双柳矿深部大断面巷道支护优化设计研究

为解决双柳矿大断面巷道受掘进、采动等影响围岩变形量大、变形速度快等问题,采用井下调研、机理分析、数值模拟等综合方法,对大断面回采巷相关支护技术进行了研究,提出了适用于双柳矿深部大断面巷道的支护设计方案。结果表明:采用高强锚杆和高预应力锚索形成巷道支护结构的主体是提高支护强度的主要途径;拱形托盘有利于提升锚杆、锚索预应力的扩散,同时可提高锚杆索的综合承载力,用拱形托盘代替平托盘可实现锚杆索协同支护,从而提升巷道整体支护强度。     

高强度锚杆支护技术及在大断面煤巷中的应用

在分析目前大断面煤巷锚杆支护存在问题的基础上,论述了对锚杆支护机理的新认识,开发了适合于大断面煤巷支护的高强度锚杆,并采用FLAC3D有限差分程序对不同锚杆支护参数巷道围岩应力场分布特征与规律进行了模拟分析。结果表明：预紧力是锚杆支护系统的决定性参数,增加锚杆预紧力能有效增大巷道围岩压应力场应力值及扩散范围;锚杆长度的选择应充分考虑锚杆预应力、巷道围岩破碎程度与可锚性;对于相同锚杆材料,直径越大强度越高,预应力扩散范围越大;锚杆垂直于岩面布置时,巷道围岩形成的压应力区分布更加均匀,锚杆预应力叠加效果更好。井下试验表明,高强度锚杆支护技术为大断面煤巷提供了有效的支护手段,巷道掘进期间两帮移近量25.0 mm,顶底板移近量16.6 mm,能有效控制围岩的强烈变形。     

考虑剪胀与中间主应力的被锚巷道围岩稳定性分析

为研究被锚巷道围岩稳定性,将锚杆的支护作用考虑成作用于锚固体两侧的一组夹紧力与强化了锚固体强度参数,综合考虑围岩剪胀特性与中间主应力效应,建立被锚圆巷弹塑性力学模型,推导出围岩的应力场与位移场解析解,求得围岩塑性区半径表达式。算例研究表明:随着中间主应力系数增大,塑性区半径、洞壁位移与锚杆轴力均减小,最大主应力峰值增大;随着剪胀角增大,塑性区半径稍有减小,最大主应力峰值稍有增大,洞壁位移与锚杆轴力急剧增大;影响因素最不利组合(b=0,ψ=30°)与影响因素最有利组合(b=1,ψ=0°)相比,塑性区半径增大了23.49%,最大主应力峰值变化很小,洞壁位移增大了76.20%,锚杆轴力增大了1.94倍。该结果在围岩稳定分析方面具有一定工程实用价值,也可为锚杆支护设计和优化提供一定理论基础。     

岩巷掘进支护技术优化与应用

传统的岩巷支护方式以直墙半圆拱形锚网喷为主,掘进方式为"两掘一喷"。"两掘一喷"锚网喷支护掘进速度慢,爆破后直接打锚杆无法保证安装质量致使巷道支护强度低。分析了超化煤矿锚网喷支护掘进速度慢、支护强度低的原因,在岩巷掘进中采用喷浆后打锚杆挂网的支护方式,提高了岩巷掘进速度,保证了锚杆支护质量。     

高预应力锚杆的加固拱理论数值模拟

为研究高预应力锚杆的加固拱理论,运用数值模拟,分析了高预应力端锚锚杆在矩形煤巷中预应力扩散规律,发现支护形成的压应力主要集中在锚杆尾部,而非两端,并推导出锚杆尾部形成的加固拱厚度与锚杆长度的近似关系。最后模拟了保德煤矿现行锚杆支护的作用机理及效果,验证了锚杆尾部加固拱的存在及其作用效果。     

