锚杆不同护表构件支护应力场分布规律试验研究

针对煤矿井下锚杆支护系统中各护表构件与围岩相互作用关系缺乏定量性研究等问题，测试了100 kN预紧力时2根锚杆共同作用下，6种常用护表构件在围岩表面以及内部的支护应力的分布规律，并从应力扩散角度，给出了护表构件选型建议。研究结果表明：在围岩表面，锚杆尾部附近各会形成一个压应力集中区，压应力集中区又可分为核心区和边缘区，压应力核心区应力值大于200 kPa,边缘区压应力值介于10～200 kPa之间，相比于应力核心区，边缘区应力分布范围更易受构件类型影响；W钢护板、W形钢带、M形钢带和π形钢梁产生的10 kPa应力可以将锚杆尾部附近的2个独立应力集中区连接起来，并形成一个具有一定宽度的连续条带，产生群锚效应；护表构件对10～200 kPa的压应力在围岩表面和围岩内部的分布范围具有明显影响，但对大于200 kPa的压应力和拉应力的分布范围影响较小；在距离围岩表面1 m范围内，W形钢带、M形钢带、π形钢梁可以明显增加20～60 kPa的应力分布面积，但当距离超过1 m时，20～60 kPa的应力分布面积又要比托盘时有所降低；最后从支护应力扩散角度，对护表构件的应力扩散效果从优到劣进行了排序。     

锚杆支护组合构件对钢筋网加固作用试验研究

针对深井高地应力巷道因围岩大变形导致金属网严重破坏引发支护失效的问题,对高地应力巷道支护常用的钢筋网配合单体锚杆、钢筋托梁、W型钢带3种组合系统在垂直载荷作用下的力学性能进行实验室测试,分析了锚杆支护组合构件对钢筋网支护系统峰值强度、承载刚度、残余强度及卸压程度的影响规律,得到了锚杆支护组合构件对钢筋网支护效应的加固特征。借助Ansys Workbench软件分析钢筋网支护系统在垂直载荷作用下的整体位移变形量,得到了锚杆支护组合构件对钢筋网横向、纵向股线的位移约束差异性。基于锚杆支护组合构件对钢筋网的不对称加固特征及边界网丝概念的提出,探讨了锚杆支护组合构件对钢筋网支护系统的加固机理。结果表明:①钢筋网支护系统在垂直载荷作用下的承载性能可分为峰前承载区与峰后卸压区,W型钢带对钢筋网支护系统的强度强化作用是钢筋托梁的1.5倍,刚度强化作用是钢筋托梁的3倍。②锚杆支护组合构件对钢筋网的横向股线加固作用大于纵向股线加固作用,横向股线抗变形阻力分为垂直和水平两个分量,垂直分量由边界网丝与锚杆支护组合构件提供,水平阻力大小取决于边界网丝及焊接点剪切强度。③锚杆支护组合构件通过提高垂直约束作用、护表面积及护表区域内系统的抗变形能力增加钢筋网的支护强度与刚度。     

松软煤层小煤柱巷道变形机理及支护技术

为解决天池煤矿小煤柱巷道变形严重问题,分析了邻近工作面采空后本工作面煤体内垂直应力分布情况。发现是侧向支承压力与超前采动应力叠加导致巷道围岩应力水平提高,同时锚杆(索)支护范围小和护表构件刚度低使巷道支护强度不足以抵抗围岩变形力。提出了增加锚杆(索)长度、提高锚杆预紧力、采用钢筋网和T型钢护板护表的新型支护方案。实践表明,新支护方案实施后,巷道两帮移近量相对降低50%以上,控制效果较好。     

多类型复合顶板锚杆预应力场分布特征及支护优化

针对煤矿巷道顶板岩层结构的多样性与复杂性,通过大范围顶板原位强度测试和围岩结构窥视,对巷道顶板结构类型进行划分,对比分析了不同顶板类型和锚固参数下锚杆预应力场的分布特征,对复合顶板巷道锚固参数进行了优化,结果显示:晋能集团阳泉矿区主采煤层巷道顶板类型可分为软弱型、软硬相间型、下硬上软型和硬软相间型;无论是单一岩层还是复合岩层,锚杆预应力整体上呈“两拉一压”的分布特征;在复合岩层中,层理面是阻碍锚杆支护应力传递的主要因素,层理面越多,形成的有效压应力范围越小;通过施加高预紧力和使用大护表构件,可以有效扩大锚杆压应力区范围;通过调整锚固长度或锚杆长度,使层理面位于压应力较高的区域,可以有效避免巷道顶板垂向离层和水平错动。以软弱型顶板巷道为例,开展复合顶板巷道围岩锚固支护优化现场实践,验证了理论研究的可行性。     

预应力在锚杆支护中的作用

在分析目前复杂困难条件下锚杆支护存在问题的基础上，论述锚杆支护系统刚度，特别是预应力对支护效果的重要性.采用有限差分数值计算软件分析了不同预应力下锚杆、锚索产生的应力场分布特征，以及钢带对锚杆预应力扩散的作用.提出锚杆主动支护系数、强度利用系数、预应力长度系数、有效压应力区、预应力扩散系数、有效压应力区骨架网状结构及临界支护刚度等概念.井下试验表明，大幅度提高锚杆预应力可显著减小巷道围岩变形，有效控制顶板离层；钢带在预应力支护系统中起非常重要的作用；锚杆预应力存在临界值，达到或超过临界值后锚杆支护可有效控制围岩变形与破坏.     

