锚杆钢-木组合托盘极限承载力学性能研究

为降低动压冲击对支护系统的破坏,适应大变形巷道的需要;基于球壳结构理论构建锚杆拱形钢托盘承载力学模型,给出钢托盘最大承载力计算式,分析钢托盘各参数尺寸对其承载力的影响关系,研究木托盘压缩实验特征;通过Abaqus软件对钢托盘与组合托盘开展有限元静态力学强度实验,对比分析钢托盘与组合托盘受压状态下的不同特征,分析让压距离对组合托盘承载性能的影响规律。结果表明:对钢托盘承载力的影响顺序为拱高>拱底圆半径>孔口半径,拱高与承载力服从对数增加关系,拱底圆半径、孔口半径与托盘承载力基本成线性增加关系;钢-木组合托盘中木托盘先受力,并经历了压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段,木托盘被压缩可降低钢托盘30.03%的承载受力,组合托盘的应力-位移曲线右移,组合托盘的极限承载力增加;钢托盘受压破坏从孔口处开始,基本成圆形向四周扩展,托盘底部四边中间区域与四角区域形成的高应力差是导致托盘四角破坏的主要原因。

矿用单元式液压支架立柱“井”形防冲吸能构件特性分析

为了解决目前煤矿井下巷道支护设备和支护材料在冲击地压作用下发生损坏破坏和失效的问题,设计研发了一种新型多肋板吸能构件。首先,根据防冲支架吸能构件的作用原理,明确了吸能构件的设计要求,提出了一种多肋板型吸能构件,对吸能构件的构型和截面形状展开了结构设计,给出了多肋板型吸能构件尺寸图与三维模型图;基于简化的超折叠单元理论剖析了“井”形管的能量耗散途径,推导出了“井”形管的平均支反力预测公式;其次,采用数值模拟方法对多肋板型吸能构件吸能特性展开了仿真研究,并探究了肋板厚度和不同材料对多肋板型吸能构件的吸能性能的影响,得出了肋板厚度和材料显著影响吸能性能的结论。最后,利用MATLAB的遗传算法进行了优化,利用参数优化结果,重新设计了多肋板型吸能构件,并进行了仿真试验,将仿真试验与压溃试验的结果进行对比分析。分析表明,遗传算法迭代的多肋板型吸能构件具有较好的能量吸收参数,在平台阶段支撑反力的波动较小,能量吸收过程相对稳定,能有效达到能量吸收的效果。

深部开采复合顶板巷道围岩支护技术研究

为研究深部开采复合顶板巷道围岩支护技术,以火烧铺矿260303轨道巷为工程背景,分析复合顶板巷道破坏原因,提出深部开采复合顶板巷道围岩支护技术方案。结果表明:通过优化断面形式联合锚索-长短锚杆耦合支护的多级围岩支护方案,可提高巷道断面承载强度及锚杆索的联合支护作用,现场监测顶板下沉量仅为48 mm,两帮移近量稳定为34 mm,表明围岩控制效果较好,能够保证工作面安全生产。

复合顶板工作面收尾围岩支护方式优选及应用分析

复合顶板条件下煤炭开采时顶板管理难度较高,容易出现顶板离层量大、冒落等问题,给采面煤炭安全回采带来制约。以山西某矿31107综采工作面为研究对象,针对采面顶板为复合顶板问题,在综合对比锚杆及锚索支护、工字钢架棚支护以及联合支护(锚网索+工作钢架棚)基础上,优选采用联合支护方式控制回撤通道围岩稳定;结合现场条件,对收尾工作安排进行阐述。采用的收尾方式及围岩控制方式可满足31107综采工作面大吨位设备回撤需要,期间未出现围岩变形量大、液压支架压死等问题,为采面设备安全高效回撤创造了良好条件。

复合顶板巷道支护技术研究

某矿91105回风巷掘进区域顶板为松软复合顶板,巷道在地应力、围岩强度低以及采掘扰动等多因素影响下出现变形量大问题,原有的锚杆锚网支护方式难以满足围岩控制需要。因此,结合91105回风巷现场地质条件,提出采用全断面高预紧力锚索方式支护围岩,充分发挥锚索悬吊能力提升围岩自身稳定性,并具体给出围岩支护参数。现场应用后,91105回风巷围岩变形量大问题得以较好解决,巷道在使用期间基本不需要修整,现场取得较好围岩支护效果。