锚杆拱形托板承载力试验与分析

为深入认识拱形结构对钢托板力学特性的影响,及其与不同锚杆匹配的承载适用性,基于球壳结构弹性力学与极限平衡分析构建了2种拱形托板承载力理论关系式,结合工程实践详细论述了其中5个影响参数。采用实验室加载试验研究了不同板厚、不同拱高的方形托板承载力与变形特征。结果表明:托板承载力与钢板厚度、拱高与拱底圆直径之比呈正增长关系;试验承载力较好地验证了理论计算式的适用性;此外,调向球垫尺寸与强度对托板承载与支护的充分发挥非常重要。综合以上研究与煤炭行业标准,提出常用锚杆规格与拱形托板尺寸的合理匹配表,以供矿山支护工程参考使用。     

综采工作面两巷巷道断面对支护效果影响的研究

针对新华一矿原先综采工作面两巷锚杆支护断面形式为矩形或梯形断面,顶板易产生离层,顶底板移近量较大状况,改后采用拱形断面的锚杆支护(顶部挑成拱形,围岩与锚杆、锚索一起形成组合拱),拱部的应力向两帮转移,同时两帮的应力对顶部有一个夹紧和拱托作用,加上围岩周边的锚杆锚索的加固作用,形成一个较稳定的组合拱,受力结构较为合理。实践证明,煤巷拱形断面锚网索支护形式具有很好的支护效果,可以有效降低劳动强度及支护成本,大大提高安全系数,为工作面快速推进创造良好条件,是一种理想的支护方式。     

基于实际围岩变形的全长锚固锚杆杆体应力分布特征分析

在全长锚固锚杆支护过程中,锚杆与围岩之间会相互作用,进而引起锚杆应力分布变化。为探究全长锚固锚杆正常支护过程及临界失效时锚杆应力分布规律,以围岩变形为基础,建立了锚杆-围岩相互作用模型,推导出锚杆在正常支护过程中及临界失效时轴力及剪应力沿杆长分布解析表达式,进而获得了轴力及剪应力沿杆长分布曲线。并在考虑锚杆及锚固剂弹性模量、锚杆及锚固剂横截面面积等锚固参数的条件下分别分析了围岩条件、锚杆长度、托锚力对全长锚固锚杆杆体应力分布的影响。结果表明:在全长锚固锚杆正常支护过程中,杆体应力分布符合中性点理论;影响锚杆轴力、剪应力分布的因素有围岩条件、锚固参数、托锚力;在锚杆正常支护过程中,全长锚固锚杆杆体应力分布符合中性点理论,随着围岩变软,锚杆为了限制变形,中性点向孔口方向移动且所受轴力、剪应力增大;托锚力影响杆体应力分布,托锚力越大,轴力分布越不均匀,且孔口到中性点处剪应力越小,中性点到杆端剪应力越大。所以在工程实际中可实时监测锚杆托锚力,依靠本文理论依据可深入揭示锚杆支护过程中受力特征;在锚杆支护临界失效时,围岩越坚硬,剪应力及轴力越大,且分布更加集中;锚杆长度影响全长锚固锚杆的支护性能,但在锚杆长度超过一定范围后再增大锚杆长度并不能显著提升锚杆的锚固效果。     

掘进巷道破碎顶板冒落区加固技术研究

针对夏店煤矿3120工作面回风巷道、掘进巷道局部区域破碎顶板易冒落、难支护的特点,分析了兼顾岩石自身承载力,梁形和拱形承载效应的梁-拱锚固支护技术,即采用低预应力等长锚杆与高预应力变长锚杆组合的梁-拱形支护方案。运用FLAC^3D研究了锚杆长度、锚杆间距、锚杆预应力对梁-拱支护结构的影响。结果表明：锚杆长度、布置间距是影响梁-拱承载效果的重要参数,当锚杆长度增加时,表现出明显的上位组合拱与下位组合梁的形式。锚杆间距增大时,梁-拱结构作用范围逐渐扩大,但应力区数值进一步降低。当长锚杆的预应力数值由小逐渐增大时,梁-拱锚固的结构效果逐渐明显。基于上述研究结果设计加固支护方案,现场监测表明：围岩两帮的位移量为31～57 mm,底鼓量为38～68 mm,顶板下沉量为15～25 mm,验证了梁-拱锚固支护方案的可靠性。     

