李建东工程硕士学位论文答辩PPT

StudyontheBoltSupportingof2308transportationroadwayinDongHeCoalMine矿业学院采矿工程专业2012届答辩人：李建东指导老师：郭育霞（学校）王英选（企业）东河煤矿2308运输巷锚杆支护设计研究太原理工大学研究生院2016级工程硕士学位论文答辩选题意义及目的01THEMAINCONTENTS目录巷道围岩锚固机理02工程概况及岩石特性03巷道围岩变形及支护参数研究04工作面平巷矿压观测及分析05结论与展望061第部分选题意义及目的Thesignificanceandpurposeoftheselectedtopic选题意义及目的01选题背景研究意义本论文通过东河煤矿2308运输巷掘进工作面锚杆支护设计评测项目，对东河煤矿2#煤层回采巷道的煤巷支护参数进行设计研究。东河煤矿是太原煤气化公司配套矿井之一，矿井设计产能82万吨/年。2308工作面是该矿2#煤层三采区的首采工作面，该工作面设计采用综采工艺，一次采全高，工作面平均煤层厚度1.6m，为实现高产高效综合机械化生产，该工作面巷道断面大，如果采用传统金属棚支护，施工难度较大，且支护原理落后，不能有效控制围岩的变形破坏。本采区的围岩特性尚不明确，为保证锚杆支护经济合理，安全可靠，必须专门研究该地段围岩特性，选择合理的支护参数，以便对本地段类似工程的锚杆支护提供科学数据和指导依据，为实现矿井高产高效创造前提条件。本文将从锚杆、锚索支护的作用机理出发，通过一系列现场实验方法、三维模拟、矿压观测等手段对围岩破坏规律和锚杆的加固作用进行研究，使用三维模拟方法对巷道锚杆支护效果评估，也为该巷道锚杆支护方案及设计参数的改进提供了可靠的科学依据。在对东河煤矿2#煤层三采区2308运输巷的工程监测工作中，得到大量的观测数据，这些数据都是工作面的支护动态反馈信息，通过对这些数据使用科学手段汇总、归类并分析，最终为该巷道采用合理、经济的的锚杆支护方案提供现场依据。东河煤矿2308工作面是东河煤矿2#煤层三采区首采工作面，我矿在此之前一直采用经验设计和工程类比的方法进行锚杆支护设计，而在地质条件复杂对巷道断面要求不大的巷道一直采用保守的金属棚支护，从未进行过专门的锚杆支护方案设计，本项目的实施也为该矿井下巷道尤其是煤巷进行锚杆支护设计、提高生产效率具有重要意义。选题意义及目的0120世纪50年代20世纪60、70年代20世纪80年代至今国外应用锚杆支护技术已经发展出一套适合本国实际情况的技术体系，并逐步向高强度、超高强度的方向发展[18]；而锚杆支护的配套施工机具也逐步得到完善，发展出了掘锚一体化流水式的机械化作业方式，这些都是值得我们国内借鉴的。主要有涨壳、楔缝、倒楔式等机械端锚，材质主要以木、竹居多锚杆的锚固力不高，锚固的可靠性和安全性能还很不理想。树脂锚杆研制成功成为是全球应用最为广泛的一种锚杆形式，同时出现了缝式、涨管式等全长锚固的锚杆。锚杆出现多样化发展高强度树脂锚杆发展突飞猛进，其性能优越，安全性高，成本不高，适用性非常广泛。国外锚杆支护技术研究现状及发展趋势选题意义及目的01国内锚杆支护技术研究现状及发展趋势20世纪50-60年代20世纪70-80年代“九五”期间最早于1956年在岩巷使用锚杆锚杆种类单一，主要是机械端锚和钢丝绳砂浆无托板锚杆，锚杆强度、刚度低，可靠性差。21世纪后积极引进，鼓励自主研发，具备自制树脂锚杆的能力到1995年，我国新掘巷道锚杆支护已近30%，以岩巷居多，煤巷锚杆支护比例不到16%。与国外发展已接近同步，开始向高强预应力体系发展开发出高强螺纹钢锚杆及加长、全长型树脂锚固技术，设计法则有了一定理论和经验基础。锚杆支护技术与国外的发展水平已接近同步逐渐开发出高强度螺纹钢锚杆，以及加长、全长型的树脂锚固技术，其配套的锚杆设计法则也有了一定的理论和经验基础。