深部破裂巷道围岩稳定强力协调支护控制研究

论文摘要

在深部煤矿高应力巷道的支护问题至今尚没有完全解决，特别是高应力破碎围岩巷道的支护问题日益突出，围岩控制困难，严重影响安全生产和施工成本。对高应力巷道稳定性机理及控制技术进行研究，对工程应用现实意义巨大。因此，本文以钱家营矿八采区轨道下山为工程背景，采用数值模拟、理论分析、实验室模拟试验和现场实测与工业性试验等手段，系统研究了深部高地应力巷道的大刚度强力支架-锚索协调支护机理与控制技术，并将研究成果成功应用到高应力破碎软岩巷道的工程实践中，取得了如下主要的创新性成果：（1）进行了粉砂岩三轴压缩的分级加载蠕变试验，提出了一种由广义开尔文体和非线性黏塑性体NVPB串联的蠕变力学模型，并推导了该蠕变模型的本构方程，基于蠕变试验结果采用非线性回归分析辨识了该模型的5个参数。将其编制成子程序代入ABAQUS中分析了巷道变形规律及锚网喷支护和钢架被动支护控制围岩稳定失效原因。（2）在主次承载区理论基础上提出了大刚度支架-锚索协调支护的思想，建立了支架-锚索协调承载的力学模型，研究了不同工况下支护结构的稳定性，提出了锚索协调支护的原则。并进一步基于圆形巷道考虑应变软化的弹塑性分析确定了锚索设计的长度及支护时机。（3）借助物理模拟实验与数值模拟手段分析了钢管混凝土支架的承载性能，得到了钢管混凝土支架-锚索支护结构在不同工况下的应力分布规律和变形特征，讨论了支架参数对支架承载性能的影响规律，给出了钢管混凝土支架-锚索协调支护设计要点。（4）采用数值分析方法研究了钢管混凝土支架-锚索协调支护结构控制围岩稳定机理，得到了巷道围岩塑性区随支护结构与荷载步的变化规律，揭示了锚索预应力对巷道围岩稳定的控制作用。（5）针对钱家营矿八采区轨道下山巷道存在的问题，依据大刚度钢管混凝土支架-锚索协调支护理论与技术，确定了“锚网喷初期支护+预留变形空间+支架背后背板填充+钢管混凝土支架+锚索协调”的支护方案。工程实践表明：该方案有效地控制了围岩的剧烈变形，保证了巷道的稳定。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• Extended Abstract
• 目录
• Contents
• 图清单
• 表清单
• 变量注释表
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 需要进一步研究的问题
• 1.4 研究内容与技术路线
• 2 深部巷道围岩变形破坏规律与稳定机理研究
• 2.1 八采区轨道下山工程概况
• 2.2 深部巷道围岩变形特征
• 2.3 深部高应力围岩基本力学性质与流变特性
• 2.4 深部巷道流变围岩支护变形破坏机理
• 2.5 深部巷道强力支护策略
• 2.6 本章小结
• 3 深部巷道协调支护理论
• 3.1 协调支护的基本思想
• 3.2 支架-锚索协调支护结构的力学分析
• 3.3 主次承载区支护协调作用的力学分析
• 3.4 本章小结
• 4 钢管混凝土支架-锚索协调承载性能实验研究
• 4.1 强力护表支架选型
• 4.2 实验概况
• 4.3 实验装置与实验方法
• 4.4 实验过程与破坏形式
• 4.5 实验结果与分析
• 4.6 本章小结
• 5 钢管混凝土支架-锚索协调控制围岩研究
• 5.1 钢管混凝土支架承载机理
• 5.2 参数分析
• 5.3 钢管混凝土支架-锚索协调控制围岩机理
• 5.4 钢管混凝土支架-锚索协调支护设计建议
• 5.5 本章小结
• 6 钢管混凝土支架-锚索协调支护设计与工程实践
• 6.1 锚索协调下钢管混凝土支架设计方法
• 6.2 钱家营煤矿八采区轨道下山破坏情况
• 6.3 支护方案设计
• 6.4 支护效果分析
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要研究成果
• 7.2 论文创新点
• 7.3 进一步的工作
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集