【摘要】：沖擊地壓是威脅我國(guó)煤礦安全高效開(kāi)采的主要礦井災(zāi)害之一。統(tǒng)計(jì)表明,大部分沖擊地壓發(fā)生在回采巷道中。目前,針對(duì)沖擊地壓的研究主要集中發(fā)生機(jī)理、預(yù)測(cè)預(yù)警和解危措施方面。由于沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性,影響因素的多樣性,發(fā)生地點(diǎn)的不確定性,已有的研究成果并不能完全避免沖擊地壓的發(fā)生。作為沖擊地壓的最后一道防線,預(yù)緊力錨桿支護(hù)系統(tǒng)與其作用范圍內(nèi)圍巖共同形成的錨固承載結(jié)構(gòu)決定了巷道圍巖的整體穩(wěn)定性。對(duì)于動(dòng)載沖擊地壓巷道,錨固承載結(jié)構(gòu)不僅承受較大靜載,還受到頻繁動(dòng)載的擾動(dòng),其沖擊破壞機(jī)理與靜載巷道不盡相同。本文以開(kāi)采深度大、采動(dòng)應(yīng)力高、受頂板動(dòng)載擾動(dòng),且煤巖層具有沖擊傾向性等綜合特征的義馬礦區(qū)沖擊地壓巷道為工程背景,采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,圍繞動(dòng)載擾動(dòng)下巷道錨固承載結(jié)構(gòu)沖擊破壞特征、破壞機(jī)理以及控制技術(shù)開(kāi)展了系統(tǒng)研究。論文取得的主要研究成果如下:(1)開(kāi)展了義馬礦區(qū)沖擊地壓巷道地質(zhì)力學(xué)測(cè)試和典型沖擊破壞實(shí)例實(shí)測(cè)分析,總結(jié)了動(dòng)載沖擊巷道沖擊破壞特征和原因。結(jié)果表明:義馬礦區(qū)動(dòng)載擾動(dòng)沖擊地壓巷道沖擊破壞特征主要表現(xiàn)為:(1)巷道圍巖瞬時(shí)變形量大;(2)巷道底鼓嚴(yán)重;(3)變形破壞程度和震源能量正相關(guān);(4)沖擊破壞之前,巷道圍巖緩慢變形嚴(yán)重;(5)錨桿支護(hù)體系嚴(yán)重失效。沖擊破壞后的巷道表現(xiàn)為圍巖節(jié)理、裂隙擴(kuò)展貫通,強(qiáng)度和完整性弱化,錨固系統(tǒng)錨固性能(錨固力、預(yù)緊力)降低,錨固界面粘結(jié)劣化失效,錨桿產(chǎn)生塑性變形,桿體內(nèi)部晶粒扭曲、畸變,晶粒產(chǎn)生剪切、滑移,晶粒被拉長(zhǎng),金相組織紊亂,抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊吸收功普遍降低。巷道沖擊破壞的主要原因?yàn)?高原巖應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力疊加形成的高靜載應(yīng)力集中、堅(jiān)硬頂板脆斷形成的動(dòng)載擾動(dòng)、巷道圍巖“外碎內(nèi)脆”的結(jié)構(gòu)特性以及錨桿支護(hù)參數(shù)不合理導(dǎo)致的錨固承載結(jié)構(gòu)承載能力低。(2)建立了動(dòng)靜載聯(lián)合作用下回采巷道數(shù)值模型,采用數(shù)值模擬方法分析了動(dòng)載擾動(dòng)作用下巷道錨固承載結(jié)構(gòu)動(dòng)載響應(yīng)特征及沖擊破壞演化過(guò)程。結(jié)果表明:動(dòng)載產(chǎn)生的反復(fù)壓拉作用,極易造成錨固巖體擴(kuò)容變形破壞或錨固系統(tǒng)失效,導(dǎo)致錨固承載結(jié)構(gòu)沖擊破壞;應(yīng)力波在深淺部圍巖產(chǎn)生的動(dòng)載應(yīng)力差,是頂板錨固承載結(jié)構(gòu)變形破壞的主導(dǎo)因素,不同深度圍巖動(dòng)態(tài)響應(yīng)差異是巷幫錨固承載結(jié)構(gòu)變形破壞的主導(dǎo)因素;錨固承載結(jié)構(gòu)沖擊破壞演化過(guò)程為:頂板動(dòng)載擾動(dòng)→淺部圍巖損傷變形破壞→錨固系統(tǒng)失效→錨固承載結(jié)構(gòu)失去對(duì)深部圍巖控制→圍巖損傷破壞范圍驟增→深部圍巖能量瞬時(shí)釋放→錨固承載結(jié)構(gòu)沖擊破壞。