煤矿巷道协同锚固作用机理研究

This research aims to solve the problem of insufficient systematic collabouration in the current bolt or boltmesh anchoring technology, which leads to anchor support failure, anchoring waste and loss in the road way. It focuses on the roadway anchoring system as the research object, and sets the bolt(mesh), the surrounding rocks and the adhesive material as the sub-systems. Based on the synergetic principles, the research adopts the methodology of theoretical analysis, model test, numerical simulation and field test. It studies the synergistic function and laws of evolution among the subsystems, the mechanism to achieve synergistic effects, the basic features of the order parameters, the method of their selection, the establishment and solution of the order parameter equation, the dominating role and the laws of evolution of the order parameters in the course of systematic development, the relationship between the order parameters and the subsystem control variables, and the mechanism of interaction between them. In this way the research works out the synergistic anchoring mechanism of the coal mine roadway, develops the technology of synergistic anchoring, and applies it to engineering practice. This research is marked by both practical significance and research prospect, as it intensifies the study and use of synergetic principles in the stability control of coal mine roadway, boosts both the theory and application of roadway anchoring technology, and contributes to other stability control studies of engineering rock mass.

针对目前锚杆(索)锚固缺乏系统协同性考虑，导致巷道锚固失效、浪费或锚固不足等问题，本课题以煤矿巷道锚固系统为研究对象，将锚杆(索)、围岩、粘结材料等作为子系统，基于协同原理，采用理论分析、模型试验、数值模拟和现场试验等方法，通过研究各子系统之间的协同作用及演化规律、系统协同效应的实现机制、序参量的基本特性及选定方法、序参量方程的建立和求解、序参量在系统发展过程中的调控作用及演化规律、序参量与子系统控制变量的相互关系及作用机制等内容，从而获得煤矿巷道协同锚固作用机理，形成协同锚固技术并应用于工程实践。本课题既深化协同原理在煤矿巷道稳定性控制方面的研究和应用，促进巷道锚固理论及技术水平的发展，又可以为其它工程岩体稳定性控制研究提供新的思路和方法，具有重要的现实意义和广阔的研究前景。

煤矿开采的一个关键问题是巷道围岩稳定性控制，且锚网索锚固已成为主导的控制方式。然而，由于对锚固机理及技术的研究和应用还存在不足，一方面带来锚固系统子系统内部因素之间的协同作用不足，导致子系统功能得不到强化；另一方面造成子系统之间的协同作用不足，导致锚固系统没有产生应有的协同效应，从而带来整体锚固效能不足。.　　本项目以煤矿巷道工程为研究对象，将协同学原理应用于巷道围岩稳定性控制。首先，通过分析巷道围岩位移与锚固系统控制变量和状态参量的相互关系，提出以位移作为锚固系统的序参量，以此建立锚固系统的力学模型。其次，通过理论分析、模型试验、数值模拟和工程实践等多种方法，多层面、多角度研究锚固系统协同作用和协同效应。提出协同增量、协同指数的概念和计算方法，分别作为协同作用、协同效应程度的评价指标。建立预紧力协同、结构协同、变形协同、锚固时机协同等协同锚固机制，获得不同作用机制的实现方式。建立包括高预紧力技术、高锚固技术、锚固岩体高强度技术等协同锚固技术体系，实现协同锚固机理与技术应用一体化研究。.　　研究表明，锚杆（索）预紧力、布置密度、杆体长度、钻装角度等锚固变量之间存在协同关系，且可以通过调整和优化锚固变量参数来进行满足，促使锚固系统产生协同作用和协同效应，从而带来系统功能在宏观整体上大于各子系统功能之简单总和，即产生“1＋1＞2”的协同效应。协同锚固设计使巷道变形、围岩应力分布、锚杆（索）受力等更加均匀协调，有效提高锚固岩体的整体强度和刚度，从而显著地提高其承载能力和抗变形能力。通过现场实践，有效地解决了巷道围岩稳定性控制所遇到的许多问题和难题，取得了显著的社会经济效益，从而使项目研究更加具有实际价值和深远意义。