高冲击韧性锚杆吸能减冲原理及应用.pdf

分类号 U D C 高冲 学校代码 密级 博士学位论文 击韧性锚杆吸能减冲原理及应用 E n e r g ya b s o r p t i o na n dr o e k b u r s tw e a k e n i n gt h e o r yf o rh i g h i m p a c tt o u g h n e s sr o c kb o l ta n d i t sa p p l i c a t i o n s 究生挝玉凯 学科专 研究方 培养单 师 鏖红萱砑究员 位 煤炭科学研究总院 2 0 15 - 年- 6 月 研 导 万方数据 煤炭科学研究总院学位论文独创性声明和使用授权声明 姓名 培养 论文 本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写 的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作孝 签名 q 刈 学位论文使用授权声明 本人完全了解煤炭科学研究总院关于收集、保存、使用学位论文的规定。本 人愿意按照总院的要求提交学位论文的印刷本和电子版。 总院有权保留学位论文印刷本和电子版，或采用影印、缩印、数字化或基它 复制手段保存论文；总院有权将论文放入总院档案管理部门供查阅。在不以营利 为目的的前提下，总院有权向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版。总院有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。总院有樱将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的论文在解密后遵守此规定。 刈 赫1 ＼／ 径． 步 签 C 目 作 刘 年 ．刁卜b 易 厶到 娉士西1 名毒鹳凼 E ．臼 导 年r J 立 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 摘要 本文针对目前冲击地压巷道的支护难题，以义马矿区常村煤矿为研究背景，采用 实验室实验、数值模拟、理论分析与井下试验相结合的综合研究方法，对冲击地压巷 道失稳破坏原因、煤岩体冲击载荷下的动态力学性质及高冲击韧性锚杆的抗冲击性能 进行了研究，获得以下主要研究成果 1 巷道开挖形成的煤岩体节理和裂隙，大大降低了煤岩体的完整性，使其应 变率敏感性增强，进而增大了裂隙煤岩体的塑性变形能力； 2 高冲击韧性锚杆具有高强度、高冲击韧性及高延伸率，可以经受冲击地压 所产生的冲击载荷，杆体可以在高强度下屈服吸能，具有良好的吸能减冲特性，且不 易动载破断，高预应力可有效提高裂隙煤岩体的粘结力和抗滑力，使冲击载荷下裂隙 煤岩体的塑性变形能力减弱，从而增强煤岩体的稳定性； 3 建立了高冲击韧性锚杆吸能减冲模型，分析了高冲击韧性锚杆防冲抗震的 机理，提出了高抗冲击体的概念和高冲击韧性锚杆吸能减冲原理，高冲击韧性锚杆与 巷道围岩组成了一个共同的高抗冲击体，采用高强度锚索，使高抗冲击体和深部岩体 形成复合抗冲击体，增大围岩承载结构，增加锚固层厚度和强度，高强度锚索不但可 以提供较大的承载载荷，且高强度锚索可以使高抗冲击体和深部岩体协调变形，避免 冲击载荷作用下高抗冲击体的不协调变形而产生失稳破坏，复合抗冲击体随冲击波冲 击方向整体高强度让压吸能，从而耗散冲击地压灾害释放的大量冲击能量； 4 基于高抗冲击体力学模型和能量耗散模型，确定了高抗冲击体防冲抗震的 应力判据和能量准则，得出高冲击韧性锚杆与巷道围岩的协调变形 高抗冲击体 是 耗散冲击地压能量的主要方式，通过提高锚杆的预紧力、强度、冲击韧性及支护密度 等参数，可有效提高巷道围岩的抗冲击能力； 5 将研究成果进行了现场应用，解决了冲击地压巷道的支护难题，取得了良 好支护效果，进一步验证了高冲击韧性锚杆吸能减冲原理的正确性。 关键词巷道支护；冲击地压；高冲击韧性锚杆；吸能减冲原理 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 A b s t r a c t I nv i e wo ft h ec u r r e n ts u p p o r tp r o b l e mo fr o a d w a yw i t hr o c kb u r s t ，t a k i n gC h a n g c u nc o a lm i n ei n Y i m am i n ea r e aa st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h ei n s t a b i l i t yf a i l u r ec a u s eo fr o a d w a yw i t hr o c kb u r s t ， d y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fc o a la n dr o c km a s su n d e rt h ei m p a c tl o a da n ds h o c kr e s i s t a n c eo fh i g h i m p a c tt o u g h n e s sb o l tw e r es t u d i e db a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v er e s e a r c hm e t h o dc o m b i n e dw i t hl a b e x p e r i m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l m i o n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n du n d e r g r o u n dt e s t , t h em a i nr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ． 1 T h er e s e a r c hr e s u l t ss u g g e s tt h a tt h ej o i n t sa n df i s s u r e sd e v e l o p e di nc o a la n dr o c km a s sa f t e r r o a d w a ye x c a v a t i o ng r e a t l yr e d u c e st h ei n t e g r i t ya n ds t r e n g t h e nt h es t r a i nr a t es e n s i t i v i t yo ft h ec o a la n d r o c k ，a n dt h e ni n c r e a s et h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nc a p a c i t yo ff r a c t u r e dc o a la n dr o c k ． 