高恒阻大变形锚索力学特性及现场防冲试验研究红阳三矿

博士学位论文高恒阻大变形锚索力学特性及现场防冲试验研究研究生夏洪满年级博-10级专业岩土工程导师何满潮教授中国矿业大学（北京）2013年10月研究生毕业论文中国矿业大学（北京）2013年11月分类号：X43密级：单位代码：11413博士学位论文论文题目：高恒阻大变形锚索力学特性及现场防冲试验研究并列英文题目：MechanicsCharacteristicsoftheLargeDeformationAnchorwithHighConstantResistanceandItsFieldImpactResistanceTest研究生姓名：夏洪满年级：博-10级学号：WBP100603010Q专业：岩土工程研究方向：软岩工程力学导师姓名：何满潮职称：教授论文完成日期：2013年11月20日论文答辩日期：2013年12月10日学位授予日期2013年12月30日中国矿业大学（北京）摘要随着煤矿开采深度的不断增加，冲击地压发生矿井数量和危害程度呈迅速上升趋势，现有的支护对巷道掘进和服务期间发生的冲击地压没有很好的防治作用，根本原因在于支护材料不能满足在冲击荷载下产生足够的变形量吸收围岩变形能，同时保持恒定的支护阻力。本文主要以恒阻值为350KN的新型高恒阻大变形锚索的力学特性及现场模拟冲击地压的防冲试验为主要研究内容，通过一系列室内静力学拉伸试验和动力冲击实验，验证了新型高恒阻大变形锚索具有在冲击作用下产生滑移变形且保持高恒阻的防冲力学特性，对该锚索与巷道围岩相互作用的机理进行了详细研究。首次提出了采用高恒阻大变形锚索材料为防冲支护材料，在现场采用爆破的形式模拟冲击地压的防冲试验方案，并在红阳三矿北一1213回风联络巷进行该锚索与普通锚索对比的现场试验，同时对锚索受力进行了全时域实时监测，对比试验结果验证了室内高恒阻大变形锚索防冲力学特性实验研究，揭示了高恒阻大变形锚索防冲机理是具有吸收能量的同时保持恒阻的特性，表明高恒阻大变形锚索比普通锚索具有很好的抗冲击性能，防冲效果良好。关键词：冲击地压，高恒阻大变形锚索，静力拉伸实验，动力冲击实验，防冲机理AbstractWithincreasingdepthofcoalmining,thenumberofrockburstoccurrenceandendangerdegreesriserapidly,sincetheexistingsupportsystemisnoteffectiveforpreventingrockburstduringtunnelexcavationorservingtime,mainlybecausethesupportingmaterialcan'tmeetthethedeformationaswellastheenergyabsorptioncausedbyimpactloadingtothesurroundingrocks,whilemaintainingaconstantsupportresistance.Inthispaper,weintroduceahighconstantresistance(350KN)largedeformationanchorcablewithitsmechanicalpropertiesandin-sitesimulationofrockburstpreventionimpacttestasthemainresearchcontent,throughaseriesofstatictensileanddynamicimpactlaboratoryteststoverifythenewanchorcablewithlargedeformationresistanceundertheactionofimpactwhilekeepingslipdeformation.Themechanismofthisanchorcable’sinteractionwithsurroundingrockintunnelshascarriedonindetailedstudy.FirstputtheanchorcablematerialintouseassupportingmaterialandputforwardthefieldimpactresistancetestofsimulationrockburstbyblastingwhichperformedatNo.1213tunnelinHongyangminewiththecomparationofouranchorcableandtraditionalones.Atthesametime,byperformingreal-timemonitoringofanchorcablestressandcomparingthetestresultswithlaboratorytestsshowsthemechanismpropertiesofthiskindofcable,thatistheabilityofabsorbingenergywhilemaintainingconstantresistance,andithavebetterperformancethantraditionalcableswithgoodimpingementeffect.Keywords:Rock-burst,LargeDeformationHighConstantResistanceAnchor,Mechanicscharacteristics,Impactresistancetest,Impactresistancemechanism.详细摘要冲击矿压是矿山开采中发生的煤岩动力现象，是聚集在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放的现象。随着煤矿开采深部不断增加，巷道掘进及回采期间发生煤炮、卡钻等冲击动力学现象越来越频繁，冲击地压和瓦斯突出有综合作用的趋势，防冲形势严峻，严重影响深部煤矿开采的安全生产。