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深部软岩巷道耦合支护机制及参数优化研究

【摘要】:深部软岩巷道的支护问题是地下工程中较为复杂的问题,因其地应力大、围岩岩性差等不良条件而成为了巷道支护中的难题。单一的支护形式在这种巷道中是不可行的,而采用联合支护时效果亦不理想,往往陷入前掘后修的尴尬局面,单一支护不可行的原因在于支护强度不足,而联合支护失效的原因在于支护体与围岩力学特性之间的不耦合。传统的联合支护方法仅将各种支护体进行简单的叠加,没有充分考虑支护体的支护机理、围岩内部积蓄的能力的释放以及围岩自承能力的发挥,从而难以实现支护体与围岩在强度、刚度以及结构上的耦合作用。本文综合运用理论分析、数值模拟、相似模型实验等方法对深部软岩巷道耦合支护机制及参数优化进行了研究,取得了如下主要成果: (1)通过现场取样、室内实验得到了围岩的基本物理力学参数,探讨了深部软岩巷道的耦合支护机制,通过弹塑性理论分析了围岩内部能量释放与自承能力随位移的变化规律,得到了支护强度-收敛变形关系曲线,确定了最佳的支护时机,实现了支护体与围岩间在强度方面的耦合。 (2)通过数值模拟分析了不同锚杆长度与间排距时的支护效果,确定了合理的锚杆支护参数;分析了不同锚索长度与加强支护布置方案时的支护效果,确定了合理的锚索支护参数;分析了不同注浆范围时的支护效果,确定了合理的注浆参数并在此基础上制定了耦合支护方案。通过数值模拟计算,分析了巷道围岩变形的连续性、应力分布的均匀性,达到了支护体与围岩之间在刚度与结构方面的耦合。 (3)通过弹性理论分析了回采后煤层底板应力分布规律,得到了底板应力分布表达式以及煤壁处应力最大应力集中系数值;分析了回采扰动对周围岩体地应力的影响,计算了底抽巷附近地应力的变化量;制定了回采扰动时底抽巷的加强支护方案,并通过数值模拟分析了该方案的支护效果。 (4)通过相似准则分析,制定了相似模拟实验方案;通过三因素二次正交实验设计确定了相似材料的配合比;通过相似模型实验,测得了采用耦合支护方案与加强支护方案时的围岩应力、收敛变形以及支护体受力变化规律,验证了方案的可行性。

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