围岩承载层分层演化规律及“层-双拱”承载结构强度分析

以信湖煤矿典型深部软岩巷道为工程背景,依据巷道围岩应力变化趋势及围岩强度变化,按照深部软岩巷道四线段全应力-应变曲线划分围岩次生承载结构为"流动层-塑性软化层-塑性硬化层-弹性层"耦合承载层,塑性软化层、塑性硬化层组成塑性承载区。并根据巷道围岩承载层划分提出动态补强支护方案:一次支护采用锚网喷支护,二次补强选取浅、深孔注浆锚杆锚索联合支护,结合支护方案特点提出"层-双拱"承载结构力学模型,在极限平衡条件下对"层-双拱"承载结构进行受力分析得到其极限承载强度解析式,工程计算得到信湖煤矿一水平回风石门经"层-双拱"承载结构支护后极限承载强度可达29.30 MPa,理论验证了支护方案的可靠性。同时,现场监测结果表明:回风石门在动态补强支护后巷道围岩变形趋于平稳,巷道顶板最大下沉量仅为36 mm,两帮移近量为67 mm,巷道能够保持长期稳定。     

基于围岩变形的预应力锚杆受力特征分析 及锚固机理

在实际围岩变形条件下对预应力锚杆应力分布进行分析,建立了预应力锚杆-围岩相互作用模型,得到预应力锚杆轴力、剪应力分布解析式,进而获得锚杆应力分布曲线。结果表明:影响锚杆轴力、剪应力分布的因素有预紧力、围岩性质、锚杆及锚固剂参数;在未发生滑移的情况下,自由段所受轴力为定值,锚固段所受轴力沿锚杆长度方向减小至0;而锚杆自由段所受剪应力几乎为0,在锚固段始端剪应力急剧增大至最大值再沿锚杆长度方向衰减至0;在发生滑移的情况下,需对锚固段轴力进行修正,得到锚杆应力分布规律。     

深部软岩巷道围岩支护技术研究

为有效解决深部软岩巷道围岩控制问题,针对信湖煤矿回风石门埋深大、应力高、围岩强度低的特点,在分析了信湖煤矿回风石门的围岩赋存条件、变形破坏特征以及原有支护方案已难以维持现掘巷道稳定的条件下,通过理论计算得到信湖煤矿回风石门围岩塑性区范围,从而提出了控制巷道围岩的基本理念：采用小承载体控制围岩破碎区的扩大,采用大承载体限制围岩塑性区的发展,2个承载结构共同维持巷道稳定,进而提出采用“混凝土喷射+注浆锚杆/锚索+普通锚杆/锚索”联合支护方案对新掘巷道进行支护,并结合FLAC^3D数值模拟及现场工业性试验对“混凝土喷射+注浆锚杆/锚索+普通锚杆/锚索”联合支护方案的合理性及可靠性进行验证。结果表明：信湖煤矿回风石门新掘巷道经“混凝土喷射+注浆锚杆/锚索+普通锚杆/锚索”联合支护方案支护后围岩表面变形趋于平稳,巷道顶板最大下沉量仅为36 mm,两帮移近量为67 mm,支护体与巷道围岩形成了稳定的复合承载结构,联合支护方案能够保持巷道的长期稳定,该联合支护方案可为其他类似深部软岩巷道支护提供一定参考。     

基于锚固力学效应巷道围岩稳定性分析

为了分析巷道在锚杆支护时锚杆和围岩耦合作用下形成的锚固承载层对巷道围岩稳定性的影响,根据围岩应力分布曲线特点,将巷道围岩划分为塑性区和弹性区进行研究。结合MohrCoulomb准则,分析锚杆在施加预紧力时引起容重的变化,可求解得到锚固承载层范围内切向应力的解析表达式,由静力平衡方程推导计算出锚固承载层外边界所能提供的等效支护力以及在等效支护力作用下巷道围岩塑性区的应力、半径和巷道位移计算解析表达式。通过上述所求的计算解析表达式结合全长锚固锚杆的预紧力、长度、间排距来分析3者对巷道围岩的力学效应影响。研究结果表明:等效支护力对巷道围岩的稳定性有一定的影响,在等效支护力的作用下,对巷道围岩应力分析可知,围岩应力峰值发生变化,且位置向巷道壁转移;全长锚固锚杆预紧力越大,锚杆长度越长,间排距越密,锚固承载层范围内的等效支护力越大,对巷道围岩的稳定性越有利;锚固承载层厚度与等效支护力的大小成正比,随着等效支护力的增大,巷道围岩的塑性区范围和巷道表面位移都会明显下降,等效支护力对围岩的稳定性有着很好的抑制作用。通过FLAC3D数值模拟对理论分析结果加以验证,根据模拟锚固承载层作用下的塑性区半径和巷...     

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。