2 H i g hi m p a c tt o u g h n e s sb o l tw i t hh i 曲s t r e n g t h ，h i 曲i m p a c tt o u g h n e s sa n dh i 。g he l o n g a t i o nC a l l w i t h s t a n di m p a c tl o a dp r o d u c e db yr o c kb u r s t ．M e a n w h i l e ，t h er o db o d yc a r ly i e l da n da b s o r be n e r g y u n d e rt h eh i | g hs 仃e n g t h ，w h i c hh a sg o o df e a t u r e so fe n e r g ya b s o r p t i o na n dr o c k b u r s tw e a k e n i n ga n di s n o te a s i l yb r o k e nu n d e rd y n a m i cl o a d ．H i g hp r e s t r e s sc a r li m p r o v ec o h e s i v ef o r c ea n ds l i d i n gr e s i s t a n c e f o r c ea n dr e d u c ep l a s t i cd e f o r m a t i o nc a p a c i t yo ff r a c t u r e dc o a la n dr o c km a s st oe n h a n c et h es t a b i l i t yo f c o a la n dr o c k ． 3 B a s e do nt h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t s ，t h em o d e lf o re n e r g ya b s o r p t i o na n dr o c k b u r s tw e a k e n i n go f h i g hi m p a c tt o u g h n e s sb o l ti ss t a b l i s h e da n dr o c k b u r s tp r e v e n t i o na n da n t i k n o c km e c h a n i s m i sa n a l y z e d ， t h ec o n c e p to fh i g hi m p a c tr e s i s t a n c ea n dt h ep r i n c i p l eo fh i g hi m p a c tt o u g h n e s sb o l te n e r g ya b s o r p t i o n a n dr o c k b u r s tw e a k e n i n ga r ep r e s e n t e d ．I ti so b t a i n e dt h a tf r o mt h er o e k b u r s tp r e v e n t i o na n da n t i k n o c k m e c h a n i s m ，t h eh i g hi m p a c tt o u g h n e s sb o l ta n ds u r r o u n d i n gr o c ko fr o a d w a yc a nf o r mac o m m o nb o d y o f h i 曲i m p a c tr e s i s t a n c e ．H i g hs t r e n g t ha n c h o rc a b l ei su s e dt om a k ec o m m o nb o d yo fh i 曲i m p a c t r e s i s t a n c ea n dd e e pr o c km a s st ob eac o m p o s i t eb o d yo fi m p a c tr e s i s t a n c ea n di n c r e a s et h eb e a r i n g s t r u c t u r eo fs u r r o u n d i n gr o c ka n dt h i c k n e s sa n ds 订e n g t ho fa n c h o r i n gl a y e r ．H i 曲s t r e n g t ha n c h o rc a b l e c a nn o to r d yp r o v i d eal a r g e rb e a r i n gl o a d ，b u ta l s oc a ng u a r a n t e ec o m p a t i b i l i t yo fd e f o r m a t i o nb e t w e e n c o m m o nb o d yo fh i g hi m p a c tr e s i s t a n c ea n dd e e pr o c km a s sa n dS Oa v o i di n s t a b i l i t yf a i l u r ed u et o u n c o o r d i n a t e dd e f o r m a t i o no fc o m m o nb o d yo fh i g hi m p a c tr e s i s t a n c eu n d e ri m p a c tl o a d ．T h ec o m p o s i t e b o d yo fi m p a c t - r e s i s t a n c eC a no v e r a l l l yp r o d u c eh i g h - i n t e n s i t i v ey i e l da n de n e r g ya b s o r p t i o na l o n gw i t h t h ei m p a c td i r e c t i o no fs h o c kw a v ea n dS Od i s s i p a t et h el a r g ea m o u n to fi m p a c te n e r g yr e l e a s e df r o m I I 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 r o c kb u r s t ． 