泥質(zhì)巷道錨固結(jié)構(gòu)弱化失效致災(zāi)機(jī)理與控制方法研究

泥質(zhì)圍巖巷道采用錨桿支護(hù)時(shí)常發(fā)生錨固失效、支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、甚至垮冒致災(zāi)事故，是巷道圍巖控制研究熱點(diǎn)和棘手難題之一。課題首先以典型工程條件為背景結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試或樣本采集分析錨固系統(tǒng)失穩(wěn)特征并進(jìn)行分類(lèi)。進(jìn)而圍繞圍巖、錨固劑和金屬桿體三種介質(zhì)以及兩個(gè)界面建立“三介質(zhì)-兩界面”錨固體結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析研究錨固點(diǎn)失效、錨固結(jié)構(gòu)弱化、錨固系統(tǒng)失穩(wěn)破壞的漸進(jìn)致災(zāi)機(jī)理。采用自適應(yīng)多場(chǎng)耦合三軸試驗(yàn)儀測(cè)試不同水質(zhì)(酸堿度、礦化度)對(duì)錨固體性能弱化作用，分析比較不同溫度和作用時(shí)長(zhǎng)導(dǎo)致錨固系統(tǒng)失穩(wěn)動(dòng)態(tài)過(guò)程中的變化規(guī)律。采用數(shù)值計(jì)算方法揭示影響錨固體泥質(zhì)圍巖中分子運(yùn)移位態(tài)變化、界面裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育、錨固劑蠕變等微觀結(jié)構(gòu)損傷過(guò)程的關(guān)鍵影響因素。優(yōu)選適用于泥質(zhì)巷道高性能錨固劑，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)錨固技術(shù)應(yīng)用研究，為消除或遏制泥質(zhì)巷道錨固系統(tǒng)失穩(wěn)垮冒致災(zāi)提供理論依據(jù)。 2100433B

煤礦開(kāi)采的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是巷道圍巖穩(wěn)定性控制，且錨網(wǎng)索錨固已成為主導(dǎo)的控制方式。然而，由于對(duì)錨固機(jī)理及技術(shù)的研究和應(yīng)用還存在不足，一方面帶來(lái)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(dǎo)致子系統(tǒng)功能得不到強(qiáng)化；另一方面造成子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用不足，導(dǎo)致錨固系統(tǒng)沒(méi)有產(chǎn)生應(yīng)有的協(xié)同效應(yīng)，從而帶來(lái)整體錨固效能不足。 　　本項(xiàng)目以煤礦巷道工程為研究對(duì)象，將協(xié)同學(xué)原理應(yīng)用于巷道圍巖穩(wěn)定性控制。首先，通過(guò)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(guān)系，提出以位移作為錨固系統(tǒng)的序參量，以此建立錨固系統(tǒng)的力學(xué)模型。其次，通過(guò)理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和工程實(shí)踐等多種方法，多層面、多角度研究錨固系統(tǒng)協(xié)同作用和協(xié)同效應(yīng)。提出協(xié)同增量、協(xié)同指數(shù)的概念和計(jì)算方法，分別作為協(xié)同作用、協(xié)同效應(yīng)程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。建立預(yù)緊力協(xié)同、結(jié)構(gòu)協(xié)同、變形協(xié)同、錨固時(shí)機(jī)協(xié)同等協(xié)同錨固機(jī)制，獲得不同作用機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方式。建立包括高預(yù)緊力技術(shù)、高錨固技術(shù)、錨固巖體高強(qiáng)度技術(shù)等協(xié)同錨固技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)協(xié)同錨固機(jī)理與技術(shù)應(yīng)用一體化研究。 　　研究表明，錨桿（索）預(yù)緊力、布置密度、桿體長(zhǎng)度、鉆裝角度等錨固變量之間存在協(xié)同關(guān)系，且可以通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化錨固變量參數(shù)來(lái)進(jìn)行滿(mǎn)足，促使錨固系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同作用和協(xié)同效應(yīng)，從而帶來(lái)系統(tǒng)功能在宏觀整體上大于各子系統(tǒng)功能之簡(jiǎn)單總和，即產(chǎn)生“1＋1＞2”的協(xié)同效應(yīng)。協(xié)同錨固設(shè)計(jì)使巷道變形、圍巖應(yīng)力分布、錨桿（索）受力等更加均勻協(xié)調(diào)，有效提高錨固巖體的整體強(qiáng)度和剛度，從而顯著地提高其承載能力和抗變形能力。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，有效地解決了巷道圍巖穩(wěn)定性控制所遇到的許多問(wèn)題和難題，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，從而使項(xiàng)目研究更加具有實(shí)際價(jià)值和深遠(yuǎn)意義。 2100433B

高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)已成為我國(guó)煤礦的主要巷道支護(hù)形式，但由于采動(dòng)應(yīng)力的強(qiáng)烈作用，巷道錨固環(huán)境急劇惡化，錨固作用迅速衰減甚至失效，導(dǎo)致頂板事故或巷道強(qiáng)烈收斂變形。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)分析、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的手段，研究動(dòng)壓巷道圍巖應(yīng)力分布特征及演化規(guī)律，錨固系統(tǒng)的物理效應(yīng)、力學(xué)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錨固工作狀態(tài)和巷道圍巖表面及巖體內(nèi)部的精細(xì)位移監(jiān)測(cè)，揭示外無(wú)效加固體誘導(dǎo)采動(dòng)巷道大變形的機(jī)理；揭示出預(yù)應(yīng)力加長(zhǎng)錨固方式的錨固作用衰減呈現(xiàn)出二次或多次波動(dòng)的更復(fù)雜規(guī)律，非傳統(tǒng)全長(zhǎng)錨固方式或端錨形式的增阻、恒阻、衰減的簡(jiǎn)單曲線(xiàn)規(guī)律；適時(shí)注漿技術(shù)可改善圍巖完整性，增加錨桿的粘結(jié)長(zhǎng)度，達(dá)到恢復(fù)錨固力的作用。為強(qiáng)采動(dòng)作用下的巷道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)和頂板安全控制提供理論保障和技術(shù)支持。

針對(duì)目前錨桿(索)錨固缺乏系統(tǒng)協(xié)同性考慮，導(dǎo)致巷道錨固失效、浪費(fèi)或錨固不足等問(wèn)題，本課題以煤礦巷道錨固系統(tǒng)為研究對(duì)象，將錨桿(索)、圍巖、粘結(jié)材料等作為子系統(tǒng)，基于協(xié)同原理，采用理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法，通過(guò)研究各子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用及演化規(guī)律、系統(tǒng)協(xié)同效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制、序參量的基本特性及選定方法、序參量方程的建立和求解、序參量在系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中的調(diào)控作用及演化規(guī)律、序參量與子系統(tǒng)控制變量的相互關(guān)系及作用機(jī)制等內(nèi)容，從而獲得煤礦巷道協(xié)同錨固作用機(jī)理，形成協(xié)同錨固技術(shù)并應(yīng)用于工程實(shí)踐。本課題既深化協(xié)同原理在煤礦巷道穩(wěn)定性控制方面的研究和應(yīng)用，促進(jìn)巷道錨固理論及技術(shù)水平的發(fā)展，又可以為其它工程巖體穩(wěn)定性控制研究提供新的思路和方法，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的研究前景。