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《山东科技大学》 2007年
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综放回采巷道围岩裂纹扩展与类板结构及其非均称控制

代进  
【摘要】: 本文就巷道围岩破碎区与塑性区内的裂隙扩展、弱结构破坏效应、非均称控制机理等方面开展了深入研究。 裂纹的产生与发展并非巷道失稳破坏的直接原因,在生产现场中几乎所有巷道围岩中都发育着宏观裂纹,且大部分都是穿透岩层的裂纹,但这些巷道仍能够正常使,这是因为岩体被穿透性的裂纹切割以后,未受损伤的部分岩体仍然能够形成新的力学平衡结构。虽然这种结构的承载能力受到很大削弱,但在高应力转移后的低应力环境下,这种结构仍然能够维持其平衡,进而继续维持着巷道围岩的稳定。当巷道围岩应力的再次分布时,这种结构的力学平衡可能被打破,这些结构的失稳破坏最终导致巷道围岩的失稳破坏。 研究表明巷道围岩的变形破坏带有明显的局部化行为特征,高地应力作用下,围岩变形局部化导致裂纹的产生和扩展,大多数裂纹的扩展是以翼型裂纹方式进行的,裂纹发展到一定程度会在巷道围岩中产生“类板结构”,这种“类板结构”的形态与远应力场分布有密切的关系,其延伸方向与最大主应力方向平行。 研究还表明当“类板结构”再次受到压缩时就会发生屈曲或剪切,过度的屈曲或剪切会导致其失稳,并最终导致巷道围岩的失稳。在一定程度上锚杆支护可以对类板结构的屈曲加以控制,控制类板结的屈曲要考虑锚杆两个方面的参数,其一是锚杆的密度,可以通过控制一定长度类板结构所需要锚杆的个数来计算。另一个参数是锚杆的刚度,可以通过控制n个弹性支座上类板结构屈曲对弹性支座的刚度要求来确定。 控制“类板结构”稳定所需要的锚杆数目与“类板结构”的长度成线性增长关系,与原岩应力的大小成平抛物线增长关系;而与岩体弹性模量成负指数(-1/2)的幂函数曲线关系递减,与“类板结构”的厚度成负指数(-3/2)的幂函数曲线关系递减。因此,控制巷道围岩内部裂纹的发展是一种积极的支护方式。 控制“类板结构”稳定所需要的锚杆刚度与环境应力场的应力成半立方抛物线增大;与“类板结构”岩性刚度成负指数(-1/2)幂函数曲线关系递减;与“类板结构”厚度也成负指数(-3/2)的幂函数曲线关系递减。锚杆刚度对于“类板结构”的稳定非常重要,加大锚杆安装时的预应力可以增大锚杆的刚度。 研究对1304综放面上顺轨道巷围岩的工程地质进行了评估、研究了巷道围岩微观裂纹发展与围岩体软化的理论、巷道围岩宏观裂纹发展与稳定的理论:研究了1304综放面上顺轨道巷锚网带非均称支护机理与对策,工程应用取得了显著的技术经济效益。
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