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作者：吕显福中国铁道科学研究院

学位级别：硕士

随着我国高速铁路、公路建设的不断发展,所属隧道工程已经向长大、深埋方向发展,由于它们所处的地质条件复杂等原因易于出现高地应力情况。而高地应力的出现对隧道工程的影响是显著的,尤其是对于大埋深的软弱围岩隧道工程,常常导致软岩... 详细信息

随着我国高速铁路、公路建设的不断发展,所属隧道工程已经向长大、深埋方向发展,由于它们所处的地质条件复杂等原因易于出现高地应力情况。而高地应力的出现对隧道工程的影响是显著的,尤其是对于大埋深的软弱围岩隧道工程,常常导致软岩大变形等相关地质灾害的发生。目前针对高地应力围岩大变形的控制措施,一般来说存在“刚性支护,强顶硬支”和“柔性支护,先放后抗”两种处理理念。大多时候业界首先想到的是采用“强顶硬支”的措施,但刚性支护对于较小的变形能发挥有效地支护效果,但对于大变形尤其挤压性大变形围岩效果并不是很理想。超前应力释放洞作为“柔性支护”理念的一种,虽然能比较有效的解决挤压性围岩大变形问题,但存在较多的不足之处,比如对围岩造成多次扰动,由于空间和时间受限导致释放的效果不明显以及由于导洞支护较弱而存在安全隐患等等。因此能否通过一次施工支护即可解决围岩大变形问题已成为隧道领域亟待解决的重要研究方向。本文根据当前隧道工程界对于大变形尤其是挤压型大变形问题的研究现状,简要阐述围岩大变形的判定、发生机理及演化机制,并进一步对挤压变形量预测及分级,为类似高地应力挤压性隧道的设计施工提供理论依据。针对当前围岩挤压大变形常常导致支架扭曲、混凝土剥落以及侵限等问题,工程界常采用的“强支硬顶”措施很多时候并不能很好的解决,往往需要通过换拆拱架、扩挖断面等措施来处理。本文提出采用可缩性u型钢支架来应对,通过理论分析、数值模拟与室内试验相结合的形式,对拱架的承载能力、缩动性能、受力及变形特征等力学性能进行了研究,主要包括以下内容:（1）对围岩的弹塑性变形进行机理研究,分析挤压性围岩出现塑性的判据,弹塑性分布范围,弹塑性应力状态,开挖及支护后的弹塑性区的应力场等等,探究影响洞周位移及应力的影响因素。进而根据围岩的特性曲线来分析支护结构对围岩支护力的大小及相对应的效果。（2）通过对u型钢支护结构的研究,分析支架的缩动条件,探讨影响支架缩动能力的因素以及在缩动过程中支架承载能力与缩动滑移量之间的关系,对缩动后结构的内力进行计算,研究支架承载能力的变化。（3）建立数值模型,对铁路客运专线隧道两种断面（250km/h单线、250km/h双线）下采用u型钢可缩性支护进行模拟计算,根据不同缩动量下的受力及变形数据进行分析,研究支架承载能力与缩动变形量的关系,对支护效果进行判定。并对围岩预留变形量以及支架缩动量提出设计建议值。（4）通过室内u型钢接头抗滑移试验,对卡缆螺母预紧扭矩逐级加载、人工紧固等五种工况下的支架进行压力试验,分析u型钢接头缩动量与接头滑动阻力的关系,以及初始缩动时刻的最大滑动阻力值,与理论分析和数值模拟的结果进行对比验证。通过分析研究主要得出以下结论:（1）对于挤压性围岩,隧道开挖后塑性区半径和隧道半径r0成正比,与初始应力状态大小p0正相关,而围岩物理参数c、φ值越小,塑性半径越大;施加支护结构后,塑性区的范围还受支护阻力的影响,支护阻力越大,塑性区的半径越小。（2）u型钢支架接头滑动阻力的大小与型钢接触面的腰、耳定位类型有关,而与卡缆的接触定位类型无关,但当支架缩动后,由于接触面积及滑动稳定性的不同,耳定位式卡缆比腰定位式受力性能要好。接头滑动阻力值还与卡缆预紧力、卡缆数目等成正比关系,发生缩动后支架抗缩动能力还与接头缩动量成线性关系,缩动量越大,滑动临界荷载值越大。（3）根据数值模拟的结果,不同的支架缩动量下,围岩的位移分布规律基本类似,都表现为最大位移发生在拱腰到边墙最大跨的这一区域,而拱顶和仰拱部位的位移相对较小。从围岩塑性区的分布同样可以看出:塑性区在洞周的分布大致成“蝴蝶状”,在拱腰部位塑性区向围岩内部发展尤其深远,约为拱顶部位的2～2.5倍。（4）不同的支架缩动量下支护结构主应力的受力规律为:墙脚部位出现应力集中现象,其他部位支架内力分布较为均匀,拱顶部位数值相对较大;随着缩动量的增加,作用在支架上的内力逐渐减小,表明随着围岩应力变形的释放,作用在支架上的形变压力也逐渐减小,能够实现对围岩应力的有效控制释放。（5）按照文中设置参数的V级挤压性围岩隧道,埋深300米时,对于单线隧道可设计围岩预留变形量35cm,u型钢可缩性支架设计总缩动量100cm;对于双线隧道,可设计围岩预留变形量50cm,u型钢可缩性支架设计总缩动量140cm,能够满足结构的稳定性和强度要求,当同等级别围岩物理参数改变时,应重新计算后调整。（6）给u型钢接头部位施加不同的预紧扭矩,初始缩动时刻的最大滑动阻力不同,扭矩值为75N·m、100N·m、125N·m、150N·m,对应的初始缩动时刻接头位移分别为15～20mm、70～78mm、60～80mm、60～108mm,最大滑动阻力分别为100kN、202～275kN、198～200KN、180～205KN,接头缩动性能受u