深部松散破碎软岩巷道综合加固技术

曹庄煤矿经过科学论证和现场实践,有针对性的使用全断面喷锚网喷、预应力锚索、外锚内注式锚杆注浆、钢筋混凝土反底拱、斜墙拱形断面等综合技术修复加固,提高了围岩强度,为高锚固力的树脂锚杆、锚索提供了着力点,使三者的作用得到有效发挥。     

非金属喷锚网巷道支护工艺优化研究

针对金属锚杆和锚网的价格高、质量大、耐腐蚀性差等问题，以金川集团龙首矿为研究对象，基于理论分析、数值模拟及现场试验等手段，开展了非金属喷锚网巷道支护工艺优化研究。通过锚杆、锚网强度指标计算并综合考虑支护效果评价指标，初步确定非金属锚杆、锚网规格参数；采用MIDAS/GTS数值模拟软件构建金属、非金属(喷)锚网支护巷道的二维数值模型，分析围岩应力(位移)场、锚杆内力等分布规律；对永久支护巷道及临时回采进路进行现场支护试验，对比分析金属材料与非金属材料的支护效果，验证了非金属喷锚网支护工艺在地下开采支护工程中应用的可行性。研究结果可为非金属材料在巷道支护中的应用提供参考。     

深部高应力半煤岩巷变形机理及跨界高强支护技术

针对深部高应力半煤岩巷围岩变形持续时间长、变形量大及支护构件损伤破断等围岩控制难题,以渝阳矿N3702运输巷为工程背景,综合采用现场测试、理论分析、数值模拟和工程试验的方法,对半煤岩巷围岩变形机理和控制对策展开研究。通过巷道矿压监测与松动破坏范围测试,量化了半煤岩巷的矿压显现特征,揭示了半煤岩巷顶板泥页岩抗变形能力弱、锚索锚入坚硬硅质灰岩的深度较浅甚至未锚入、巷道所处高应力环境且其轴向近乎垂直于最大水平主应力是造成矿压显现剧烈的根源;基于自然垮落拱理论的成拱形态、锚杆组合梁和悬吊理论的组合压缩作用与悬吊作用,阐明了矩形断面巷道锚杆锚索支护时顶板低位“显形压缩梁”结构和高位“隐形压缩拱”结构的形成机制;在分析锚索锚固段所处位置岩性、自由段长度及锚尾施加预紧力大小对“梁-拱”锚固结构承载能力影响规律的基础上,提出了矩形断面半煤岩巷以锚杆配合锚索为主体支护构件的跨界高强支护技术方案,并开展了现场应用。实践结果表明：该技术有效地控制了深部高应力半煤岩巷持续变形,保证了围岩与支护构件的稳定与安全。     

数值模拟技术在锚网支护设计中的应用

用数值模拟技术进行巷道支护设计是目前较为先进的设计方法。首先通过软件用模拟技术设计出最主要的锚网支护参数———锚杆长度及间排距, 然后分析锚固力与锚杆直径、预紧力、托盘、螺母、钢带等的匹配关系, 从而达到锚网支护优化目的。     

考虑渗流作用的深部巷道围岩让压——锚注耦合控制规律研究

地下水的存在给巷道围岩稳定带来了较大威胁,为了研究地下水渗流作用对深部巷道支护的影响,基于渗流对岩体体积力等效理论和让压—锚注锚杆的等效强度准则,应用弹塑性理论,推导了渗流作用下巷道围岩塑性应力场与塑性区分布的理论解,并利用等效圆方法给出了考虑现场渗流作用下的让压—锚注锚杆支护方案参数确定方法。以鲁西南地区某矿为例,给出了矿井回风大巷的锚杆长度、间排距、预紧力等参数,通过FLAC3D数值模拟对支护参数取值合理性进行了验证。研究表明:(1)考虑渗流作用后,巷道围岩塑性区增大,稳定性系数减小,通过减小间排距能够有效减少塑性区分布;(2)通过理论计算确定现场参数,利用数值模拟验证结果表明:现场支护方案能够显著提高巷道稳定性,有效减少塑性区的范围,控制围岩变形。     

