预紧力锚杆作用下锚固体内应力及锥形体特征分析

在煤矿巷道预应力锚杆支护中,锚固体内锥形体的形成是预应力锚杆能发挥作用的重要原因。为了研究预应力锚杆作用下锚固体内的应力分布和锥形体的形成规律,采用ANSYS有限元分析软件,建立了含有单根锚杆的锚固体模型,并施加锚杆预紧力和围岩压力,研究了含预应力锚杆的锚固体内应力状态和锥形体的形成规律。结果显示:锚固体内的水平应力呈现出两头大中间小的"凹"形;锚固体内锥形体呈中空的"拳头"状;在靠近锚杆端部位置,锚固体内会产生一定的拉应力;锥形体轮廓与锚杆的夹角随着围压的增大而减小,随锚杆预紧力的增大而增大;锥形体端部高度随围压的增大而增大,随锚杆预紧力的增大而减小。     

预紧力锚杆作用下锚固体的形成与失稳模式

高强锚固系统在深部及复杂软弱巷道围岩控制中得到越来越广泛的应用,但对该条件下的锚固体形成和失稳的认识仍不充分。笔者采用数值模拟方法研究了预紧力锚杆作用下锚固体的形成因素及原岩应力作用下锚固体的失稳规律。结果表明：预紧力一定时,锚杆间距越小,附加应力就越大;锚杆间排距一定时,预紧力越大,附加应力就越大,附加应力在锚固体范围岩体中呈纺锤形,压力从巷道表面处逐渐衰减,在锚固起始端呈锥形分布;锚固段越短或预紧力越大,压缩区域就越大,锚固体的范围就越大,但锚固段长度对锚固体的影响较为明显。原岩应力环境中,巷道围岩锚固体失稳类型有锚杆断裂型、锚固脱黏型、岩体主导破坏型和锚固体复合型破坏型;岩体强度、锚杆预紧力、原岩应力侧压系数、埋深、锚杆间排距等对锚固体失稳的作用依次减小。     

单根锚杆不同工作载荷下支护应力场特征相似模拟研究

采用实验室相似模拟测试和分析了单根锚杆在不同工作载荷条件下围岩横向和纵向应力场分布特征。测试结果表明:锚固体轴向应力场由压应力核心区和扩散区构成,核心区位于锚固体近锚杆区域,由3个压应力集中区组成,整体呈"酒精灯"状分布。随着锚杆工作载荷的加大,轴向应力场在垂直轴向方向上无论应力值还是分布范围均明显增大,在锚杆轴线方向虽然应力值明显增大,但应力分布范围基本无明显变化。锚固体横向应力场沿锚杆轴向在锚杆周围形成前后2个比较明显的压应力集中区,浅部应力集中区在锚杆托板下方呈倒扣的碗状,锚固段附近压应力集中区呈对扣碗状。锚固体横向应力场整体应力值较小,约为轴向应力场应力值的1/4左右。随着锚杆工作载荷的加大,锚固体内横向应力集中区范围不断扩大,应力值不断提高,但位置和形态基本保持不变。     

全长锚固预应力锚杆预紧力确定方法及其应用

预应力锚杆是提高围岩强度和保证巷道稳定的有效支护手段。基于单根全长锚固预应力锚杆在围岩中的作用机理,推导了预紧力作用下全长锚固预应力锚杆形成的锚固区内的应力分布规律。根据锚杆锚固区的两种破坏形式,提出锚杆最小和最大预紧力并推导了其计算公式。该公式在工程中的应用结果表明,在最小与最大预紧力之间,合理增大锚杆预紧力能够有效提高支护强度,对控制巷道围岩变形效果显著。     

锚杆预紧力在巷道围岩中的力学效应

针对巷道围岩稳定性控制中的整体锚固结构,分析了预应力锚杆的力学作用机理.预应力锚杆施加于围岩之上的预紧力所产生的横向挤压作用,是围岩形成整体锚固结构的必要条件.基于固体力学中的Boussinnesq研究了单根预应力锚杆作用下围岩中应力以及相应的横向挤压力的计算方法,建立了2根预应力锚杆共同作用下二者之间横向挤压力的理论计算公式.结果表明,2根锚杆之间的横向挤压力与锚杆预紧力成正比,与计算位置到锚杆安装位置的距离成反比;预紧力产生的横向挤压力在2根锚杆正中间位置最小;横向挤压力的大小除与围岩的泊松比有关外,还与锚杆安装密度、有效长度等有关.研究结果在塔山煤层巷道支护设计中得到应用.     

