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软岩巷道让压壳—网壳耦合支护机理与技术研究

李冲  
【摘要】:软岩巷道支护问题至今没有完全解决,特别是高应力泥化软岩巷道支护难度大,往往需要返修多次才能控制巷道长期稳定,严重影响生产安全和浪费大量巷修费用,软岩巷道稳定性控制已成为煤矿亟待解决的重大技术难题。本文以曲江矿850m东皮带大巷(高应力泥化软岩巷道)为工程背景,围绕高应力泥化软岩巷道稳定性控制问题,综合运用数值模拟、理论分析、实验室试验、现场监测和工业性试验等方法,对软岩巷道让压壳网壳耦合支护机理与技术进行系统研究,取得了如下主要创新成果: (1)进行了泥质粉砂岩三轴蠕变试验,建立了泥质粉砂岩蠕变全过程的粘弹塑性蠕变模型,并推导出该蠕变模型的本构方程;采用FLAC3D软件,分析并得到了高应力泥化软岩巷道流变规律以及塑性区分布规律。 (2)提出了让压壳的概念,给出了让压壳的构筑条件、支护作用特点、支护内涵,并推导出让压壳厚度的计算式,分析了软岩巷道让压壳支护强度,确定了东皮带大巷让压壳支护强度与厚度。 (3)建立了全长锚固预应力锚杆支护力学模型,系统研究了短细密锚杆支护作用机理,推导出锚杆轴应力和剪应力计算式;推导出围岩沿锚杆轴向、径向和环向的应力计算式,分析并得到了预紧力、锚杆长度、直径与锚杆轴应力和剪应力的关系;分析并得到了锚杆长度与预紧力对围岩应力的影响规律;采用FLAC软件,分析并得到了锚杆长度与支护密度对软岩巷道围岩变形的影响规律。 (4)提出了让压壳网壳耦合支护技术,分析了让压壳网壳耦合支护原理,提出了“限压让压、让压抗压、限让适度、让抗协调”的二次支护原则,给出了让压壳网壳耦合支护技术关键与控制方法;推导出软岩巷道预留让压空间的计算式,并确定了东皮带大巷预留让压空间大小为38cm。 (5)将高应力泥化软岩巷道围岩划分为让压壳(在破裂区内)、破裂区、塑性区及弹性区,基于粘弹塑性理论,考虑围岩蠕变与扩容,推导出塑性区半径、破裂区半径以及让压壳半径的计算式及各分区应力表达式,分析了让压壳变形以及变形过程中能量释放,确定了东皮带大巷让压壳网壳耦合支护强度与时机。 (6)依据软岩巷道让压壳网壳耦合支护理论与技术,确定了曲江矿850m东皮带大巷围岩控制方案与参数,并进行了工业性试验。现场应用表明,采用“合理断面形状及尺寸+卸压控顶施工技术与工艺+让压壳+预留让压空间+锚索补强+网壳衬砌支架”的施工技术和支护方式较好地控制了850m东皮带大巷围岩有害变形,确保东皮带大巷长期安全稳定。


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