煤礦巷道協(xié)同錨固作用機理研究項目摘要

針對目前錨桿(索)錨固缺乏系統(tǒng)協(xié)同性考慮，導(dǎo)致巷道錨固失效、浪費或錨固不足等問題，本課題以煤礦巷道錨固系統(tǒng)為研究對象，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、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等方法，通過研究各子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用及演化規(guī)律、系統(tǒng)協(xié)同效應(yīng)的實現(xiàn)機制、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)系及作用機制等內(nèi)容，從而獲得煤礦巷道協(xié)同錨固作用機理，形成協(xié)同錨固技術(shù)并應(yīng)用于工程實踐。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)實意義和廣闊的研究前景。

煤礦開采的一個關(guān)鍵問題是巷道圍巖穩(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，由于對錨固機理及技術(shù)的研究和應(yīng)用還存在不足，一方面帶來錨固系統(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)沒有產(chǎn)生應(yīng)有的協(xié)同效應(yīng)，從而帶來整體錨固效能不足。 　　本項目以煤礦巷道工程為研究對象，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，通過理論分析、模型試驗、數(shù)值模擬和工程實踐等多種方法，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)的概念和計算方法，分別作為協(xié)同作用、協(xié)同效應(yīng)程度的評價指標(biāo)。建立預(yù)緊力協(xié)同、結(jié)構(gòu)協(xié)同、變形協(xié)同、錨固時機協(xié)同等協(xié)同錨固機制，獲得不同作用機制的實現(xiàn)方式。建立包括高預(yù)緊力技術(shù)、高錨固技術(shù)、錨固巖體高強度技術(shù)等協(xié)同錨固技術(shù)體系，實現(xiàn)協(xié)同錨固機理與技術(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，且可以通過調(diào)整和優(yōu)化錨固變量參數(shù)來進(jìn)行滿足，促使錨固系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同作用和協(xié)同效應(yīng)，從而帶來系統(tǒng)功能在宏觀整體上大于各子系統(tǒng)功能之簡單總和，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度和剛度，從而顯著地提高其承載能力和抗變形能力。通過現(xiàn)場實踐，有效地解決了巷道圍巖穩(wěn)定性控制所遇到的許多問題和難題，取得了顯著的社會經(jīng)濟效益，從而使項目研究更加具有實際價值和深遠(yuǎn)意義。 2100433B

《深埋巷道底鼓機理及其錨固技術(shù)研究》結(jié)合常村礦S6采區(qū)1號回風(fēng)上山圍巖條件，采用現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬方法獲得了煤層圍巖的地應(yīng)力、圍巖強度和圍巖結(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，運用廣義平面應(yīng)變問題和統(tǒng)一強度理論對處于三向地應(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)機理。通過相似模擬試驗，分析在無支護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)場工業(yè)性試驗。

《深埋巷道底鼓機理及其錨固技術(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。

高強預(yù)應(yīng)力錨桿支護已成為我國煤礦的主要巷道支護形式，但由于采動應(yīng)力的強烈作用，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烈收斂變形。通過現(xiàn)場實測、實驗分析、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的手段，研究動壓巷道圍巖應(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)，動態(tài)實時監(jiān)測錨固工作狀態(tài)和巷道圍巖表面及巖體內(nèi)部的精細(xì)位移監(jiān)測，揭示外無效加固體誘導(dǎo)采動巷道大變形的機理；揭示出預(yù)應(yīng)力加長錨固方式的錨固作用衰減呈現(xiàn)出二次或多次波動的更復(fù)雜規(guī)律，非傳統(tǒng)全長錨固方式或端錨形式的增阻、恒阻、衰減的簡單曲線規(guī)律；適時注漿技術(shù)可改善圍巖完整性，增加錨桿的粘結(jié)長度，達(dá)到恢復(fù)錨固力的作用。為強采動作用下的巷道預(yù)應(yīng)力錨桿支護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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.3 需要進(jìn)一步研究的問題

1.4 研究內(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變形破壞機理

2.5 深部巷道強力支護策略

2.6 本章小節(jié)

3 深部巷道協(xié)同支護理論

3.1 協(xié)同支護的基本思想

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

3.3 主次承載區(qū)支護協(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)同承載性能試驗研究

4.1 強力護表支架選型

4.2 試驗概況

4.3 試驗裝置與試驗方法

4.4 試驗過程與破壞形式

4.5 試驗結(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)同控制圍巖機理

5.4 鋼管混凝土支架-錨索協(xié)同支護設(shè)計建議

5.5 本章小節(jié)

6 鋼管混凝土支架-錨索協(xié)同支護設(shè)計與工程實踐

6.1 錨索協(xié)同下鋼管混凝土支架設(shè)計方法

6.2 錢家營煤礦八采區(qū)軌道下山破壞情況

6.3 支護方案設(shè)計

6.4 支護效果分析

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