松散破碎煤巷高预应力锚杆支护技术研究及应用

针对松散破碎煤层条件,提出高预应力锚杆支护设计原则,认为大幅度提高支护系统的初期支护刚度与强度及护表构件面积,保持围岩的完整性,减少围岩强度降低。高预应力锚杆支护技术成功应用于石炭井焦煤公司松散破碎煤层巷道,巷道变形控制在7%以内,巷道支护状况发生了本质改变。实践证明,高预应力锚杆支护技术可有效控制围岩变形与破坏。     

近距离采空区下松软破碎煤层巷道锚杆锚索支护技术研究

在地质力学现场测试和岩石成分分析的基础上,分析了近距离采空区下松软破碎煤层巷道破坏的主要原因和影响因素,指出原有锚杆支护系统预应力偏低、护表构件不合理是造成巷道破坏的主要原因,提出了采用高预应力全长锚固锚杆和锚索支护并加大护表构件的面积和强度的方法进行此类巷道的支护。以红庙煤矿五区5-2S一片工作面回风巷为工程实例,详细介绍了高预应力锚杆锚索支护方案并进行了现场工业性试验。研究结果表明,高预应力锚杆锚索支护系统能够控制此类巷道的强烈变形,支护效果比较理想,为类似条件下巷道支护提供了有效手段。     

大断面回采巷道锚网索支护技术优化

干河煤矿102工作面1021运输巷掘进时受下部106工作面采动影响,围岩变形严重。通过分析巷道原锚网(梁)与锚索联合支护不足之处,对支护方式进行了优化,提高锚杆、锚索预紧力,取消钢筋托梁,采用单体锚杆配套W钢护板,优选锚固剂,简化施工工艺。现场试验表明,不仅掘进速度大幅提高,回采期间很好地控制了巷道变形,大幅减少维修量,支护效果良好。     

锚索支护传力机制与应力分布的数值模拟

采用FLAC^3D对锚索预应力在巷道围岩中形成的应力场－锚索预应力场分布特征进行了数值模拟.结果表明：在一定预应力条件下,单根锚索在其周围形成了类似“心”形的压应力分布区域,压应力在锚索尾部附近最大,锚固起始处附近次之,锚索自由段中部较小.锚索锚固段附近出现了拉应力区,但拉应力值很小;多根锚索形成的压应力区相互叠加,并连成一体,形成类似“鼓”形的整体支护结构,锚索预应力及主动支护作用扩散到大部分锚固区域.锚索预应力场分布形态与锚索长度、间距、排距、安装角度、预应力的大小及组合构件有关.     

高强度锚杆支护技术及在大断面煤巷中的应用

在分析目前大断面煤巷锚杆支护存在问题的基础上,论述了对锚杆支护机理的新认识,开发了适合于大断面煤巷支护的高强度锚杆,并采用FLAC3D有限差分程序对不同锚杆支护参数巷道围岩应力场分布特征与规律进行了模拟分析。结果表明：预紧力是锚杆支护系统的决定性参数,增加锚杆预紧力能有效增大巷道围岩压应力场应力值及扩散范围;锚杆长度的选择应充分考虑锚杆预应力、巷道围岩破碎程度与可锚性;对于相同锚杆材料,直径越大强度越高,预应力扩散范围越大;锚杆垂直于岩面布置时,巷道围岩形成的压应力区分布更加均匀,锚杆预应力叠加效果更好。井下试验表明,高强度锚杆支护技术为大断面煤巷提供了有效的支护手段,巷道掘进期间两帮移近量25.0 mm,顶底板移近量16.6 mm,能有效控制围岩的强烈变形。     

基于地应力的巷道支护参数设计研究

围岩强度与地应力的关系是导致巷道破坏的重要影响因素。分析了锚杆支护与围岩应力的关系、预应力锚杆与围岩变形的关系,然后数值模拟分析了不同支护条件下围岩破坏情况和应力分布情况。数值模拟得出,构造应力场下,顶板在锚杆锚索联合支护下,巷道变形量很小,巷道支护效果良好,顶板离层现象基本消失。以某矿为例,对巷道进行地应力测试以及巷道支护设计,通过锚网喷联合支护,特别是对顶板进行加固,支护取到了良好的效果。     

