松散破碎围岩巷道梯形金属支架支护技术优化研究

摘要

随着煤矿开采深度的不断增加，巷道支护技术的难度也不断提升。一些巷道围岩由于受到高地压的作用，变得松软破碎，不能较好的承载矿山压力，导致巷道变形不断加大。对于一些地压较小的巷道，目前的支护技术能够有效的满足其安全及正常使用需求，但当遇到较大地压时，原有的支护方法难以保证预期的支护效果，必须对巷道进行补强修复或结构优化。
　　文章简单介绍了关于矿山岩石力学的一些相关理论，从岩石的破坏条件到巷道开挖后围岩应力的重分布再到松动圈的产生，概括了巷道从开挖到支护背后所蕴涵的力学机理。分析了软岩巷道变形规律和控制机理，对于易破碎的软岩巷道的变形控制要从抑制围岩松动圈的发展着手，依靠岩石的自稳定再辅以一些外界的支护，通过主动支护与被动支护相结合的思想，设计最佳的支护形式。
　　本文依据杨庄煤矿IV520风巷支护设计为研究背景，研究了梯形巷道在高地应力下应力分布和变形的特点，分析表明顶板和两帮中心部位受力变形最大，巷道周围出现应力集中，以四个拐角最为明显;研究了不同梯形巷道断面对围岩应力二次分布的影响，顶板宽度的增加相当于增加了顶梁宽度，使得两帮的应力向顶板转移，两帮变形不断减小，顶板变形不断加大;给出了更加符合实际的梯形棚架的受力模型，在棚梁与棚腿之间采用搭接的情况下，梁与腿之间考虑为铰接，棚腿与地面考虑为固定铰支座更符合工程实际。通过计算梯形支架的应力情况，得到了梯形支架最佳结构的公式，最佳结构与高宽比关系密切而与荷载的具体大小没有直接关系;对比分析优化之后的结构和优化前结构应力分布特点设计的短锚轻架支护结构被成功运用到工程实践中，通过对变形较大的部位施加锚杆锚索固定，明显减小了该部位的变形大小，改善了支护效果。通过现场调查，资料收集，到数值模拟与理论分析，再到支护方案的确定与应用，最后再用实际监测数据来分析总结，所得出的支护设计方案对今后松散破碎围岩巷道的支护提供一些参考与经验。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 问题的提出

1．2 不同巷道断面选型的特点

1．3 金属支架在巷道支护中的应用

1．3．1 金属支架材料特性

1．3．2 金属支架主要结构类型

1．3．3 巷道和支架力学分析方法

1．4 本文思路

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 研究目标

1．4．3 论文的研究路线与方法

1．4．4 论文创新点

1．5 本章小结

2 围岩变形破坏机理简述

2．1 岩石强度理论

2．1．2 德鲁克—普拉格准则

2．2 巷道围岩的应力重分布

2．2．1 弹性围岩重分布应力

2．2．2 塑性围岩重分布应力

2．2．3 围岩的变形

2．3 松动圈理论

2．4 本章小结

3 工业试验巷道工程地质概况

3．1．3 煤层情况

3．1．4 地质构造情况

3．1．5 水文地质情况

3．1．6 煤矿顶底板情况

3．2 煤层分布情况

3．3 Ⅳ520风巷断面情况

3．4 本章小结

4 杨庄煤矿Ⅳ520工作面风巷力学分析

4．1 围岩应力重分布模拟

4．1．1 模型简介

4．1．2 模拟步骤

4．2 金属支架力学模型

4．2．1 金属支架结构模型简介

4．2．2 金属支架力学模型1简介

4．2．3 金属支架力学模型2简介

4．2．4 模型2最佳断面形状的确定

4．2．5 金属支架力学模型3简介

4．3 实例计算

4．3．1 金属支架未补强模型计算

4．3．2 最佳结构的计算

4．3．3 金属支架补强力学模型

4．3．4 金属支架边缘应力的计算

4．4 本章小结

5 杨庄煤矿Ⅳ520工作面风巷支护技术研究

5．1 支护方案的选取

5．2 锚架组合支护方案力学机理

5．2．1 锚架组合结构对松动圈的影响

5．2．2 锚架组合结构的作用特点

5．3 本章小结

6 巷道变形效果监测

6．1 监测设备

6．2 巷道修复补强前后数据处理及分析

6．3 本章小结

7 论文的结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果