深部巷道圍巖協(xié)同錨固機(jī)理研究與應(yīng)用.pdf

1、深部煤礦開采的一個(gè)關(guān)鍵問題是巷道圍巖穩(wěn)定性控制。近年來隨著錨固材料、設(shè)備和施工技術(shù)等方面的發(fā)展，錨網(wǎng)索錨固已成為煤礦巷道主導(dǎo)的控制方式。然而，錨固設(shè)計(jì)仍主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法而缺乏基礎(chǔ)理論指導(dǎo)，其不足主要體現(xiàn)為：一是錨固系統(tǒng)子系統(tǒng)內(nèi)部因素之間的協(xié)同作用不足，導(dǎo)致子系統(tǒng)功能得不到強(qiáng)化；二是子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用不足，從而帶來錨固系統(tǒng)沒有產(chǎn)生協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，表現(xiàn)出整體效能不足。這樣既不能有效保證錨固效果與安全性，也不利于提高掘進(jìn)效率。
　　論文

2、以煤礦深部巷道工程為研宄對(duì)象，將協(xié)同學(xué)原理應(yīng)用于巷道圍巖穩(wěn)定性控制。首先論證了協(xié)同學(xué)相關(guān)理論應(yīng)用于巷道錨固系統(tǒng)的可行性、合理性與適用性，建立包含錨固系統(tǒng)、圍巖系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)在內(nèi)的深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制系統(tǒng)；通過分析巷道圍巖位移與錨固系統(tǒng)控制變量和狀態(tài)參量的相互關(guān)系，論證以位移作為協(xié)同錨固系統(tǒng)序參量的合理性，以此建立深部巷道圍巖協(xié)同錨固系統(tǒng)的力學(xué)模型；協(xié)同錨固系統(tǒng)在宏觀整體上大于各子系統(tǒng)之簡單總和，即產(chǎn)生“1+1>2”協(xié)同正效應(yīng)。

3、　　在此基礎(chǔ)上，論文通過理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和工程實(shí)踐等多種方法，多層面、多角度研宄協(xié)同錨固機(jī)理、作用機(jī)制和協(xié)同效應(yīng)，建立協(xié)同錨固技術(shù)體系與評(píng)價(jià)指標(biāo)，并多次應(yīng)用于工程實(shí)踐和取得良好效益，使協(xié)同錨固機(jī)理研宄與技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)一體化。
　　論文獲得以下主要結(jié)論和創(chuàng)新成果：
　　(1)通過研宄，證明了協(xié)同作用和協(xié)同效應(yīng)在巷道圍巖錨固系統(tǒng)中的客觀存在，并且可以通過調(diào)整和優(yōu)化錨固變量來更好地實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用和錨固系統(tǒng)的協(xié)同

4、效應(yīng)，能夠顯著地提高巷道錨固巖體的整體強(qiáng)度和剛度，促使巷道變形、圍巖應(yīng)力分布、錨桿（索）受力等都趨于均勻協(xié)調(diào)，從而明顯地提高巷道錨固巖體的承載能力和抗變形能力。
　　(2)提出協(xié)同增量AS；和協(xié)同指數(shù)^的概念和計(jì)算方法，并分別作為協(xié)同作用和協(xié)同效應(yīng)程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)AS;>0時(shí)，表明產(chǎn)生協(xié)同作用，其值越大作用越強(qiáng)；當(dāng)AS;<0時(shí)，表明沒有產(chǎn)生協(xié)同作用或產(chǎn)生負(fù)作用；當(dāng)AS；=0時(shí)，表明處于協(xié)同作用“臨界”狀態(tài)。對(duì)應(yīng)地，當(dāng)會(huì)>0時(shí)，表

5、明產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，且其值愈大，協(xié)同效應(yīng)愈強(qiáng)；當(dāng)€<0時(shí)，表明沒有產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)或產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)；當(dāng)會(huì)=0時(shí)，表明處于協(xié)同效應(yīng)“臨界”狀態(tài)。
　　(3)通過試驗(yàn)，研宄錨桿預(yù)緊力、布置密度和組合構(gòu)件對(duì)錨固體的錨固作用，獲得了在一定預(yù)緊力作用下單根、兩根錨桿對(duì)錨固體內(nèi)協(xié)同作用、協(xié)同效應(yīng)和應(yīng)力場(chǎng)分布的作用規(guī)律。采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，獲知錨桿預(yù)緊力與密度共同作用時(shí)，錨桿密度對(duì)錨固體內(nèi)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)范圍的影響更為明顯。另外，組合構(gòu)件的使用，能夠增強(qiáng)錨固

6、巖體內(nèi)的協(xié)同作用程度和協(xié)同效應(yīng)范圍，并讓錨固體表面得到更加有效的控制。
　　(4)通過模擬，獲知錨桿（索）預(yù)緊力、密度、長度、角度等錨固變量內(nèi)部及相互之間均存在協(xié)同作用關(guān)系，且當(dāng)它們之間的協(xié)同關(guān)系得到滿足時(shí)，能夠使錨固系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同作用和協(xié)同效應(yīng)，從而帶來系統(tǒng)功能在宏觀整體上大于各子系統(tǒng)、要素之簡單總和，而協(xié)同關(guān)系沒有得到滿足時(shí)則不會(huì)產(chǎn)生“1+1>2”的協(xié)同效應(yīng)現(xiàn)象。
　　(5)在錨固變量的協(xié)同作用下，沿錨桿鉆裝方向，錨固體內(nèi)

7、協(xié)同效應(yīng)范圍呈現(xiàn)出軸向長、橫向短的“橄欖球”型形狀，且協(xié)同效應(yīng)范圍隨著錨固變量的變化而變化，并在軸向上表現(xiàn)得更為敏感。另外，在非全長錨固作用下，錨固段錨桿與周圍巖體通過粘接作用形成一個(gè)“大托盤”，并對(duì)一定范圍內(nèi)的巖體產(chǎn)生明顯的擠壓和加固作用，有效提高了錨固巖體的強(qiáng)度和剛度，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)也進(jìn)一步豐富和完善了錨桿加固拱理論。
　　(6)建立錨桿（索）協(xié)同錨固作用的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，包括預(yù)緊力協(xié)同、結(jié)構(gòu)協(xié)同、變形協(xié)同、錨固時(shí)機(jī)協(xié)同、強(qiáng)度協(xié)同、