选题意义及目的01锚杆支护技术发展趋势巷道岩性逐渐趋向于煤巷及全煤巷道巷道综合利用及断面利用率逐步提高巷道施工断面越来越大巷道布置条件越来越复杂01020304选题意义及目的01研究内容及方法首先对在该矿本采区2#煤层内开掘回采工作面巷道，采用锚杆支护的作用机理与其相关的围岩控制理论及其初始设计进行比较系统地研究和分析。机理分析岩力检测深入现场，将附近巷道顶板岩石按照要求进行取样，对取样岩石的各项物理力学特性进行一系列实验室测定，为进一步进行研究提供基础数据。工程监测系统地实施2308运输巷的围岩变形和工程监测方案，通过对基础数据的分析，研究巷道围岩变形和矿压显现对支护的影响，以评估其支护效果。数值模拟采用FLAC3D大型三维数值模拟软件对2#煤层内巷道开掘后围岩破坏变形与锚杆支护作用关系及埋深、回采推进度之间的内在联系来进行探讨。2第部分巷道围岩锚固机理Theanchoringmechanismofsurroundingrockofroadway巷道围岩锚固机理02图2-1巷道开挖后围岩变形及应力分布图Fig.2-1Thedeformationandstressdistributionofsurroundingrockafterroadway’sexcavation巷道围岩变形机理根据有关弹性力学方法对巷道围岩应力分布进行研究，可将巷道开挖后的围岩按照围岩变形破坏变形范围可划分为图2-1中的A、B、C、D四个区域：A——破裂区（卸载和应力降低区）；岩石已发生破裂和位移，已无法继续承载；B——塑性区：岩石处于塑性状态，但有一定的承载能力；C——弹性区（应力增高区）：岩石发生弹性变形，但卸载后可恢复原状；D——原始盈利区：处于围岩深处，尚未受工程扰动变形破坏。围岩变形的影响因素（1）巷道围岩特性。（2）巷道的埋深。（3）巷道断面规格。（4）地质构造。（5）水胀作用。（6）动压影响。（7）时间效应。巷道围岩锚固机理02悬吊理论该理论认为，锚杆的作用就是将巷道顶板的软弱岩层或是由于巷道开挖而形成的破裂岩石直接悬吊于巷道顶板深处更稳定岩层中，这也就要求锚杆的锚固力都要足够承受离层岩石的重量，悬吊理论的基本作用原理如图2-3所示：稳定岩层松软岩层LHLLHL1212稳定岩层自然平衡拱组合梁理论该理论强调了锚杆杆体的抗剪切作用和锚杆的锚固作用，当锚杆杆体穿过巷道周边数层岩层时，杆体的抗剪切作用就会限制层状岩层之间的相对的错动移位；同时由于锚杆的紧固作用，增大了岩层间的摩擦力，维持稳定，避免离层，在这两种的作用下，将锚杆锚固范围内的岩层紧固为一体，成为一个较厚、较稳定的岩层，即组合梁。组合梁越厚，其承载能力和抗变形能力越好，发生的挠曲程度越小。组合梁理论的基本作用如图2-4所示：图2-3锚杆支护的悬吊作用Fig.2-3Thesuspensionactionofboltsupporting图2-4锚杆支护的组合梁作用Fig.2-4Theprincipleofcompressionofbeamsafterboltsupporting巷道围岩锚固机理02加固拱理论该理论强调锚杆预应力对锚杆两端部间岩石的挤压加固作用，当锚杆托板和末端承受很大的预紧力时，在锚杆两端部之间就会形成一个呈圆锥形分布的正压力区域，当锚杆平行紧密布置，锚杆间距足够小，就会在各个锚杆体周围形成的正压力圆锥体之间形成一个相互交错，垂直于锚杆杆体且平行于岩体表面的均匀压缩带，压缩带内岩体重新具备了承载压力的能力，巷道稳定性提高、围岩变形小，其作用机理如图2-5所示：图2-7水平应力方向与巷道变形破坏的关系Fig.2-7Therelationofthedirectionofhorizontalstressanddeformationanddestructionofroadway最大水平应力理论序号巷道掘进方向与水平主应力方向关系水平应力对巷道影响情况巷道稳定情况1平行影响最小有利于巷道稳定，条件允许时应考虑平行布置巷道2垂直影响最大稳定性最差顶底板发生剪切破坏3成一定夹角影响中等，巷道一侧出现水平应力集中显现顶底板