动压巷道锚固体大变形与锚固作用衰减机理

针对煤矿巷道预应力锚固控制技术，通过实验室实验、现场实测、力学建模分析、数值计算等综合研究手段，系统研究了初始托锚力与预紧力矩的转换关系；提出了临界预紧力矩的概念，分析了托锚力在掘采过程中的波动演化特征和影响因素，揭示了托锚力在围岩变形破坏过程中的演化规律；提出了协同承载原理，创新了稳定托锚力的技术方法，并开展了工程实践验证研究，主要结论如下： （1）分析了锚杆托锚力与预紧力矩的转换关系，托锚力沿轴向方向的应力分布情况和影响因素。通过测试常规系列锚杆在自制实验台及井下平层状岩石表面、煤体粗糙面和喷砼光面等3种工程界面预紧力矩和托锚力的转换关系，发现了扭矩系数趋于定值的现象，提出了临界预紧力矩的概念，即托锚力与预紧力矩线性增长且扭矩系数达到稳定时的扭矩，特定条件下测得的数值为200 N•m左右。 （2）基于层状岩体的锚固段粘结应和传递力学分析，修正了剪切滞力学模型，解释了层状岩体逐层脱粘累次破坏的现象，提出了渐次脱锚判据，揭示了托锚力振荡波动的机理。 （3）实测了7条深井巷道顶板64组锚杆和47组锚索的托锚力，得出了托锚力波动的基本规律。总结了影响托锚力波动的多种主要因素，包括层理数目、初始预紧力、采动应力和护表构件刚度等；归纳了掘采全过程工作托锚力演化的8种类型，利于工作托锚力稳定和围岩控制的类型有稳定型、跃升趋稳型、单一渐增型、单一缓降型和缓降趋稳型；不利于围岩稳定和安全的瞬降失效型、锯齿型振荡和台阶下降等类型。 （4）调研了多个矿井的锚杆支护巷道，分析了托锚力损耗与围岩破坏的关系，总结了产生托锚力完全损耗、部分损耗、无损耗的原因，及其对应的巷道支护失效、低效和大变形，并采用FLAC3D数值软件计算分析了锚杆预紧力的合理取值，提出了利用高预紧力锚索和高刚度护表构件消除锚杆尾端拉应力作用效用的协同承载技术体系，分析了锚固剂粘结性能、锚固长度等对此体系影响。 （5）基于协同承载原理，创新研制了均匀承载的碟形锚索托盘、带筋的高强T形钢带、带托盘的高强钢带和锚杆柔性锁紧结构等系列护表构件，形成了托锚力长时稳定的控制技术。 研究成果在淮南矿业集团潘一矿东区1252(1)首采工作面轨道顺槽沿空留巷、丁集矿1252(1)工作面轨道顺槽小煤柱沿空掘巷和大屯矿区孔庄矿-1 015水平混合井筒马头门的加固等地点进行了成功实践，取得了较好的社会和经济效益。 2100433B

高强预应力锚杆支护已成为我国煤矿的主要巷道支护形式，但由于采动应力的强烈作用，巷道锚固环境急剧恶化，锚固作用迅速衰减甚至失效，导致顶板事故或巷道强烈收敛变形。通过现场实测、实验分析、数值模拟和理论分析相结合的手段，研究动压巷道围岩应力分布特征及演化规律，锚固系统的物理效应、力学效应和结构效应，动态实时监测锚固工作状态和巷道围岩表面及岩体内部的精细位移监测，揭示外无效加固体诱导采动巷道大变形的机理；揭示出预应力加长锚固方式的锚固作用衰减呈现出二次或多次波动的更复杂规律，非传统全长锚固方式或端锚形式的增阻、恒阻、衰减的简单曲线规律；适时注浆技术可改善围岩完整性，增加锚杆的粘结长度，达到恢复锚固力的作用。为强采动作用下的巷道预应力锚杆支护和顶板安全控制提供理论保障和技术支持。

金属的热变形机构有滑移变形、孪生变形、晶界滑移、扩散蠕变。在不同条件下，·这四种变形机构在塑性变形中所占的份量和起的作用不尽相同。其中，晶内的滑移变形是最重要和大量的常见的机构。孪生变形一般在低温或常温高速应变时发生，对六方晶体结构金属这种机理比较重要。而晶界滑移和扩散蠕变只在高温时才可能发挥作用。影响这些变形机理发挥作用的主要因素是金属材料的组织结构、变形温度。但是，在热变形时，出现的动态回复，动态再结晶以及在压应力状态下扩散修复机理，对上述变形机构起着直接的调节和控制作用。

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煤矿开采过程中，在高应力状态下积聚有大量弹性能的煤或岩体，在一定的条件下突然发生破坏、冒落或抛出，而使能量突然释放，即呈现声响、震动、以及气浪等明显的动力效应。这些现象统称为煤矿动压现象。受采动影响或其他动力影响的巷道就叫做动压巷道 。

中文名称

动压巷道

英文名称

workings subject to dynamic pressure

定　　义

受采动影响或其他动力影响的巷道。

应用学科

煤炭科技（一级学科），煤矿开采（二级学科），矿山压力与岩层控制（三级学科）

1 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状及分析

1．3 研究内容

1．4 研究方法

2 锚杆预紧力对锚固体强度强化作用的研究

2．1 石蜡胶结材料配比试验

2．2 锚杆预紧力对锚固体强度强化的相似模拟试验

2．3 试验结果分析

3巷道围岩锚固体变形破坏特征的试验研究

3．1 引言

3．2 试验过程

3．3 无支护巷道围岩的变形破坏特征

3．4 巷道围岩顶板锚固体变形破坏特征

3．5 巷道围岩两帮锚固体变形破坏特征

3．6 锚固巷道围岩变形破坏特征

4 预紧力锚杆作用下锚固体的形成与失稳

4．1 锚固系统

4．2 锚固体的形成及影响因素

4．3 锚固体的失稳及影响因素

4．4 提高巷道围岩锚固体稳定性的技术措施

5 预紧力锚杆锚固体稳定性关键因素分析

5．1 锚固体稳定的关键因素

5．2 钻孔壁和树脂界面稳定性分析

5．3 锚杆杆体的破坏

5．4 护表构件的失效

6 预紧力锚杆支护巷道围岩锚固体稳定性判据

6．1 引言

6．2 基于关键层理论的巷道顶板压曲模型

6．3 无支护时巷道顶板压曲模型

6．4 预紧力锚杆作用下巷道顶板锚固体压曲模型

6．5 预紧力锚杆作用下巷帮锚固体稳定性分析

6．6 实例

7 工程实例

7．1 工程地质条件

7．2 支护设计

7．3 巷道围岩锚固体稳定性分析

7．4 不同预紧力锚杆对巷道围岩控制的数值模拟

7．5 动压巷道矿压显现规律的数值模拟

7．6 施工工艺

7．7 矿压监测和支护效果分析

参考文献2100433B