不同支护形式下巷道破坏情况平面相似模型试验研究

此次试验模拟将大巷布置在煤层之中,在高强锚杆和U型钢支架的支护作用下,随着巷道埋深的增加（以加载方式体现埋深的增加）,巷道围岩的破碎状况。通过分析确定几何相似比和计算得到的各岩层对应的相似材料抗压强度,经过试块抗压试验,得到合理的材料配比。基于选择的支护材料,通过制作模拟材料,在模拟试验平台上进行加载试验,加载系统采用液压稳压器伺服控制的千斤顶加载。最终对加载试验结果进行分析得出,对于煤层巷道,在采深不大于700 m的条件下,高强锚杆是适用的;而至于U型钢可缩性支架支护,因其支护的巷道围岩产生了较难以控制的收敛变形,应该适时地采取加固补强措施,以保证巷道的安全。     

厚表土层薄基岩条件下回采巷道支护研究

 针对在赵官煤矿3702运输巷掘进过程中,出现的剧烈的巷道围岩破坏现象,局部地段需要架设工字钢棚进行二次支护的问题。本论文采用非弹性区理论、有限差分数值计算软件FLAC3D分析确定厚表土层薄基岩的特殊地质条件下合理的巷道支护方案,并在赵官煤矿进行现场工业性试验,以检验支护方案的应用效果。试验证明：高强预应力让压锚杆有效地改善围岩的应力状态,将围岩变形量控制在合理的范围内[1],使围岩塑性区保持在1.5m。     

高应力巷道支护技术应用

平煤股份十一矿二水平丁六采区丁5-6 -26071回风巷埋藏深,围岩构造应力较大,巷道支护困难.在分析锚杆支护理论的基础上,针对大埋深巷道围岩特点,在合理选择、充分利用高预应力让压锚杆支护系统的同时,进一步采用高预应力让压锚索配W钢带对丁5-6-26071回风巷实施联合支护,以适应圈岩变形的需要.现场应用结果表明,采用该支护方案合理可靠,支护效果良好.     

高预应力锚杆支护对煤与瓦斯突出控制作用研究

采用FLAC3D和COMSOL Multiphysics多物理场数值模拟软件分别对不同支护条件下高瓦斯煤层掘进巷道周围煤岩体应力场、能量场分布特征和煤层瓦斯流动规律进行研究。研究结果表明：锚杆预应力在巷道断面上形成整体压应力结构,在掘进推进前方,后方支护区域的锚杆预应力形成连续分布的压应力带,使预应力扩散到空顶区。预应力越大扩散范围也越广,对抑制空顶区煤岩破碎、变形有重要作用;高预应力锚杆支护能减少煤岩体内能量集中,但不会产生瓦斯积聚;高预应力锚杆支护能在一定程度上降低煤与瓦斯突出的危险。     

沿空留巷围岩控制关键技术研究

为了有效控制沿空留巷顶板岩层的离层及塑性区的发展，研究了沿空留巷围岩控制关键技术，包括可伸缩U型钢支架、支架壁后充填技术、锁棚锚杆/锚索技术、滞后注浆技术以及预充填区顶板加固技术。通过综合技术的分析，增加了支架和围岩的相互作用，提高了围岩的整体承载能力，控制了顶板离层和裂隙的发育，保证了巷道顶板的完整程度。     

金达煤矿动压巷道支护技术研究

金达煤业10107运输巷采用架棚和锚杆联合支护，支护参数不合理，巷道受动压影响变形严重，两帮移近量达800 mm，底鼓量达1 500 mm，巷道需要多次返修。为解决巷道支护难题，在该巷内进行了地质力学参数测试，分析了支护存在的问题及动压巷道围岩受力特点，提出了高预紧力锚杆支护技术，进行了井下试验。结果表明:新支护在巷道浅部围岩形成刚度较高的预应力承载结构，矿压监测结果显示巷道顶板下沉量43 mm，两帮移近量95 mm，巷道支护效果有了明显改善，满足矿井正常回采的要求。     

采动影响下工作面交叉巷数值模拟研究

为解决工作面交叉巷在采动影响下巷道变形大难以支护的问题,通过建立交叉巷围岩力学模型与FLAC^3D数值计算模型分析了交叉巷开挖后及其采动影响下的围岩应力分布规律,得出以下结论:掘进支巷后,三角区应力集中明显,由外往里应力集中系数减小,巷道变形量大小排序:巷道锐角三角帮＞巷道钝角三角帮＞非三角帮;受超前采动应力的影响,三角区内垂直应力均增大,高应力集中区的面积占比明显增大,三角区的稳定性变差,巷道顶板由下到上水平应力逐渐增大,顶板承载性逐渐增大。基于此,提出了使用高强锚杆及对三角帮打补强锚索的支护技术,控制了交叉巷道围岩变形,确保工作面安全生产。