動(dòng)載擾動(dòng)下巷道錨固承載結(jié)構(gòu)的沖擊破壞是在采動(dòng)靜載和動(dòng)載驅(qū)動(dòng)下的力學(xué)破壞過(guò)程,伴隨著能量的消耗、釋放與轉(zhuǎn)化。(3)提出了動(dòng)載擾動(dòng)下錨固承載結(jié)構(gòu)沖擊破壞準(zhǔn)則和判據(jù),基于響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析功能,定量研究了單因素以及多因素交互作用對(duì)錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明:動(dòng)載擾動(dòng)沖擊地壓巷道錨固承載結(jié)構(gòu)沖擊破壞必須滿足應(yīng)力和能量的雙重“超載”條件,必要條件是:頂板動(dòng)載和巷道圍巖靜載疊加強(qiáng)度大于錨固承載結(jié)構(gòu)的承載能力,即應(yīng)力超載;充分條件是:礦震余能和巷道圍巖釋放的彈性能量大于錨固承載結(jié)構(gòu)沖擊破壞耗能,且有盈余能量并可轉(zhuǎn)化為沖擊動(dòng)能,即能量超載。圍巖強(qiáng)度、震源距離、震源強(qiáng)度、原巖應(yīng)力、支護(hù)強(qiáng)度等單因素和各因素交互作用對(duì)錨固承載結(jié)構(gòu)變形量都有顯著影響,不同組合條件下錨固承載結(jié)構(gòu)的破壞模式可分為錨桿斷裂型、錨固脫粘型、巖體主導(dǎo)型和復(fù)合型。(4)提出了動(dòng)載擾動(dòng)沖擊地壓巷道錨固圍巖控制技術(shù),主要包括“降載-抗沖-吸能”穩(wěn)定性控制原理、“深部卸壓-淺部強(qiáng)支-巷表防護(hù)”多層次控制技術(shù)以及新型抗沖擊錨桿支護(hù)材料。圍巖卸壓可以降低應(yīng)力集中的程度和范圍,降低深部圍巖沖擊破壞時(shí)能量釋放的大小,增大動(dòng)載傳播的距離和衰減系數(shù),減緩礦震動(dòng)載對(duì)錨固承載結(jié)構(gòu)的擾動(dòng),降低錨固承載結(jié)構(gòu)發(fā)生沖擊破壞的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)不同錨固承載結(jié)構(gòu)破壞模式,采用加長(zhǎng)或全長(zhǎng)高預(yù)應(yīng)力錨固、超高強(qiáng)度長(zhǎng)短錨桿協(xié)同支護(hù)以及全斷面支護(hù),可以有效提高沖擊地巷道錨固承載結(jié)構(gòu)自身的抗沖擊性能和吸能特性。研發(fā)出的新型超高強(qiáng)、高沖擊韌性套接錨桿的破斷載荷與SKP22-1/1770型錨索相當(dāng),但套接錨桿的平均延伸率(19.5%)與沖擊吸收功(128J)遠(yuǎn)超錨索。(5)開(kāi)展了動(dòng)載沖擊地壓錨固承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。采用人工爆破模擬礦震動(dòng)載檢驗(yàn)控制效果,圍巖質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)、錨固圍巖損傷電磁波CT掃描、圍巖變形和錨固系統(tǒng)受力等礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示:爆破產(chǎn)生的動(dòng)載擾動(dòng),造成監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圍巖張性拉伸損傷破壞,且錨固范圍內(nèi)淺部圍巖損傷破壞大于深部。由于錨固圍巖的損傷破壞,大部分錨桿、錨索軸力突降,軸力損失率隨著震源距離的增大呈乘冪關(guān)系衰減,隨預(yù)緊力的增大呈減小趨勢(shì)。在爆破動(dòng)載作用下,監(jiān)測(cè)區(qū)域巷道圍巖未發(fā)生沖擊破壞,巷道位移和錨桿(索)受力均在允許范圍內(nèi)。
【學(xué)位授予單位】：煤炭科學(xué)研究總院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TD353
【圖文】：