锚杆支护组合构件的力学性能与支护效果分析

对目前常用的锚杆、锚索组合构件形式与力学性能进行了介绍,对比了不同组合构件的抗拉强度与抗弯刚度,分析了组合构件在锚杆支护系统中的作用。采用有限元数值模拟方法,计算了W形钢带在受拉、受弯及受剪状态下的应力分布与变形特征。介绍了组合构件在千米深井巷道、深部沿空留巷、松软破碎围岩巷道等复杂困难条件下的成功应用实例,包括巷道地质与生产条件,锚杆支护设计与支护效果。同时,分析了组合构件选择不合理时容易出现的压穿、撕裂、过大弯曲变形与折断、扭曲及各种组合破坏形式。针对不同形式的组合构件,提出了防止其破坏的建议。设计制作了测力钢带,在安徽淮南谢一矿的回采巷道中进行了钢带受力监测,初步研究了钢带在锚杆安装预紧阶段、掘进影响与稳定阶段的受力特征与变化规律。

软岩巷道喷锚网——弧板复合支护试验研究

本文叙述的是在松软泥岩巷道中采用喷锚网—钢筋混凝士弧形板复合支护的工程实例。对一、二次支护的设计原则,时间和空间的匹配和施工顺序等进行了分析,并扼要叙述了关于弧形板强度、尺寸、接头形状、垫板材料和充填材料等的实验研究成果。

考虑锚固复合承载体效应的巷道安全支护参数分析

考虑锚固复合承载体对巷道支护力和变形量的影响,以锚固复合承载体为结构基础,依据岩石的极限拉压破坏准则并结合芬纳-卡斯特奈公式,对圆形巷道支护力和变形量进行分析研究,推导出锚杆支护巷道最小支护力和最大允许变形量的表达式。基于该表达式经算例分析得出:圆形巷道最小支护力和最大允许变形量与巷道埋深呈线性相关;随着锚固复合承载体厚度和内摩擦角增加,巷道最小支护力减小,巷道最大允许变形量增大;在计算锚杆支护的圆形巷道最小支护力和最大允许变形量时考虑锚固复合承载体的作用更合理。

济三煤矿巷道锚杆支护构件力学性能研究

济三煤矿回采巷道锚杆支护出现帮锚杆托盘被压平、压反、甚至是托盘崩出,造成帮锚杆失效发生破坏的现象,为此,从现场提取部分锚杆、锚索以及托盘等锚固系统构件进行力学性能研究,研究内容包括:锚杆杆体力学性能实验、托盘压缩性能实验和锚索索具性能实验。通过对实验结果的分析,锚杆杆体材料的质量比较稳定,符合安全规程的规定。但托盘的刚度较小,锚索杆体延伸率不适应围岩大变形的要求。因此,改善帮锚杆托盘的材料,增加托盘球壳的冲压高度,可以较好的防止托盘失效;通过增加锚索整体变形量,来提高锚索适应围岩大变形的要求。

轴裂式构件变形吸能特性研究及工程应用初探

为使锚杆适应深埋巷道围岩大变形,有效防治巷道冲击地压灾害,设计了一种适用于锚杆的轴裂式防冲吸能构件。通过理论分析与室内试验,研究了轴裂式吸能构件的变形特性、吸能效果等;探讨构件在锚杆中的应用方式与工作原理,初探了其工程试验效果。研究表明,轴裂式吸能构件撕裂变形稳定,形成"螺旋式"扩展板条,具有良好的可重复性与可控性;构件吸能作用全程具有"峰值轴力波动吸能段、恒定轴力稳定吸能段"两阶段特性,且吸能构件经过预撕裂加工可消除波动载荷,使恒定轴力稳定吸能行程效率达到100%;采用内径26 mm、壁厚4 mm,预制导裂切线4或6条的吸能构件,其恒定轴力达到111.8~143.1 k N,相应吸能量达5.77~8.93 k J,构件恒定载荷值及其吸能量的试验结果与理论分析结果相符合。现场试验表明,轴裂式构件能较好地启动劈裂,实现让压耗能。

