煤矿巷道协同锚固作用机理研究项目摘要

针对目前锚杆(索)锚固缺乏系统协同性考虑，导致巷道锚固失效、浪费或锚固不足等问题，本课题以煤矿巷道锚固系统为研究对象，将锚杆(索)、围岩、粘结材料等作为子系统，基于协同原理，采用理论分析、模型试验、数值模拟和现场试验等方法，通过研究各子系统之间的协同作用及演化规律、系统协同效应的实现机制、序参量的基本特性及选定方法、序参量方程的建立和求解、序参量在系统发展过程中的调控作用及演化规律、序参量与子系统控制变量的相互关系及作用机制等内容，从而获得煤矿巷道协同锚固作用机理，形成协同锚固技术并应用于工程实践。本课题既深化协同原理在煤矿巷道稳定性控制方面的研究和应用，促进巷道锚固理论及技术水平的发展，又可以为其它工程岩体稳定性控制研究提供新的思路和方法，具有重要的现实意义和广阔的研究前景。

煤矿开采的一个关键问题是巷道围岩稳定性控制，且锚网索锚固已成为主导的控制方式。然而，由于对锚固机理及技术的研究和应用还存在不足，一方面带来锚固系统子系统内部因素之间的协同作用不足，导致子系统功能得不到强化；另一方面造成子系统之间的协同作用不足，导致锚固系统没有产生应有的协同效应，从而带来整体锚固效能不足。 　　本项目以煤矿巷道工程为研究对象，将协同学原理应用于巷道围岩稳定性控制。首先，通过分析巷道围岩位移与锚固系统控制变量和状态参量的相互关系，提出以位移作为锚固系统的序参量，以此建立锚固系统的力学模型。其次，通过理论分析、模型试验、数值模拟和工程实践等多种方法，多层面、多角度研究锚固系统协同作用和协同效应。提出协同增量、协同指数的概念和计算方法，分别作为协同作用、协同效应程度的评价指标。建立预紧力协同、结构协同、变形协同、锚固时机协同等协同锚固机制，获得不同作用机制的实现方式。建立包括高预紧力技术、高锚固技术、锚固岩体高强度技术等协同锚固技术体系，实现协同锚固机理与技术应用一体化研究。 　　研究表明，锚杆（索）预紧力、布置密度、杆体长度、钻装角度等锚固变量之间存在协同关系，且可以通过调整和优化锚固变量参数来进行满足，促使锚固系统产生协同作用和协同效应，从而带来系统功能在宏观整体上大于各子系统功能之简单总和，即产生“1＋1＞2”的协同效应。协同锚固设计使巷道变形、围岩应力分布、锚杆（索）受力等更加均匀协调，有效提高锚固岩体的整体强度和刚度，从而显著地提高其承载能力和抗变形能力。通过现场实践，有效地解决了巷道围岩稳定性控制所遇到的许多问题和难题，取得了显著的社会经济效益，从而使项目研究更加具有实际价值和深远意义。 2100433B

《深埋巷道底鼓机理及其锚固技术研究》结合常村矿S6采区1号回风上山围岩条件，采用现场测试和数值模拟方法获得了煤层围岩的地应力、围岩强度和围岩结构特征，分析了地应力环境下巷道底板围岩的稳定性，运用广义平面应变问题和统一强度理论对处于三向地应力环境下的巷道围岩进行弹塑性破坏力学解析，研究了锚杆和锚杆-混凝土反拱组合结构控制底鼓的力学机理。通过相似模拟试验，分析在无支护和采取底锚措施后巷道底板围岩应力分布和变形破坏特征，提出了底鼓控制措施，并进行了现场工业性试验。

《深埋巷道底鼓机理及其锚固技术研究》可供从事采矿工程的研究人员及工程技术人员使用。

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。

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 需要进一步研究的问题

1.4 研究内容与技术路线

2 深部巷道围岩变形破坏规律与稳定机理研究

2.1 八采区轨道下山工程概况

2.2 深部巷道围岩变形特征

2.3 深部高应力围岩基本力学性质与流变特性

2.4 深部巷道流变围岩支护变形破坏机理

2.5 深部巷道强力支护策略

2.6 本章小节

3 深部巷道协同支护理论

3.1 协同支护的基本思想

3.2 支架-锚索协同支护结构的力学分析

3.3 主次承载区支护协同作用的力学分析

3.4 本章小节

4 钢管混凝土支架-锚索协同承载性能试验研究

4.1 强力护表支架选型

4.2 试验概况

4.3 试验装置与试验方法

4.4 试验过程与破坏形式

4.5 试验结果与分析

4.6 本章小节

5 钢管混凝土支架-锚索协同控制围岩研究

5.1 钢管混凝土支架承载机理

5.2 参数分析

5.3 钢管混凝土支架-锚索协同控制围岩机理

5.4 钢管混凝土支架-锚索协同支护设计建议

5.5 本章小节

6 钢管混凝土支架-锚索协同支护设计与工程实践

6.1 锚索协同下钢管混凝土支架设计方法

6.2 钱家营煤矿八采区轨道下山破坏情况

6.3 支护方案设计

6.4 支护效果分析

6.5 本章小节

7 结论与展望

7.1 主要成果

7.2 研究展望

参考文献2100433B