高应力软岩巷道聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳复合衬砌新技术研究及应用

论文摘要

随着矿井开采规模的加强和开采深度不断增加,高应力软岩巷道的支护问题显得越来越突出,能否解决好高应力软岩巷道的支护难问题,是煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键问题之一。目前高应力软岩巷道大多采用锚喷支护、锚网喷支护及可缩金属支架,由于金属支架与常规的锚喷支护技术不能适用高应力软岩巷道大变形的要求,支护结构破坏之后常常需要进行巷道的重新翻修,因而浪费大量的人力和物力。因此针对高应力软岩巷道支护特点,研究一种技术上合理、经济上可行的支护结构,具有较高的研究价值和现实意义。论文根据大跨度空间壳体力学原理,研究网壳锚喷支护技术。网壳锚喷支护实质上仍是锚网喷支护,其技术特色是用一种在地面加工成型的特殊三维钢筋支架代替普通的二维钢筋网,大幅度提高了锚网喷结构的支撑能力,不需要使用型钢支架、锚索、围岩注浆等手段进行加固就能有效地支护高地压大变形巷道、跨采动压巷道、冲击地压巷道以及大断面硐室等。其支护工程量与普通锚网喷支护相同,支护费用略高于普通锚网喷支护,但比锚网喷加其它支护手段的联合支护方式可大幅度降低。然而实际王程中发现,由于受围岩条件、地压分布、施工工艺等复杂因素的影响,随着网壳混凝土喷层受拉区增大,容易造成局部混凝土开裂甚至脱落,严重影响了衬砌支护整体的稳定性。因此,在网壳锚喷的基础上进一步开发聚丙烯混凝土喷层,对提高混凝土喷层的韧性、抗拉和抗剪强度,改善叼壳整体支护效果,具有重要的研究价值。论文在网壳锚喷支护的基础上,研究聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳复合衬砌新结构,对围岩—支护相互作用理论及高应力软岩巷道支护理论进行了系统的研究。论文研究了聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳复合衬砌结构的力学特性,对复合衬砌结构进行内力分析和计算。利用开口圆柱壳的一般力学原理和方法,推导出壳体的内力、位移和应力求解格式。依托西山煤电集团杜尔坪煤矿南翼大巷12002破碎段修复工程,完成了聚丙烯纤维混凝土喷层的室内力学性能试验和单片聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳复合衬砌支护结构的室内模型试验,研究了复合衬砌支护系统的变形、破坏形态与发展规律。根据模型试验和理论分析建立有限元数值计算模型,利用ANSYS有限元程序完成整架聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳复合衬砌结构的数值计算,对新型聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳复合衬砌结构的内力分析起到补充校核作用,完成支护方案的优化设计。结合典型高应力软岩巷道工程,制订施工技术要求与施工工艺。通过现场监测,与其它常用高应力软岩支护方式相比较,完成了新型聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳复合衬砌支护典型巷道的技术、经济对比和社会效益评价。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 高应力软岩巷道支护理论的发展
• 1.2.2 高应力软岩巷道支护技术的发展
• 1.3 课题的确定
• 1.4 论文研究内容和主要创新点
• 1.4.1 论文研究内容
• 1.4.2 论文研究主要创新点
• 2 高应力软岩巷道支护控制基本理论
• 2.1 高应力软岩巷道的工程地质特征
• 2.1.1 高应力软岩的分类及形成条件
• 2.1.2 高应力软岩巷道工程地质特征
• 2.2 高应力软岩巷道围岩变形破机理
• 2.2.1 高应力软岩巷道变形破坏特征
• 2.2.2 高应力软岩巷道变形破坏机理
• 2.3 高应力软岩巷道支护原理及其原则
• 2.3.1 高应力软岩巷道支护原理
• 2.3.2 最佳支护时间和最佳支护时段
• 2.3.3 高应力软岩巷道支护的可行型式
• 2.3.4 高应力软岩巷道支护原则
• 2.4 本章小结
• 3 聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳复合衬砌结构理论分析
• 3.1 聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳复合衬砌结构与岩体相互作用
• 3.1.1 聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳复合衬砌结构支护特点
• 3.1.2 聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳衬砌结构支护机理
• 3.1.3 聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳衬砌结构与岩体相互作用
• 3.2 聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳衬砌结构计算理论模型
• 3.2.1 壳体结构概述
• 3.2.2 计算理论模型
• 3.3 本章结论
• 4 聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳复合衬砌模型试验
• 4.1 概述
• 4.2 喷射聚丙烯纤维混凝土增强机理
• 4.2.1 纤维间距理论
• 4.2.2 复合材料机理
• 4.3 喷射聚丙烯纤维混凝土的室内试验研究
• 4.3.1 喷射混凝土的原材料
• 4.3.2 配合比设计
• 4.3.3 喷射混凝土的力学性能研究
• 4.4 聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳复合衬砌模型试验
• 4.4.1 模型设计
• 4.4.2 模型制作
• 4.4.3 测点布置
• 4.4.4 试验的加载与测量
• 4.4.5 试验结果分析
• 4.5 本章结论
• 5 聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳复合衬砌数值计算
• 5.1 有限元分析法
• 5.2 ANSYS有限元程序简介
• 5.3 钢筋混凝土建模
• 5.3.1 有限元模型的选取
• 5.3.2 单元选取及实常数的确定
• 5.3.3 本构关系及破坏准则
• 5.4 聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳混凝土构件ANSYS分析
• 5.4.1 有限元模型的建立
• 5.4.2 加载与求解
• 5.4.3 求解结果分析
• 5.5 本章结论
• 6 工程应用及其评价
• 6.1 工程概述
• 6.1.1 工程概况
• 6.1.2 支护方案确定
• 6.2 钢筋网壳加工设计
• 6.2.1 钢筋网壳支架加工结构形式
• 6.2.2 钢筋网壳支架结构尺寸设计
• 6.2.3 钢筋网壳支架加工台具
• 6.3 复合衬砌施工
• 6.3.1 钢筋网壳施工
• 6.3.2 纤维混凝土喷层施工
• 6.4 纤维混凝土喷层回弹损失率测试
• 6.5 现场监测分析
• 6.5.1 监测内容
• 6.5.2 结果分析
• 6.6 效果评价
• 6.6.1 济效益
• 6.6.2 社会效益
• 6.7 本章结论
• 7 主要结论与展望
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 存在问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果