倾斜煤层巷道预应力锚杆（索）支护技术研究

论文摘要

煤炭一直占我国能源的70%以上,在国民经济建设中占有举足轻重的地位。由于煤层的赋存条件非常复杂,倾斜煤层巷道普遍存在。能否建立适合倾斜煤层巷道的锚杆(索)支护计算模型,解决好倾斜煤层巷道的支护等问题,是倾斜煤层巷道顺利开掘和安全生产的关键,迫切需要深入的研究和探索。本文以乌兰煤矿8号煤层5867机巷为主要研究对象,系统的分析了锚杆(索)支护的基本理论及设计方法,对预应力锚杆(索)对巷道围岩的控制作用机理作了较为深入的研究,并对不同锚固方式条件下,预应力锚杆的受力特点进行了分析,指出把合理的锚杆(索)预应力纳入到倾斜煤层巷道锚杆支护参数设计之中,对倾斜煤层巷道支护的稳定性具有十分重要的意义。在理论分析和现场调研的基础上,基于围岩松动圈理论和倾斜冒落拱理论,提出了三种倾斜煤层巷道顶板松动圈计算模型,利用计算模型确定了锚杆(索)最佳支护参数。对倾斜煤层巷道锚杆的切向锚固力进行了系统的理论分析,指出倾斜煤层巷道锚杆抗剪承载力计算的必要性,建立了锚杆抗剪承载力的计算公式。运用大型有限差分软件FLAC3D对乌兰矿8号煤5867机巷倾斜煤层巷道建立了三维数值计算模型,分析了倾斜煤层巷道围岩变形破坏特征,指出:倾斜煤层巷道支护应以巷道的顶板、高帮下部、低帮上部和靠近低帮的底板为关键部位,同时应注意巷道底臌现象的发生。并对支护参数下巷道顶板沉降量、塑性区分布、围岩应力分布特征进行了数值模拟分析,验证了支护方案的安全可靠性。并选取试验段对巷道的收敛变形、顶板离层、围岩松动圈等进行监测与分析,进一步验证了计算方法及支护参数的安全和可靠性。本文的研究与实践,使倾斜煤层巷道支护由工程类比法上升到定量分析,为倾斜煤层巷道锚杆(索)支护设计探索了新的途径。它必将在倾斜煤层巷道的支护设计中起着主要的参考作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 锚杆支护技术的发展历史
• 1.2.1 国外锚杆支护技术的发展现状
• 1.2.2 我国煤矿锚杆支护技术的发展现状
• 1.2.3 预应力锚固技术在煤矿中的应用历史
• 1.3 预应力锚杆支护技术作用机理的研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 预应力锚杆的支护机理研究
• 2.1 巷道围岩变形破坏特征
• 2.2 预应力锚杆加固围岩的作用机理研究
• 2.3 预应力锚杆的受力特点分析
• 2.4 预应力锚杆支护存在的问题及发展方向
• 2.4.1 预应力锚杆支护存在的问题
• 2.4.2 预应力锚杆在煤矿巷道支护中的应用前景
• 2.5 小结
• 3 锚杆（索）支护理论及其设计研究
• 3.1 锚杆支护理论研究
• 3.1.1 悬吊理论
• 3.1.2 组合梁理论
• 3.1.3 组合拱（压缩拱）理论
• 3.1.4 构造应力作用理论
• 3.2 锚索支护理论研究
• 3.3 锚杆（索）支护设计研究
• 3.3.1 工程类比法
• 3.3.2 理论设计方法
• 3.3.3 数值计算方法
• 3.3.4 监测方法
• 3.4 倾斜煤层巷道围岩松动圈计算方法研究
• 3.4.1 倾斜煤层巷道顶板围岩松动圈计算模型一
• 3.4.2 倾斜煤层巷道顶板围岩松动圈计算模型二
• 3.4.3 倾斜煤层巷道顶板围岩松动圈计算模型三
• 3.4.4 巷道帮部围岩松动圈计算研究
• 3.5 倾斜煤层巷道锚杆抗剪性能计算研究
• 3.5.1 锚杆切向锚固力的作用机理
• 3.5.2 锚杆切向抗剪承载力简化计算模型
• 3.6 倾斜煤层巷道锚杆（索）支护参数设计
• 3.6.1 倾斜煤层巷道顶板锚杆支护参数设计
• 3.6.2 倾斜煤层巷道顶板锚索支护参数设计
• 3.6.3 倾斜煤层巷道帮部锚杆支护参数设计
• 3.7 小结
• 4 倾斜煤层巷道支护设计与数值模拟研究
• 4.1 工程地质概况
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 8 号煤层工程水文地质条件
• 4.1.3 巷道围岩物理力学性质
• 4.2 巷道支护参数设计
• 4.2.1 乌兰矿5867 机巷支护设计原则
• 4.2.2 乌兰矿5867 机巷支护参数初始设计研究
• 4.2.3 支护方案的对比分析与锚索参数设计研究
• 4.3 巷道支护稳定性数值模拟研究
• 4.3.1 数值方法与计算程序介绍
• 4.3.2 数值模拟计算模型的建立
• 4.4 数值模拟结果分析
• 4.5 小结
• 5 倾斜煤层巷道支护效果监测与分析
• 5.1 监测原则
• 5.2 监测项目的选择
• 5.3 监测方案布置与分析
• 5.3.1 表面收敛量监测
• 5.3.2 顶板离层与深部位移监测
• 5.3.3 锚杆锚固力检测
• 5.3.4 锚杆受力状态监测
• 5.3.5 围岩松动圈的测量
• 5.4 监测结果数据分析
• 5.4.1 典型收敛监测断面结果分析
• 5.4.2 巷道深部位移监测结果分析
• 5.4.3 巷道顶板锚杆受力监测结果分析
• 5.4.4 围岩松动圈监测结果分析
• 5.5 巷道支护的稳定性分析
• 5.6 小结
• 6 结论
• 6.1 主要结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录