基于非线性分析的锚注支护机理研究

论文摘要

地下岩层在巷道开挖前处于平衡状态，巷道一旦开挖，围岩应力将失去平衡，为了维持岩石的平衡状态，应力将重新分布，在分布的过程中，如果岩石的强度不够，围岩失去稳定，巷道将受到破坏，因此，对围岩必须采取控制措施，即围岩控制。控制围岩的方法因岩石性质、断面大小、服务年限，特别是地应力对巷道的影响不同而各异。我国常用的支护有木支护、各类金属支架支护、料石或混凝土砌碹支护、锚杆及锚喷支护等，国外常用的主要支护形式为锚杆支护、各类金属支架支护，这些支护我们统称为传统支护方式。 随着开采深度的增加，开采范围的扩大，不稳定及极不稳定围岩（以下简称软岩）与日俱增，这严重影响矿井机械化水平的提高和矿井的正常生产，国内外不少专家学者长期致力于软岩支护的研究，取得了丰硕成果。 锚注支护是软岩工程加固中正在推广应用的支护形式，锚注支护具有施工速度快、效果好、工程造价低等优点。但目前存在针对锚注支护结构的理论研究成果少，支护参数的选择只能通过实验和类比的方法得到等不足，本文在充分分析深部软岩出现的拉压域现象和分区裂化现象的基础上，提出了软岩巷道原围岩“力学计算模型”和锚注支护体“嵌套式力学分析计算模型”，为理论计算提供了依据。针对提出的力学计算模型进行了位移和应力的弹塑性理论分析，得到了计算模型不同区域的应力、位移表达式以及围岩塑性区半径、锚注区半径与锚杆初锚力之间的控制关系式。依据理论分析结果分析了锚注支护机理，并提出了锚注支护定量控制设计的方法和步骤。应用非线性突变理论，建立了圆形巷道有效承载圈和锚注支护圈的突变失稳模型，提出了有效承载岩体和锚注圈失稳的力学判据。该判据揭示了巷道围岩压力和采动影响力变化过程对有效承载岩体和锚注支护体的稳定性影响规律。同时提出了保持锚注支护体稳定的最小厚度计算公式，并提出了确定软岩巷道锚注支护圈厚度的厚径比系数的概念和计算表达式为：δ=h/r0=（（4P0）/E）1/3，锚注圈的厚度计算表达式为：h=（（2δ）/（2-δ））d。 本文以淮北祁南矿的巷道加固为工程背景，利用提出的力学分析模型和应力、应变计算公式以及锚注圈的突变分析模型对典型巷道的加固处理进行理论分析和研究，并利用三维有限元计算软件对典型巷道进行数值计算，同时对工程进行了工程实测研究，对理论分析结果、数值模拟结果和实际观测结果进行对比分析，从分析结果看，本文提出

论文目录

• 声明
• AFFIRMATION
• 摘要
• ABSTRACT
• 1、绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 软岩工程技术研究现状综述
• 1.3 对软岩工程支护技术研究现状的综合评述
• 1.4 研究内容、方法和目标
• 2、软岩与锚注支护结构力学嵌套模型
• 2.1 软岩的性质和分类
• 2.2 锚注支护机理分析
• 2.3 深部围岩变形力学形态——拉压域特征
• 2.4 深部岩体工程响应中的静力特征科学现象
• 2.5 软岩锚注结构“多层嵌套式力学分析计算模型”的提出
• 2.6 大量的锚注工程实际测量结果证明计算模型的实际存在性
• 2.7 本章小结
• 3、锚注支护结构弹塑性分析
• 3.1 锚注支护和围岩共同作用的分析
• 3.2 弹塑性力学分析
• 3.3 注浆区应力和位移分析
• 3.4 软岩巷道锚注支护参数分析
• 3.5 锚注支护结构设计应用的步骤
• 3.6 算例
• 3.7 本章小结
• 4、锚注支护结构的非线性分析——突变失稳分析
• 4.1 岩体失稳研究与非线性科学的发展
• 4.2 突变失稳现象和突变失稳理论的发展
• 4.3 突变理论和传统弹性及弹塑性理论分析的区别
• 4.4 突变理论的数学基础
• 4.5 巷道岩体和锚注支护体失稳的突变模型
• 4.6 本章小结
• 5、软岩巷道锚注支护在工程中的应用
• 5.1 试验巷道工程概况
• 5.2 内注浆锚杆结构与锚注工艺简介
• 5.3 支护结构参数选择和设计
• 5.4 试验巷道的数值模拟
• 5.5 数值计算结果、理论分析结果和实际检测结果的比较
• 5.6 利用突变模型对巷道锚注圈破坏时最低压力和锚注圈最小厚度的估算
• 5.7 本章小结
• 6、结论
• 主要科研和成果
• 致谢
• 附录
• 参考文献
• 中文详细摘要