锚杆支护之主要组合构件性能浅析

组合构件是将锚杆、锚索组合在一起,共同支护围岩的部件,是锚杆支护系统的重要组成部分之一.不同的地质条件、不同的巷道围岩结构要求有不同力学性能的组合构件与之相匹配.对平钢带、W形钢带、M形钢带和钢筋托梁4种常用组合构件的结构尺寸和力学性能进行了详细的分析研究,总结归纳出各构件的力学性能和优缺点,以期为锚杆支护设计提供理论依据,使科研人员、工程技术人员能根据不同的地质条件合理选择不同的组合构件,以达到最大限度发挥锚杆整体支护效果的目的.     

深部冲击地压巷道锚杆支护作用研究与实践

以义马常村煤矿深部冲击地压巷道为工程背景,介绍了深部冲击地压巷道围岩地质力学参数分布特征,分析了冲击地压巷道围岩变形与破坏特征及主要影响因素,揭示出锚杆支护对冲击地压巷道变形的本质作用是保持围岩完整性,在围岩中形成支护应力场,降低应力集中系数,改善巷道围岩应力分布,充分发挥围岩的抗冲击能力。提出冲击地压巷道支护形式选择原则,介绍了高冲击韧性锚杆支护材料力学性能及锚杆支护参数设计方法。针对常村煤矿21220下巷条件,提出以全长预应力锚固、高强度、高冲击韧性锚杆与锚索支护为主,以金属支架为辅的复合支护方式,并进行了井下工业性试验。矿压监测数据表明,该种支护方式与围岩的整体抗冲击能力强,能够有效控制深部冲击地压巷道变形与破坏。在冲击能量影响下,锚杆、锚索受力特征明显不同于普通巷道,呈波浪状或锯齿状变化趋势。     

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。     

深部煤巷锚杆支护技术的研究与实践

在分析深部高地应力巷道围岩变形与破坏特征,目前锚杆支护存在问题的基础上,提出高预应力、强力支护理论与锚杆支护设计准则;通过井下实测数据,分析深部矿井地应力分布特征;介绍强力锚杆支护系统,包括强力锚杆,强力钢带及强力锚索;最后,介绍高预应力、强力锚杆支护系统在新汶千米深井巷道中的应用情况,评价支护效果。井下试验表明,高预应力、强力锚杆支护系统能有效控制深部巷道强烈变形,保持围岩稳定。     

煤巷锚杆支护机理探讨

该文根据锚杆在实际支护中的作用,针对回采巷道的支护特点,论述了回采巷道不同受力阶段锚杆的支护机理。同时也阐述了锚索的作用。锚杆受力的主要原因是围岩扩容、离层与滑动作用造成的,锚杆支护可在围岩破坏区内形成次生承载结构,保持锚固区的稳定,不易发生破碎变形与滑动。     

大倾角松软厚煤层巷道支护的不连续变形分析

针对杜家村矿北翼回风巷大倾角松软厚煤层条件下支护难题,采用了不连续变形分析(DDA)方法进行了无支护、锚杆支护、锚杆+锚索联合支护、锚杆+锚索+W型钢带+高强度塑料网联合支护的数值分析,模拟了巷道在不同支护条件下的变形破坏过程,比较了这4种支护方式下围岩的变形、垮落情况。研究表明:大倾角松软厚煤层巷道采用锚杆+锚索+W型钢带+高强度塑料网联合支护形式效果最佳,其两帮移近量仅为38.5 mm,顶底板移近量为62.3 mm。     

锚杆支护组合梁方法的改进及其应用

基于锚网钢梯（钢带）组合支护形式的整体作用效果，建立了锚杆长度和间排距之间相互依赖的关系，对已有的组合梁设计计算方法进行了改进，并在不同条件下的回采巷道锚杆支护中得到了成功的应用。     

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.     

