高應(yīng)力軟巖回采巷道預(yù)應(yīng)力錨桿——錨索支護(hù)技術(shù)研究.pdf

1、煤炭作為我國(guó)主要能源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)主足輕重的地位。煤礦回采巷道支護(hù)技術(shù)作為煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵一環(huán)，如何降低成本、提高工效、減少維護(hù)是擺在我們面前的主要課題，目前大型礦井中80％以上都是煤巷，隨著我國(guó)煤礦開采強(qiáng)度與規(guī)模的不斷增大和現(xiàn)代化綜合機(jī)械化程度的大幅度提高，厚煤層綜采放頂煤開采、綜采一次性采全高等要求巷道的斷面要求越來(lái)越大。隨著煤礦開采水平的不斷加深，高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問題越來(lái)越突出，近些年來(lái)，錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)己成為大斷面回采巷道的主

2、要方式。它具有支護(hù)強(qiáng)度大、成本低等許多優(yōu)點(diǎn)，錨網(wǎng)索應(yīng)用為解決大斷面煤層回采巷道支護(hù)問題提供了一種有效方法。然而，預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)理論研究遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐，特別是對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)高應(yīng)力軟巖回采巷道的變形特性還未見報(bào)道，為此，論文以馬臨煤礦C8煤層回采巷道支護(hù)問題為背景，針對(duì)高應(yīng)力軟巖回采巷道的流變問題，開展回采巷道圍巖變形特征和破壞機(jī)理研究，通過流變?cè)囼?yàn)，建立回采巷道錨桿與圍巖支護(hù)流變本構(gòu)模型，利用FLAC3D數(shù)值模擬，研究不

3、同預(yù)緊力錨桿與錨索支護(hù)高應(yīng)力軟巖回采巷道的變形機(jī)理。并將研究成果應(yīng)用于高應(yīng)力軟巖支護(hù)巷道中。通過研究取得了以下成果：
　　1）基于泥質(zhì)粉砂巖常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，通過建立不同圍壓對(duì)軟巖峰后軟化的力學(xué)模型，研究不同圍壓下泥質(zhì)粉砂巖的峰后應(yīng)變軟化特征。以廣義粘聚力(c)和廣義內(nèi)摩擦角(φ)來(lái)表征的軟巖后繼屈服面模型，并利用莫爾應(yīng)力圓確定不同等效塑性剪切應(yīng)變?chǔ)舙s和不同圍壓σ3條件下廣義粘聚力(c)和廣義內(nèi)摩擦角(φ)。
　　2）依據(jù)

4、軟巖三軸壓縮的分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)曲線的規(guī)律與時(shí)效特征，建立了高應(yīng)力下泥質(zhì)粉砂巖Burgers粘彈性流變模型，并依據(jù)粘彈塑性力學(xué)的基本理論，推導(dǎo)了該模型的一維蠕變本構(gòu)方程，進(jìn)而借助非線性回歸分析辨識(shí)了模型參數(shù)。對(duì)巷道圍巖流變分析，得出了巷道圍巖位移的粘彈性解，分析了圍巖變形與應(yīng)力、巷道半徑、巖性及支護(hù)體之間的關(guān)系。
　　3）運(yùn)用Monte-Carlo隨機(jī)數(shù)生成方法對(duì)回采巷道結(jié)構(gòu)面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬，從而對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上提出回采

5、巷道巖體力學(xué)參數(shù)估算方法。給出了回采巷道巖體力學(xué)參數(shù)建議值。
　　4）通過建立高應(yīng)力軟巖回采巷道錨桿——錨索與圍巖聯(lián)合支護(hù)三維流變本構(gòu)模型，分析預(yù)應(yīng)力錨桿——錨索與圍巖的作用機(jī)理。采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件FLAC3D對(duì)高應(yīng)力軟巖回采巷道應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究高垂直應(yīng)力和高水平應(yīng)力作用下軟巖巷道錨桿(索)施加不同預(yù)緊力組合時(shí)圍巖產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)分布特征；不同錨桿間距回采巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征。給出了圍巖變形、應(yīng)力隨著時(shí)間推

6、移的變化規(guī)律。
　　5)研究了不同支護(hù)強(qiáng)度、預(yù)緊力對(duì)高應(yīng)力軟巖巷道圍巖的控制作用，揭示了高應(yīng)力軟巖巷道圍巖初期變形破壞具有不可克服性，建立了支護(hù)體讓壓支護(hù)的力學(xué)模型，分析了不同自由讓壓距離和不同極限變形量對(duì)讓壓支護(hù)效果的影響。
　　6）開展高應(yīng)力軟巖回采巷道預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索協(xié)調(diào)支護(hù)研究，提出了預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索協(xié)調(diào)支護(hù)的理念，通過預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)形成的組合拱構(gòu)建了巷道“次生承載層”，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高應(yīng)力軟巖回采巷道預(yù)應(yīng)力錨

7、桿與錨索聯(lián)合支護(hù)參數(shù)優(yōu)化。研究結(jié)果表明：合理的支護(hù)密度，必須確保錨桿群支護(hù)產(chǎn)生壓應(yīng)力區(qū)連成整體并相互疊加形成組合拱對(duì)頂板起支撐作用；在支護(hù)密度一定時(shí)，錨桿的長(zhǎng)度是確保錨桿形成的次生承載層的穩(wěn)定，錨桿長(zhǎng)度增加不會(huì)改變巷道的支護(hù)效果，錨桿長(zhǎng)度只需滿足頂板形成組合拱的厚度。
　　6）針對(duì)高應(yīng)力軟巖回采巷道支護(hù)技術(shù)存在的問題，將研究成果應(yīng)用于馬臨礦2083回采巷道，通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，該支護(hù)體系能有效地控制回采巷道圍巖變形和蠕變，巷道的穩(wěn)定性大