冲击载荷下锚杆托板及组合构件力学性能试验研究

在冲击地压巷道中,冲击载荷会造成锚杆支护系统构件与围岩相互作用力急剧增加,托板在高作用力下易出现变形破坏。针对上述问题,采用微机控制电液伺服试验机和自主研发的落锤冲击试验装置,对煤矿常用的拱形托板及其组合构件等3种试样进行了力学性能测试,获取试样静载力-位移曲线、冲击力时程曲线、位移时程曲线及变形破坏特征,分析了锚杆托板及组合构件的抗冲击性能。研究结果表明:静载作用下,托板承载力位于228~243 kN,最大变形量14.10 mm,变形呈现拱高降低、四角翘起、连接部位向圆心转移等特征。动载作用下,托板变形均经历拱高降低、四角翘起及压平3个阶段,冲击能量为500~3 000 J时,冲击力时程曲线呈现急剧上升阶段、震荡作用阶段和迅速下降阶段;冲击能量为3 500~5 000J时,冲击力时程曲线呈急剧上升阶段、震荡稳载阶段、震荡上升阶段和迅速下降阶段。随着冲击能量的增加,试样的冲击力峰值均逐渐增大,与静载相比,托板试样的动载荷峰值较大。试样位移时程曲线可分为弹塑性变形和回弹变形两阶段,弹塑性变形阶段变形量与作用时间呈现线性关系,正、反向及组合构件最大形变量平均作用时间占比分别为68.66%、69.25%、66.66%;回弹变形阶段,3种试样平均弹性形变量分别为1.71、1.84、3.23 mm。整个冲击过程中,3种试样冲击能量平均转化率分别为96.82%、97.33%、93.78%。总体来看,托板正、反向冲击力学性能及变形特征一致性较好,与单独托板相比,组合构件可实现吸能、延长冲击力整体作用时间、缩短震荡作用时间、改善托板承载特性等作用。研究成果为冲击地压巷道锚杆支护的托板及组合构件选取提供一定借鉴。

带垫板全长锚杆和加钢筋条带的锚喷支护理论分析研究

目前，大部分全长锚杆增设垫板，并视围岩强度和施工时间施加大小不等的初锚力。为了定量分析垫板的力学作用和初锚力的支护效果，本文首先分别就软弱和坚硬巷道围岩采用带垫板全长锚固锚杆支护垫板的作用机理以及在无初锚力两种情况下受力分析和计算方法进行探讨。然后，在研究垫板破坏模式的基础上，推导出垫板破坏分析公式。最后还研究了在不稳定围岩实施加钢筋条带全长锚杆支护作用机理及喷层破坏分析方法。此研究为带垫板全长锚杆支护设计提供一个理论计算方法。

隧道径向锚钉-斜交锚杆复合支护技术研究

基于长短锚杆组合支护理论,提出了一种隧道径向锚钉-斜交锚杆复合支护技术,该技术可提高支护结构的整体抗力,有利于缩小围岩塑性区半径,增加锚杆处于稳定围岩区的长度。为进一步研究锚钉和锚杆的组合长度,将隧道围岩划分为A、B和C三区,并把锚杆作用在围岩体内的剪应力简化为环向边界应力,运用厚壁圆筒弹塑性理论推导了锚钉和锚杆组合长度计算式。实例分析表明,0.8m(锚钉)和3.8m(锚杆)的组合长度可以使隧道塑性区半径降低28%,锚固盲区减小88.8%。可见,在隧道长短锚杆组合支护理论中,该计算方法对围岩锚固体长度参数设计有一定指导意义。

高应力作用下锚杆-混凝土反拱结构底鼓控制技术研究

根据常村矿地质资料及S6采区1~#上山的底鼓特征,提出了围岩控制与底鼓治理的支护设计方案。运用力学知识对混凝土反拱组合结构和底板围岩的稳定性进行了分析与混凝土结构设计参数的验证,认为凝土反拱组合结构稳定且参数设计合理;通过对设计的支护方案进行理论分析、数值模拟分析和现场工程试验,得知实际底鼓量为135~194mm,远小于原支护近500mm,且底鼓支护结构稳定,未超过极限载荷,从而证实了采用锚杆-混凝土反拱组合结构控制底鼓方案的可行性。

复合土钉墙支护结构的静力和动力响应分析

针对国内用FLAC对基坑复合土钉墙支护结构动力响应分析的空白,通过预应力锚杆复合土钉支护的试验基坑以土钉和锚杆的轴力为研究对象,在静力和动力两种工况下进行模拟。结果表明:两种工况下,土钉轴力沿长度方向为两端小、中间大,基本呈枣核形;土钉因所处位置不同发挥的作用有差异,但在动载荷作用下基本都呈增加趋势;预应力锚杆的最大轴力在自由段且相同,地震作用对锚固段轴力影响较大,其最大变化达81.4%;通过支护结构轴力分析,提出了布设预应力锚杆的合理位置。

