深部煤矿巷道围岩锚杆协同支护研究

发布时间：2020-04-09 10:11

【摘要】：煤矿安全支护问题成为制约煤矿向深部发展的首要难题,目前巷道支护中虽广泛应用锚杆支护理论及技术,但锚杆与锚杆、锚杆与围岩之间的锚固作用机理却缺乏有效认识。本文针对深部煤矿巷道围岩锚杆协同支护这一科学问题,以围岩和锚杆构成的锚固体系统为研究对象,主要应用物理模型试验与数值模拟方法相结合,对不同锚杆预紧力、长度、密度、钻装角度及围压等因素下的锚固体内部应力场的分布变化规律及其协同效应进行分析,并对协同效应下锚固体的强度特性和变形特征进行研究,基于协同理论并通过现场监测对巷道锚固效果进行评价分析,揭示深部煤矿巷道围岩锚杆协同支护作用机理。本文主要研究成果如下:(1)以协同学理论为基础,建立以反映巷道围岩稳定的位移变化为序参量的演化方程,序参量方程可以较好地表征巷道围岩稳定系统内部的反馈、耦合机制以及与子系统之间协同演化的非线性关系,运用绝热消去法求得其定态解和非定态解。(2)通过物理模型试验得到锚杆预紧力和锚杆密度两个变量对锚固体协同效应的影响规律,研究结果表明随预紧力的增加锚固体内垂直应力增大,在施加一定预紧力的群锚支护下锚固体内部相邻锚杆自由段中部范围内压应力非线性叠加产生协同效应;加锚锚固体单轴抗压强度、弹性模量、粘聚力及内摩擦角相比于未加锚试块均有所提高,且力学特性受预紧力和密度影响,锚杆支护虽能提高自承能力,但过多的锚杆会减弱锚固体承载能力及稳定性。(3)运用FLAC~(3D)数值模拟软件建立锚固体模型,分析锚杆参数及围压对锚固体内部应力场的影响规律,得到两根锚杆共同作用时在横向方向上远离锚杆应力会“先减小,后增大”,过大的预紧力对协同效应的提升并不明显;锚杆长度过短不会产生应力叠加区,增加锚杆长度能有效提升协同效应;锚杆密度需要合理取值,密度太小锚杆无协同效应区域,密度太大应力叠加现象过于严重,无法充分发挥每根锚杆的作用;增大围压可以增强两根锚杆自由段横向连线中部范围的应力场协同率,但对锚固体应力值、应力传递范围、锚固段应力集中现象具有一定的削弱作用,围压并不会改变应力场分布形态;锚固体应力场随钻装角度的增大而减小,当钻装角度为90°时锚固体内部协同效应最强,协同范围最广。(4)基于协同锚固控制原理,对贵州某煤矿巷道的支护方式和支护参数进行了优化和改进,改善了围岩大变形、初期变化速率大、变形持续时间长的状况,提高了施工质量,有效控制了巷道围岩变形。
【图文】：

示意图,深部巷道,大变形,示意图

在深部高应力环境中，岩石具有强时间效应。围岩变形监测结果显示，监测较长时间后岩体变形速率不为零，岩体仍在缓慢变形，表现出较强的流变或蠕变特征；③深部岩石的扩容性质。Bridgman P W[44]首次在单轴压缩试验中观测到岩石破裂前出现体积增大现象；Matsushima S[45]在围压下同样也观测到了扩容现象，，不过，随着围压的增大，扩容的数值会降低；Kwasniewski MA[38]通过试验进一步研究表明，在围压较低条件下，由于内部微裂纹的张开岩石会在低于峰值强度时发生扩容，但围岩较高时，这种扩容现象并不明显，甚至完全消失。（a）钢架支护大变形底鼓（b）锚网支护岩爆破坏

试样,试块,单轴压缩,全信息

用水量试件质的 14 4∶1 4∶65 4∶1 5∶56 4∶1 6∶47 5∶1 4∶68 5∶1 5∶59 5∶1 6∶410 6∶1 4∶611 6∶1 5∶512 6∶1 6∶413 7∶1 4∶614 7∶1 5∶515 7∶1 6∶4（4）试块养护。将已编好号的试件，在室温条件下自然养护 14d。养护中的部分试 3-1（b）所示。（5）加载。将养护好的试块放入微机控制万能试验机中进行单轴压缩，试验采用轴加载速率的控制方式，加载速率保持在 0.5mm/min，直至试样破坏。试块单轴压缩用 DS2-8A 全信息声发射信号分析仪进行同步声发射数据采样。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD353.6

【参考文献】