动载荷下回采巷道锚固荷载演化机理与控制技术

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回采巷道在井工开采的煤矿巷道中占80%以上,预应力锚固技术是当前使用最为主流的支护技术,本文针对回采巷道顶板锚固体安全问题,采用理论分析、数值计算和现场实测等综合研究方法,系统研究了回采巷道在强烈动载作用下锚固体受力波动演化规律,建立了锚固体荷载的传递“剪切一滑移力学模型”,分析了动载作用下锚固力与围岩协调变形的几何特征,形成了均压、让压等控制巷道变形的恒阻支护手段,能够为煤矿安全高效生产提供理论支撑和技术支持,主要研究内容如下:(1)基于锚固接触单元三线性剪切-滑移本构模型,提出了拉拔载荷作用下粘锚力波形传递机制、自由段轴力演变过程,并基于此定义锚固系统安全系数,分析了合理锚固长度的取值范围。(2)利用数值计算软件FLAC3D对受动力扰动下的锚固系统受力进行模拟计算,对预应力锚固系统自由段、锚固段轴力及锚固剂剪切应力波动规律进行研究,对巷道迎头掘进后方围岩岩体受力进行分析。(3)提出临界预紧力阈值的概念,巷道受动力扰动条件下,当预紧力小于该值时,锚杆对动载反应敏感;当预紧力达到该值时,无论是锚杆自由段还是锚固段轴力均保持较低增长比。当预紧力超出该值后,自由段与锚固段轴力降低幅度都在1%以内。随着动载强度的提高,预紧力动载阈值有增大的趋势。(4)通过理论计算得出巷道围岩动力扰动前后塑性屈服区计算解析解。采用有限差分数值计算软件FLAC3D对动力扰动下巷道围岩力学响应进行了研究,分析了不同原岩应力水平下动力对巷道应力场、位移场及塑性区范围的影响。(5)分析了锚杆索协同承载理论,揭示了预应力锚杆及锚索在回采巷道加固中的作用,介绍了新型高延伸率锚索及新型高阻让压均压控制技术,并阐述其作用机理,并提出了让均压锚杆与锚索及配套几种控制回采巷道大变形新型护表构件的主要结构,共同保障回采巷道的稳定。
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