4 B a s e do nt h em e c h a n i c sa n de n e r g yd i s s i p a t i o nm o d e l ，t h es t r e s sj u d g e m e n ta n de n e r g yc r i t e r i o n f o rr o c k b u r s tp r e v e n t i o na n da n t i k n o c ko fc o m m o nb o d yo fh i g hi m p a c tr e s i s t a n c ea r ed e t e r m i n e d ．I ti s s h o w nt h a tc o o r d i n a t i o no fd e f o r m a t i o nb e t w e e nh i g hi m p a c tt o u g h n e s sb o l ta n ds u r r o u n d i n gr o c ko f r o a d w a yi st h em a i nw a yt od i s s i p a t et h ee n e r g yo fr o c kb u r s t ．B yi n c r e a s i n gt h ep a r a m e t e r ss u c ha s p r e t i g h t e n i n gf o r c e ，s t r e n g t h ，i m p a c tt o u g h n e s s ，s u p p o r td e n s i t y a n dS Oo n ，i m p a c tr e s i s t a n c eo f s u r r o u n d i n gr o c ko f r o a d w a yc a nb ee f f e c t i v e l yi m p r o v e d ． 5 T h er e s e a r c ha c h i e v e m e n th a sb e e nu s e di nf i e l da n ds o l v e dt h es u p p o r tp r o b l e mo fr o a d w a yw i t h r o c kb u r s ta n do b t a i n e dg o o ds u p p o r t i n ge f f e c t ，w h i c hf u r t h e rv a l i d a t et h ev a l i d i t yo fe n e r g ya b s o r p t i o n a n dr o c k b u r s tw e a k e n i n gt h e o r yf o rh i g hi m p a c tt o u g h n e s sr o c kb o b ． K e y w o r d s r o a d w a ys u p p o r t ；r o c kb u r s t ；h i g hi m p a c tt o u g h n e s sb o l te n e r g ya b s o r p t i o na n dr o e kb u r s t w e a k e n i n gt h e o r y I I I 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l 1 ．2 文献综述国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～3 1 ．2 ．1 冲击地压概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 ．2 ．2 冲击地压巷道支护技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．2 ．3 高强度高冲击韧性锚网索支护技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l O 1 ．3 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 1 ．4 研究方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 冲击地压巷道煤岩体动态力学特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一18 2 ．1 冲击地压巷道煤岩体物理力学参数测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．1 ．1 实验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．1 ．2 单轴压缩实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．1 ．3 巴西劈裂实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．1 ．4 常规三轴压缩实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．1 ．5 煤系岩石矿物成分分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．2 煤层冲击倾向性测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．2 ．1 常村和耿村矿煤试样测定结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 2 ．2 ．2 千秋和跃进矿煤试样测定结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．3 煤岩体冲击载荷下动态力学特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．3 ．1S H P B 测试系统及原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．3 ．2 煤试样S H P B 实验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 2 ．3 ．3 实测煤样动态力学性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 2 ．4 煤岩体动态本构模型的建立及验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 2 ．4 ．1 动态本构模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 2 ．