[煤巷锚杆支护新理论与设计方法]煤巷锚杆支护规范

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煤巷锚杆支护新理论与设计方法

陈庆敏" , 郭颂(, 张农"

江苏徐州() " -中国矿业大学, (" ##. /(-美国岩层加固与工程技术公司*

摘

要! 根据水平主应力与垂直应力的关系, 将地层的应力状态分为四种情况, 即高水平应力状态0低水

正常水平应力状态0静水应力状态, 提出了基于高水平地应力的1刚性2梁理论与基于垂直地应力平应力状态0

的1刚性2墙理论, 并建立了相应的锚杆参数设计方法3

关键词! 锚杆支护理论/刚性2梁/刚性2墙/设计方法11中图分类号! $&$-4

文献标识码! 5

完善的锚杆支护理论是正确设计锚杆支护参数的基础, 随着煤巷锚杆支护技术在我国的应用, 近年来, 锚杆支护理论研究有了进一步的发展, 基于高预应力锚杆的应用, 本文提出了基于高水平地应力的1刚性梁2理论及基于高垂直地应力的1刚性2墙理论, 并建立了相应的锚杆参数设计方法36现有锚杆支护理论

6-6悬吊理论

悬吊理论对锚杆支护机理作出了最朴素的解释! 锚杆的作用在于将下位松软和7或破碎岩层悬吊于上位坚硬岩层3

对于在巷道顶板一定范围内存在坚硬岩层时, 采用悬吊理论进行锚杆支护设计是完全可行的, 也是最简单0最经济的方法3

6-8组合梁理论

组合梁理论是从经典的材料力学中借用而来的3在美国七十年代无拉力全长胶结锚杆盛行时, 组合梁理论被广泛用来解释锚杆的支护机理, 其主要要点是! 锚杆将各个薄的岩石分层贯穿在一起形成一个厚的组合梁, 薄的岩石分层能独立抗拒的拉应力较小, 而厚的组合梁抗拉强度大大提高3在锚杆与岩石层面横交处, 锚杆与胶结物一起共同阻止岩层沿层理面的水平错动3材料力学中的组合梁理论本身不考虑水平侧压的影响, 而只考虑垂直载荷3

收稿日期! (##" %#4%"?

6-9组合拱理论

组合拱理论认为! 在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时, 在杆体两端将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相互交错, 就能在岩体中形成一个均匀的压缩带, 即承压拱) 亦称组合拱或压缩拱*这个承压拱可以承受, 在承压拱内的岩其上部破碎岩石施加的径向载荷3

石径向及切向均受压, 处于三向应力状态, 其围岩强度得到提高, 支撑能力也相应加大3因此, 锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度, 其厚度越大, 越有利于围岩的稳定和支撑能力的提高3

组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用原理, 在岩石或煤层拱形巷道中可以作为锚杆支护参数的设计依据3

6-:围岩松动圈支护理论围岩松动圈理论认为! 地应力与围岩相互) " *作用会产生围岩松动圈/松动圈形成过程中产) (*生的碎胀力及其所造成的有害变形是巷道支护的主要对象, 松动圈尺寸越大, 巷道收敛变形也越大, 支护越困难3) 依据松动圈的大小采用不同的原$*理设计锚杆支护3小松动圈) 采用喷射混#;+#"&#

作者简介! 陈庆敏) 男, 副教授, 获工学博士学位, 现在中国矿业大学从事巷道支护理论与工程实" ’4? @*, " ’’4年毕业于中国矿业大学,

践的科研工作, 发表论文$获国家科技进步二等奖" 项, 省部级科技进步二等奖(项, #余篇, " ’’. 年获孙越崎科技教育基金青年科技奖, 煤炭系统拔尖人才3

万方数据　

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(##(-B" 矿山压力与顶板管理

由于围岩松动圈是随着时间! 巷道支护形式及并且在同一断面上由于岩支护强度的变化而变化"

性的差异" 围岩松动圈的大小也是不一样的#所以" 在复杂条件下围岩松动圈理论$如煤巷! 软岩巷道%并没有得到应用#松动圈支护理论对于锚杆支护的指导作用主要在于确定普通锚杆$如普通圆钢锚杆! 水泥药卷锚杆等等%的适用条件和范围#&’(最大水平地应力理论自从八十年代以来" 水平应力对巷道稳定性的影响已经引起了人们的普遍关注#澳大利亚) ’. /0