预应力锚杆锚固段应力分布规律及分析

为揭示预应力锚固机理及优化围岩支护参数,基于前人对锚固力的研究,对锚杆—围岩系统进行理论分析,得出弹性状态下围岩体内剪应力及压应力分布表达式,借助Matlab数值计算软件,计算不同锚固方式、围岩性质、锚杆直径及预紧力下预应力在杆体及围岩中的分布情况。结果表明:不同锚固方式下,预应力分布形式基本相同,作用范围不同,加长锚固方式可增大预应力的作用范围;预应力锚固在软岩中的效果较硬岩好;增加锚杆直径可以改善黏锚力在围岩中的扩散效果;增加预紧力无法改变锚固段预应力扩散范围,但可以提高其应力峰值,同时可提高孔口附近围岩的压应力,对表层围岩应力状态的改善效果较好。     

锚索预紧力对巷道围岩应力场分布影响研究

依据王庄煤矿5218工作面地质条件,采用有限差分数值模拟软件FLAC3D研究了锚杆与锚索预紧力引起的巷道围岩应力场分布特征。结果表明:锚索预紧力过低时,锚索和锚杆联合支护产生应力场应力值小,形成的有效压应力区范围小且孤立分布,没有连成整体,主动支护效果差;锚索预紧力高时,锚索预紧力引起的巷道顶板应力场应力值大,形成的有效压应力区范围广,相互连接、叠加,形成有机的整体,主动支护作用得到充分发挥。     

煤巷锚杆-锚索支护的预应力协调作用分析

在分析目前锚杆、锚索联合支护条件下施加预紧力时存在问题的基础上,提出了锚杆、锚索联合支护的预应力协调问题,并采用有限差分数值计算软件FLAC3D对锚杆(索)施加不同组合预紧力时围岩产生的应力场分布特征与规律进行了模拟分析。结果表明:预应力锚杆、锚索联合支护可以在巷道围岩锚固结构中形成相互连接、相互叠加的有效压应力区,随着锚杆(索)预应力的增加,压应力区的值和范围也相应地增加;锚杆端部的拉应力值和范围随锚杆预紧力矩的增加而增大,这种情况可以通过施加锚索预紧力进行平衡,锚杆预紧力矩越大,平衡其端部拉应力区所需的锚索预紧力越大;结合工程施工现状,合理的锚杆预紧力矩选择在300～400N.m,锚索预紧力为200～300kN比较合理。井下试验表明,合理预应力组合的锚杆锚索联合支护系统可以有效控制围岩变形。     

锚杆预紧力对锚固体强度强化的模拟实验研究

锚杆预紧力在巷道支护中发挥着重要作用,但其对锚固体强度强化特征的研究仍存在不少问题;以砂蜡材料、预紧力锚杆和平面应变约束装置制作锚固分离体,在RMT-150C实验机上对其力学特性进行了研究。实验结果表明：锚固体的峰值强度、残余强度的强化系数和岩体强度、锚杆预紧力呈正相关,岩体强度一定时,随着锚杆预紧力的增大,强化系数逐渐增加,锚杆预紧力对锚固体峰后残余强度的强化大于对锚固体峰值强度的强化。锚固体的应变-应力全程曲线与锚杆受力存在着对应关系,锚固体屈服之前,锚杆受力增加缓慢;屈服点之后,受力急剧增加;峰后软化阶段锚杆受力逐渐增加,摩擦阶段锚杆受力处在不断的调整下降中。预紧力一定时,岩体强度越高,锚杆受力增加幅度越小;岩体强度一定时,高预紧力锚杆受力增幅较小;软弱岩层破坏后,锚杆载荷的损失比坚硬岩层大,预紧力锚杆对软弱岩层的作用比坚硬岩层明显。现场实践表明,提高锚杆预紧力能够有效控制围岩的变形。     

不同锚固长度下巷道锚杆力学效应分析及应用

为研究不同锚固长度对巷道围岩的控制效果,从理论方面推导了锚杆应力分布规律,建立了不同锚固长度下巷道围岩力学分析模型,考虑分析了锚杆直径、围岩强度参数、锚固长度、预紧力、布设间距等影响因素,给出了巷道锚杆支护设计的工程建议措施,并通过开展现场试验验证了本文理论研究成果的正确性。研究表明：锚杆受力主要集中在锚固段端头1/3范围内,且沿长度方向杆体剪应力与轴力不断递减;在软岩中更利于锚杆锚固作用的发挥;施加高预紧力,并留设一定的自由段长度,有利于锚杆预紧力在围岩中扩散,可形成有效的锚固围岩承载结构,充分发挥杆体支护潜力;当锚杆布设间距较大时,可通过提高预紧力、适当减少锚固长度来增加预紧力对围岩的控制效果。     