4 ．2 动态本构模型的实验验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 3 高冲击韧性锚杆的抗冲击性能实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 3 ．1 材性实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 3 ．1 ．1 锚杆力学性能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 3 ．1 ．2 锚杆冲击吸收功测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 3 ．2 实验方案及实验系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 3 ．2 ．1 实验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 3 ．2 ．2 实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 3 ．3 两端固支锚杆侧向抗冲击性能实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 3 ．3 ．1 试样破坏形态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 3 ．3 ．2 不同冲击能量下锚杆的冲击力时程曲线分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 3 ．3 ．3 不同冲击韧性锚杆的侧向冲击力时程曲线分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 3 ．3 ．4 不同冲击韧性锚杆应变时程曲线分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 3 ．3 ．5 不同冲击韧性锚杆的冲击破断能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 3 ．4 锚杆轴向抗冲击性能实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 3 ．4 ．1 不同冲击韧性锚杆的轴向冲击力时程曲线分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 3 ．4 ．2 不同冲击韧性锚杆轴向冲击下的破断能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 3 ．5 锚杆力学性能与破断耗散能关系分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 3 ．5 ．1 锚杆力学性能与侧向破断耗散能关系分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 3 ．5 ．2 锚杆力学性能与轴向破断耗散能关系分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 3 ．5 ．3 高冲击韧性锚杆的界定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 3 ．6 高冲击韧性锚杆抗冲击机制分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 3 ．6 ．1 材质成分分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 3 ．6 ．2 断口及组织成分分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 3 ．6 ．3 试样示波冲击分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 3 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 4 冲击波对锚杆支护体的作用机理及数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 4 ．1 冲击波作用下锚杆动态力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 4 ．1 ．1 一维应力波传播理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 4 ．1 ．2 锚固体一锚杆一托板系统动力模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 I I 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 4 ．1 ．3 锚杆支护系统动力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 4 ．1 ．4 冲击波对围岩的动态作用分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 4 ．2 巷道冲击破坏数值计算模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 8 4 ．2 ．1F L A C 3 D 动力分析简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 8 4 ．2 ．2 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 0 4 ．2 ．3 计算参数选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 4 ．3 冲击载荷下巷道围岩破坏特征数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 4 ．3 ．1 不同冲击能量下巷道围岩破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 4 ．3 ．2 震源距离对巷道围岩冲击破坏的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 3 4 ．3 ．3 震源方位对巷道围岩冲击破坏的影响⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 5 4 ．3 ．4 不同支护参数下巷道围岩抗冲击能力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 7 4 ．