软弱围岩巷道U型钢可缩性支架联合支护机理研究

摘要

煤炭一直占我国能源的70％以上，在国民经济建设中占有举足轻重的地位，随着煤炭开采越来越向深部发展，矿井软岩巷道的支护与维护问题显得越来越突出。能否解决好软岩巷道的支护等问题，是煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键，迫切需要深入的研究和探索。 本文系统的论述了软岩的特征及其力学属性，软岩巷道破坏的特点，围岩变形的影响因素，软岩巷道的支护原则及其巷道的维护方法等。从软岩巷道承载机理出发，分析了软岩巷道支护与围岩的相互作用机理，并在此基础上提出了U型钢可缩性支架配合壁后充填与锚注加固的联合支护方法。 本文重点采用显式有限差分二维模拟程序FLAC<'2D>计算软岩巷道围岩与支架变形及压力。系统地分析了软岩巷道的变形破坏形式，以及主要影响因素对支架承载能力的影响，对U型钢可缩性支架联合支护方法进行了深入的分析、计算和研究。并对河南陈四楼煤矿北轨运输大巷联合支护进行了相似模型试验和现场支护实践及观测分析，与数值模拟分析结果相互印证。 本文研究与实践相结合，使软岩支护中的工程类比方法上升到定量分析，为软岩巷道围岩及支护压力和变形计算、巷道维护探索了新的途径。它能在软岩巷道的支护中起着重要的参考作用。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1问题的提出

1.2研究现状

1.2.1软岩巷道支护理论发展现状

1.2.2软岩巷道支护技术研究现状

1.3研究内容

1.4研究方法

第二章软岩巷道支护压力及变形破坏机理研究

2.1软岩的概念与分类及其力学属性

2.2软岩巷道围岩变形的主要特征

2.3软岩巷道围岩的承载机理

2.3.1最佳支护时间的确定

2.3.2软岩巷道围岩的承载机理

2.4软岩巷道支护与围岩相互作用机理研究

2.4.1软岩巷道支护与围岩相互作用力学模型的建立

2.4.2力学分析

2.4.3破坏区半径Rp的确定

2.4.4破坏区位移upi

2.5软岩巷道围岩应力确定的理论研究

2.5.1弹性区内的应力和位移

2.5.2塑性硬化区的应力和位移

2.5.3塑性软化区的应力和位移

2.5.4塑性流动区的应力和位移

2.5.5塑性流动区半径、软化区半径和硬化区半径

2.6软岩巷道变形破坏的主要特点及影响因素

2.7软岩巷道支护的基本原则与主要维护方法

第三章U型钢可缩性支架联合支护机理

3.1施工工序

3.2联合支护机理

3.2.1可缩性U型钢支架

3.2.2壁后充填的作用与机理

3.2.3锚注加固的作用与机理

3.3联合支护结构参数优化设计

3.3.1工程简介

3.3.2地质条件及支护结构设计

3.3.3特征曲线法支护结构参数优化设计

3.4本章小结

第四章相似模型试验

4.1相似关系

4.1.1相似定理

4.1.2试验相似关系的确定

4.2试验原型及相似材料

4.2.1原型巷道

4.2.2相似材料

4.3模型试验装置及量测系统

4.3.1模型试验装置

4.3.2量测系统

4.4试验步骤及结果分析

4.4.1试验步骤

4.4.2试验结果分析

4.5本章小结

第五章数值计算

5.1概述

5.1.1数值模拟的目的与方法

5.1.2显式有限差分二维模拟程序—FLAC2D简介

5.1.3莫尔一库仑模型

5.1.4 FLAC的求解过程

5.2联合支护方法的数值分析

5.2.1数值模型的建立

5.2.2计算结果分析

5.3本章小结

第六章现场量测

6.1现场量测项目及方法

6.2数据处理与分析

6.2.1围岩变形量测及数据分析

6.2.2围岩与支架接触压力量测及数据分析

6.3量测结果与模型试验及数值模拟结果的比较

第七章主要影响因素对支架承载能力的分析

7.1支架背后空洞对支架承载能力的影响

7.1.1拱顶空洞对支架承载能力的影响

7.1.2不同空洞位置对支架承载能力的影响

7.2充填层刚度对支架承载能力的影响

7.3锚注加固对支架承载能力的影响

7.4本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况、参加科研项目