国内外学者对冲击地压发生的机理和防治进行了大量的研究，目前，对于煤矿回采工作面采场的防冲措施有以下方法：采用合理的开拓布置和开采方式，是防治冲击地压重要的战略措施，在设计中就考虑和规定冲击地压防治措施，并在开拓和准备阶段中实现合理的开拓开采方式和顺序，以便把冲击地压危险，降低到最小程度；开采保护层是防治冲击地压的一项有效的，带有根本性的区域性防范措施；煤层预注水是一种积极主动的区域性防范措施，能够显著降低煤岩层的冲击倾向性，消除或减缓冲击地压威胁。局部解危措施如钻孔卸压、卸压爆破、深孔爆破等，能够减缓冲击地压的发生。现有的这些防冲措施基本能够达到缓解或者抑制采场冲击地压发生的作用。对于巷道掘进和服务期间发生的冲击地压，根本原因在于进入深部开采以后受―三高一扰动‖的复杂地质条件影响的，其中有相当一部分是由于深部巷道工程所处的高的地应力环境，特别是由于深部复杂的地质构造而产生的高的构造应力，加之多水平开采造成的开采动压影响，诱发的冲击地压。目前主要的防冲措施有U型钢可缩支护、圆型支架、锚网支护、U型支架联合支护、钢管混凝土、全长锚固支护和垛式支架等支护。但是现有的防冲措施对于巷道掘进和服务期间冲击地压发生时强烈的冲击波和伴随发生的围岩帽落、大变形等现象的防护效果不是很理想，或者成支护难度增大、成本增高。针对现有支护材料这种情况，2007年，受以柔克刚，刚柔相济哲学思想的启迪，何满潮教授提出了基于大变形控制理念的基本理论，并建立了恒阻大变形锚杆的设计框架。2009年，经过科研团队的不懈努力，终于成功研制了130KN恒阻大变形锚杆（索），2011年成功研制了350KN恒阻大变形锚索。该博士论文紧扣现场及室内实验环节，对恒阻值为350KN的新型高恒阻大变形锚索的力学特性及防冲性能和机理进行了室内及现场试验研究。利用团队自主研发的―HWL-2000恒阻大变形锚索拉力实验系统‖和―LEW-20WJ型恒阻大变形锚索落锤冲击实验系统‖对新型高恒阻大变形锚索进行静力拉伸试验以及动力冲击实验，对其静力学、动力学特性进行详细的研究，验证了其抵抗围岩缓慢变形和吸收冲击能量的性能，阐述了高恒阻大变形锚索支护体系与巷道围岩的相互作用原理，及其与巷道围岩相互作用能量本构关系。并以此为基础首次提出了采用爆破的形式模拟冲击地压的防冲试验方法，以红阳三矿北一1213回风联络巷为工程地质背景，系统介绍试验段位置、顶底板岩性、爆破硐室设计、炸药量估算方法、实验过程设计及监测方案设计。组织实施了现场防冲试验过程，现场监测数据验证了高恒阻大变形锚索具有在冲击荷载作用下通过滑移变形吸收能量的同时保持恒阻的防冲特性。论文各部分研究内容具体如下：通过对冲击地压发生机理和现有防治措施的国内外研究现状的研究，总结出现有的防冲措施对于采场内发生的冲击地压已经能够基本缓解或把损失降到最低；但是对于巷道掘进和服务期间发生的冲击地压现有的方法不能够适应冲击发生时巷道围岩能量突然释放，和冲击后巷道围岩大变形的要求，根据何满潮教授提出的高恒阻大变形锚索防冲的理念，通过理论基础研究，得出高恒阻大变形锚索在巷道防冲中的可行性和必要性。详细阐述了高恒阻大变形锚索防冲击控制理念，系统介绍了新型高恒阻大变形锚索结构特征和技术参数及其设计原理。介绍了新型高恒阻大变形锚索的结构组成、技术特点及参数。主要技术特点：该型锚索具有―抗中有让，让中有抗，恒阻防冲‖的恒阻大变形特性；恒阻力处在350kN左右；在恒定工作阻力下，变形量最大可达到近1000mm。利用自主研发的―HWL-2000恒阻大变形锚索拉力实验系统‖和―LEW-20WJ型恒阻大变形锚索落锤冲击实验系统‖，对应用于红阳三矿现场恒阻大变形锚索防冲试验所用的恒阻大变形锚索进行了静力拉伸实验和动力冲击实验，验证了其抵抗围岩缓慢变形和吸收冲击能量的力学性能，新型高恒阻大变形锚索抵抗和吸收冲击能量的性能较以往的同类锚索具有非常优越的性能，单根该型锚索可吸收超过17万焦耳的能量。阐述了高恒阻大变形锚索支护体系与巷道围岩的相互作用原理，及其与巷道围岩相互作用能量本构关系。研究了红阳三矿工程地质条件，主要含煤地层情况、地质构造特征、地应力分布规律等情况。详细论述了7#煤层北一采区1213回风联络巷试验段位置、煤层及顶底板情况、构造及火成岩情况、瓦斯及通风布置及试验段原支护情况，为试验段现场冲击试验设计提供基础。为了研究新型高恒阻大变形锚索的防冲击性能，研究红阳三矿冲击地压发生的机理，找到原支护条件下冲击地压发生的临界能量及恒阻支护条件下锚索通过变形可吸收的能量，为进一步研究冲击地压的控制对策提供基础。首次提出采用井下巷道现场爆破方法模拟冲击地压进行现场防冲试验研究，并提出相应的设计方案，冲击试验拟选择在北一1213回风联络巷进行，分4个试验段进行高恒阻大变形锚索与普通锚索的对比试验，方案对加固方案、实验过程设计及监测设计进行了详细论述。据查阅有关资料显示，目前发生在煤矿井下巷道的冲击地压的矿震震级大部分处在2~3级，对应的能量为106.45~107.8J，参考矿方所用矿用3#乳化炸药的爆炸能量为2.95×106J/Kg，本次试验采用单次爆破为10Kg矿用3#乳化炸药进行模拟3级矿震的爆破能量。根据有关统计显示，发生在井下巷道的冲击地压时，大部分巷道帮部破坏深度范围在1.5~2.5米处，故爆破试验炮孔设计在距帮部2.5米左右的位置进行爆破试验。按照设计要求，在沈阳红阳三矿北一1213回风联络巷选择试验段进行试验，试验段分4段进行，分次进行对比试验。首先，按照设计在原有支护不变的情况下对巷道爆破试验一侧帮部进行补打锚索加强支护，其中试验段Ⅱ和试验段Ⅲ为高恒阻恒阻大变形锚索加固段，恒阻值为350KN；试验段Ⅰ和试验段IV为普通锚索加固段，加固设计的原则是各段的单位面积支护工作阻力相同；然后按照各段能量设计布置炮孔并进行装药及爆破模拟冲击地压的现场试验；实验过程中，采用常规矿压监测和高恒阻大变形锚索及普通锚索受力全时域实时监测相结合方法，对试验段巷道在冲击试验前后巷