高應力軟巖回采巷道預應力錨桿——錨索支護技術研究.pdf

1、煤炭作為我國主要能源在國民經(jīng)濟中占據(jù)主足輕重的地位。煤礦回采巷道支護技術作為煤礦生產(chǎn)中的關鍵一環(huán)，如何降低成本、提高工效、減少維護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，隨著我國煤礦開采強度與規(guī)模的不斷增大和現(xiàn)代化綜合機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越大。隨著煤礦開采水平的不斷加深，高應力軟巖巷道支護問題越來越突出，近些年來，錨網(wǎng)索支護技術己成為大斷面回采巷道的主

2、要方式。它具有支護強度大、成本低等許多優(yōu)點，錨網(wǎng)索應用為解決大斷面煤層回采巷道支護問題提供了一種有效方法。然而，預應力錨網(wǎng)索支護理論研究遠落后于工程實踐，特別是對于預應力錨桿與錨索聯(lián)合支護高應力軟巖回采巷道的變形特性還未見報道，為此，論文以馬臨煤礦C8煤層回采巷道支護問題為背景，針對高應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理研究，通過流變試驗，建立回采巷道錨桿與圍巖支護流變本構模型，利用FLAC3D數(shù)值模擬，研究不

3、同預緊力錨桿與錨索支護高應力軟巖回采巷道的變形機理。并將研究成果應用于高應力軟巖支護巷道中。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，通過建立不同圍壓對軟巖峰后軟化的力學模型，研究不同圍壓下泥質(zhì)粉砂巖的峰后應變軟化特征。以廣義粘聚力(c)和廣義內(nèi)摩擦角(φ)來表征的軟巖后繼屈服面模型，并利用莫爾應力圓確定不同等效塑性剪切應變εps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加載蠕變試驗曲線的規(guī)律與時效特征，建立了高應力下泥質(zhì)粉砂巖Burgers粘彈性流變模型，并依據(jù)粘彈塑性力學的基本理論，推導了該模型的一維蠕變本構方程，進而借助非線性回歸分析辨識了模型參數(shù)。對巷道圍巖流變分析，得出了巷道圍巖位移的粘彈性解，分析了圍巖變形與應力、巷道半徑、巖性及支護體之間的關系。
　　3）運用Monte-Carlo隨機數(shù)生成方法對回采巷道結構面進行網(wǎng)絡模擬，從而對巖體質(zhì)量進行評價，在此基礎上提出回采

5、巷道巖體力學參數(shù)估算方法。給出了回采巷道巖體力學參數(shù)建議值。
　　4）通過建立高應力軟巖回采巷道錨桿——錨索與圍巖聯(lián)合支護三維流變本構模型，分析預應力錨桿——錨索與圍巖的作用機理。采用有限差分數(shù)值計算軟件FLAC3D對高應力軟巖回采巷道應力場和位移場進行數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究高垂直應力和高水平應力作用下軟巖巷道錨桿(索)施加不同預緊力組合時圍巖產(chǎn)生的應力場分布特征；不同錨桿間距回采巷道圍巖應力場分布特征。給出了圍巖變形、應力隨著時間推

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

7、桿與錨索聯(lián)合支護參數(shù)優(yōu)化。研究結果表明：合理的支護密度，必須確保錨桿群支護產(chǎn)生壓應力區(qū)連成整體并相互疊加形成組合拱對頂板起支撐作用；在支護密度一定時，錨桿的長度是確保錨桿形成的次生承載層的穩(wěn)定，錨桿長度增加不會改變巷道的支護效果，錨桿長度只需滿足頂板形成組合拱的厚度。
　　6）針對高應力軟巖回采巷道支護技術存在的問題，將研究成果應用于馬臨礦2083回采巷道，通過現(xiàn)場觀測，該支護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