温度对树脂锚杆锚固性能影响研究

为了分析在靠近自燃发火区的巷道进行锚杆支护时,树脂锚杆锚固力降低的现象,采用实验室试验和数值模拟相结合的方法进行了温度对树脂锚杆锚固性能的影响研究。不同温度下树脂锚杆拉拔试验结果表明:温度对树脂锚杆锚固性能影响比较大,温度为25℃时树脂锚杆锚固力最大,随着模拟钻孔温度的升高,树脂锚杆锚固力呈现明显递减规律;运用FLAC3D有限差分程序对单根锚杆支护小范围锚固系统的数值模拟结果表明:岩体应力场与温度场之间存在一定程度上的耦合作用,在相同外载荷作用下,热源温度不同,岩体应力分布状态也不同。在上述研究基础上,指出温度变化对岩体物理力学性质以及树脂锚固剂固化反应过程都会产生一定的影响,并提出了不同温度环境下保证锚杆支护效果的技术途径。     

预紧力及间排距影响下的锚杆(索)附加应力场研究

以华烨煤业5号煤层为研究对象,采用数值模拟方法,对预紧力、间排距及锚索布置方式影响下的锚杆(索)附加应力场进行研究。结果表明,单根锚杆(索)附加压应力集中在托盘附近,并向围岩深部逐渐减小,附加拉应力集中在锚固段及其上部区域;锚杆(索)附加应力峰值随预紧力增大而线性增大;锚杆群在围岩浅部形成附加压应力区,其均匀程度、连续程度以及影响范围随间排距增大而减小;锚索可显著扩大锚杆产生的附加压应力区,并使锚杆锚固段附近的附加拉应力区转变为压应力区。     

巷道锚杆锚索预紧力协同支护的研究

以现有支护形式、支护构件和协同支护理论为基础,在不考虑原岩应力的条件下,应用FLAC3D模拟软件对锚杆、锚索不同预紧力在围岩中引起的应力场值和范围进行模拟,以寻求二者合理预紧力匹配值。结果表明当锚杆、锚索预紧力值匹配分别为40/150 kN和60/200 kN时,两者达到协同支护。协同支护不仅缩短围岩稳定周期,提高掘进效率,而且增大巷道围岩内压应力值、扩大压应力区范围,有效降低巷道围岩收敛值。     

不同预紧力锚杆锚索对围岩支护应力场影响研究

针对不同预紧力情况下锚杆锚索对围岩支护应力场的影响进行了研究,得出了几点重要结论:随着锚杆锚索预紧力的增加,巷道周围有效压应力区呈现逐步扩大的趋势,同时锚固范围之外的应力降低区也随着预紧力的增加而扩大。在同一预紧力情况下,锚杆的自由段轴力大小可以视为均匀分布,但在锚固段部分,由于预紧力的损失,在很短距离范围内,锚杆轴力明显减小,直至减小为0。对锚索施加预紧力时,锚索尾部附近均出现了明显的应力集中。在同一预紧力情况下,锚索距离顶板越远,最大主应力越小。在不同预紧力下,在同一距离处,预紧力越大,最大主应力也将越大。     

锚杆支护应力场测试与分析

在实验室建立了锚杆支护应力场测试模型,测试了单根与2根锚杆在不同拉伸载荷下的支护应力值及应力场分布特征,分析了2根锚杆形成的支护应力场相互叠加与影响的特点。采用数值模拟,计算了单根、2根锚杆在不同载荷下形成的支护应力场及影响因素,并将实验室测试结果与数值模拟结果进行了对比。研究结果表明:单根锚杆在端部附近应力较高,随着远离锚杆端部,应力逐渐减少,锚杆中部应力较小;在远离锚杆的一侧出现拉应力区;2根锚杆形成的支护应力场主要在模型中部叠加,由于模型前后表面应力扩散范围小,导致两表面附近中部应力很低,模型中心部位远离锚杆,应力也比较小。最后,提出了存在的问题及改进建议。     

