泥质巷道锚固结构弱化失效致灾机理与控制方法研究

泥质围岩巷道采用锚杆支护时常发生锚固失效、支护结构失稳、甚至垮冒致灾事故，是巷道围岩控制研究热点和棘手难题之一。课题首先以典型工程条件为背景结合现场测试或样本采集分析锚固系统失稳特征并进行分类。进而围绕围岩、锚固剂和金属杆体三种介质以及两个界面建立“三介质-两界面”锚固体结构力学模型，分析研究锚固点失效、锚固结构弱化、锚固系统失稳破坏的渐进致灾机理。采用自适应多场耦合三轴试验仪测试不同水质(酸碱度、矿化度)对锚固体性能弱化作用，分析比较不同温度和作用时长导致锚固系统失稳动态过程中的变化规律。采用数值计算方法揭示影响锚固体泥质围岩中分子运移位态变化、界面裂隙结构发育、锚固剂蠕变等微观结构损伤过程的关键影响因素。优选适用于泥质巷道高性能锚固剂，开展现场锚固技术应用研究，为消除或遏制泥质巷道锚固系统失稳垮冒致灾提供理论依据。 2100433B

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

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。

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。