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深部回采巷道耦合支护机理及其应用研究

卫进  
【摘要】:随着煤炭资源开采深度的不断增加,回采巷道破碎范围大、变形量大、难以维护的特点逐渐显现出来,深部回采巷道支护机理和支护技术越来越成为煤矿生产与安全的重要课题。在对深部回采巷道支护失效分析的基础上,结合现有深部巷道支护理论和技术成果,提出了“支架-锚固体-围岩”耦合支护机理,并开发了大变形回采巷道循环支架。采用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法对深部回采巷道支护机理和技术进行了系统的研究,主要研究内容和结果如下: (1)在剖析深部回采巷道围岩变形特征及破碎特性的基础上,借助数值模拟手段分析了锚索棚联合支护失效过程,揭示了锚杆、锚索、棚式支护之间不耦合和棚式支护变形量小是导致联合支护失效的原因。 (2)借助弹塑性理论,推导出深部回采巷道围岩塑性区和破碎区半径、围岩应力及围岩位移的表达式,进而揭示出增大巷道支护阻力和提高破碎区围岩残余强度是控制深部巷道围岩变形的两种方式。在对支护促使巷道围岩稳定作用和锚杆加固强化作用研究的基础上,提出了“支架—锚固体—围岩”耦合支护机理。 (3)根据深部回采巷道“支架-锚固体-围岩”耦合支护机理,总结出支架的设计依据及原则。并结合某矿4333工作面回采巷道地质条件和相关参数,研究开发了大变形回采巷道循环支架。利用现代设计方法建立了三维实体模型,对其稳定性进行了有限元分析。 (4)通过数值模拟手段,研究了巷道掘进和回采过程中“支架-锚固体-围岩”耥合支护的相互关系,分析了耦合支护对回采巷道围岩变形、应力分布、塑性区发展的作用。 (5)将上述研究成果应用于回采巷道支护工程实践中,通过现场监测,表明应用“支架-锚固体-围岩”耦合支护机理和大变形循环支架在深部回采巷道围岩控制中是有效的。


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