深部半圆拱巷道预制锚固结构荷载位移全过程试验研究

发布时间：2020-07-05 01:20

【摘要】：深部巷道围岩变形破坏不仅与地应力、围岩强度有关,更与围岩支护加固的承载结构有关,围岩破坏并不等于巷道整体失稳,因此从巷道围岩承载结构失稳的角度来研究更有针对性。围岩承载结构的失稳离不开其所受应力状态,研究结构失稳首先要研究其所受荷载和位移对应的关系。为了得到锚固结构失稳与其所受荷载的关系以及进一步揭示锚杆与围岩相互作用形成锚固结构承载体的机理,本文结合国家自然科学基金重点项目“深部开采与巷道围岩稳定控制信息化基础理论研究(51734009)”和国家重点研发计划子课题(2017YFC0603001)“千米深井强采动巷道围岩劣化与强度衰减规律”以中煤新集能源口孜东煤矿-967m水平西翼轨道大巷为研究对象,综合运用物理模拟试验、理论分析及数值模拟等研究手段,对预制半圆拱形锚固结构承载能力与位移关系以及不同锚杆支护参数下锚杆预紧力形成的承载拱结构效应进行了系统的研究。主要研究内容及结论如下:(1)根据深部巷道围岩峰后变形条件,研制以河砂、水泥及石膏不同配比以满足相似物理模拟试验要求;自主研制了预制锚固结构模具,开展了深部巷道预制锚固结构承载体在不同锚杆密度条件下受力变形失稳的模型试验,首次获得了3种不同锚固结构全过程的荷载-位移曲线,提出了“单位顶底板相对移近量的平均荷载变化量η”来表示锚固结构承载体能力的判据;分析了锚固结构承载体表面径向应力和切向应力的演化规律;采用课题组的PhotoInfor V7.2数字照相量测分析系统,揭示了锚固结构承载体破坏过程位移场的演化规律。(2)在获得上述3种预制不同锚固结构试验结果的基础上,基于莫尔库伦屈服准则对锚固结构承载体的强度和厚度的影响因素进行了分析;研究了锚杆的与巷道半径、锚杆参数、锚杆材质以及围岩的黏聚力、内摩擦角等因素对锚固结构承载体强度和厚度的影响规律;获得了不同锚杆密度条件下的锚固结构承载体最终破坏模式和机制。(3)基于预制不同锚固结构荷载位移试验全过程,建立了FLAC~(3D)数值模型,开展了锚固结构承载特性的研究,系统分析了锚杆预紧力、直径、密度、长度等参数对锚杆预紧力所扩散应力场的强度和范围的影响规律,揭示了锚固结构承载能力的形成机理,获得了不同锚杆参数承载拱结构的强度和厚度的变化规律。(4)根据研究结论,对口孜东煤矿-967m水平西翼轨道大巷现场实测了地应力以及松动圈厚度值,优化了支护参数,提出了“让压+注浆+主、被动协同支护”稳定控制理念。新方案不仅使得锚固结构起到整体锚固的作用,强度和厚度得到了提升,现场工业性试验取得了良好的支护效果。
【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
【图文】：

开采对象转向深部[1-3]，随着开采深度增加和开采强度加大，深部巷三高一扰动”的环境中[4-6]，尤其是高地应力条件下岩石表现出十分特殊的力学巷道围岩常出现冒落及支护结构失稳的现象，千米深井巷道由于高应力、强流形[8]，致使巷道维护的难度剧增，巷道掘出后易表现出非线性大变形特征[9, 10]维护效果极差，往往经历多次修复仍不能满足矿井安全生产所需的断面要求，了深部煤炭资源的安全高效开采[9, 10]，是目前我国煤炭深部开采面临的严重挑深部条件下，锚杆仍然是基本的有效支护形式[16]，但由于岩土体的矿物组成、及其所处地质条件的多样性和复杂性决定了岩土体物理力学特性的千变万化，科学有效的锚杆支护理论来指导锚杆支护设计。近年来，巷道围岩承载结构的大学者提出，锚固结构承载理论得到进一步的发展。试验和工程实际都已证明，岩层压力大造成巷道量位移增大，支护失效，巷道加，巷道维护困难等问题出现。据不完全统计[17]由于深部开采引起围岩变形、图 1-1（a））、帮部鼓起（如图 1-1（b））的等安全事故，占矿山建设、生产事的 40%以上，深岩层压力与巷道支护结构的失稳问题已经成为亟待解决的问题

岩相似的物理力学性质，还要满足峰后延性破坏的特征。参考课题组以往对锚固道围岩相似材料的研究成果。基于以上考虑以及根据课题组以往的研究经验[96, 97]选取河沙、水泥（C32.5）和石膏配制深部巷道围岩的相似材料。2.1 相似材料制备过程深部巷道围岩峰后往往具有一定的延性，为增加试验的可靠性，配备相似材料重视相似材料的物理力学性能，因此试验前需要对相似材料的基本力学参数进行要得到的参数如：相似材料单轴抗压强度、相似材料的弹性模量、相似材料的抗、相似材料的内摩擦角及相似材料的黏聚力等。相似材料的浇筑过程如图 2-1 所（a）称重 （b）刷油 （c）压实

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本文编号：2741863