的变形破坏偏向巷道的某一帮表2-1水平应力对巷道稳定影响对照表Tab.2-1Theinfluenceonthedriftstabilityofhorizontalstress图2-6锚杆支护的均匀压缩拱示意图Fig.2-6Theuniformcompressionarchofboltsupporting1243巷道围岩锚固机理021——预应力锚索2——预应力锚杆3——锚索组合加固拱4——锚杆支护加固拱图2-8双重组合加固拱示意图Fig.2-8Therecombinationreinforcedarch锚杆支护对围岩的加固作用（1）加强围岩强度；（2）改善岩体的受力结构；（3）改善岩体受力状态。锚杆支护体系的作用机理锚索与锚杆的作用功能一致，既能加固围岩结构，也能悬吊下部软弱破碎岩石，但锚索更长，煤矿巷道支护的锚索一般都在10m左右，而在大坝、边坡治理中使用的锚索可达20～60m，这也就保证了锚索的锚固段可以超出围岩破碎松动范围外，锚固在围岩深部的稳定岩层中.相比较预应力锚杆而言，预应力锚索的锚固点深、锚固范围更大，但施工难度也大，通常只需要在关键的节点上施工数量有限的锚索就可以形成一个比锚杆加固拱更大的“组合加固拱”，同时还能将由锚杆形成的小加固拱锚固在围岩的深部稳定岩体上，如图2-13所示。“锚杆+锚索”的双重加固拱可以在更大程度上控制围岩松动圈的碎胀变形和围岩的弹塑性变形，使围岩总体变形大大减少，保证支护效果。巷道围岩锚固机理02锚杆组合构件的作用钢带增大锚杆预紧力作用面积，提高锚杆支护整体力；金属网封闭围岩表面，防止冒落、片帮，阻止碎胀变形；托盘阻止围岩向巷道内侧位移，对围岩施加支护反力；树脂锚固剂将锚杆或锚索的尾端牢牢地粘结在围岩深处；喷射混凝土的支护作用（1）加固作用；（2）改善围岩应力状态；（3）混凝土本身的防变形作用；（4）防止风化的作用；3第部分工程概况及岩石特性Theengineeringsurveyandtherockproperties工程概况及岩石特性03工作面概况煤层名称2#水平名称第一采区名称三采工作面名称2308工作面地面标高1380~1450工作面标高1190~1260地面位置横跨公路东内梁，地面无任何建筑物，但有两趟35kv高压线路经过。井下位置及四邻采掘情况位于三采区北翼，巷道掘进方位正北，本工作面距井田边界最近距离有20m保安煤柱。三采区北侧为郭家山煤矿，东侧为石家山、小柴沟煤矿，西侧为隰东、杏岭西煤矿。周围邻近小煤矿，暂未发现越界开采。邻近采掘情况对掘进巷道的影响邻近2306、2310工作面都为未掘工作面，所以掘进期间对本工作面没有影响。表3-1工作面井上、下对照关系表Tab.3-1Thecomparisonrelationship.ofsurfaceandundergroundoftheroadway地质概况顶底板名称岩石类别厚/m岩性顶板基本顶砂质泥岩5.65深灰色、灰黑色、中部夹0.3m粉砂岩直接顶中粒砂岩0.6灰黑色、厚层状，主要成分石英长石伪顶粉砂泥岩0.6灰黑色厚层状，质均细腻，见植物化石底板直接底泥岩1.45灰黑色，中部夹0.3m的粉砂岩基本底细砂岩2.8灰白色，层理发育表3-2煤层顶底板情况Tab.3-2Theconditionofroofandfloorofcoalseam2308工作面运输巷、回风巷分别长1160m、1126m，切眼150m，其余辅助巷道共计133m，巷道工程量总计2569m。工作面所有巷道均沿本矿2#煤层顶板掘进，岩性为半煤岩。运输巷用于进风、行人、运煤。回风巷用于回风、运料、行人。切眼巷用于布置工作面，该工作面设计可采储量约为35万吨，工作面于2016年4月开工，先施工2308运输巷，预计可于2016年11月底竣工，服务年限2.5年。（1）工程地质情况2308工作面地层构造简单，工作面的顶板较为完整，破碎程度很小，在距离2308运输巷200米左右的位置，有一物探资料测出的陷落柱。（2）水文情况对工作面影响较