回采巷道围岩稳定性分类及锚杆支护设计决策系统研制与应用

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太原理工大学硕士研究生学位论文

及华晋焦煤公司沙曲矿３＇－４’合并层回采巷道的围岩稳定性分类类别与锚杆支护进行了预测和优化设计。

神东矿区大柳塔、榆家梁矿煤层赋存稳定，巷道顶板为均质岩层，直接顶与煤层的抗压强度都很高，韧性大，煤岩体裂隙均不发育，留煤顶维护巷道的顶板完整性好，综掘机组开掘回采巷道，对巷道围岩的破坏扰动小，并且埋深浅、巷道压力显现不太明显，通过围岩稳定性类别预测分析，都属于Ⅱ类稳定巷道。对支护非常有利。经计算，巷道两帮的破坏深度均没有达到要支护的范围。顶板有一定的破坏。可以采用单体锚杆加托板进行加固支护。从支护效果来看满足了巷道支护的要求。

沙曲矿３＇－４啥并层煤层厚度平均４．２ｍ，属于大采高，煤质较软，稳定性差，埋深达到４０２ｍ，通过围岩稳定性类别预测分析，该巷道属于Ⅳ类不稳定巷道。如不及时支护，容易发生垮落和片帮事故。经计算，巷帮破坏深度达到２．１８ｍ。现场观测，片帮严重。巷帮采用带倾斜锚杆＋Ｗ钢带＋网的支护形式。顶板的支护形式为：带倾斜锚杆支护＋Ｗ钢带。对于受二次采动影响，需要对巷道顶板同时进行补强加固支护。考虑到工作面采高和巷道高度为４ｍ，受大采高工作面回采巷道影响使回采巷道的矿压显现非常剧烈，顶板破坏高度较大（１．８ｍ），为保证巷道下位锚杆支护层位岩层的稳定，顶板的最终支护形式为：带倾斜锚杆支护＋ｗ钢带＋预应力锚索的联合支护形式。从支护效果来看满足了巷道支护的要求，保证了安全生产的需要。

同时通过对神东矿区以及华晋焦煤公司沙曲矿锚杆支护设计项目的研究，证明《回采巷道锚杆支护设计决策系统》可以指导工程设计人员进行锚杆支护设计，具有科学性和实用性。７８

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第六章结论及展望

６．１结论

锚杆支护作为一种有效的采准巷道支护方式，由于对巷道围岩结构的改变和强度的强化作用，可显著提高围岩的稳定性，加之具有支护成本较低、成巷速度快、劳动强度低，以及提高巷道断面利用率、简化回采面端头维护工艺、明显改善作业环境和安全生产条件等优点，可提高矿井的经济效益，因而成为世界各国矿井巷道的一种主要支护形式，代表了煤矿巷道支护的只要发展方向。自锚杆支护技术在我国煤矿应用以来，我国采矿科技人员在支护理论与实践方面做了大量工作，积累了大量资料，取得了丰富经验。但是由于各方面原因，我国煤矿巷道锚杆支护在理论与设计上仍然存在一些问题。这主要是由于目前真正系统掌握先进的锚杆支护技术的还是少数矿区和工程单位，而大部分基层生产单位还未了解，仍处在经验支护的状态中。遇到问题先用一般支护技术来对付，然后反复维修，，因而造成每年数以亿计的严重经济损失。此外，由于锚杆参数计算方法繁多、计算过程比较复杂，需要大量的理论计算和反复校核过程，现场的工程设计人员难以掌握和应用。也使得一些设计方法在实际工程中难以得到普及和推广。本文针对我国目前锚杆支护技术推广过程中存在的问题，在总结以往研究成果基础上，采用模糊数学理论的多因素综合评判方法，预测巷道围岩稳定性类别。按照国内外锚杆设计理论的最新研究成果，进行巷道支护设计决策，并用ＶＢ６．ｏ语言编程实现了巷道围岩稳定性评价与支护设计决策系统。为回采巷道围岩稳定性分类预测和锚杆支护设计，提供了科学实用的设计手段。

６．１．１回采巷道围岩稳定性分类预测的结论

预测巷道围岩稳定性类别程序的数学模型为模糊综合评判模型。根据全国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类的研究成果，设定评语集合为非常稳定、稳定、中等稳定、不稳定、极不稳定５个类别，因素集合为顶板强度、底板强度、煤层强度、直接顶与采高比值、巷道埋藏深度、护巷煤柱宽度系数、岩体完整性指数７个分类指标，并将５个类别的聚类中心作为单因素评价矩阵，各因素的权重分配见表２—２。用“距离”量度模糊性，构造评价矩阵。依据模糊综合评判的结果确定围岩稳定性的类别。同时给