岩盐溶腔顶板稳定性突变理论分析

采用固支大变形圆板突变模型研究了单井溶腔顶板的稳定性,得出了溶腔顶板岩层失稳的必要条件;并考虑了自重侧压力及水平构造应力的综合作用,用平直梁尖点突变模型研究了连通井顶板的失稳突跳,得出了连通井顶板失稳的充要条件。为溶腔稳定性控制和溶腔用于战略石油和天然气的储备打下理论基础。

深埋大跨度复合顶板煤巷失稳机理及控制技术

为了研究深埋大跨度复合顶板煤巷变形失稳机理及支护技术,以某矿2614改造下巷为工程背景,采用压力拱理论和数值模拟技术对巷道围岩变形规律进行了分析,设计了"锚杆(索)+金属网+M钢带+单体支柱"的支护方案,并开展了工业试验。结果表明,大跨度复合顶板巷道围岩失稳破坏分为分层剪切、挠曲离层、拉断破裂和垮落成拱4个阶段,巷道垮落拱高为2.5～3.8m,围岩变形量小于100 mm,锚杆和锚索拉力分别小于60 kN和350 kN,单体支柱压力小于13MPa,支护效果较好。

非均质复合岩巷围岩破坏机理及底鼓控制技术

深部高地应力、层间软弱夹层(结构面)等复杂应力环境下复合煤(岩)巷道围岩变形严重,底鼓问题尤为突出。针对某矿-830水平大巷复合区域岩巷底鼓大变形技术难题,梳理了复合岩巷现场变形破坏特征,分析了围岩破坏力学机制。结合滑移线场理论建立底鼓力学模型,推导了底板破坏半径R0的显式解析式,并借助ZDY钻孔窥视仪对围岩内部损伤裂隙发育程度进行量化表征。建立UDEC数值计算模型反演了原支护下复合岩巷围岩应力、裂隙发育特征以及位移分布规律,综合分析了复合岩巷底鼓变形机理。结果表明:高地应力、邻近岩石极限强度差异大、底板岩性差、底板无支护或弱支护是复合岩巷产生底鼓大变形的根本性原因。结合现场调研及数值模拟分析结果,基于“固底–强帮”整体支护、“强–弱–强”组合承载圈分梯次加固底板的控制思路,提出了一种“全断面锚索+预制块反底拱”锚注联合支护技术应用于复合岩巷底鼓返修实践中。现场监测结果表明,巷道返修60 d内底鼓缓慢变形直至趋于稳定,最大底鼓量约为67.9 mm,相比原支护条件下底鼓变形量降低了95%,大大降低了巷道重复返修的可能性,确保了该矿煤炭资源安全高效开采。

沿空留巷巷内锚杆支护优化

为了提高沿空留巷巷道围岩控制能力,保障煤矿安全生产,以曙光煤矿1226沿空留巷为工程背景,指出留巷原支护存在顶板锚杆锚索同排布置,锚杆锚索预应力小,锚索平托板承载力低、不具备让压扩散预应力等主要问题;提出留巷区域地应力为中等水平构造应力,巷内支护重点考虑水平主应力方向对顶帮角的影响,顶板由砂质泥岩和细砂岩组成,围岩结构对围岩强度影响甚小,煤帮浅部破碎强度低,控制留巷煤帮稳定尤为关键;并优化1228运输巷锚杆支护技术,即改变留巷顶板锚杆锚索布置方式为隔排间隔布置,增加锚杆锚索支护强度,改善锚杆锚索及其附件托板合理配套,调整锚杆锚索安装角度,加大锚杆锚索预应力水平,采用此优化方案取得良好效果。

破碎围岩大直径采区煤仓混凝土浇筑支护技术

针对兴盛煤矿采区煤仓频繁破坏、返修困难的实际情况,根据采区煤仓所处的破碎围岩条件,提出采用"锚网喷+扎筋+浇注混凝土"复合支护技术,即临时支护采用锚网喷支护,永久支护采用"扎筋+混凝土结构"复合支护技术,并从扎筋、立模和碹胎、浇筑混凝土等方面对复合支护施工技术进行了研究。结果表明,采用该复合支护,极大的增强了井壁的抗压强度,解决了以往采区煤仓经常出现仓壁破裂的现象,保证了采区煤仓的长期安全使用。