深部破裂围岩承载结构损伤演化机制与锚固控制理论基础

In deep mining, the non-continuously broken phenomenon with multiple zones and great ranges appears in surrounding rocks. The application of the traditional anchorage controlling theory for surrounding rocks is limited seriously, and the supporting design meets great challenge in the deep roadway. This project aims at the research of anchorage controlling mechanism for the non-continuously broken surrounding rocks. Firstly, research the subsequent damage law and bearing mechanical properties of the broken rocks. Based on the modified Hoek-Brown criterion, build a damage mechanical model, with damage variables expressed by parameters like the wave velocity. And develop a numerical simulation and analysis system. Secondly, based on the gradient distribution characteristics of the stress and strain field in surrounding rocks under mining and rheology, research the formation principle of the bearing structure in surrounding rocks with alternant distributed broken and unbroken zones, and reveal the damage and failure evolution mechanism of the bearing structure. Thirdly, research the failure modes and mechanical conditions of the deep broken surrounding rocks, and investigate the controlling mechanism and supporting methods for the deep roadway. Finally, research the anchorage controlling mechanism of the deformation and failure for the broken rocks. Investigate the discriminating principle of the supporting key stratum, and develop an anchorage design theoretical method for non-continuously broken surrounding rocks. This study may provide new theoretical basis for anchorage controlling and quantitative supporting design for the deep roadway.

在深部开采中，巷道围岩内部产生了多区域、大范围的非连续破裂现象，使得传统的围岩控制理论应用受到了较大限制，给煤矿深部巷道支护设计带来了严重挑战。本项目以既定的非连续破裂围岩结构稳定性控制机理为研究目标，首先，研究破裂岩体的后续损伤变形破坏规律及承载力学特性，以波速等参数表征损伤变量，建立基于修正Hoek-Brown准则的损伤力学模型，并研发数值模拟分析系统；其次，研究采动及流变条件下围岩应力场、应变场梯度分布特征，探讨破裂区与完整区交替分布下的围岩自稳结构形成原理，揭示非连续破裂围岩承载结构损伤及破坏演化的力学机制；然后，研究深部破裂围岩结构失稳形式与力学条件，探寻相关的巷道稳定性控制机理及支护方法；最后，研究破裂围岩锚固控制变形与破坏的力学机理，探讨锚固支护关键层位判别原理，提出一种非连续破裂围岩锚固支护设计理论方法。本研究将为深部巷道锚固控制及定量支护设计提供新的理论依据。

本项目针对矿山深部巷道破裂围岩失稳机理及锚固支护控制问题，开展了系统的理论与试验研究。提出了可以表征岩石剪切和拉伸破坏的H-B修正模型，建立了力学参数随损伤变量发生动态变化的岩石损伤本构模型；揭示了考虑煤柱流变的支承压力演化传递规律，研究了支承压力峰值传播角及卸压开采系数对巷道支护强度影响的时间效应；分析了节理岩石剪切滑移过程中的锚固控制效果及锚杆的抗拉剪力学性能，基于断裂力学揭示了锚杆增韧机理和锚杆横向作用的止裂效应；研究了量化锚杆锚固支护贡献的锚固承载系数，提出了采动破裂围岩锚固支护控制量化设计方法。研究结果表明：（1）建立的损伤本构模型综合考虑了岩体的非线性破坏特征，以及岩体参数随损伤演化而弱化的特性，模拟结果符合现场工程情况，可为受多次采动影响的巷道支护设计提供合理依据；（2）围岩破裂程度由浅向深逐渐发展演化呈现梯度结构分布特征，卸压开采影响系数随深度增加呈先剧烈增加后缓慢增加形式，单层煤开采侧向支承压力随时间增加应力峰值集中系数呈类抛物线形式降低；（3）锚杆产生的轴向力作用于围岩破裂面时，通过摩擦效应为破裂面提供抗剪能力并产生破裂面-锚杆相互作用效果，沿破裂面表现出软化与硬化并存的物理力学特性，通过抑制或延缓上下岩石基体滑移错动，可以增强破裂面的抗剪性能；（4）锚杆支护形成的浅层锚固破裂区承载结构具有一定的承载力和让变形能力，可以根据锚固承载系数量化浅层锚固破裂区承载能力，通过匹配性能良好的托盘、钢带及锚网等护表结构有效提高围岩整体性和力学性能，达到主动促稳的效果。.通过本项目共发表SCI论文8篇、EI论文4篇；授权国家发明专利4项；获得省部级科研奖励一等奖1项、二等奖2项；参与国内外学术会议16次；培养毕业博士1名、硕士5名。本项目的研究成果对深部非连续性破裂围岩提供了更为适应的巷道支护控制新机理、新方法，同时对煤矿深部非连续破裂围岩巷道工程稳定性控制研究建立了理论支撑与科学依据，在降低巷道支护成本的同时提高了工作面开采效率，获得了显著的经济与社会效益。