软岩巷道让压壳—网壳耦合支护机理与技术研究

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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。
致谢第5-6页
摘要第6-7页
Abstract第7-8页
Extended Abstract第9-14页
目录第14-19页
图清单第19-28页
表清单第28-31页
变量注释表第31-32页
1 绪论第32-48页
    1.1 研究背景及意义第32-33页
    1.2 国内外研究现状第33-44页
    1.3 研究存在的问题第44页
    1.4 研究内容及技术路线第44-48页
2 软岩巷道围岩应力与变形规律及其破坏特征第48-72页
    2.1 850m 东皮带大巷原支护方式及参数第48-53页
    2.2 软岩巷道变形规律及破坏特征第53-56页
    2.3 软岩巷道变形破坏的主要影响因素第56-58页
    2.4 软岩巷道围岩应力与变形规律数值模拟第58-70页
    2.5 本章小结第70-72页
3 软岩巷道围岩蠕变模型及流变规律研究第72-107页
    3.1 软岩基本流变理论第72-77页
    3.2 泥质粉砂岩三轴压缩蠕变特性试验第77-85页
    3.3 泥质粉砂岩流变模型建立及参数辨识第85-92页
    3.4 不同支护阻力围岩流变规律第92-105页
    3.5 本章小结第105-107页
4 让压壳的构筑及短细密锚杆支护机理第107-146页
    4.1 让压壳的构筑及支护作用第107-111页
    4.2 全长锚固预应力锚杆杆体受力特征第111-121页
    4.3 全长锚固预应力锚杆支护围岩应力计算第121-125页
    4.4 全长锚固围岩沿锚杆轴向应力分布规律第125-135页
    4.5 全长锚固围岩沿锚杆径向应力分布规律第135-144页
    4.6 本章小结第144-146页
5 让压壳-网壳耦合支护原理与技术第146-163页
    5.1 网壳支架结构及作用特点第146页
    5.2 让压壳 网壳耦合支护原理与技术关键第146-150页
    5.3 预留让压空间的确定第150-152页
    5.4 锚杆长度与密度对巷道变形控制作用数值模拟第152-161页
    5.5 本章小结第161-163页
6 让压壳-网壳耦合支护强度与支护时机确定第163-187页
    6.1 软岩巷道开挖瞬时围岩应力变形分析第163-165页
    6.2 软岩巷道让压壳支护围岩应力状态第165-172页
    6.3 软岩巷道让压壳支护围岩变形分析第172-176页
    6.4 软岩巷道让压壳支护强度与支护时机确定第176-183页
    6.5 软岩巷道网壳支护强度与支护时机确定第183-185页
    6.6 本章小结第185-187页
7 曲江矿软岩巷道围岩控制方案及工业性试验第187-222页
    7.1 东皮带大巷断面形状及尺寸的确定第187-192页
    7.2 网壳支架设计及承载能力分析第192-195页
    7.3 东皮带大巷支护方案及施工工艺第195-199页
    7.4 东皮带大巷让压壳 网壳耦合支护数值模拟第199-209页
    7.5 工业性试验与支护效果评价第209-219页
    7.6 本章小结第219-222页
8 结论与展望第222-226页
    8.1 主要结论第222-225页
    8.2 进一步研究的展望第225-226页
参考文献第226-237页
作者简历第237-241页
学位论文数据集第241页
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