锚杆(索)-泡沫铝联合支护冲击地压巷道机理研究

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随着浅部煤炭资源的日益耗尽,我国煤矿大部分即将或者已经进入深部开采阶段,然而随着开采深度的增加,矿井冲击地压的发生强度、频度和范围都将显著加大,目前冲击地压已经严重威胁着煤矿的安全生产和人员生命安全。现场实践表明,冲击地压大部分发生在回采巷道内,巷道围岩稳定性控制是冲击地压防治的一个永恒的研究课题。长期以来,国内外广大学者对有冲击地压危险巷道的支护理论和支护技术进行了广泛研究,并取得了较大研究成果,由于冲击地压发生机理的复杂性,现有大多数支护技术因为支护效果不尽人意或者支护成本高、劳动强度大等原因,难以在现场大面积推广,经济有效的支护技术和手段仍亟待提出。锚杆支护是煤矿高产高效开采的主要技术之一,其显著的技术和经济优越性已经得到证实,多孔金属材料(又称泡沫金属材料)作为一种新型缓冲吸能材料,在航空航天、军事防护、包装运输等工程领域受到重视。本文基于冲击地压的发生机理以及锚杆和多孔金属材料的力学特性和能量耗散规律,提出了锚杆(索)-泡沫铝联合支护击地压技术,并采用理论分析、物理实验和数值模拟相结合的方法研究了锚杆(索)-泡沫铝联合支护击地压巷道的原理。  本研究主要内容包括:⑴基于冲击地压的发生机理和冲击地压巷道围岩变形特征,提出了冲击地压巷道的支护原理,即提高支护的煤岩体强度特别是残余强度,降低煤体残余强度的衰减速度,增加支护系统的能量耗散能力,降低外界对支护系统载荷。⑵利用莫尔强度理论,研究了锚杆(索)-泡沫铝联合支护的锚固体力学特性。研究认为,采用锚杆(索)-泡沫铝联合支护煤岩体后,锚固体的抗压强度和抗剪强度,尤其是残余抗压强度和残余抗剪强度显著提高。⑶利用材料力学理论,研究了锚杆(索)-泡沫铝联合支护的锚固体变形特性。研究认为,采用锚杆(索)-泡沫铝联合支护煤岩体后,由于锚索支护煤岩体处有更厚的泡沫铝,锚索与锚杆协同变形得到增强,锚索不再是锚固体的最薄弱环节。⑷利用能量耗散理论,研究了锚杆(索)-泡沫铝联合支护的锚固体的吸能特性。研究认为,采用锚杆(索)-泡沫铝联合支护煤岩体后,由于锚索与锚杆的协同变形,支护系统中锚杆和锚索的吸能均将达到最大值,泡沫铝吸收一部分能量,并且支护的煤岩体由于强度和变形的增加,其吸收的能量增加,从而使得支护系统吸收能量大大增加,抗冲能力显著增强。⑸利用物理力学试验,研究锚杆(索)-泡沫铝联合支护锚固体的静力学特性。通过不同支护条件下的分组对照试验(不同支护密度、不同泡沫铝厚度),得出试样支护的锚杆根数与试样单轴抗压强度、试样完全破坏所耗散能量和剩余能量系数成线性关系,与试样弹性能指数和冲击能系数成对数关系,与试样变形量指数关系;泡沫铝厚度与试样单轴抗压强度、弹性能指数和冲击能指数成幂数关系,与试样完全破坏所耗散能量线性关系,与剩余能量系数成对数关系,与试样变形量成指数关系。⑹利用数值模拟软件 FLAC3D,对比研究了锚杆(索)-泡沫铝联合支护和单纯性锚杆(索)支护冲击地压巷道支护效果。研究表明,动载荷作用下冲击地压更容易发生;静载荷作用下两种支护方式对巷道围岩的控制并没有明显差别;动载荷作用下,相对于锚杆(索)支护,锚杆(索)-泡沫铝联合支护巷道应力集中系数降低,应力峰值点与离巷道的距离加大,应力梯度降低,塑性破坏区宽度减少,巷道稳定性得到增强。
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