巷道松软两帮锚固支护理论研究

论文摘要

在煤矿巷道中，许多巷道的两帮岩体比较破碎，而且破碎区域较大，往往超出了锚杆可锚固范围，由于该类巷道两帮岩体的内聚力极小或几近丧失，因此，在这种岩体内形成的锚固体只能承受一定的挤压和剪切作用，而不能承受明显的拉应力。固体力学中根据厚度与宽度比不同的板状物分为薄膜、薄板和厚板(或“体”)。当物体具有薄膜或薄板的形状特征时(物体厚度与宽度之比小于1／5)，内部产生的拉应力将主导其变形和破坏；当物体具有“厚板”或“体”的形状特征时，内部的剪应力或压应力将成为其破坏的决定因素。故在巷道松软两帮内形成的锚固体必须具有“厚板”或“体”的形状特征，据此，本文提出巷道松软两帮厚锚固体支护原理。文中首先把两帮锚固体简化为固支和简支的梁式结构进行力学分析，在保持载荷与长度不变的前提下，对不同深度梁的变形及内部应力分布进行对照分析，结果发现：当梁的深度与长度之比小于3：10时，梁内拉应力较大，且随着梁的深度的增加，梁内拉应力迅速下降；当梁的深度与其长度之比大于3：10时，梁内拉应力较小，且随着深度的增加，梁内拉应力下降速度变得极为缓慢。为进一步掌握巷道松软两帮内锚固体厚高比与其力学效应的相关性，进行了大量的数值模拟实验，即：在巷道模型尺寸、材料力学参数、单元类型、网格尺寸以及边界约束与载荷不变的情况下，根据两帮锚固体厚度的不同共建十四个模型，并对不同厚度锚固体的变形与应力分布状况进行对比分析，结果表明：在高度为4m的巷道内，松软两帮内形成锚固体厚度小于1.2m时，随着锚固体厚度的增加，巷帮水平方向位移迅速减小，并且巷道两帮表面区域由受拉状态很快过度到受压状态，压应力以较快速度增加；当锚固体厚度大于1.2m时，随着锚固体厚度继续增加，巷道两帮水平方向位移减小速率极慢，且两帮锚固体主要表现为受压状态，其内部压应力增长速率减缓。所以，在高度为4m的巷道内，两帮锚固体厚度达到1.2m，即锚固体厚度与巷道高度之比为3：10较合理。基于上述力学理论分析以及大量的数值模拟实验结果，本文进一步提出在巷道松软两帮内形成的锚固体的厚度与巷道高度之比达到3：10较为合理。根据力学分析及数值模拟得出的相应结论，并结合锚杆作用机理的相关理论，给出了锚杆长度的确定原理及方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 锚杆支护理论概况
• 1.2.2 锚杆锚固机理研究概况
• 1.2.3 巷道两帮锚固支护理论及实践现状
• 1.3 本文研究的内容和方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 第二章 松软两帮锚固体内力分析
• 2.1 前言
• 2.2 巷道松软两帮锚固体力学分析
• 2.2.1 锚固体固支梁分析
• 2.2.2 锚固体简支梁分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 巷道松软两帮锚固体数值分析
• 3.1 前言
• 3.2 有限元基本原理
• 3.3 松软巷道两帮锚固体数值模拟
• 3.3.1 数值模拟方案设计
• 3.3.2 巷道模型计算结果及分析
• 3.3.3 松软巷道两帮锚固体变形、受力分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 巷道松软两帮锚固参数的确定原理
• 4.1 前言
• 4.2 锚固结构力学参数及锚杆密度的确定
• 4.2.1 锚固结构力学参数的确定
• 4.2.2 锚杆密度的确定
• 4.3 锚杆几何尺寸的确定原则
• 4.4 本章小结
• 第五章 现场成功应用实例
• 5.1 前言
• 5.2 实例一:某煤矿风桥锚固支护
• 5.2.1 该矿风桥围岩力学特征
• 5.2.2 风桥支护力学参数的确定
• 5.3 实例二:某煤矿2#煤层巷道锚固支护
• 5.3.1 地质力学条件
• 5.3.2 支护载荷的确定
• 5.3.3 锚杆布置方式的确定
• 5.3.4 锚杆长度的确定
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读研究生期间发表的学术论文
• 致谢