(cè)力錨桿軸力(KN)--時(shí)間(d)曲線工作面平巷礦壓觀測(cè)及分析05監(jiān)測(cè)結(jié)果

本次現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)共計(jì)得到1000組數(shù)據(jù)，依據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)繪出的一系列曲線圖，結(jié)果如下：圖5-111#、2#測(cè)站錨桿工作載荷(KN)峰值分布對(duì)比圖圖5-131#測(cè)站測(cè)力錨桿軸力(KN)峰值徑向分布特征圖圖5-122#測(cè)站測(cè)力錨桿軸力(KN)均值徑向分布圖圖5-142#測(cè)站測(cè)力錨桿軸力(KN)峰值徑向分布特征圖工作面平巷礦壓觀測(cè)及分析05工程