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高应力软岩回采巷道预应力锚杆—锚索支护技术研究

白启树  
【摘要】:煤炭作为我国主要能源在国民经济中占据主足轻重的地位。煤矿回采巷道支护技术作为煤矿生产中的关键一环,如何降低成本、提高工效、减少维护是摆在我们面前的主要课题,目前大型矿井中80%以上都是煤巷,随着我国煤矿开采强度与规模的不断增大和现代化综合机械化程度的大幅度提高,厚煤层综采放顶煤开采、综采一次性采全高等要求巷道的断面要求越来越大。随着煤矿开采水平的不断加深,高应力软岩巷道支护问题越来越突出,近些年来,锚网索支护技术己成为大断面回采巷道的主要方式。它具有支护强度大、成本低等许多优点,锚网索应用为解决大断面煤层回采巷道支护问题提供了一种有效方法。然而,预应力锚网索支护理论研究远落后于工程实践,特别是对于预应力锚杆与锚索联合支护高应力软岩回采巷道的变形特性还未见报道,为此,论文以马临煤矿C8煤层回采巷道支护问题为背景,针对高应力软岩回采巷道的流变问题,开展回采巷道围岩变形特征和破坏机理研究,通过流变试验,建立回采巷道锚杆与围岩支护流变本构模型,利用FLAC3D数值模拟,研究不同预紧力锚杆与锚索支护高应力软岩回采巷道的变形机理。并将研究成果应用于高应力软岩支护巷道中。通过研究取得了以下成果: 1)基于泥质粉砂岩常规三轴压缩试验,通过建立不同围压对软岩峰后软化的力学模型,研究不同围压下泥质粉砂岩的峰后应变软化特征。以广义粘聚力c和广义内摩擦角来表征的软岩后继屈服面模型,并利用莫尔应力圆确定不同等效塑性剪切应变εps和不同围压σ3条件下广义粘聚力c和广义内摩擦角。 2)依据软岩三轴压缩的分级加载蠕变试验曲线的规律与时效特征,建立了高应力下泥质粉砂岩Burgers粘弹性流变模型,并依据粘弹塑性力学的基本理论,推导了该模型的一维蠕变本构方程,进而借助非线性回归分析辨识了模型参数。对巷道围岩流变分析,得出了巷道围岩位移的粘弹性解,分析了围岩变形与应力、巷道半径、岩性及支护体之间的关系。 3)运用Monte-Carlo随机数生成方法对回采巷道结构面进行网络模拟,从而对岩体质量进行评价,在此基础上提出回采巷道岩体力学参数估算方法。给出了回采巷道岩体力学参数建议值。 4)通过建立高应力软岩回采巷道锚杆——锚索与围岩联合支护三维流变本构模型,分析预应力锚杆——锚索与围岩的作用机理。采用有限差分数值计算软件FLAC3D对高应力软岩回采巷道应力场和位移场进行数值模拟,系统研究高垂直应力和高水平应力作用下软岩巷道锚杆(索)施加不同预紧力组合时围岩产生的应力场分布特征;不同锚杆间距回采巷道围岩应力场分布特征。给出了围岩变形、应力随着时间推移的变化规律。 5)研究了不同支护强度、预紧力对高应力软岩巷道围岩的控制作用,揭示了高应力软岩巷道围岩初期变形破坏具有不可克服性,建立了支护体让压支护的力学模型,分析了不同自由让压距离和不同极限变形量对让压支护效果的影响。 6)开展高应力软岩回采巷道预应力锚杆与锚索协调支护研究,提出了预应力锚杆、锚索协调支护的理念,通过预应力锚杆与锚索联合支护形成的组合拱构建了巷道“次生承载层”,从而实现对高应力软岩回采巷道预应力锚杆与锚索联合支护参数优化。研究结果表明:合理的支护密度,必须确保锚杆群支护产生压应力区连成整体并相互叠加形成组合拱对顶板起支撑作用;在支护密度一定时,锚杆的长度是确保锚杆形成的次生承载层的稳定,锚杆长度增加不会改变巷道的支护效果,锚杆长度只需满足顶板形成组合拱的厚度。 6)针对高应力软岩回采巷道支护技术存在的问题,将研究成果应用于马临矿2083回采巷道,通过现场观测,该支护体系能有效地控制回采巷道围岩变形和蠕变,巷道的稳定性大大提高。


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