关键词：挤压性围岩隧道大变形可缩性支护 u型钢支架

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大断面斜井穿越采空区支护技术研究

大断面斜井穿越采空区支护技术研究

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作者：王东洋湖南科技大学

学位级别：硕士

本文以平煤六矿“大断面明斜井穿越采空区支护技术研究”项目为依托，在分析斜井处于不同带区内围岩变形破坏机理的基础上，提出针对性的支护方案并在现场应用中取得了良好的效果。通过相似材料模拟试验、钻孔窥视，分析采场上覆岩层... 详细信息

本文以平煤六矿“大断面明斜井穿越采空区支护技术研究”项目为依托，在分析斜井处于不同带区内围岩变形破坏机理的基础上，提出针对性的支护方案并在现场应用中取得了良好的效果。通过相似材料模拟试验、钻孔窥视，分析采场上覆岩层破坏规律，得出三带高度及其相对明斜井的位置。通过实验室实验结合地质资料分析了巷道围岩特性及变形机理，运用数值模拟结合现场分析巷道所处的围岩应力状态并提出支护方案，对支护方案的合理性进行理论分析。斜井穿越采空区时围岩松散破碎，破碎难锚，围岩岩性差异大且含有大量粘土矿物，巷道围岩处于较低应力状态，垂直应力远大于水平应力。因此巷道控制的关键是维持围岩整体稳定，提出以刚性u型钢支护为主体的支护方案，并针对巷道处于冒落带内底板破碎、底鼓量大的特点，提出反底拱与底拱连锁梁重点支护方案。运用FLAC3D软件对明斜井穿越采空区支护方案进行模拟分析，结果表明：这种刚性支护结构在斜井穿越采空区时具有很强的适用性，浇筑混凝土和壁后注浆提高了支护结构强度和刚度，对u型钢在两帮的控制有补强作用。支护方案在工程实践中得到很好的验证，通过对巷道表面及深部围岩变形进行监测和分析可知：巷道围岩的变形相对较小，且变形逐渐趋于稳定,为类似巷道围岩治理提供了重要参考依据。

关键词：斜井采空区 u型钢支架软弱破碎相似材料模拟

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深层软岩巷道嵌合互补支护与数值模拟

深层软岩巷道嵌合互补支护与数值模拟

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作者：王鹿安徽理工大学

学位级别：硕士

在煤炭开采过程中,诸多煤矿巷道位于深层软弱围岩之中,深层软弱围岩具有高地压、强度偏低、流变性强等特点。深层软岩巷道支护中,复杂的工程地质条件和严峻的支护技术问题不仅威胁着生产安全,也在很大程度上阻碍着煤炭行业的发展。当前... 详细信息

在煤炭开采过程中,诸多煤矿巷道位于深层软弱围岩之中,深层软弱围岩具有高地压、强度偏低、流变性强等特点。深层软岩巷道支护中,复杂的工程地质条件和严峻的支护技术问题不仅威胁着生产安全,也在很大程度上阻碍着煤炭行业的发展。当前浅部软岩巷道的支护方式,在不断实践过程中产生了一些棚式支护、锚喷支护、砌碹支护、联合支护等花样繁多的支护形式,但针对深层软岩巷道支护方式的研究仍在摸索阶段。本文以“邹庄煤矿东翼轨道大巷修护技术”课题为背景,在锚索网支护的基础上,提出一种新型的支护模式,即“嵌合互补支护模式”。损坏巷道存在着原始应力高、应力状态改变较大、原支护形式单一、施工不严谨等问题。为了解决深层软岩巷道易出现变形的问题,验证嵌合互补支护结构中锚带网、索与注浆的合理性和效果性。论文以实验室试验、ABAQuS数值模拟等研究手段,对巷道破坏因素、围岩变形机理等进行了较深入的分析,提出了固圈强壳支护理论,给出了试验巷道的支护方案,研究成果对深部水平软岩巷道的稳定性研究具有一定的参考价值。

