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1、山 东 科 技 大 学研 究 生 创 新 基 金 项 目 申 请 书项目名称 软岩巷道变形机制与支护对策研究 项目负责人 刘辉 所属学院(盖章) 资源与环境工程学院 联系电话 15908982047 电子邮箱 填表日期 2010-07-05 山东科技大学研究生教育学院二一年六月编制填 写 要 求一、以word文档格式如实填写各项，填写内容必须实事求是，表述明确严谨，空缺项填“无”；二、表格中字体小四号仿宋体，1.5倍行距；签字部分兰黑色签名；表格文本中外文名词第一次出现时，要写清全称和缩写，再次出现时可以使用缩写；三、表中空格不够时，可另附页，但页码要清楚；四、申请书一律用A4纸打印，与相关
2、附件装订成册。项 目 名 称软岩巷道变形机制与支护对策研究所属学科（一级）矿业工程二级学科采矿工程起止时间2010.072011.03项目负责人有关情况姓 名刘辉性别男出生年月1986.10所学专业采矿工程学历情况（一）年级硕士研究生项目组主要研究人员情况姓 名年龄所学专业学历情况拟承担的任务所属学院本人签名贾建功26采矿工程硕士现场监测、数值模拟资环学院侯昌盛25采矿工程硕士现场监测、理论分析资环学院一、研究意义、国内外研究现状，本项目的特色和创新之处1.研究意义中国煤矿软岩巷道的特点，使得软岩巷道支护问题成为困扰困扰中国煤矿生产建设的重大问题之一。由于软岩巷道支护不当而造成的巨大的返修量不
3、仅造成很大的经济浪费，而且使整个矿井生产陷于困境甚至关闭。据不完全统计，“九五”10个能源建设项目，有8个出现软岩问题。全国30多个矿区已相继出现软岩问题。软岩问题越来越严重，直接影响了煤矿生产，危及人身安全。2.国内外研究现状早在19世纪，人们在解决地下巷道中的问题时就常常用试验方法来探索，到本世纪初，人们开始用古典的材料力学和结构力学的理论来分析地下工程中的问题，从加世纪30年代开始，人们又将弹性力学和塑性力学引入地下工程的岩石力学分析中，解决了许多地下工程中的问题，其中RFelmer和HSehrnidt等人的在巷道围岩弹塑性应力分布和围岩与支架的相互作用理论是最为典型的代表之一。到了60
4、年代，刚性试验机的应用，揭示了岩石变形破坏的特性和弹塑性断裂破坏理论。特别是奥地利工程师L.V.Rabcewicz在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，即新奥地利隧道施工方法(New Anstrian Tunnlling method)，简称新奥法(NATM)，新奥法是目前地下工程的主要设计施工方法之一。新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道，使围岩本身也成为支护结构的一部分而与支护共同成为支承环。在此期间，日本人山地宏和樱井春辅又提出了围岩支护的应变控制理论。他们认为，巷道围岩的应变随支护结构的增加而减少，而许用应变则随着支护结构的增加而增大，因此，通过加强支护结构可较
5、容易地将围岩的应变控制在许用应变范围内。到了70年代，M.D.salamou等人又提出了能量支护理论。他们认为支护与围岩互相作用，共同变形，在共同变形过程中围岩释放一部分能量，而支护则吸收一部分能量，但总的能量没有变化，因而，主张利用支护结构来使其自动调解围岩释放的能量和支护体吸收的能量，使其相互调解平衡作用。 我国在软岩巷道支护设计等方面的研究工作起于1958年。但真正的取得较大发展的应始于80年代，现已在软岩巷道支护领域形成了几种具有代表性的控制分析理论。(l)由于学馥等人(1981年)提出的“轴变理论”和“系优开挖控制理论”，认为:巷道围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限所致，坍落是改变巷
6、道轴比，导致应力重新分布，高应力下降低应力上升，直到自稳平衡，应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。而开挖系统控制理论认为是开挖扰动了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能，可以自行稳定。(2)由冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉等人在总结新奥法支护的基础上，又提出了“联合支护技术”，认为:对于软岩巷道支护，要“先柔后刚、先挖后让、柔让适度、稳定支护”，并由此发展起来了锚喷网技术，锚喷网架支护技术和锚带网架和锚带喷架等联合支护技术。(3)以郑雨天教授、孙均教授和朱效嘉教授为代表的学者提出了锚喷一弧板支护理论，该理论认为:对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住，即联合