板裂结构顶板锚梁支护的离散元数值模拟

介绍了采用离散元2D—block对锚梁支护板裂结构顶板进行数值模拟分析计算，研究板裂结构顶板的应力场，锚梁支护锚杆的轴力以及顶板位移及锚固顶板的破坏形式。     

基于ANSYS的锚杆托盘有限元分析

针对锚杆屈服强度升级，采用ANSYS软件对配套的锚杆托盘进行结构静力有限元分析，合理选取锚杆托盘材料。在锚杆受力屈服时，锚杆托盘仍处在弹性状态；锚杆拉断时，锚杆托盘孔口处应力集中区内的极小范围区域，应力超过屈服强度但未达到极限强度，即允许锚杆托盘有一定的极其有限的塑性变形。有限元分析结果与现场实验验证情况相符，对锚杆托盘的材料选取、强度分析提供了有价值的参考和依据。     

岩块锚固机理的模拟试验研究

为研究锚杆对深部巷道围岩的作用机理，利用自制三轴加载物理相似模拟试验系统，进行了加锚与不加锚完整和预裂岩石试件(400 mm×400 mm×400 mm)的加载对比试验，比较了锚杆预紧力和支护密度对完整和预裂岩石试件的锚固效果，分析了锚杆对完整和预裂岩石试件的作用时机。研究结果表明：无论完整试件或预裂试件，锚杆支护均可提高其峰值强度，尤其预紧力对提高峰值强度的作用明显，对预裂试件峰值强度的提高幅度比完整试件更大。加锚预裂试件相对于无锚预裂试件其应力应变曲线从竖向加载一开始就相对滞后；而加锚完整试件相对于无锚完整试件，从竖向加载开始到试件峰前连续变形阶段，应力应变曲线差别不大，无锚完整试件在达到其峰值强度后，承载力开始下降，而此时加锚完整试件承载力继续增大，只是增速有所减缓。对于预裂试件，锚杆承载具有即时性，即与试件基本同时承载；而对于完整试件，锚杆承载则体现出延时性，即锚杆在岩体发生破坏、产生较大变形后才开始承载。因此，锚杆支护难以阻止巷道围岩的塑性变形和塑性区的形成，深部巷道的围岩控制理念应由变形控制向稳定控制转变。深部巷道锚杆的主要作用一是提高破碎岩体的残余强度，二是阻止破碎岩体裂...     

不稳定围岩拱形巷道锚杆支护组合拱计算模型及应用

煤矿井下不稳定围岩锚杆支护．以往确定锚杆支护组合拱厚度时，大多是根据经验或试算。本文就拱形巷道组合拱厚度如何计算从理论上进行了推导，从而完善了不稳定围岩拱形巷道的锚杆支护参数设计，该模型得到了实际应用和验证。     

带垫板全长锚杆和加钢筋条带的锚喷支护理论分析研究

目前，大部分全长锚杆增设垫板，并视围岩强度和施工时间施加大小不等的初锚力。为了定量分析垫板的力学作用和初锚力的支护效果，本文首先分别就软弱和坚硬巷道围岩采用带垫板全长锚固锚杆支护垫板的作用机理以及在无初锚力两种情况下受力分析和计算方法进行探讨。然后，在研究垫板破坏模式的基础上，推导出垫板破坏分析公式。最后还研究了在不稳定围岩实施加钢筋条带全长锚杆支护作用机理及喷层破坏分析方法。此研究为带垫板全长锚杆支护设计提供一个理论计算方法。     

敏东一矿厚顶煤软岩巷道支护参数设计

为解决敏东一矿直墙半圆拱形断面掘进速度慢且无法配合掘锚一体机使用的问题，急需将巷道断面设计修改为矩形。基于I0216301运输顺槽厚顶煤软岩地质条件，分别采用弹塑性法、压力拱法、现场实测和数值模拟研究确定采用矩形断面时顶板最大破坏范围，分别为2.53 m、2.87 m、2.40 m和2.45 m，最终以压力拱计算数据做为参考，考虑2倍安全系数下，提出使用“19芯17.8 mm×8 300 mm锚索+20 mm×2 500 mm左旋等强螺纹钢式锚杆+金属网+钢带”联合支护的支护方案。