煤礦巷道協(xié)同錨固作用機(jī)理研究

煤礦開(kāi)采的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是巷道圍巖穩(wěn)定性控制，且錨網(wǎng)索錨固已成為主導(dǎo)的控制方式。然而，由于對(duì)錨固機(jī)理及技術(shù)的研究和應(yīng)用還存在不足，一方面帶來(lái)錨固系統(tǒng)子系統(tǒng)內(nèi)部因素之間的協(xié)同作用不足，導(dǎo)致子系統(tǒng)功能得不到強(qiáng)化；另一方面造成子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用不足，導(dǎo)致錨固系統(tǒng)沒(méi)有產(chǎn)生應(yīng)有的協(xié)同效應(yīng)，從而帶來(lái)整體錨固效能不足。 　　本項(xiàng)目以煤礦巷道工程為研究對(duì)象，將協(xié)同學(xué)原理應(yīng)用于巷道圍巖穩(wěn)定性控制。首先，通過(guò)分析巷道圍巖位移與錨固系統(tǒng)控制變量和狀態(tài)參量的相互關(guān)系，提出以位移作為錨固系統(tǒng)的序參量，以此建立錨固系統(tǒng)的力學(xué)模型。其次，通過(guò)理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和工程實(shí)踐等多種方法，多層面、多角度研究錨固系統(tǒng)協(xié)同作用和協(xié)同效應(yīng)。提出協(xié)同增量、協(xié)同指數(shù)的概念和計(jì)算方法，分別作為協(xié)同作用、協(xié)同效應(yīng)程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。建立預(yù)緊力協(xié)同、結(jié)構(gòu)協(xié)同、變形協(xié)同、錨固時(shí)機(jī)協(xié)同等協(xié)同錨固機(jī)制，獲得不同作用機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方式。建立包括高預(yù)緊力技術(shù)、高錨固技術(shù)、錨固巖體高強(qiáng)度技術(shù)等協(xié)同錨固技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)協(xié)同錨固機(jī)理與技術(shù)應(yīng)用一體化研究。 　　研究表明，錨桿（索）預(yù)緊力、布置密度、桿體長(zhǎng)度、鉆裝角度等錨固變量之間存在協(xié)同關(guān)系，且可以通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化錨固變量參數(shù)來(lái)進(jìn)行滿(mǎn)足，促使錨固系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同作用和協(xié)同效應(yīng)，從而帶來(lái)系統(tǒng)功能在宏觀整體上大于各子系統(tǒng)功能之簡(jiǎn)單總和，即產(chǎn)生“1＋1＞2”的協(xié)同效應(yīng)。協(xié)同錨固設(shè)計(jì)使巷道變形、圍巖應(yīng)力分布、錨桿（索）受力等更加均勻協(xié)調(diào)，有效提高錨固巖體的整體強(qiáng)度和剛度，從而顯著地提高其承載能力和抗變形能力。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，有效地解決了巷道圍巖穩(wěn)定性控制所遇到的許多問(wèn)題和難題，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，從而使項(xiàng)目研究更加具有實(shí)際價(jià)值和深遠(yuǎn)意義。 2100433B

針對(duì)目前錨桿(索)錨固缺乏系統(tǒng)協(xié)同性考慮，導(dǎo)致巷道錨固失效、浪費(fèi)或錨固不足等問(wèn)題，本課題以煤礦巷道錨固系統(tǒng)為研究對(duì)象，將錨桿(索)、圍巖、粘結(jié)材料等作為子系統(tǒng)，基于協(xié)同原理，采用理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法，通過(guò)研究各子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用及演化規(guī)律、系統(tǒng)協(xié)同效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制、序參量的基本特性及選定方法、序參量方程的建立和求解、序參量在系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中的調(diào)控作用及演化規(guī)律、序參量與子系統(tǒng)控制變量的相互關(guān)系及作用機(jī)制等內(nèi)容，從而獲得煤礦巷道協(xié)同錨固作用機(jī)理，形成協(xié)同錨固技術(shù)并應(yīng)用于工程實(shí)踐。本課題既深化協(xié)同原理在煤礦巷道穩(wěn)定性控制方面的研究和應(yīng)用，促進(jìn)巷道錨固理論及技術(shù)水平的發(fā)展，又可以為其它工程巖體穩(wěn)定性控制研究提供新的思路和方法，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的研究前景。