关键词：深层软岩嵌合互补数值模拟 u型钢支架

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平煤十矿曲面D型钢管混凝土支架支护技术

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山东科技大学学报（自然科学版） 2015年第2期34卷 7-13页

作者：刘立民赵世军曹君陟张淼朱思刚朱同功山东科技大学矿业与安全工程学院山东青岛266590 泰安方舟矿业科技有限公司山东泰安271026 平煤神马集团十矿河南平顶山467013

u型钢支架作为一种传统的巷道支护方式,在围岩破碎和复杂地应力条件下并不能起到很好的支护作用。以平煤十矿-320开采水平专用回风下山支护为工程背景,研发了曲面D型钢管混凝土支架,通过设置与u型钢支架支护的对比试验巷道,观测巷道围... 详细信息

u型钢支架作为一种传统的巷道支护方式,在围岩破碎和复杂地应力条件下并不能起到很好的支护作用。以平煤十矿-320开采水平专用回风下山支护为工程背景,研发了曲面D型钢管混凝土支架,通过设置与u型钢支架支护的对比试验巷道,观测巷道围岩动态及矿压显现规律,对曲面D型钢管混凝土支架支护技术进行观测研究。现场观测表明:曲面D型钢管混凝土支架支护的巷道顶板在初期经一段时间较明显下沉后,支架的支护作用逐渐显现,巷道表面位移速率明显降低,最终巷道相对位移量趋于稳定,能够有效控制围岩变形,取得了显著的支护效果。

关键词：巷道支护 D型钢管支架 u型钢支架对比试验经济效益

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浅谈玉溪煤矿井下软弱岩围联合支护

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能源与节能 2016年第2期 143-144页

作者：刘攀陈亚利山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司山西沁水048000 中煤国际工程集团北京华宇工程公司北京100120

由于不同支护类型都有各自的优缺点,仅采用一种类型的支护难以满足整个巷道的支护强度要求。总结山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司玉溪矿井井下井底车场巷道软岩支护的经验和教训,根据该矿围岩特点,同时采用几种不同类型的支护,做到取... 详细信息

由于不同支护类型都有各自的优缺点,仅采用一种类型的支护难以满足整个巷道的支护强度要求。总结山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司玉溪矿井井下井底车场巷道软岩支护的经验和教训,根据该矿围岩特点,同时采用几种不同类型的支护,做到取长补短,收到非常好的支护效果。

关键词：软弱围岩变形联合支护优缺点 u型钢支架

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浅析锚梁网、锚索支护技术在煤巷中的应用

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宁波高等专科学校学报 2004年第2期16卷 50-53页

作者：夏雷皖北煤电集团公司安徽宿州234011

根据巷道的地质条件 ,设计了锚梁网、锚索支护参数 ,通过锚梁网、锚索支护和u型钢支架的围岩变形观测和顶板离层观测 ,结果表明 ,锚梁网、锚索支护比u型钢支架稳定。通过经济效益分析 ,每米单价锚梁网、锚索支护比u型钢支架降低 5 7.7%。

关键词：煤矿巷道锚梁网锚索支护技术围岩变形观测 u型钢支架经济效益

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u型钢棚式支护失效原因分析及改进

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能源技术与管理 2011年第4期36卷 36-37,52页

作者：李建国樊正兴郑煤集团伟业煤炭有限公司河南郑州452317 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221008

通过对现场观察到的u型钢支架的一些破坏形式进行分析,得出支架与围岩接触不均匀、支架强度低、支架本身的结构不稳定是支架破坏的主要原因。针对支架的破坏原因提出了具体改进方案,并且经过现场工业性试验取得了良好效果。

关键词： u型钢支架软岩巷道巷道支护

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矿用u型钢加工开裂原因分析

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金属世界 2021年第5期 67-71页

作者：凌含聪李建春张万庆河钢集团唐钢新区河北唐山063611

u型钢属于经济断面钢材,也是节能材料。u型钢常加工成弧形,腿与梁弧形连接做成u型钢支架。u型钢支架是一种被动支护,抗拉强度、抗压强度较高,同时具有良好的韧性性能,支撑力较高,支护强度大,可多次使用,被广泛地应用于矿山巷道,特别是... 详细信息

u型钢属于经济断面钢材,也是节能材料。u型钢常加工成弧形,腿与梁弧形连接做成u型钢支架。u型钢支架是一种被动支护,抗拉强度、抗压强度较高,同时具有良好的韧性性能,支撑力较高,支护强度大,可多次使用,被广泛地应用于矿山巷道,特别是在深部复杂巷道以及松软煤层巷道中。u型钢在冷弯加工过程中出现最多的问题是加工开裂。本文对u型钢加工过程中出现开裂原因进行分析,指出加工开裂原因为异常组织、表面缺陷、夹杂物超标及井下作业的集中受力并提出相应的解决办法。

关键词： u型钢支架矿山巷道经济断面支护强度被动支护支撑力节能材料井下作业

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