3 ．5 不同冲击韧性锚杆支护下巷道围岩抗冲击能力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 5 高冲击韧性锚杆吸能减冲原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 4 5 ．1 冲击波对巷道围岩的破坏效应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～1 0 4 5 ．2 冲击地压巷道支护材料的适应性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 0 5 5 ．2 ．1 冲击地压巷道对支护结构的功能性要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 5 5 ．2 ．2 锚网索支护材料抗冲击适应性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 6 5 ．3 高冲击韧性锚杆防冲工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 8 5 ．3 ．1 高冲击韧性锚杆防冲作用分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 8 5 ．3 ．2 高冲击韧性锚杆和高强锚索协同防冲作用分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 9 5 ．4 高冲击韧性锚杆支护结构特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 1 5 ．4 ．1 基于高冲击韧性锚杆的高抗冲击体的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1l 5 ．4 ．2 高抗冲击体和复合抗冲击体的特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 2 5 ．4 ．3 高抗冲击体防冲力学机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 4 5 ．5 基于高冲击韧性锚杆的高抗冲击体能量耗散机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 8 5 ．5 ．1 高冲击韧性锚杆吸能机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 18 5 ．5 ．2 高抗冲击体结构能量耗散机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 8 I I I 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 2 2 6 高冲击韧性锚杆防冲支护工业性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 6 ．1 试验矿井工程地质条件概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 6 ．1 ．1 义马矿区巷道围岩工程条件调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 3 6 ．1 ．2 义马常村煤矿冲击地压灾害⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 4 6 ．1 ．3 常村矿2 1 2 2 0 下巷工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 5 6 ．2 试验巷道围岩地质力学测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 6 6 ．2 ．1 地应力测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 7 6 ．2 ．2 巷道围岩强度原位测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 8 6 ．2 ．3 巷道围岩结构观察⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 8 6 ．3 冲击地压巷道设计方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．13 0 6 ．3 ．1 试验区域冲击危险指数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 0 6 ．3 ．2 高冲击韧性锚杆吸能减冲能量校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 31 6 ．3 ．3 不同支护方案的数值模拟对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 6 ．4 常村矿巷道支护设计方案及矿压监测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 4 6 ．4 ．1 常村矿2 1 2 2 0 下巷支护设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 4 6 。4 ．2 锚杆和锚索受力监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 7 6 ．4 ．3 巷道表面位移监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 0 6 ．4 ．4 支护效果评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 1 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 4 7 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 4 7 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 6 7 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 7 致谓十⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 5 在学期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 6 在学期间参加科研项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 6 I V 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 1 绪论 1 ．