软岩巷道峰后锚固承载结构弱化失稳机理及稳定控制技术

发布时间：2017-09-05 08:20

  本文关键词：软岩巷道峰后锚固承载结构弱化失稳机理及稳定控制技术

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【摘要】：对高应力软岩巷道而言,锚杆支护主要作用于锚固范围内、外的两部分岩体。其中,在预应力和锚固作用下,锚杆对锚固范围内的破裂岩体提供支护和加固作用,且与破裂岩体形成具有自稳能力的锚固承载结构,承受锚固范围外的载荷,控制深部岩体变形。因此,锚杆与峰后岩体形成的锚固承载结构,成为锚网支护能否有效控制高应力软岩巷道围岩变形的关键所在。本文围绕软岩巷道峰后锚固承载结构,采用现场调研、实验室试验、理论分析、数值模拟、现场实测和现场试验的综合研究方法,从峰后锚固承载结构强度和稳定性两方面展开研究。首先,针对峰后锚固承载结构的基本组成单元——峰后锚固体,开展大比例相似模拟三轴加载试验,模型的容重、几何和应力相似比分别为1.53、3.5和5.34;该试验采用完整试块预先加卸载方式,预制峰后破裂岩体,研究了不同锚杆支护参数峰后锚固体的承载特性和破坏特征。其中,在三轴加载条件下,峰后锚固体载荷具有升高、稳定和下降的三阶段特征,且稳定期内载荷呈现多峰值特征。其次,将峰后锚固体视为一种等效复合材料,利用其力学特性试验获得的应力和变形数据,以峰后锚固体满足特定的莫尔-库伦强度准则为基本假设条件,选取峰后锚固体等效内聚力为强度参数、塑性剪应变为塑性参数,建立了峰后锚固体强度衰减模型。并以此为基础,以峰后锚固承载结构内任一点均符合莫尔-库伦强度准则和承载结构外力极限平衡条件为依据,推导了峰后锚固承载结构承载能力衰减模型。随峰后锚固承载结构内岩体剪胀变形,承载结构对深部岩体承载能力的变化规律与峰后锚固体等效内聚力变化规律近似成正相关关系,即承载能力出现上升、稳定和下降三阶段,揭示了峰后锚固承载结构强度弱化机理。再次,围绕软岩巷道峰后锚固承载结构的失稳特征,将峰后锚固体强度参数和变形参数嵌入到数值模型中,分析了峰后锚固承载结构的稳定性。随着峰后锚固承载结构及深部岩体强度逐渐弱化,承载结构内部岩体剪胀滑移量和外边界内移量逐渐增大,结构整体稳定性降低。其中,帮中和起拱线位置稳定性下降显著,造成拱部承载结构稳定性降低,最终导致峰后锚固承载结构整体失稳。基于上述研究,提出峰后锚固承载结构补偿原理:在峰后锚固承载结构弱化失稳过程中,确定其强度衰减关键点,并针对由自身强度和结构形式决定的弱稳定性部位,采用补偿体为承载结构提供一定补偿力,提高承载结构极限强度和对深部岩体的承载能力,限制承载结构内破裂岩体剪切滑移变形,以及承载结构的整体内移变形,减小承载结构不均匀变形程度,提高承载结构的整体稳定性。由此,提出了涵盖补偿措施、补偿时机和补偿位置的峰后锚固承载结构补偿原则,揭示了承载结构稳定控制机理。最后,基于峰后锚固承载结构补偿原理及原则,提出了包含基本支护方案、注浆加固方案和结构补偿方案三方面的稳定控制技术,并成功应用于现场试验。
【关键词】：软岩巷道 锚固体 峰后岩体 强度弱化 结构补偿
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD353
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-10
• Extended Abstract10-26
• 变量注释表26-28
• 1 绪论28-43
• 1.1 引言28-30
• 1.2 国内外研究现状30-39
• 1.3 存在的主要问题39-40
• 1.4 研究内容与方法40-43
• 2 峰后锚固体力学特性试验43-66
• 2.1 物理相似模拟材料配比试验44-52
• 2.2 峰后锚固体相似模拟试验设计52-59
• 2.3 峰后锚固体力学特性59-65
• 2.4 本章小结65-66
• 3 峰后锚固承载结构强度弱化机理66-91
• 3.1 峰后锚固体强度衰减模型66-79
• 3.2 峰后锚固承载结构承载能力衰减模型79-87
• 3.3 峰后锚固承载结构强度弱化过程87-89
• 3.4 本章小结89-91
• 4 峰后锚固承载结构失稳机理91-114
• 4.1 峰后锚固拱、梁承载结构稳定性分析91-98
• 4.2 锚杆长度对承载结构稳定性的影响98-102
• 4.3 锚杆间排距对承载结构稳定性的影响102-107
• 4.4 锚杆预紧力对承载结构稳定性的影响107-112
• 4.5 本章小结112-114
• 5 峰后锚固承载结构补偿原理及控制机理114-138
• 5.1 峰后锚固承载结构补偿原理114
• 5.2 峰后锚固承载结构补偿原则114-125
• 5.3 峰后锚固承载结构稳定控制机理125-137
• 5.4 本章小结137-138
• 6 现场工业试验138-149
• 6.1 试验巷道概况138-140
• 6.2 巷道失稳原因140-141
• 6.3 巷道支护方案141-147
• 6.4 巷道支护效果147-148
• 6.5 本章小结148-149
• 7 结论、创新点和展望149-153
• 7.1 结论149-151
• 7.2 创新点151-152
• 7.3 展望152-153
• 参考文献153-162
• 作者简历162-165
• 学位论文数据集165

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本文编号：796865