圖 1.1 我國(guó)沖擊地壓災(zāi)害礦井?dāng)?shù)量及分布[2]Fig.1.1 The quantity and distribution of mine impacted by coal burst in China[2]按照加載形式和載荷來(lái)源，沖擊地壓可分為靜載型和動(dòng)載型。靜載沖擊地壓是由于采掘活動(dòng)引起的采動(dòng)應(yīng)力超過(guò)煤巖體強(qiáng)度導(dǎo)致的煤體突然沖擊破壞，破壞

（a）靜載沖擊地壓沖擊顯現(xiàn)（b）動(dòng)載沖擊地壓圖 1.2 沖擊地壓類(lèi)型[10]Fig.1.2 Two types of coal burst[10]針對(duì)沖擊地壓災(zāi)害的控制主要分為監(jiān)測(cè)預(yù)警和防控防治。目前，我國(guó)沖擊地

圖 1.3 沖擊地壓巷道錨固圍巖破壞現(xiàn)場(chǎng)Fig.1.3 Failure examples of bolt-supported roadways impacted by coal burst本文以開(kāi)采深度大、采動(dòng)應(yīng)力高、受頂板動(dòng)載擾動(dòng)，且煤巖層具有沖擊傾等綜合特征的義馬礦區(qū)沖擊地壓巷道為工程背景，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 竇林名;賀虎;何江;王正義;;沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的相對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)疊加法[J];煤炭學(xué)報(bào);2018年02期

2 袁亮;姜耀東;何學(xué)秋;竇林名;趙毅鑫;趙旭生;王凱;于慶;盧新明;李紅臣;;煤礦典型動(dòng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)判識(shí)及監(jiān)控預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J];煤炭學(xué)報(bào);2018年02期

3 姜福興;楊光宇;魏全德;王存文;曲效成;朱斯陶;;煤礦復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)預(yù)警平臺(tái)研究與展望[J];煤炭學(xué)報(bào);2018年02期

4 呂進(jìn)國(guó);王濤;丁維波;潘一山;南存全;;深部開(kāi)采逆斷層對(duì)沖擊地壓的誘導(dǎo)機(jī)制[J];煤炭學(xué)報(bào);2018年02期

5 王愛(ài)文;潘一山;李忠華;趙寶友;;沖擊地壓巷道錨桿-圍巖系統(tǒng)復(fù)剛度特性[J];中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2018年01期

6 吳擁政;何杰;王洋;;特大斷面沖擊地壓巷道破壞機(jī)理及控制技術(shù)研究[J];煤炭科學(xué)技術(shù);2018年01期

7 翟明華;姜福興;齊慶新;郭信山;劉懿;朱斯陶;;沖擊地壓分類(lèi)防治體系研究與應(yīng)用[J];煤炭學(xué)報(bào);2017年12期

8 何江;竇林名;王崧瑋;山長(zhǎng)昊;;堅(jiān)硬頂板誘發(fā)沖擊礦壓機(jī)理及類(lèi)型研究[J];采礦與安全工程學(xué)報(bào);2017年06期

9 王宏偉;姜耀東;鄧代新;張登強(qiáng);呂進(jìn)國(guó);曾憲濤;;義馬煤田復(fù)雜地質(zhì)賦存條件下沖擊地壓誘因研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2017年S2期

10 焦建康;鞠文君;馮友良;;基于響應(yīng)面法的煤柱下巷道穩(wěn)定性多因素分析[J];采礦與安全工程學(xué)報(bào);2017年05期

相關(guān)會(huì)議論文 前1條

1 張寅;;全煤沖擊地壓巷道多層復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析及應(yīng)用[A];綜采放頂煤技術(shù)理論與實(shí)踐的創(chuàng)新發(fā)展——綜放開(kāi)采30周年科技論文集[C];2012年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前7條

1 馮俊軍;應(yīng)力波產(chǎn)生機(jī)制及對(duì)沖擊地壓影響研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2016年

2 潘俊鋒;沖擊地壓的沖擊啟動(dòng)機(jī)理及其應(yīng)用[D];煤炭科學(xué)研究總院;2016年

3 付玉凱;高沖擊韌性錨桿吸能減沖原理及應(yīng)用[D];煤炭科學(xué)研究總院;2015年

4 何江;煤礦采動(dòng)動(dòng)載對(duì)煤巖體的作用及誘沖機(jī)理研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2013年

5 鞠文君;急傾斜特厚煤層水平分層開(kāi)采巷道沖擊地壓成因與防治技術(shù)研究[D];北京交通大學(xué);2009年

6 曹安業(yè);采動(dòng)煤巖沖擊破裂的震動(dòng)效應(yīng)及其應(yīng)用研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2009年

7 潘立友;沖擊地壓前兆信息的可識(shí)別性研究及應(yīng)用[D];山東科技大學(xué);2003年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 張磊;動(dòng)載荷下回采巷道錨固荷載演化機(jī)理與控制技術(shù)[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2790538