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基于统一强度—承压环理论的深部巷道支护作用机理及应用研究

基于统一强度—承压环理论的深部巷道支护作用机理及应用研究

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作者：侯元将贵州大学

学位级别：硕士

随着矿山开采向深部发展,巷道面临高应力、强采动和断层破碎带等复杂条件,巷道围岩稳定性控制中传统型钢支护强度不足是制约矿井安全高效生产的难题之一。本文以黔西南锦丰金矿深部高应力巷道为工程背景,针对深部巷道支护难题,综合采用... 详细信息

随着矿山开采向深部发展,巷道面临高应力、强采动和断层破碎带等复杂条件,巷道围岩稳定性控制中传统型钢支护强度不足是制约矿井安全高效生产的难题之一。本文以黔西南锦丰金矿深部高应力巷道为工程背景,针对深部巷道支护难题,综合采用现场调查、理论分析、物理试验以及数值试验相结合的手段,系统分析了深部巷道变形破坏规律及其影响因素,研究了钢管混凝土短柱及支架承载性能,建立了统一强度-承压环理论巷道力学模型,阐明了深部巷道支护作用机理,并将研究成果应用于工程实践。主要研究结论如下:(1)通过现场调查、围岩物理力学试验和原岩应力测量,得到了锦丰金矿深部巷道变形破坏规律,主要表现为两帮位移量大、初期变形速率大、变形破坏持续时间长、巷道变形为非对称变形、交岔口裂缝较大。深部巷道大变形影响因素主要包括巷道断面大、巷道围岩岩石强度低、岩体质量差、水平地应力大、开采扰动频繁、支护强度低。(2)采用理论计算与轴压试验,并结合数字散斑监测技术,研究了不同壁厚、不同混凝土强度的圆形和方形钢管混凝土短柱承载力及其力学性能。结果表明,在保证用钢量、混凝土强度、壁厚相同时,圆形钢管混凝土短柱的轴压承载力、抗弯强度和抗弯承载力均大于方形钢管混凝土短柱。(3)运用ABAQUS建立了深部巷道-钢管混凝土支架相互作用耦合模型,分析了不同侧压力系数(1.0、1.2、1.4)条件下圆形和方形钢管混凝土支架承载性能。结果表明,两种支架受力呈对称分布,且变形量与侧压力系数呈正相关;当侧压力系数相同时,圆形钢管混凝土支架的最大应力、最大变形量均小于方形钢管混凝土支架。(4)通过将统一强度准则引入承压环理论,构建了统一强度-承压环力学模型,明确了统一强度-承压环几何厚度、力学边界条件以及巷道稳定性判据,阐明了锚网喷与钢管混凝土支架支护作用机理。统一强度-承压环理论考虑了中间主应力对承压环巷道稳定性的影响。当中间主应力影响系数b=0时,统一强度-承压环巷道稳定性判据与承压环巷道稳定性判据一致,表明统一强度-承压环理论的正确性。(5)针对0m中段巷道支护难题,提出了基于统一强度-承压环的深部巷道支护方案,并进行了现场应用。监测结果显示,非试验段两帮移进量为221mm,顶板下沉量为93mm;试验段两帮移进量为39mm,顶板下沉量为25mm;巷道围岩两帮及顶板变形分别下降82.35%、73.12%。架设钢管混凝土支架后,试验段巷道围岩未出现明显混凝土开裂现象,证明钢管混凝土支架支护技术可以有效解决喀斯特地区深部高应力巷道大变形问题。

关键词：深部高应力巷道统一强度-承压环理论钢管混凝土支架钢管混凝土短柱

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