7、支护理论的先柔后刚的刚性支护形式为“钢筋混凝土弧板”，要坚决限制和顶住围岩向中空的位移。(4)由董方庭教授等人提出的围岩松动圈理论，其基本观点是:凡是裸体巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护，松动圈越大，收敛变形越大，支护越困难，因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。(5)由何满潮教授提出的，关键部位祸合组合支护理论，认为:巷道支护破坏大多是由于支护体与围岩体在强度、刚度和结构等方面存在不祸合造成的。要采取适当的支护转化技术，使其相互耦合，复杂巷道支护要分为两次支护，第一次是柔性的面支护，第二次是关键部位的点支护。随着采矿深度的增加，
8、软岩巷道问题日益突出，流变力学、断裂力学、非连续介质力学、复合材料力学、损伤力学、时间序列分析理论、灰色系统理论和人工神经网络理论等都引入了软岩工程的研究，特别随着计算机技术和数值计算方法的发展，以有限单元法、边界元法、离散元法等为理论基础的计算软件大量涌现，并应用于地下工程，如:SAP、ANSYS、ABQUS、FINAL、ADINA、FLAC等国际著名程序为地下工程围岩支护理论及方法的研究提供了有利的工具。目前在软岩工程领域新的分析方法、支护方法、支护技术不断涌现，如:锚喷网耦合支护技术、柔性锚索支护技术、刚柔层控制技术、刚隙层控制技术、锚杆三维优化支护技术和消力底梁技术等。3.特色与创新点
9、（1）将地质工程学研究和软岩非线性大变形力学研究相结合，建立软岩的本构关系模型，研究软岩的变形力学机制。（2）针对不同的变形力学机制采用不同的支护对策，有效地将复合型力学变形机制转化为单一型。（3）利用巷道表面位移监测结果和巷道表面腐蚀情况，确定最佳支护时间和支护关键部位。二、研究内容、研究目标、拟解决的关键问题及技术路线1.研究内容（1）根据巷道围岩地质条件和变形特点，准确确定软岩的复合类型和变形力学机制的复合类型。（2）针对软岩的变形力学机制，优化各种力学对策的施加方式和施加过程，有效地将复合型力学变形机制转化为单一型。（3）利用巷道表面位移监测结果，确定最佳支护时间，以充分发挥围岩的自承
10、能力，使保持围岩稳定需要支护体施加的支护力最小。（4）利用巷道表面位移监测结果和巷道表面腐蚀情况，确定巷道二次耦合支护设计的关键部位。（5）确定巷道围岩的塑性软化区和塑性流动区范围，也就是确定危岩范围，进而对支护方式和支护参数进行优化。2.研究目标（1）弄清各类软岩的变形特点和变形力学机制，使进行支护设计时可以“对症下药”，提出合理恰当的支护对策。（2）优化各种力学对策的施加方式和施加过程，有效地将复合型力学变形机制转化为单一型。（3）确定最佳支护时间，使巷道通过变形释放塑性能，同时又能保持一定的支承能力，使支护体对围岩施加较小的支护力就能保持巷道稳定，降低支护成本。（4）确定关键部位并对其进
11、行耦合支护，防止局部冒顶并随变形破坏区的扩大引起整个支护系统失稳。（5）在确保安全的情况下，优化支护方式和支护参数，选择最佳支护方案。3.拟解决的关键问题（1）软岩巷道受力变形属于大变形问题，借助工程地质学和大变形力学的集成分析方法，建立软岩的本构关系模型，研究软岩的力学变形机制。（2）针对不同的变形力学机制采用不同的支护对策，有效地将复合型力学变形机制转化为单一型。（3）软岩巷道通过变形释放其巨大的塑性能，通过监测巷道表面的位移变化，确定巷道最佳支护时间。（4）确定巷道关键部位，对其进行耦合支护。（5）针对不同的软岩类型选择合适的支护方案，优化支护方式和支护参数。4.技术路线软岩巷道变形机制
12、及支护对策现场数据分析现场调研、收集数据数值模拟理论分析根据现场实测数据总结软岩变形规律，确定最佳支护方案和参数研究软岩变形机制、确定其本构关系、计算巷道破坏范围、确定支护参数利用有限差分软件FLAC对支护方案和支护参数进行优化模拟三、研究计划的总体进度及安排本研究课题计划从2010年7月开始，到2011年3月结束，总体进度安排如下：（1）2010.072010.09 现场调研、收集数据（2）2010.092010.10 数据分析（3）2010.102010.11 理论分析（4）2010.112011.01 数值模拟、整理总结（5）2011.012011.03 编写研究论文并提交四、经费来源及预算 金额单位： 2700 元申请资助总额本课题其他经费来源及金额2000元导师课题经费经费预算支出项目名称金额用 途差旅费1000现场调研期间交通、住宿费专家咨询费200专家及技术人员劳务费资料费500购买书籍、查阅资料、打印报告版面费1000发表论文合 计2700五、项目的预期成果形式及考核指标（1）预期成果形式提交学术论文34篇。（2）考核指标研究期间发表23篇核心期刊学术论文；项目结题时提交项目研究报告。六、申请者所属学院推荐意见 负责人签字（盖章）： 年 月 日七、专家组评审意见 组 长（签章）： 年 月 日八、研究生科技创新基金管理委员会意见主 任（签章）： 年 月 日备注4