通过数值模拟分析及现场观测" 1234%*+, -博士$充分考虑水平地应力的影响#

在美国" 由于使用无拉力全长胶结锚杆的巷道冒顶现象仍然不断发生" 于是人们试图从改变锚杆其中最重要的一点就结构入手解决巷道冒顶问题"

是使用抗摩擦塑料垫圈#这一改进使得实现顶板锚杆高预拉力成为可能" 美国矿山巷道锚杆的预应力一般为1可以达到锚杆杆体本身屈服I J K 左右"

在美国" 高预拉力强度的G I LH4G L#实践证明" 锚杆的使用提高了复杂顶板条件下的顶板稳定性" 大大降低了冒顶事故#尽管高预拉力锚杆在美国使用已有相当一段历史并取得极佳的技术经济效果" 得到了水平应力对巷道稳定性的最基本的认识5巷道轴向与最大主应力方向平行时" 巷道受水平应力的影响最小6二者垂直时" 巷道受水平应力的影响最大6二者呈一定夹角时" 巷道其中一侧会出现水平应力集中而另一侧应力较低" 因而顶底板的变形会偏向巷道的某一侧#并提出在最大水平地应力的作用下" 顶底板岩层易于发生剪切破坏" 出现错动与松动而造成围岩变形" 锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动" 因此要求锚杆必须具有强度大! 刚度大! 抗剪切阻力大的特点才能起到约束围岩变形的作用#所以" 澳大利亚锚杆支护特别强调锚杆高强及全长胶结#7锚杆支护新理论

根据垂直地应力89与水平地应力8:的关系"

可以将地层的应力状态分为四种情况5即

$1%高水平应力状态5当8:; 89

$1? =%$@%低水平应力状态5当8:A 89$1? =%$B %正常水平应力状态5当8:C 89$1? =%$D %静水应力状态58:C 89相同的岩体" 在不同的应力状态及开挖环境下所表现出的力学响应是不相同的" 所以" 锚杆支护参数的设计必须根据不同的地应力特征而选择不同的锚杆支护理论#

7’&基于高水平地应力状态的E 刚性F 梁理论近几十年来" 美国! 澳大利亚! 英国等国家的地应力观测结果表明5水平最大应力通常是垂直应力的1’@G H@’G 倍"

水平应力的大小! 方向主要取决于地球板块之间的运动" 而与垂直应力没有直接关

系. 1? B 0#我国一些矿区的地应力测试结果表明"

大部分矿区的地应力是以水平地应力为主的" 如金

川. D 0" 大同! 邢台! 峰峰! 鹤壁! 新汶! 兖州等等. G 0

#

所以" 在这种情况下水平地应力才是控制巷道稳定性的主要因素万　" 方数据

煤巷锚杆支护的理论与设计方法必须但直至几年前人们对其作用机理还缺乏认识" 特别是还没有一个科学的设计依据去确定锚杆参数#

美国M ’N O +P J Q R 和N S P T*Q S . 1" 40

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122/" 1224%系统地研究了水平地应力对巷道稳定性的影响" 认

为水平地应力是造成巷道顶板离层跨落! 底板鼓起的主要原因" 但可以通过提高巷道顶板锚杆预应力" 将水平地应力的消极影响变为积极的作用" 从而极大地提高巷道的稳定性" 并开始在锚杆支护设

计中考虑锚杆预应力的影响#中国学者朱浮声. 30$122B %! 郑雨天. 20

$122G %

的研究表明5当锚杆预应力达到/I H 4I J K 时"

就可以有效控制巷道顶板的下沉量"

并可以加大锚杆的间排距#基于大量采用高预拉力锚杆的成功实践经验" 作者提出了关于基于高水平地应力的锚杆E 刚性F 梁支护理论#该理论的主要观点详见本刊@I I I 年第1期作者的相关文章#

7’7基于垂直地应力的锚杆支护理论UU E

刚性F 墙理论

长期以来" 人们普遍认为水平地应力一般小于垂直地应力" 并把垂直地应力作为控制巷道围岩稳定性的主要因素#事实上"