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出巷道支护建议。

６．１．２回采巷道锚杆支护参数设计的结论

回采巷道锚杆支护设计软件依据悬吊理论，主要通过计算巷道顶板破坏高度、两帮破坏深度以及顶板岩层完整性系数来确定锚杆支护形式。运用悬吊原则锚杆支护设计方法的公式计算巷道锚杆支护的具体参数。适用于各类煤层巷道锚杆支护参数设计。６．１．３回采巷道锚杆支护设计决策系统功能特点

《回采巷道围岩稳定性分类》及《回采巷道锚杆支护设计决策系统》以实用性及方便性为设计原则，遵循ＶＢ６．０面向对象的程序设计方法，具有友好的用户界面，操作简单、明了，交互性强，使用过程中，可视化程度高，使用方便。同时，整个系统的编制，完全按照Ｗｉｎｄｏｗｓ编程标准进行。

（１）可视化的界面与多任务的执行

系统的输入、输出均实现了可视化，用户可以根据友好的输入界面以及直观的图表形式完成整个设计工作。

系统允许用户同时打开多个窗口，如在打开“文件／新建”窗口后，仍可打开其他已完成的项目，或新建其他项目，但此时的活动窗口只有一个，待用户选择后即可击活成为活动窗口。每个打开的窗口均可进行系统所具备的功能的操作，如输入、显示和打印等。

（２）简单的操作与安全的运行保障

系统运行过程中所需要的数据及参数，在输入过程中，系统均给予明确的提示，使用户操作简单、明了。参数校核及编辑功能，使用户可随时对已输入数据、参数进行修改。同时，系统提供查找、替换等功能，使用户在修改时，迅速定位，加快了操作的速度。数据在输入过程中，均进行了相应的存储，使系统在中断、或非正常关闭的情况下，重新运行能继续进行未完成的工作。

（３）严格的执行控制与友好的用户提示

《回采巷道围岩稳定性分类》及《回采巷道锚杆支护设计决策系统》以先进的支护理论为基础，因此，在设计时必须严格按照设计程序进行。系统通过数据的传输与存储控制整个设计过程，缺少任何一步，都无法进入下一设计过程，从而使用户在系统的使用过程中，逐步掌握煤矿锚杆支护设计方法。

６．１．３《回采巷道围岩稳定性分类》及《回采巷道锚杆支护设计决策系统》的应用

本文主要运用《回采巷道围岩稳定性分类》及《回采巷道锚杆支护设计决策系统》８０

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对神东矿区大柳塔、榆家梁矿以及华晋焦煤公司沙曲矿３＇－４‘合并层回采巷道的围岩稳定性分类类别与锚杆支护进行了预测和优化设计。

通过对神东矿区大柳塔、榆家梁矿围岩稳定性类别预测分析，都属于Ⅱ类稳定巷道。巷道两帮的破坏深度均没有达到要支护的范围。顶板有一定的破坏。可以采用单体锚杆＋托板进行加固支护。从支护效果来看满足了巷道支护的要求。沙曲矿３＇－４。合并层煤层属于Ⅳ类不稳定巷道。巷帮采用带倾斜锚杆＋Ｗ钢带＋网的支护形式。顶板的最终支护形式为：带倾斜锚杆支护＋Ｗ钢带＋预应力锚索的联合支护形式。从支护效果来看满足了巷道支护的要求，保证了安全生产的需要。同时通过对神东矿区以及华晋焦煤公司沙曲矿锚杆支护设计项目的研究，证明《回采巷道围岩稳定性分类》及《回采巷道锚杆支护设计决策系统》可以指导工程设计人员进行锚杆支护设计，具有科学性和实用性。６．２不足与展望

地下水对相当数量的岩石有软化和泥化作用，尤其对软岩，地下水容易使其崩解和膨胀。对有些所谓的“硬岩”，地下水对其也有软化作用。地下水是影响巷道围岩稳定性的一个因素。围岩回采巷道围岩稳定性分类预测方法没有考虑到这些影响因素。有待今后进一步完善。

《回采巷道锚杆支护设计决策系统》计算出巷道支护所需的锚杆的参数，不能给设计人员以直观的认识。建立相应的绘制命令，如锚杆、锚索、托盘以及网等。根据不同的支护参数、支护材料，系统能够绘制出相应比例的支护断面图。并能够进行具体参数的标注。以指导设计＾、员进行现场施工，是下一步要做的工作。此外，进行信息反馈及修正设计也很重要。在将初步设计实施于井下巷道后，还应立即进行现场监测。根据监测结果修改初步设计，使设计更接近实际。８１

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