1 选题的背景及意义 随着我国煤炭资源的逐步开发，煤炭资源的开采深度逐渐由浅部向深部发展，这 也是世界其它国家所面临的问题。随着我国煤矿开采深度的不断增加，开采强度不断 加大，以冲击地压、岩爆、顶板大面积垮落为代表的深部开采诱发的灾害事故更具突 发性，表现出明显的非线性动力失稳特征。与浅部岩体相比，深部岩体的地质力学环 境更加复杂，表现出一种具有现代地质环境特点的复杂地质力学材料特征，深部岩体 的受力和破坏过程具有明显的非线性。其中冲击地压、岩爆及煤与瓦斯突出等煤岩动 力灾害以其突然、急剧、猛烈的破坏特征严重威胁着矿山的安全生产，并给我国煤矿 造成了巨大的经济损失和人员伤亡【1 。1 3 】。许多矿井原来由于开采深度较浅，并未发生 过冲击地压，而随着开采深度增加，现在也开始发生冲击地压灾害；原来发生过冲击 地压的矿井，现在冲击地压致灾的强度越来越大，频率越来越高。冲击地压灾害不仅 影响范围大，还易诱发其它灾害，如瓦斯灾害、煤与瓦斯突出、顶底板突水及粉尘爆 炸等特大事故[ 1 4 - 2 2 J 。 我国最早的冲击地压事故发生在抚顺胜利煤矿。最近几年，随着煤矿机械化水平 的提高，煤矿的开采深度和开采强度显著增加，许多煤矿相继发生冲击地压事故[ 2 3 j 。 如北京矿区的城子煤矿、门头沟煤矿、房山煤矿等六个矿井，抚顺矿区的老虎台煤矿 和龙凤煤矿，枣庄矿区的八一煤矿和陶庄煤矿，开滦矿区的唐山煤矿等。2 0 0 3 年淮北 芦岭煤矿“5 ．1 3 ”冲击地压事故因顶板冲击引起采空区瓦斯喷出导致瓦斯爆炸，造成8 4 名矿工死亡。2 0 0 5 年辽宁阜新孙家湾煤矿发生”2 ．1 4 ”冲击地压．瓦斯爆炸事故，冲击地 压震级达2 ．5 ，共导致2 0 0 多名矿工死亡。即使是低瓦斯矿井，冲击地压灾害的影响 也非常严重，三河尖煤矿的冲击地压事故见图1 1 所示，冲击地压使工作面顺槽超前 9 0 m 范围内的巷道全部破坏，破坏严重的区域位于超前1 5 6 5 m 之间，巷道全部堵死， 地面震感强烈，震级达到3 ．0 ，共造成4 名矿工遇难。2 0 0 5 年1 月3 日，兖州集团的 东滩煤矿工作面发生了冲击地压事故，震级达到2 ．2 ，工作面切眼和顺槽超前段全部 堵塞，堵塞长度达到1 8 m ，造成多人伤亡。在我国非煤矿山，冲击性灾害事故也时有 发生。2 0 0 5 年1 1 月6E l ，河北邢台石膏矿发生冲击地压事故，冲击地压造成采空区 大面积顶板冒落，造成3 7 人死亡，3 8 人受伤。 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 图1 - 1 巷道冲击破坏情况 冲击地压发生的强度不但越来越大，其分布范围也越来越广。截至2 0 1 4 年底， 全国已有近1 4 0 个矿区 井 发生过冲击地压【2 4 】，北起黑龙江，南至云南省，分布区 域逐步由东部向中部以及西部延伸，发生冲击地压最浅的开采深度仅2 0 0 m ，最深达 1 4 0 0 m ，我国冲击地压煤矿分布情况如图1 ．2 所示。 图1 - 2 我国冲击地压煤矿．分布图 对全国数十个典型矿区的冲击地压事故情况进行了统计分析，包括甘肃华亭煤 矿、新疆宽沟煤矿、抚顺老虎台煤矿、兖州济三煤矿、河南义马千秋煤矿、义马跃进 煤矿、山西大同忻州窑煤矿、新汶煤矿、华丰煤矿、徐州三河尖煤矿以及开滦赵各庄 煤矿等。统计结果[ 2 4 1 表明，煤矿发生的冲击地压8 5 ％左右发生在回采巷道，尤其是回 采巷道迎头7 0 m 范围内，主要表现为支护结构强度有限，虽然可以抵抗弱冲击载荷作 用，但在强冲击载荷作用下，支护结构突然失稳破坏，造成了大量的人员伤亡和财产 2 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 损失。 为了保障煤矿安全生产，提高煤矿企业社会及经济效益，寻求一种安全、可靠、 经济的支护方式来解决目前冲击地压回采巷道的支护难题显得非常重要。锚网索支护 技术作为煤炭开采中的一项关键技术，与棚式支护相比，其不仅在提高巷道支护效果， 保证巷道安全，减轻工人劳动强度，简化采煤工作面端头区维护工艺等方面具有明显 的优越性，而且锚网索支护作为一种主动、柔性支护形式，使其对冲击载荷具有良好 的适应能力，在保护自身不被破坏的前提下始终给围岩提供一定的约束力，最终在与 围岩协调变形中持续地发挥着支护作用。由于目前对锚杆材料动态力学性能以及支护 防冲机理方面的研究工作不到位，导致在强冲击载荷作用下，锚杆支护系统会突然失 稳破坏，这主要是由于现有支护材料缓冲、吸能性能较差，抗冲击载荷能力有限，再 加上支护体系设计不合理。因此，寻求一种强度高、缓冲吸能好的锚杆并形成减冲支 护体系是解决目前冲击地压巷道支护难题和改善支护效果的重要途径。该论文依托国 家自然科学基金项目“基于煤矿井下综合应力场的煤岩动力灾害预测与控制基础研究 U 1 2 6 1 2 1 1 ”，针对冲击地压巷道支护难题，探索高冲击韧性锚杆的吸能性能及其 吸能减冲原理，研究高冲击韧性锚杆支护技术，旨在消除或减弱日益严重的巷道冲击 地压事故的发生，论文的研究对冲击地压巷道的防治具有较大的理论意义与实用价 值。 1 ．2 文献综述国内外研究现状 1 ．2 ．1 冲击地压概述 O b e r t 和D u v a l l [ 2 5 ] 最早将冲击地压定义为岩石在其围岩中发生的突然、剧烈的爆 炸现象。冲击地压[ 2 6 , 2 7 1 灾害的主要特征为储存于煤岩体中的弹性能受到外界扰动或 自发地瞬时、剧烈释放，造成煤岩体失稳破坏。目前，冲击地压已经严重威胁着煤矿 的安全生产，即使能量较小的冲击地压事件，也易诱发其他煤矿灾害事故，进而造成 生产系统损坏，严重时还会导致大量的人员伤亡。 1 9 5 9 年，c o o k 【2 8 , 2 9 1 采用微震监测系统，对E R P 矿井的冲击地压事件进行了实时监 测，并从微震角度揭示了冲击地压发生的本质。C o o k 等人[ 2 9 ] 对冲击地压机理解释最 重大的贡献就是意识到真正的能量源来源于重力或者构造的弹性应变能，当储能系统 的刚度小于岩体中破裂部分的刚度时，能量就会释放，从而形成冲击地压。随着微震 监测设备的发展，微震监测的精度逐渐提高，学者己接受煤岩体断裂滑移和断层滑移 易诱发冲击地压事故的观点[ 3 0 , 3 1 J 。 万方数据 煤炭科学研究总院博士学位论文 f 11 冲击地压与矿震 冲击地压是由于采矿活动引起的矿震现象，其与地震相比，震级通常较小，但其 震源距回采区域较近，所以危害性很大‘3 2 1 。冲击地压从本质上应该属于灾害性的矿震。 冲击地压的致灾强度主要取决于矿震的震级、震中距工作面的距离以及其煤岩介质的 物理力学特性 如应力状态、抗压强度以及松散程度 等。 矿震是煤岩介质发生破坏，诱发积聚的弹性应变能以弹性波的形式释放的现象， 如“煤炮”、“板炮”以及其他形式所诱