我国一些矿区或者同一矿区的不同深度的地层应力是以垂直地应力为主

的" 如新汶矿务局的华丰煤矿. G 0

#基于对高预拉力

锚杆作用的认识" 作者提出了基于垂直地应力的锚杆支护理论UU E

刚性F 墙理论" 其基本内容如下5$1%在垂直地应力的作用下" 巷道两帮成为薄弱环节" 所以两帮锚杆预拉力$或称初撑力%的大小对整个巷道的稳定性具有至关重要的作用#当预拉力大到一定程度时" 使巷道两帮形成E 刚性F 墙" 提高了巷道两帮的刚度与承载能力" E 刚性F 墙的存在形成了垂直地应力的转移E 通道F " 使巷道顶板成为一个免压区" 保护巷道顶板不受垂直压力的破坏" 如图1#

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在垂直应力占主导地位的情况下" 与高水矿山压力与顶板管理

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平地应力的情况下! 先控顶" 后护帮#的支护理念相当垂直地应力成为控制巷道稳定性的关键因素比"

时" 巷道的支护原则是! 先护帮" 后控顶#$刚性#墙的存在" 降低了巷道顶板的有效%&’! 跨度" 从而提高了巷道顶板的承载能力" 减少了巷道顶板离层冒顶的可能性

$

万

方数据

关变量! 比如采深" 岩石力学性质" 巷道尺寸" 水平赋予用户所采用的数值$就能应力大小与方向等#

产生用户所期望的模型%通用化的实现使人们对有限元建模过程达到一劳永逸的目的%

刚性*梁或) 刚性*墙理论的锚杆支护参&’(基于)

数设计步骤与方法

由于锚杆预拉力是形成) 刚性*梁顶板的重要而改变锚杆预拉力又是提高顶板稳定性的手因素$

段$因此$预拉力的确定是锚杆设计的中心内容%

利用三维有限元大模型$首先确定所研究巷道的应力状况%大模型的主要输入参数包括+最大水6结论与认识

提出了基于高水平地应力的锚杆支护新理! -#刚性*梁及基于垂直地应力的锚杆支护新理论7)

论8) 刚性*墙理论$该理论更加强调锚杆预拉力或称初撑力#的大小对巷道稳定性的作用$在锚杆!

高预拉力的作用下可使巷道顶板或两帮加固成类刚性*的梁或墙$转化高水平地应力或垂直应似于)

力的负面影响$最大程度地保护巷道顶板不受破坏$避免冒顶事故的发生%

研究了基于) 刚性*梁或) 刚性*墙理论的煤! /#

平应力! , -#. 最小水平应力! , /#. 夹角! 0#. 工作面" 采空区" 煤柱" 巷道等的几何尺寸. 岩石力学性质. 采深等%

水平应力对回采工作的影响包括两方面$即原始水平应力和开采引起的水平应力集中%原始水平应力对巷道围岩稳定性的影响体现在巷道掘进阶段. 开采引起的水平应力集中对巷道围岩稳定性的影响体现在工作面回采阶段%所以$锚杆支护参数的设计必须充分考虑掘进期间与动压影响期间水平应力对巷道稳定性的影响%在上述大模型的基础上切割出所关心的局部区域$此区域称之为子模型%

子模型的边界条件由大模型输出而自动附加在子模型的边界上%在子模型中考虑锚杆单元及岩石层理单元%只要子模型的外边界选得合适$这种做法是合乎逻辑的$因为受锚杆影响的应力范围非常有限$

从而避免在大模型上进行非线性分析%子模型输入参数包括+岩石及层理面的力学性质" 锚杆间距$见图

/%

开始

结束3得出锚杆支护参数

图/锚杆预拉力与长度的确定原则

万　

方数据巷锚杆设计方法$建立了快速" 通用" 巨型矿山巷道三维有限元模型系统$实现了煤巷锚杆支护参数设计的快速" 通用%该设计方法将锚杆预拉力作为锚杆支护的重要参数进行设计$充分考虑了水平地应力的大小" 方向对锚杆参数设计的影响%

参考文献+

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煤巷锚杆支护新理论与设计方法

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

陈庆敏， 郭颂， 张农

陈庆敏,张农(中国矿业大学,江苏,徐州,221008)， 郭颂(美国岩层加固与工程技术公司)矿山压力与顶板管理

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本文链接：.com.cn/Periodical_ksylydbgl200201005.aspx

下载时间：2009年11月8日