【摘要】：沖擊地壓是威脅我國煤礦安全高效開采的主要礦井災害之一。統(tǒng)計表明,大部分沖擊地壓發(fā)生在回采巷道中。目前,針對沖擊地壓的研究主要集中發(fā)生機理、預測預警和解危措施方面。由于沖擊地壓發(fā)生機理的復雜性,影響因素的多樣性,發(fā)生地點的不確定性,已有的研究成果并不能完全避免沖擊地壓的發(fā)生。作為沖擊地壓的最后一道防線,預緊力錨桿支護系統(tǒng)與其作用范圍內(nèi)圍巖共同形成的錨固承載結構決定了巷道圍巖的整體穩(wěn)定性。對于動載沖擊地壓巷道,錨固承載結構不僅承受較大靜載,還受到頻繁動載的擾動,其沖擊破壞機理與靜載巷道不盡相同。本文以開采深度大、采動應力高、受頂板動載擾動,且煤巖層具有沖擊傾向性等綜合特征的義馬礦區(qū)沖擊地壓巷道為工程背景,采用現(xiàn)場實測、實驗室試驗、理論分析及數(shù)值模擬相結合的方法,圍繞動載擾動下巷道錨固承載結構沖擊破壞特征、破壞機理以及控制技術開展了系統(tǒng)研究。論文取得的主要研究成果如下:(1)開展了義馬礦區(qū)沖擊地壓巷道地質(zhì)力學測試和典型沖擊破壞實例實測分析,總結了動載沖擊巷道沖擊破壞特征和原因。結果表明:義馬礦區(qū)動載擾動沖擊地壓巷道沖擊破壞特征主要表現(xiàn)為:(1)巷道圍巖瞬時變形量大;(2)巷道底鼓嚴重;(3)變形破壞程度和震源能量正相關;(4)沖擊破壞之前,巷道圍巖緩慢變形嚴重;(5)錨桿支護體系嚴重失效。沖擊破壞后的巷道表現(xiàn)為圍巖節(jié)理、裂隙擴展貫通,強度和完整性弱化,錨固系統(tǒng)錨固性能(錨固力、預緊力)降低,錨固界面粘結劣化失效,錨桿產(chǎn)生塑性變形,桿體內(nèi)部晶粒扭曲、畸變,晶粒產(chǎn)生剪切、滑移,晶粒被拉長,金相組織紊亂,抗拉強度、延伸率和沖擊吸收功普遍降低。巷道沖擊破壞的主要原因為:高原巖應力和采動應力疊加形成的高靜載應力集中、堅硬頂板脆斷形成的動載擾動、巷道圍巖“外碎內(nèi)脆”的結構特性以及錨桿支護參數(shù)不合理導致的錨固承載結構承載能力低。(2)建立了動靜載聯(lián)合作用下回采巷道數(shù)值模型,采用數(shù)值模擬方法分析了動載擾動作用下巷道錨固承載結構動載響應特征及沖擊破壞演化過程。結果表明:動載產(chǎn)生的反復壓拉作用,極易造成錨固巖體擴容變形破壞或錨固系統(tǒng)失效,導致錨固承載結構沖擊破壞;應力波在深淺部圍巖產(chǎn)生的動載應力差,是頂板錨固承載結構變形破壞的主導因素,不同深度圍巖動態(tài)響應差異是巷幫錨固承載結構變形破壞的主導因素;錨固承載結構沖擊破壞演化過程為:頂板動載擾動→淺部圍巖損傷變形破壞→錨固系統(tǒng)失效→錨固承載結構失去對深部圍巖控制→圍巖損傷破壞范圍驟增→深部圍巖能量瞬時釋放→錨固承載結構沖擊破壞。動載擾動下巷道錨固承載結構的沖擊破壞是在采動靜載和動載驅(qū)動下的力學破壞過程,伴隨著能量的消耗、釋放與轉(zhuǎn)化。(3)提出了動載擾動下錨固承載結構沖擊破壞準則和判據(jù),基于響應面法實驗設計和數(shù)據(jù)分析功能,定量研究了單因素以及多因素交互作用對錨固承載結構穩(wěn)定性的影響,結果表明:動載擾動沖擊地壓巷道錨固承載結構沖擊破壞必須滿足應力和能量的雙重“超載”條件,必要條件是:頂板動載和巷道圍巖靜載疊加強度大于錨固承載結構的承載能力,即應力超載;充分條件是:礦震余能和巷道圍巖釋放的彈性能量大于錨固承載結構沖擊破壞耗能,且有盈余能量并可轉(zhuǎn)化為沖擊動能,即能量超載。