动压巷道锚固体大变形与锚固作用衰减机理

高强预应力锚杆支护已成为我国煤矿的主要巷道支护形式，但由于采动应力的强烈作用，巷道锚固环境急剧恶化，锚固作用迅速衰减甚至失效，导致顶板事故或巷道强烈收敛变形。通过现场实测、实验分析、数值模拟和理论分析相结合的手段，研究动压巷道围岩应力分布特征及演化规律，锚固系统的物理效应、力学效应和结构效应，动态实时监测锚固工作状态和巷道围岩表面及岩体内部的精细位移监测，揭示外无效加固体诱导采动巷道大变形的机理；揭示出预应力加长锚固方式的锚固作用衰减呈现出二次或多次波动的更复杂规律，非传统全长锚固方式或端锚形式的增阻、恒阻、衰减的简单曲线规律；适时注浆技术可改善围岩完整性，增加锚杆的粘结长度，达到恢复锚固力的作用。为强采动作用下的巷道预应力锚杆支护和顶板安全控制提供理论保障和技术支持。

针对煤矿巷道预应力锚固控制技术，通过实验室实验、现场实测、力学建模分析、数值计算等综合研究手段，系统研究了初始托锚力与预紧力矩的转换关系；提出了临界预紧力矩的概念，分析了托锚力在掘采过程中的波动演化特征和影响因素，揭示了托锚力在围岩变形破坏过程中的演化规律；提出了协同承载原理，创新了稳定托锚力的技术方法，并开展了工程实践验证研究，主要结论如下：.（1）分析了锚杆托锚力与预紧力矩的转换关系，托锚力沿轴向方向的应力分布情况和影响因素。通过测试常规系列锚杆在自制实验台及井下平层状岩石表面、煤体粗糙面和喷砼光面等3种工程界面预紧力矩和托锚力的转换关系，发现了扭矩系数趋于定值的现象，提出了临界预紧力矩的概念，即托锚力与预紧力矩线性增长且扭矩系数达到稳定时的扭矩，特定条件下测得的数值为200 N•m左右。.（2）基于层状岩体的锚固段粘结应和传递力学分析，修正了剪切滞力学模型，解释了层状岩体逐层脱粘累次破坏的现象，提出了渐次脱锚判据，揭示了托锚力振荡波动的机理。.（3）实测了7条深井巷道顶板64组锚杆和47组锚索的托锚力，得出了托锚力波动的基本规律。总结了影响托锚力波动的多种主要因素，包括层理数目、初始预紧力、采动应力和护表构件刚度等；归纳了掘采全过程工作托锚力演化的8种类型，利于工作托锚力稳定和围岩控制的类型有稳定型、跃升趋稳型、单一渐增型、单一缓降型和缓降趋稳型；不利于围岩稳定和安全的瞬降失效型、锯齿型振荡和台阶下降等类型。.（4）调研了多个矿井的锚杆支护巷道，分析了托锚力损耗与围岩破坏的关系，总结了产生托锚力完全损耗、部分损耗、无损耗的原因，及其对应的巷道支护失效、低效和大变形，并采用FLAC3D数值软件计算分析了锚杆预紧力的合理取值，提出了利用高预紧力锚索和高刚度护表构件消除锚杆尾端拉应力作用效用的协同承载技术体系，分析了锚固剂粘结性能、锚固长度等对此体系影响。.（5）基于协同承载原理，创新研制了均匀承载的碟形锚索托盘、带筋的高强T形钢带、带托盘的高强钢带和锚杆柔性锁紧结构等系列护表构件，形成了托锚力长时稳定的控制技术。.研究成果在淮南矿业集团潘一矿东区1252(1)首采工作面轨道顺槽沿空留巷、丁集矿1252(1)工作面轨道顺槽小煤柱沿空掘巷和大屯矿区孔庄矿-1 015水平混合井筒马头门的加固等地点进行了成功实践，取得了较好的社会和经济效益。