深部巷道复合支护体系协同耦合传力机理研究

To the engineering background of roadway surrounding rock stability and control for the development of deep coal resource， based on the widely used composite support model of deep roadway， the surrounding rock and support structure are regarded as a complete coupling system bearing load. The research contents firmly focus on the key scientific problems of balanceable correspond coupling effect on wall rock deformation and control by each unit of the composite support system. The project is going to be studied by the method of photoelastic test， model test， numerical simulation and theory study. The bearing effect on wall rock pressure is studied with the PA-420 photoelastic machine as roadway excavation， yieldable deformation or support unit procedure， therefrom it is gotten that the pressure transferring law in composite supporting system. The control function of support resistance， displacement release， grouting reinforcement or support procedures on surrounding rock displacement is obtained with the YDM-E physical model experiment device. Through the above research， the support resistance， release displacement， grouting reinforcement， supporting unit construction procedure contributing to mechanism of stability and control of deep roadway of composite support system is explored. And a dynamic model is proposed to describe the excavation of roadway， the damage and the balance evolution of support. The design principle and method of large deformation and stability of deep roadway control system coupling is put forward， which makes the supporting design theory from partially coupled design over to system coupling system.

以深部煤炭资源开发所面临的巷道围岩稳定及控制为工程研究背景，以复合支护为模型基础，将支护结构、围岩视为一个完整的耦合受力系统，采用光弹试验、模型试验、数值模拟、理论研究以及工业试验相结合的方法，紧紧围绕复合支护体系各单元在围岩变形控制中的平衡协调耦合作用这一关键科学问题开展研究。通过在PA-420光弹性仪上研究巷道开挖过程、围岩让压变形、支护单元施工程序对深部巷道围压变化过程的承担作用，获取复合支护体系的耦合应力传递规律；在YDM-E物理模型实验装置上，研究支护阻力、释放位移、注浆加固以及支护单元施工程序对围岩体位移的控制作用。通过以上研究，探讨支护阻力、释放位移、注浆加固、支护单元施工程序对复合支护体系下深部巷道稳定及控制的机理，建立描述深部巷道开挖、破坏和支护平衡演化的动力模型；提出深部巷道大变形稳定及控制的系统耦合设计原理和方法，使支护设计理论由部分耦合设计过渡到系统耦合设计。

以深部巷道围岩变形稳定控制为工程研究背景，以深部巷道所采用的“喷层+锚杆+锚索+钢筋混凝土结构层+注浆”典型复合支护型式为研究对象，采用光弹性模型试验、相似材料模型试验、数值模拟、理论研究以及工程应用相结合的方法，分别对围岩弹性区、弹塑性区范围内复合支护体系各单元在应力释放和位移释放情况下的变形与应力耦合以及分担作用开展了研究。主要研究成果：（1）对PA-420型光测弹性仪进行了升级改造，设计了由蜗轮丝杠千斤顶、力传感器、万向保持力加载机构、分荷加载板组成的水平及垂直加载装置，开发了光弹试验位移释放装置，提出了大尺寸光弹性模型制作及后处理工艺。通过光弹性模型试验，开展了弹性受力范围内围岩在承、卸载以及控制巷道表面位移释放情况下的应力分布规律研究，揭示了巷道不同部位支护单元的能量传递规律，提出了在工程中应当关注的应力叠加区范围、托盘设计原则、锚杆作用范围以及加固重点部位。（2）自主研发了组合式多功能伺服控制加载相似模拟实验台、扭矩与轴力解耦的锚索拉拔试验装置，开发了由支架、丝杆滑台、联轴器、蜗轮蜗杆减速机、旋丝杆和支撑瓦组成的大型位移释放装置。通过大型平面应变相似材料模型试验，开展了控制巷道表面位移释放情况下围岩及支护单元的应力变化规律研究。通过围岩不同部位以及锚杆锚索的应力变化规律，揭示了巷道左右帮与顶部围岩应力在位移释放过程中的变形演化规律和不同部位锚杆锚索的受力特征。（3）通过数值模拟方法，开展了不同围岩性质、埋深情况下的不同支护单元组合型式对巷道表面位移、围岩应力及位移、塑性区大小等的变化规律研究，探讨了支护阻力、位移释放、注浆加固、支护型式、围岩性质以及埋深等因素的影响规律，系统阐述了不同工程条件下复合支护单元的耦合和承担作用。在不同围岩性质、不同支护型式下，随着埋深增加，巷道周边变形均呈现线性变化规律；同等支护型式条件下围岩作为一个整体的收缩规律呈现出弹性变形特征；锚杆支护和锚杆+锚索支护的整体支护效果基本相同；锚杆、锚索支护仅仅在局部范围内起到加固效果，在工程支护设计时，锚杆、锚索应与钢筋混凝土结构层进行一体化设计。（4）针对鹤壁中泰煤矿巷道、硐室支护方案和施工过程优化以及焦作中马村煤矿输大巷返修工程实例，提出了深部巷道大变形稳定控制的系统耦合设计原理和方法，取得了显著的经济效益。