基于预应力匹配的锚索滞后支护及协调受力研究

作     者：王若帆 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王襄禹

授予年度：2017年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：拉拔实验 锚索修正模型 平均压应力 失效判据 支护时机 

摘      要：深部巷道围岩变形过程具有明显的非线性力学特性,其稳定性控制与各种支护实施的过程、强度、刚度密切相关,而锚杆锚索支护结构之间强度和刚度的耦合是相互关联的。锚索由于自身延伸率较小进行一定的滞后支护也是很有意义的,但锚索支护时机的不同会造成支护体整体的刚度、强度及锚杆锚索的受力的不同,这种不同又将导致其支护效果以及在回采动压下反应的差异性。本文为了探寻较好的支护体(锚杆锚索)耦合受力状态以及合理的锚索滞后支护时机展开研究并得出以下结论:(1)通过实验室拉拔实验确定了合理的锚杆锚索支护杆体孔径匹配范围,并得出了所选锚杆锚索的相关力学参数。依据拉拔试验所得数据对FLAC中的Cable单元进行了修正,提出了两种不同思路的修正方案,均在数值计算模型中实现了其在变形过程中的破断效果。(2)分别从摩尔应力圆,弹性力学,Hoke-Brown强度准则的角度阐明了预应力场改善围岩的应力状态同时强化围岩体的力学参数的重要作用。并设计了预应力匹配正交模拟实验方案并采用FLAC软件进行了模拟,模拟结果显示顶板压应力区的扩散与压应力值均会随着锚杆或锚索预应力的增大呈现不同程度的增长,同时分析了随着锚杆预应力的增长锚杆端部的拉应力变化规律。(3)从加权平均的思路提出了新的锚杆锚索预应力匹配判断指标“顶板内平均压应力(ACS)。得出顶板内支护力场最大拉应力与最大压应力值主要是随着锚索预应力的变化而变化的。利用顶板内平均压应力的变化规律确定了两个在现场支护中经常出现的典型预应力不匹配范围,并对预应力匹配范围进行了划分。(4)得出了有无锚索支护情况下,巷道围岩变形的理论最大值,证明了锚索在控制巷道围岩变形中的重要作用,也证明了增大锚索适应变形能力的重要意义。同时通过无支护情况巷道顶板内部不同深度围岩变形规律,结合锚网支护沿巷道走向锚杆受力和变形规律,确定了巷道掘进期间沿巷道走向存在不同的围岩变形区域。(5)以确定的巷道不同变形区域为依据,制定了5个锚索滞后支护对比方案。研究了在不同锚索滞后支护方案下支护体所表现出的不同的耦合受力状态,以及其在掘进时期的不同支护效果。(6)利用修正的锚索结构单元进行模拟并提出了模拟中锚索失效的判断指标围岩内最小主应力8)4)9)与体积应变率VSR,发现在回采期间,由于前期支护时机以及耦合受力状态的不同,几个方案的锚索失效时机明显不同。并且锚索的滞后支护可能导致支护结构初期提供的支护阻力不高。认为在此地质条件与假设下锚索的滞后支护时机选取在接近巷道围岩变形的稳定时期并保证支护体达到一定的耦合受力效果,即在掘进时期提高锚杆受力而使锚索可以在回采时期更多地发挥支护作用效果最好,也即提出了一种锚索滞后支护时机的研究验证方法。(7)针对王庄煤矿62采区以往顺槽出现的巷道顶底板变形较大以及回采过程中部分锚索破断失效的情况,应用研究成果对6208运输顺槽的支护参数、支护预应力、以及锚索滞后时机进行了优化。监测结果表明按照研究所得结论同时提升锚杆锚索预应力并对锚索采用一定的滞后支护后,顶板锚杆锚索展示出良好的耦合协同受力状态,没有发生如上区段中的破断失效现象,而巷道变形也得到了有效控制,确保了巷道的正常安全使用。