煤矿深部巷道锚杆支护理论与技术研究新进展

针对我国深部高地压巷道围岩条件的特殊性与复杂性及巷道支护存在的问题,分析了高地压巷道围岩变形与破坏机理、支护系统控制围岩变形的作用。介绍了适用于深部巷道围岩的地质力学快速测试系统:包括地应力测量、围岩强度原位测试及围岩结构观察;高预应力、强力锚杆支护系统:包括高冲击韧性强力锚杆,大吨位、大延伸率单体锚索,高刚度钢带。介绍了高预应力、强力锚杆支护系统在新汶矿区和金川镍矿的应用情况。实践表明:高预应力、强力锚杆支护系统是深部巷道较有效的支护形式。     

裂隙水致顶板软化巷道支护技术

针对油房南煤矿1107运输平巷受顶板砂岩裂隙水影响的特点,在结合前人研究泥岩遇水软化崩解的基础上,分析了1107巷道变形破坏的原因,并提出新的支护方案:顶板采用W钢带组合高强度螺纹钢锚杆支护,并用锚索补强支护;两帮采用钢筋梯梁组合圆钢锚杆支护.该方案在现场实施后,有效控制了巷道围岩变形,保证了巷道的正常使用.     

岩石弯曲拉伸试验研究

岩石弯曲拉伸强度和变形性质是确定岩体力学特性的重要参数。为此,该文对32件砂岩、大理岩、花岗岩岩石试件进行了三点弯曲拉伸试验,获取其抗拉强度,绘制了岩石拉伸应力-应变曲线,给出了拉伸弹性模量。通过此次试验研究,并与其它试验进行比较分析,认为岩石弯曲拉伸试验可获得合理的力学参数,且在岩体工程中具有应用前景。     

Determination of tensile strength by the measured rock bending strength

The paper discusses the data of four-point bending strength for various rock types. Different nonlocal strength criteria are applied to the tensile strength assessments based on measuring the bending strength. The tensile strength calculated using a bar bending model under plastic deformation turns out to be the closest in value to the experimental strength.     

覆岩导水裂缝带发育高度的岩层层位判据分析

 工作面上覆岩层呈现非均质的分层结构,而导水裂缝带是随着各分层岩层的弯曲沉降逐渐向上发育的,其发育高度是各岩层分层厚度的叠加。因此,为了精确确定导高值,提出了导水裂缝带发育高度的岩层层位判据。以某矿工作面为工程实例,通过现场观测结果,结合上覆各岩层层向拉伸率的分析计算,确定了工作面上方第二层灰岩为导水裂缝带发育的最上位岩层,其层位高度36.86m,层向拉伸率为0.42,为覆岩各层岩层层向拉伸率变化趋势的拐点,因此确定工作面覆岩导水裂缝带的高度为36.86m。     

冲击韧性对锚杆力学性能影响的试验研究

高强度锚杆在井下使用时经常发生螺纹段脆断现象,这与锚杆材料的冲击韧性密切相关,测试了4个厂家屈服强度500 MPa锚杆的冲击吸收功,不同厂家锚杆冲击韧性差别较大,冲击吸收功从19~165 J不等。对具有不同冲击吸收功锚杆的杆体段和螺纹段分别进行弯曲试验、拉伸试验、复合应力下破坏试验,试验结果表明:冲击韧性影响锚杆螺纹段的冷弯性,当冲击吸收功低于30 J时,锚杆螺纹段冷弯性差;冲击韧性对杆体的冷弯性、杆体段和螺纹段的伸长率没有影响;冲击韧性影响锚杆复合应力下破坏状态,当冲击功低于19 J时,复合应力下锚杆易出现脆性破坏。认为屈服强度500 MPa高强锚杆的冲击吸收功不应低于30 J。     

基于轴对称厚板模型的浅埋空区顶板安全厚度

空区的存在影响地表建筑物和设施的稳定．在考虑超栽情况下，根据Reissner厚板理论，建立了轴对称圆板模型，以拉破坏为控制条件，导出了顶板安全厚度的解析解．以剪切破坏作为控制条件，提出了考虑剪切导致的拉应力控制和剪应力控制的顶板安全厚度计算公式．结合某一工程实例，给出了几种典型岩石条件下顶板的安全厚度，当超载不大时，顶板安全厚度由弯曲拉应力控制．     

维尼纶纤维混凝土的力学性质试验与其适用于软岩支护的机理

通过对维尼纶纤维混凝土不同配比的力学性质测试，分析了纤维长度、掺量等对其抗压、抗拉、抗弯强度和韧度的影响；阐述了维尼纶纤维混凝土对软岩支护的适应性。     

厚层复合顶板大断面沿空煤巷组合支护技术

随着煤矿采深加大与延伸,普通锚网(索)喷支护较难维持厚层复合顶板大断面煤巷围岩稳定性。通过对大量复合顶板事故调查及其产生过程分析,获得了复合顶板事故失稳机制及控制方案,并在许厂煤矿4312皮带顺槽进行了支护技术现场实践,取得了较好的支护效果。研究结果表明:为有效控制复合顶板岩层离层与竖向拉伸裂隙产生,可施加锚索来实现减跨作用,采取高强预应力锚固顶板下位复合岩层来提高岩梁的整体抗弯刚度,以减小顶板岩梁产生的弯曲应力;高强预应力锚杆、锚索、钢带和钢筋梯组成的"四位一体"的组合支护技术可较好地解决厚层复合顶板大断面沿空煤巷围岩稳定难题。     

厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理

为揭示厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理,以安徽淮南矿区某在建煤矿副井为背景,分析厚表土薄基岩钻井井筒受拉破断过程与特征,建立马头门上覆岩层弯曲变形竖向剪切拉应力力学模型,给出井筒围岩分层竖向位移函数,采用最小势能原理及弹性力学理论推导出井筒竖向拉应力解析解。分析表明,井筒马头门上覆岩层受施工多次扰动影响发生弯曲变形是产生作用于井筒之上的竖向剪切拉应力的致因;该剪切拉应力产生的作用于井筒之上的拉力由下而上积累到某一阈值,该阈值与井筒自重应力的合力超过钻井井筒极限抗拉强度时,在钻井井筒接头处发生第1次拉断破坏,其后,随着岩层弯曲变形发展,拉断处以上井筒继续受竖向剪切拉应力作用而发生第2次拉断破坏,并导致底部含水层水砂溃入井筒发生淹井事故。马头门围岩的稳定性对改变上部钻井井筒受力状态有重要影响,其上覆基岩越薄影响越大,越易发生钻井井壁拉断破坏,基岩与风化基岩弹性模量比和风化基岩与底含弹性模量比对井筒发生拉断破坏时的位置,以及对应马头门顶部最大竖向位移影响均较小。通过采用钻井井筒竖向受拉等强设计、钻井井筒底部设置壁座、马头门至钻井井筒底部基岩段设置1~2道水平隔离缝、地面L型注浆加固马头门软弱围岩等技术途径,完善现行相关设计规范,确保钻井井筒运行安全。     

高强度采动下巷道围岩与支护构件破坏机理研究

针对高强度采动下巷道围岩与支护构件破坏问题，现场调查了高强度采动下巷道围岩与支护构件的破坏特征，采用理论与数值模拟方法计算了高强度采动下巷道围岩塑性区与位移，并依此分析了巷道围岩与支护构件的破坏机理。研究表明:高强度采动可以多次改变巷道围岩应力场方向与大小，巷道围岩塑性区形态亦相应不断转动近似等同的角度，进而引起巷道围岩呈现出特有的变形特性。这种围岩变形具有非线曲折性、局部强变形性、不对称性、大范围性。围岩变形的非线曲折性分高集度与低集度两种，低集度下锚杆杆体呈现分段弯曲、扭转等破坏特征，高集度下锚（杆）索破断剖面呈现为“Δ”、“Ⅰ”形态。围岩变形的局部强变形性与不对称性可导致型钢支架局部受力不均，使型钢支架呈现破裂、不对称弯曲等破坏现象。     

锚杆构件力学性能及匹配性

在分析煤矿巷道锚杆支护构件破坏形式与原因的基础上,研究了锚杆各构件,包括杆体、螺纹段、托板、球形垫圈及减摩垫圈的力学性能。采用理论计算与数值模拟分析了杆体与螺纹段在不同受力状态下的应力分布特征。在实验室进行了锚杆形状、参数对其锚固力及安装阻力影响的试验,托板压缩性能及锚杆尾部构件匹配性试验。研究了树脂锚固剂的力学性能及影响因素。研究结果表明：锚杆受拉伸、弯曲、扭转、剪切及其组合作用,煤矿巷道锚杆处于屈服是一种常态,杆体有4个位置易发生破断。螺纹显著改变了螺纹段表面及附近部位的应力分布,在螺纹牙底处出现明显的应力集中。拱形托板压缩变形可分为5个阶段,拱高必须达到一定值才能保证足够的承载能力。锚杆尾部构件几何形状、参数及力学性能应相互匹配,才能使锚杆处于较好的受力状态。树脂锚固剂应与杆体、钻孔匹配,保证锚杆-锚固剂、锚固剂-围岩之间界面有良好的黏结性能。研究成果已应用于多类困难巷道,大幅减少了锚杆支护构件的破坏,显著提高了巷道支护效果。 