二次沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制機(jī)制研究.pdf

1、應(yīng)用相似材料模擬、數(shù)值模擬、力學(xué)分析、突變分岔理論、混沌理論等，系統(tǒng)地研究了二次沿空留巷不同階段圍巖、巷內(nèi)支護(hù)及巷旁支護(hù)三者之間的相互作用關(guān)系，確定了圍巖的破壞、失穩(wěn)判據(jù)，揭示了圍巖的變形破壞機(jī)理。
　　 通過(guò)相似材料模擬和數(shù)值模擬，分析了二次沿空留巷不同階段圍巖應(yīng)力、位移及變形破壞特征;研究了錨桿支護(hù)參數(shù)變化對(duì)二次沿空留巷不同階段圍巖穩(wěn)定性影響。
　　 工作面端頭關(guān)鍵塊的穩(wěn)定直接影響到其下位支護(hù)圍巖小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，保持其

2、穩(wěn)定有利于減小二次沿空留巷圍巖變形和增加充填體的穩(wěn)定性?；谏细矌r層活動(dòng)規(guī)律，構(gòu)建了二次沿空留巷不同階段工作面端頭關(guān)鍵塊的“S—R”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，確定了工作面端頭關(guān)鍵塊的穩(wěn)定性判據(jù)。在關(guān)鍵塊穩(wěn)定的前提下，對(duì)二次沿空留巷不同階段的充填體受力狀況進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出巷旁支護(hù)阻力的計(jì)算式，合理確定了保持工作面端頭關(guān)鍵塊穩(wěn)定所需的充填體寬度。
　　 由于二次沿空留巷為上、下區(qū)段的兩個(gè)工作面服務(wù)，巷道服務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)，且充填體長(zhǎng)期承受采空區(qū)側(cè)向

3、支承壓力的影響。隨著時(shí)間的增加，充填體可能會(huì)進(jìn)入流變狀態(tài)，充填體的流變將會(huì)直接影響到二次沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性。應(yīng)用突變分岔理論，研究了充填體的非線性蠕變力學(xué)特征，并采用最小二乘法進(jìn)行模型參數(shù)擬合，確定了充填體非線性蠕變的混沌判據(jù)，揭示了充填體非線性蠕變破壞機(jī)理。
　　 充填體在變形破壞過(guò)程中既具有流變特性，也具有損傷特性，前者反映了時(shí)間效應(yīng)，后者反映充填材料內(nèi)部的各種缺陷的發(fā)展。基于Lemaitre應(yīng)變等價(jià)性假說(shuō)，推導(dǎo)出充填體的

4、損傷本構(gòu)關(guān)系，確定了充填體的損傷失穩(wěn)判據(jù)。
　　 影響充填體穩(wěn)定性的因素很多，這些因素都具有很大的變異性，且巷道服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)，因此要求充填體具有足夠的可靠性。應(yīng)用支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性理論，計(jì)算出二次沿空留巷不同階段充填體的可靠性指標(biāo)。
　　 二次沿空留巷技術(shù)成敗的關(guān)鍵是充填體能否適應(yīng)沿空留巷頂板巖層活動(dòng)規(guī)律和有效地控制直接頂?；谀芰渴睾阍?，建立了二次沿空留巷不同階段直接頂?shù)牧W(xué)模型，推導(dǎo)出沿空留巷直接頂?shù)姆€(wěn)定性判據(jù)。應(yīng)用位移

5、變分法，分析了沿空留巷直接頂下沉與充填體寬度、煤幫塑性區(qū)、煤幫側(cè)向支護(hù)阻力、巷道寬度、巷內(nèi)支護(hù)阻力及巷旁支護(hù)阻力等因素的關(guān)系。
　　 在二次沿空留巷整個(gè)過(guò)程中，一次沿空留巷煤幫經(jīng)受巷道掘進(jìn)及兩次工作面超前支承壓力的影響，保持其穩(wěn)定有利于減小直接頂?shù)南鲁亮亢驮黾雨P(guān)鍵塊的穩(wěn)定性?；谀芰渴睾阍?，確定了一次沿空留巷煤幫的穩(wěn)定性判據(jù)，并推導(dǎo)出煤幫側(cè)向支護(hù)阻力和錨桿間排距的計(jì)算式，為煤幫錨桿間排距的確定提供了理論依據(jù)?；贚emaitr

6、e應(yīng)變等價(jià)性假說(shuō)、Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則和極限平衡理論，預(yù)測(cè)了一次沿空留巷煤幫的片幫深度，為煤幫錨桿長(zhǎng)度的確定提供了理論依據(jù)。
　　 二次沿空留巷圍巖屬于大變形圍巖，對(duì)初始條件的變化具有很強(qiáng)的敏感性，難以通過(guò)傳統(tǒng)的直接觀測(cè)方法來(lái)進(jìn)行判斷。采用功率譜分析法研究了二次沿空留巷不同階段圍巖應(yīng)力的混沌動(dòng)力學(xué)特征，研究認(rèn)為:充填體寬度較小時(shí)圍巖應(yīng)力具有較強(qiáng)的波動(dòng)性，呈現(xiàn)混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。隨著充填體寬度增加，功率譜的尖峰增加，不規(guī)

7、則運(yùn)動(dòng)比例逐漸減少。利用Lyapunov指數(shù)法分析了充填體寬度、錨桿預(yù)緊力、錨桿支護(hù)強(qiáng)度對(duì)二次沿空留巷不同階段圍巖混沌性影響，合理確定了二次沿空留巷充填體寬度、錨桿預(yù)緊力、錨桿支護(hù)強(qiáng)度、錨桿直徑等參數(shù)。
　　 基于二次沿空留巷上覆巖層活動(dòng)規(guī)律和不同階段圍巖變形破壞特征，將二次沿空留巷圍巖控制視為一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，提出了“充分利用基本頂關(guān)鍵塊穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)控制、始終保持巷旁充填體穩(wěn)定、匹配協(xié)調(diào)、主動(dòng)加固、弱化擾動(dòng)、整體圍巖強(qiáng)