《深埋巷道底鼓機(jī)理及其錨固技術(shù)研究》結(jié)合常村礦S6采區(qū)1號(hào)回風(fēng)上山圍巖條件，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬方法獲得了煤層圍巖的地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)特征，分析了地應(yīng)力環(huán)境下巷道底板圍巖的穩(wěn)定性，運(yùn)用廣義平面應(yīng)變問(wèn)題和統(tǒng)一強(qiáng)度理論對(duì)處于三向地應(yīng)力環(huán)境下的巷道圍巖進(jìn)行彈塑性破壞力學(xué)解析，研究了錨桿和錨桿-混凝土反拱組合結(jié)構(gòu)控制底鼓的力學(xué)機(jī)理。通過(guò)相似模擬試驗(yàn)，分析在無(wú)支護(hù)和采取底錨措施后巷道底板圍巖應(yīng)力分布和變形破壞特征，提出了底鼓控制措施，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。

《深埋巷道底鼓機(jī)理及其錨固技術(shù)研究》可供從事采礦工程的研究人員及工程技術(shù)人員使用。

高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)已成為我國(guó)煤礦的主要巷道支護(hù)形式，但由于采動(dòng)應(yīng)力的強(qiáng)烈作用，巷道錨固環(huán)境急劇惡化，錨固作用迅速衰減甚至失效，導(dǎo)致頂板事故或巷道強(qiáng)烈收斂變形。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)分析、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的手段，研究動(dòng)壓巷道圍巖應(yīng)力分布特征及演化規(guī)律，錨固系統(tǒng)的物理效應(yīng)、力學(xué)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錨固工作狀態(tài)和巷道圍巖表面及巖體內(nèi)部的精細(xì)位移監(jiān)測(cè)，揭示外無(wú)效加固體誘導(dǎo)采動(dòng)巷道大變形的機(jī)理；揭示出預(yù)應(yīng)力加長(zhǎng)錨固方式的錨固作用衰減呈現(xiàn)出二次或多次波動(dòng)的更復(fù)雜規(guī)律，非傳統(tǒng)全長(zhǎng)錨固方式或端錨形式的增阻、恒阻、衰減的簡(jiǎn)單曲線規(guī)律；適時(shí)注漿技術(shù)可改善圍巖完整性，增加錨桿的粘結(jié)長(zhǎng)度，達(dá)到恢復(fù)錨固力的作用。為強(qiáng)采動(dòng)作用下的巷道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)和頂板安全控制提供理論保障和技術(shù)支持。

1 緒論

1.1 研究背景

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.3 需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題

1.4 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線

2 深部巷道圍巖變形破壞規(guī)律與穩(wěn)定機(jī)理研究

2.1 八采區(qū)軌道下山工程概況

2.2 深部巷道圍巖變形特征

2.3 深部高應(yīng)力圍巖基本力學(xué)性質(zhì)與流變特性

2.4 深部巷道流變圍巖支護(hù)變形破壞機(jī)理

2.5 深部巷道強(qiáng)力支護(hù)策略

2.6 本章小節(jié)

3 深部巷道協(xié)同支護(hù)理論

3.1 協(xié)同支護(hù)的基本思想

3.2 支架-錨索協(xié)同支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析

3.3 主次承載區(qū)支護(hù)協(xié)同作用的力學(xué)分析

3.4 本章小節(jié)

4 鋼管混凝土支架-錨索協(xié)同承載性能試驗(yàn)研究

4.1 強(qiáng)力護(hù)表支架選型

4.2 試驗(yàn)概況

4.3 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

4.4 試驗(yàn)過(guò)程與破壞形式

4.5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.6 本章小節(jié)

5 鋼管混凝土支架-錨索協(xié)同控制圍巖研究

5.1 鋼管混凝土支架承載機(jī)理

5.2 參數(shù)分析

5.3 鋼管混凝土支架-錨索協(xié)同控制圍巖機(jī)理

5.4 鋼管混凝土支架-錨索協(xié)同支護(hù)設(shè)計(jì)建議

5.5 本章小節(jié)

6 鋼管混凝土支架-錨索協(xié)同支護(hù)設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐

6.1 錨索協(xié)同下鋼管混凝土支架設(shè)計(jì)方法

6.2 錢(qián)家營(yíng)煤礦八采區(qū)軌道下山破壞情況

6.3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

6.4 支護(hù)效果分析

6.5 本章小節(jié)

7 結(jié)論與展望

7.1 主要成果

7.2 研究展望

參考文獻(xiàn)2100433B