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综放回采巷道围岩裂纹扩展与类板结构及其非均称控制
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摘要
本文就巷道围岩破碎区与塑性区内的裂隙扩展、弱结构破坏效应、非均称控制机理等方面开展了深入研究。
     裂纹的产生与发展并非巷道失稳破坏的直接原因,在生产现场中几乎所有巷道围岩中都发育着宏观裂纹,且大部分都是穿透岩层的裂纹,但这些巷道仍能够正常使,这是因为岩体被穿透性的裂纹切割以后,未受损伤的部分岩体仍然能够形成新的力学平衡结构。虽然这种结构的承载能力受到很大削弱,但在高应力转移后的低应力环境下,这种结构仍然能够维持其平衡,进而继续维持着巷道围岩的稳定。当巷道围岩应力的再次分布时,这种结构的力学平衡可能被打破,这些结构的失稳破坏最终导致巷道围岩的失稳破坏。
     研究表明巷道围岩的变形破坏带有明显的局部化行为特征,高地应力作用下,围岩变形局部化导致裂纹的产生和扩展,大多数裂纹的扩展是以翼型裂纹方式进行的,裂纹发展到一定程度会在巷道围岩中产生“类板结构”,这种“类板结构”的形态与远应力场分布有密切的关系,其延伸方向与最大主应力方向平行。
     研究还表明当“类板结构”再次受到压缩时就会发生屈曲或剪切,过度的屈曲或剪切会导致其失稳,并最终导致巷道围岩的失稳。在一定程度上锚杆支护可以对类板结构的屈曲加以控制,控制类板结的屈曲要考虑锚杆两个方面的参数,其一是锚杆的密度,可以通过控制一定长度类板结构所需要锚杆的个数来计算。另一个参数是锚杆的刚度,可以通过控制n个弹性支座上类板结构屈曲对弹性支座的刚度要求来确定。
     控制“类板结构”稳定所需要的锚杆数目与“类板结构”的长度成线性增长关系,与原岩应力的大小成平抛物线增长关系;而与岩体弹性模量成负指数(-1/2)的幂函数曲线关系递减,与“类板结构”的厚度成负指数(-3/2)的幂函数曲线关系递减。因此,控制巷道围岩内部裂纹的发展是一种积极的支护方式。
     控制“类板结构”稳定所需要的锚杆刚度与环境应力场的应力成半立方抛物线增大;与“类板结构”岩性刚度成负指数(-1/2)幂函数曲线关系递减;与“类板结构”厚度也成负指数(-3/2)的幂函数曲线关系递减。锚杆刚度对于“类板结构”的稳定非常重要,加大锚杆安装时的预应力可以增大锚杆的刚度。
     研究对1304综放面上顺轨道巷围岩的工程地质进行了评估、研究了巷道围岩微观裂纹发展与围岩体软化的理论、巷道围岩宏观裂纹发展与稳定的理论:研究了1304综放面上顺轨道巷锚网带非均称支护机理与对策,工程应用取得了显著的技术经济效益。
This paper focus on the evolution of cracks in the broken and plastic zone of roadway surrounding rock, the breakage effect of weak structure, and the control mechanism of non-equal support.
     The producing and development of crack are not the immediate reason to destabilize the roadway. In the production scene, the macro-crack develops in almost all the surrounding rock in the roadways which are in their good state, and most of them penetrate through the strata. After incised by the penetrating cracks, the intact strata can form new mechanics equilibrium structure. Although the load-carry ability of new structure is weakened markedly, the structure equilibrium is maintained all the same in the low stress condition with absence of high stress, and the surrounding rock still maintains his stability. When the stresses in the surrounding rock are distributed again, the mechanics equilibrium may be broken, and the destabilization breakage of new structure finally conduces to the destabilization breakage of surrounding rock.
     The study indicates that there is a obvious behavior characteristics to localize in the deformation breakage of roadway surrounding rock. Under the influence of high ground stresses, the localization of surrounding rock deformation result in the crack produce and development. The development of crack is in the way of wing shape. Plank-like structure is produced in surrounding rock when the crack develops to a extent. There are close relations between the plank-like structure far stress field distribution, and the extending direction parallels with maximum primary stress.
     The study still indicates that buckling or shearing will develop of plank-like structure is compressed more, excessive buckling or shearing will lead to destabilization and eventually the destabilization of the surrounding rock.
     The bolted support may control to a certain extent to buckling or shearing of the plank-like structure.
     To control the buckling of the plank-like structure must consider the anchor rods two aspects. The one is the anchor rod density, it may be calculated by calculating the number of anchor rods which be needed to control the plank-like structure with certain length. The other is the rigidity of the anchor rod, it may be determined by calculating the rigidity of n elastic supports which be needed to control the plank-like structure with certain length.
     The anchor rod number which be need to control the plank-kind structure stabilizes with the length of the plank-like structure becomes the linear growth relations, and with the uncut stresses becomes the even parabola growth relations, but with the rock mass elasticity coefficient becomes negative exponent power function relations reduction which exponent is
     (-1/2), and with the thickness of the plank-like structure becomes negative exponent power function relations reduction which exponent is (-3/2). Therefore, to control the development of crack in surrounding rock in the way is one positive supports way.
     The rigidity of the anchor rod which be need to control the plank-kind structure stabilizes with the uncut stresses becomes half cubic parabola relations growth relations, but with the rock mass elasticity coefficient becomes negative exponent power function relations reduction which exponent is (-1/2), and with the thickness of the plank-like structure becomes negative exponent power function relations reduction which exponent is (-3/2), too. Anchor rod rigidity regarding plank-like structure stable extremely important, the enlarge anchor rod installs when the pre-stressed may increase the anchor rod the rigidity.
     Furthermore, the engineering geology of upside roadway of 1304 working face is evaluated, and the theory of micro-crack's evolution and surrounding rock's softening, and the theory of evolution and stability of macro-crack in surrounding rock are studied in this paper. The mechanism and countermeasure of non-equal support by bolting-meshing-cable in upside roadway of 1304 working face are researched additionally.
引文
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