潞安矿区沿空巷道三维锚索支护机理及应用研究

论文摘要

根据沿空巷道围岩运移特征,提出了新型三维锚索支护技术,通过具有强初锚力三维锚索的作用,使围岩处于三向受压状态,提高围岩整体性,控制巷道围岩的变形。综合运用弹塑性理论和壳体理论等知识,建立了新型三维锚索支护对应的闭合圆柱壳、开口圆柱壳、加劲开口圆柱壳等空间网壳结构力学分析模型,通过多种数学变换和简化得到了加劲开口圆柱壳应力计算的解析式。试验研究了巷道围岩的力学性质和巷帮钻孔卸压效果,特别对不同围压下煤样的力学特性和破坏特征进行了探讨。首次开发了沿空巷道三维锚索支护的相似模拟试验技术,在模型中实现了预应力锚杆和三维锚索支护,分析了三维锚索支护下沿空巷道围岩的运移特征。通过数值计算和现场实践等手段,详细讨论了支护强度、巷道断面尺寸、卸压孔布置方式及工作面采深对巷道顶板、底板、实体煤帮及小煤柱帮岩体的应力和变形分布规律的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 详细摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 沿空掘巷上覆岩层活动规律研究概况
• 1.2.2 沿空掘巷护巷煤柱研究概况
• 1.2.3 沿空掘巷围岩控制研究概况
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 1.4 论文研究的重点及难点
• 1.5 预计创新性成果
• 2 煤岩物理力学性质研究
• 2.1 地质条件
• 2.2 岩石基本力学特性
• 2.2.1 岩石单轴压缩试验力学特性
• 2.2.2 岩石拉伸试验力学特性
• 2.2.3 岩石三轴试验力学特性
• 2.3 岩石全应力应变曲线
• 2.3.1 单轴压缩试验岩石全应力应变曲线
• 2.3.2 岩石劈裂试验全应力应变曲线
• 2.3.3 岩石三轴试验全应力应变曲线
• 2.3.4 岩石试验试样破坏形式
• 2.4 煤巷钻孔卸压效果的物理试验
• 2.4.1 试验结果
• 2.4.2 试验结果分析
• 2.5 本章小结
• 3 三维锚索支护理论
• 3.1 三维锚索支护原理
• 3.1.1 普通锚杆的支护机理
• 3.1.2 三维锚索支护机理
• 3.2 一般柱形壳的基本方程
• 3.2.1 柱形壳无矩理论的基本方程
• 3.2.2 柱形壳弯矩理论的基本方程及其一般解法
• 3.3 闭合圆柱壳理论
• 3.3.1 无矩薄壳理论求解
• 3.3.2 圆柱壳弯矩理论求解
• 3.4 开口圆柱壳理论
• 3.4.1 无矩薄壳理论求解
• 3.4.2 圆柱壳弯矩理论求解
• 3.5 加劲开口圆柱壳理论
• 3.6 新型三维锚索支护围岩变形算例分析
• 3.7 本章小结
• 4 沿空巷道三维锚索支护围岩应力分布规律
• 4.1 数值计算模型
• 4.1.1 三维有限差分计算程序FLAC3D概述
• 4.1.2 模型的设计原则
• 4.1.3 围岩力学参数的选取
• 4.1.4 数值计算模型建立
• 4.1.5 数值模拟方案
• 4.2 断面尺寸对巷道围岩应力分布影响分析
• 4.3 锚索不同预应力对围岩作用结果分析
• 4.4 钻孔卸压巷道围岩应力分布规律研究
• 4.4.1 卸压孔布置方式设计
• 4.4.2 不同卸压孔布置条件下巷道围岩应力分布特征
• 4.5 不同采深下三维支护沿空巷道围岩应力分布规律研究
• 4.6 三维支护锚杆、锚索受力分析
• 4.7 本章小结
• 5 沿空巷道三维锚索支护围岩变形规律
• 5.1 断面尺寸对巷道围岩变形规律影响分析
• 5.2 新型三维支护与普通支护巷道围岩变形特征
• 5.3 钻孔卸压巷道围岩变形规律研究
• 5.3.1 不同卸压孔布置条件下巷道两帮水平位移特征
• 5.3.2 不同卸压孔布置条件下巷道顶底板垂直位移特征
• 5.4 不同采深下三维支护沿空巷道围岩变形规律研究
• 5.5 本章小结
• 6 沿空巷道三维锚索支护围岩稳定性控制分析
• 6.1 三维锚索支护模型
• 6.1.1 相似模拟理论
• 6.1.2 生产地质条件
• 6.1.3 相似模拟试验设计
• 6.1.4 测试方法及测点布置
• 6.1.5 模型加载与试验过程
• 6.2 三维锚索支护围岩应力分布特征
• 6.2.1 巷道底板围岩应力变化特征分析
• 6.2.2 巷道顶板围岩应力变化特征分析
• 6.2.3 巷道两帮围岩应力变化特征分析
• 6.2.4 煤柱上方围岩应力变化特征分析
• 6.3 三维锚索支护围岩变形特征
• 6.3.1 试验巷道及采空区变形特征
• 6.3.2 巷道顶底变形规律分析
• 6.3.3 巷道两帮变形规律分析
• 6.3.4 覆岩结构变形及裂隙发育观测
• 6.4 本章小结
• 7 沿空巷道三维锚索支护实践
• 7.1 采矿地质条件
• 7.2 三维锚索支护设计
• 7.3 新型三维支护方案的实施
• 7.3.1 掘进施工技术及组织管理
• 7.3.2 试验巷道掘进支护施工工艺
• 7.4 围岩变形规律实测
• 7.4.1 控制效果
• 7.4.2 实测结果
• 7.5 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 论文创新点
• 8.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介