强力锚杆锚索联合支护预紧力匹配性试验研究

为了解决强力锚杆锚索联合支护时各自施加预紧力存在的匹配性问题,采用FLAC^3D数值模拟软件,对山西潞安环能股份公司漳村煤矿西下山回风巷在不同锚杆（锚索）预紧力下的围岩应力场分布规律进行了模拟分析。结果表明:预应力及其扩散是锚杆锚索发挥主动支护作用的关键因素;预紧力的施加在顶板表面形成压应力区的同时,也使得锚杆锚索的端部出现大小不等的拉应力区;当强力锚杆预紧力不低于85 kN且强力锚索预紧力不低于250 kN时,二者组合支护在顶板所形成的压应力区的连续性才具有支护作用,但是当锚杆预紧力大于140 kN或锚索预紧力大于350 kN后,再增加预紧力对压应力区的扩展效果不明显。根据数值模拟结果并综合考虑支护效果和施工工艺,建议进行强力锚杆锚索组合支护时,85~140 kN锚杆预紧力匹配250~350 kN锚索预紧力比较合理。     

锚杆预应力对巷道支护效果影响研究

为了确保矿井的安全生产,以理论分析为基础,分析了锚杆预紧力和预应力矩的关系。结合某矿的工作面概况,数值模拟了不同预紧力对锚杆支护的应力场影响和锚杆、锚索联合支护下的附加应力分布。研究得出,高预紧力作用下,锚杆产生的附加应力场较大,锚杆起到了主动支护的效果;在锚杆和锚索联合支护作用下,锚杆和锚索相交区域出现以锚杆为连续带、以锚索为骨架的网状结构,此时的支护作用显著。     

基于围岩变形的预应力锚杆受力特征分析 及锚固机理

在实际围岩变形条件下对预应力锚杆应力分布进行分析,建立了预应力锚杆-围岩相互作用模型,得到预应力锚杆轴力、剪应力分布解析式,进而获得锚杆应力分布曲线。结果表明:影响锚杆轴力、剪应力分布的因素有预紧力、围岩性质、锚杆及锚固剂参数;在未发生滑移的情况下,自由段所受轴力为定值,锚固段所受轴力沿锚杆长度方向减小至0;而锚杆自由段所受剪应力几乎为0,在锚固段始端剪应力急剧增大至最大值再沿锚杆长度方向衰减至0;在发生滑移的情况下,需对锚固段轴力进行修正,得到锚杆应力分布规律。     

巷道顶板离层对锚杆载荷影响的弹性分析

针对巷道顶板岩层变形不协调产生的离层量过大会使锚杆失效的问题, 对离层产生的锚杆附加应力建立弹性力学模型, 根据岩层相对移动时拉拔载荷对锚杆的作用机理, 得出离层作用下锚固体的应力分布形式, 分析发现： 在相同离层位置条件下, 离层值越大, 离层对锚杆产生的附加应力就越大; 在相同离层值条件下, 锚杆中心处应力最小, 越靠近边缘离层产生的附加应力越大, 离层位置和锚固体的轴力、 剪应力呈非线性关系。     

峰后锚固体力学特性及其再破坏特征试验研究

针对峰后锚固体力学特性和再破坏特征,采用实验室相似模拟试验方法,综合考虑峰后破裂试块、多根锚杆和三轴加载条件,设计了大尺寸锚固体相似模拟三轴试验台(300mm×300mm×300mm),并采用完整试块预先加卸载方式预制峰后破裂岩体,研究了不同锚杆间排距和预紧力条件下的锚固体载荷演化规律及再破坏特征。研究表明:在三轴加载条件下,峰后锚固体载荷变化具有升高、稳定和下降的三阶段特征,且稳定期内载荷呈现多峰值特征;随锚杆间排距增大,锚固体载荷峰值及多组峰值波动幅值逐渐减小,裂隙面包裹的岩块块度减小,且由相邻锚杆之间的临空区域挤出;随锚杆预紧力增大,锚固体载荷峰值及峰值波动幅度均逐渐增大,显著提高锚固体的承载能力;同时,较高的锚杆预紧力促使锚杆载荷峰值由锚固体承载前期逐渐转移至后期,充分发挥锚杆在其承载后期的支护作用;锚固体临空面总体呈现"中间凸、边界凹"的变形特征;锚杆对相邻锚杆之间的临空岩体控制作用较小,造成无锚杆作用区域的临空岩体出现大范围破裂、剥落。