深井层状围岩挠曲褶皱性底鼓机理与控制技术

摘要

针对深井层状围岩挠曲褶皱性底鼓的重大技术难题，应用理论分析、数值模拟和工程验证等综合手段，研究了巷道底板岩层变形破坏的挠曲方程、岩层内弯曲应力以及底板岩层的极限承载力，分析了底板分区滑移破坏及岩层运移规律，提出了反底拱锚固梁和U型钢封闭支架两种控制技术，得出的主要结论如下：
　　（1）应用弹塑性板壳理论，建立了巷道层状底板的弹性薄板力学模型，基于矩形薄板小挠度理论，得出了底板岩层的挠曲变形方程的解析解，根据底板岩层发生挠曲褶皱性底鼓的临界破断条件，分析了层状底板岩层的弯曲应力，推导并求解出底板关键岩层的极限承载力下限值的表达式。
　　（2）根据底板岩层失稳的滑移线场模型，可将底板层状围岩划分为主动破坏区、挤压过渡区和挤压被动区三种破坏区域，其中底板主动区（帮部塑性区下方的底板岩层）与地平线分别成π/4-ψ/2和(π/4-ψ/2)方向做整体移动，挤压过渡区岩层分别绕底角两点与径向正交做整体移动，而挤压被动区则是在挤压被动区的带动下向巷道临空方向变形，位移方向为垂直向上运动。
　　（3）研究了U型钢反拱梁控制底鼓的失稳破坏过程，建立了两铰反拱受力模型，采用ANSYS软件分析得出了U25、U29和U36等型钢反拱梁临界屈曲载荷与极限承载力的关系，反拱圆心角为70°（即反拱拱高为0.8m）时屈曲载荷最达，承载系统较为稳定；通过建立反底拱锚固梁结构力学模型，分析锚固梁协同承载，推导了反底拱锚固梁的支护强度力学表达式，提出了设计方法和校对准则；通过求解直墙半圆拱 U型钢封闭支架的内力弯矩，利用强度校核法求得支架承受的的最大均布载荷q，并通过叠加原理可计算出封闭支架的承载力，形成了封闭支架控底的设计思路。
　　（4）结合淮南潘一东矿-848西翼胶带机大巷三联巷以及大屯孔庄矿-1015水平马头门底鼓治理工程，进行了U型钢全封闭支架和反底拱锚固梁工业性试验，两处巷道维护周期均已达3a左右，底鼓变形量控制在安全使用范围内，尤其是孔庄矿-1015水平马头门底鼓量小于10mm，验证技术方案的可靠和有效，为深井层状围岩巷道挠曲褶皱性底鼓的一条行之有效的技术途径。

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变量注释表

1 绪论

1.1 问题提出与研究意义(The Raising of Problem and Meaning of Research)

1.2 国内外研究现状(Current Situation of the Research at Home and Abroad)

1.3 存在的问题(Main Problems)

1.4 研究内容及技术路线(Research Contents and Methods)

2 深井层状围岩挠曲褶皱性底鼓机理分析

2.1 层状底板弹性薄板力学模型建立(Mechanical model initialization for elastic thin plate in stratified floor)

2.2 底板岩层极限承载力(Ultimate bearing load in floor rock mass)

2.3 巷道底板岩层失稳的滑移线场(Slip line field for strata instability in floor)

2.4 本章小结(Brief Summary)

3 反拱控底梁临界屈曲及承载性能计算

3.1 两铰圆弧反拱平面屈曲时临界载荷解析(Critical load Resolution for two-ends hinged inverse arch under plane buckling)

3.2 反拱控底梁有限元理论及模型建立(Model initialization and FEM for inverse arch)

3.3 反拱控底梁非线性屈曲稳定性分析(Stability analysis for non-linear buckling in inverse arch)

3.4 本章小结(Brief Summary)

4 深井层状围岩挠曲褶皱性底鼓控制技术

4.1 挠曲褶皱性底鼓控制方法讨论(Discussion for control methods on bending-fold like floor heave)

4.2 反底拱锚固梁对底鼓控制技术(Floor heave control techniques by inverse arch equipped with bolting beam)

4.3 直墙半圆拱 U 型钢封闭支架控底技术(Floor control technology by U-shaped closed steel support)

4.4 层状围岩挠曲褶皱性底鼓控制技术模拟(Simulation on control technology for bending-fold like floor heave in stratified rock mass)

4.5 本章小结(Brief Summary)

5 工业性试验

5.1 千米深井孔庄矿马头门区域反底拱锚固梁控制实践(Floor heave control example around ingate area in Kongzhuang Mine by inverse arch equipped with bolting beam)

5.2 潘一东-848 西翼胶带机大巷三联巷底板治理工业性试验(Industrial tests on floor heave control around -848 west conveyor roadway in Panyidong Mine)

5.3 本章小结(Brief Summary)

6 结论

参考文献

作者简历

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