圍巖強度、震源距離、震源強度、原巖應力、支護強度等單因素和各因素交互作用對錨固承載結構變形量都有顯著影響,不同組合條件下錨固承載結構的破壞模式可分為錨桿斷裂型、錨固脫粘型、巖體主導型和復合型。(4)提出了動載擾動沖擊地壓巷道錨固圍巖控制技術,主要包括“降載-抗沖-吸能”穩(wěn)定性控制原理、“深部卸壓-淺部強支-巷表防護”多層次控制技術以及新型抗沖擊錨桿支護材料。圍巖卸壓可以降低應力集中的程度和范圍,降低深部圍巖沖擊破壞時能量釋放的大小,增大動載傳播的距離和衰減系數(shù),減緩礦震動載對錨固承載結構的擾動,降低錨固承載結構發(fā)生沖擊破壞的風險。針對不同錨固承載結構破壞模式,采用加長或全長高預應力錨固、超高強度長短錨桿協(xié)同支護以及全斷面支護,可以有效提高沖擊地巷道錨固承載結構自身的抗沖擊性能和吸能特性。研發(fā)出的新型超高強、高沖擊韌性套接錨桿的破斷載荷與SKP22-1/1770型錨索相當,但套接錨桿的平均延伸率(19.5%)與沖擊吸收功(128J)遠超錨索。(5)開展了動載沖擊地壓錨固承載結構穩(wěn)定性控制現(xiàn)場實踐。采用人工爆破模擬礦震動載檢驗控制效果,圍巖質(zhì)點振動、錨固圍巖損傷電磁波CT掃描、圍巖變形和錨固系統(tǒng)受力等礦壓監(jiān)測結果顯示:爆破產(chǎn)生的動載擾動,造成監(jiān)測點位置圍巖張性拉伸損傷破壞,且錨固范圍內(nèi)淺部圍巖損傷破壞大于深部。由于錨固圍巖的損傷破壞,大部分錨桿、錨索軸力突降,軸力損失率隨著震源距離的增大呈乘冪關系衰減,隨預緊力的增大呈減小趨勢。在爆破動載作用下,監(jiān)測區(qū)域巷道圍巖未發(fā)生沖擊破壞,巷道位移和錨桿(索)受力均在允許范圍內(nèi)。
【學位授予單位】：煤炭科學研究總院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TD353
【圖文】：

圖 1.1 我國沖擊地壓災害礦井數(shù)量及分布[2]Fig.1.1 The quantity and distribution of mine impacted by coal burst in China[2]按照加載形式和載荷來源，沖擊地壓可分為靜載型和動載型。靜載沖擊地壓是由于采掘活動引起的采動應力超過煤巖體強度導致的煤體突然沖擊破壞，破壞

（a）靜載沖擊地壓沖擊顯現(xiàn)（b）動載沖擊地壓圖 1.2 沖擊地壓類型[10]Fig.1.2 Two types of coal burst[10]針對沖擊地壓災害的控制主要分為監(jiān)測預警和防控防治。目前，我國沖擊地

圖 1.3 沖擊地壓巷道錨固圍巖破壞現(xiàn)場Fig.1.3 Failure examples of bolt-supported roadways impacted by coal burst本文以開采深度大、采動應力高、受頂板動載擾動，且煤巖層具有沖擊傾等綜合特征的義馬礦區(qū)沖擊地壓巷道為工程背景，采用現(xiàn)場實測、實驗室試驗

【參考文獻】

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本文編號：2790538