深部巷道圍巖協(xié)同錨固機理研究與應用.pdf

1、深部煤礦開采的一個關鍵問題是巷道圍巖穩(wěn)定性控制。近年來隨著錨固材料、設備和施工技術等方面的發(fā)展，錨網(wǎng)索錨固已成為煤礦巷道主導的控制方式。然而，錨固設計仍主要依據(jù)經(jīng)驗方法而缺乏基礎理論指導，其不足主要體現(xiàn)為：一是錨固系統(tǒng)子系統(tǒng)內(nèi)部因素之間的協(xié)同作用不足，導致子系統(tǒng)功能得不到強化；二是子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用不足，從而帶來錨固系統(tǒng)沒有產(chǎn)生協(xié)同增強效應，表現(xiàn)出整體效能不足。這樣既不能有效保證錨固效果與安全性，也不利于提高掘進效率。
　　論文

2、以煤礦深部巷道工程為研宄對象，將協(xié)同學原理應用于巷道圍巖穩(wěn)定性控制。首先論證了協(xié)同學相關理論應用于巷道錨固系統(tǒng)的可行性、合理性與適用性，建立包含錨固系統(tǒng)、圍巖系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)在內(nèi)的深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制系統(tǒng)；通過分析巷道圍巖位移與錨固系統(tǒng)控制變量和狀態(tài)參量的相互關系，論證以位移作為協(xié)同錨固系統(tǒng)序參量的合理性，以此建立深部巷道圍巖協(xié)同錨固系統(tǒng)的力學模型；協(xié)同錨固系統(tǒng)在宏觀整體上大于各子系統(tǒng)之簡單總和，即產(chǎn)生“1+1>2”協(xié)同正效應。

3、　　在此基礎上，論文通過理論分析、模型試驗、數(shù)值模擬和工程實踐等多種方法，多層面、多角度研宄協(xié)同錨固機理、作用機制和協(xié)同效應，建立協(xié)同錨固技術體系與評價指標，并多次應用于工程實踐和取得良好效益，使協(xié)同錨固機理研宄與技術應用實現(xiàn)一體化。
　　論文獲得以下主要結論和創(chuàng)新成果：
　　(1)通過研宄，證明了協(xié)同作用和協(xié)同效應在巷道圍巖錨固系統(tǒng)中的客觀存在，并且可以通過調(diào)整和優(yōu)化錨固變量來更好地實現(xiàn)子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用和錨固系統(tǒng)的協(xié)同

4、效應，能夠顯著地提高巷道錨固巖體的整體強度和剛度，促使巷道變形、圍巖應力分布、錨桿（索）受力等都趨于均勻協(xié)調(diào)，從而明顯地提高巷道錨固巖體的承載能力和抗變形能力。
　　(2)提出協(xié)同增量AS；和協(xié)同指數(shù)^的概念和計算方法，并分別作為協(xié)同作用和協(xié)同效應程度的評價指標。當AS;>0時，表明產(chǎn)生協(xié)同作用，其值越大作用越強；當AS;<0時，表明沒有產(chǎn)生協(xié)同作用或產(chǎn)生負作用；當AS；=0時，表明處于協(xié)同作用“臨界”狀態(tài)。對應地，當會>0時，表

5、明產(chǎn)生協(xié)同效應，且其值愈大，協(xié)同效應愈強；當€<0時，表明沒有產(chǎn)生協(xié)同效應或產(chǎn)生負效應；當會=0時，表明處于協(xié)同效應“臨界”狀態(tài)。
　　(3)通過試驗，研宄錨桿預緊力、布置密度和組合構件對錨固體的錨固作用，獲得了在一定預緊力作用下單根、兩根錨桿對錨固體內(nèi)協(xié)同作用、協(xié)同效應和應力場分布的作用規(guī)律。采用灰色關聯(lián)分析方法，獲知錨桿預緊力與密度共同作用時，錨桿密度對錨固體內(nèi)產(chǎn)生協(xié)同效應范圍的影響更為明顯。另外，組合構件的使用，能夠增強錨固

6、巖體內(nèi)的協(xié)同作用程度和協(xié)同效應范圍，并讓錨固體表面得到更加有效的控制。
　　(4)通過模擬，獲知錨桿（索）預緊力、密度、長度、角度等錨固變量內(nèi)部及相互之間均存在協(xié)同作用關系，且當它們之間的協(xié)同關系得到滿足時，能夠使錨固系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同作用和協(xié)同效應，從而帶來系統(tǒng)功能在宏觀整體上大于各子系統(tǒng)、要素之簡單總和，而協(xié)同關系沒有得到滿足時則不會產(chǎn)生“1+1>2”的協(xié)同效應現(xiàn)象。
　　(5)在錨固變量的協(xié)同作用下，沿錨桿鉆裝方向，錨固體內(nèi)

7、協(xié)同效應范圍呈現(xiàn)出軸向長、橫向短的“橄欖球”型形狀，且協(xié)同效應范圍隨著錨固變量的變化而變化，并在軸向上表現(xiàn)得更為敏感。另外，在非全長錨固作用下，錨固段錨桿與周圍巖體通過粘接作用形成一個“大托盤”，并對一定范圍內(nèi)的巖體產(chǎn)生明顯的擠壓和加固作用，有效提高了錨固巖體的強度和剛度，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)也進一步豐富和完善了錨桿加固拱理論。
　　(6)建立錨桿（索）協(xié)同錨固作用的實現(xiàn)機制，包括預緊力協(xié)同、結構協(xié)同、變形協(xié)同、錨固時機協(xié)同、強度協(xié)同、