巷道支护设计方法研究

为了确保矿井巷道的安全支护,采用现场锚杆拉拔试验,分析了原有巷道的支护的物理力学参数以及顶底板岩石完整性程度,得到了前期断面中支护锚杆的极限剪切抗剪强度和锚杆荷载传递规律等锚杆设计参数,依据现场锚杆拉拔试验结果,对原有巷道支护参数设计进行了优化,结合现场监测的反馈信息,得出优化后的巷道可以满足支护要求。     

粘结式锚杆抗拔力及拉拔误差分析

目前树脂药卷锚固的锚杆支护技术得到了广泛应用,对锚杆拉拔工况下抗拔力和拉拔误差进行了分析,采用根据锚固剂及围岩的强度、刚度与杆体、孔壁间的相对位移法和弹性力学移解法两种方法研究分析锚杆拉拔力状况,并对比两种结果,为科学计算与设计锚杆支护参数提供参考。     

全长锚固锚杆拉拔试验研究

支护设计最基本的指标是支护能力,即支护的最大承载力.锚杆的支护能力是锚杆对围岩的最大锚固力,由于锚杆在岩土介质中受力的复杂性、多变性,因此锚固能力的计算十分困难.工程中常用拉拔试验来确定粘锚能力,但由于拉拔试验时锚杆体上的粘结剪应力分布与锚杆实际工作时不同,拉拔力并不能作为锚杆的粘锚能力.研究认为,可根据拉拔试验和锚杆的实际承载状态下载荷分布规律的不同,得出最大拉拔力和锚固力之间的关系,为正确地利用拉拔试验来检验锚杆安装质量和评估锚杆锚固能力提供理论依据.     

煤岩锚固系统滑移脱黏试验研究与力学性能分析

为得到不同锚固长度煤岩锚固系统失效模式与力学性能,结合煤巷树脂黏结锚杆锚固特点,在配比出中等硬度煤岩体相似材料基础上,按照工程现场操作流程制作不同锚固长度、树脂黏结中硬煤岩锚固体,开展了室内拉拔试验。研究结果表明:锚杆载荷-位移曲线可分为弹性变形阶段、塑性变形阶段、脱黏延伸阶段和完全脱黏阶段。拉拔荷载作用下,中硬煤岩锚固体失效模式主要为煤岩体与锚固剂界面间的滑移脱黏失效。随着锚固长度增加,锚杆最大抗拔力不断增加,塑性变形阶段锚杆最大抗拔力是弹性极限抗拔力的1.21~1.34倍;弹性变形阶段,锚杆轴力自锚固起始端迅速下降直至锚固尾端很小。通过张拉试验测得锚固剂与煤岩体界面剪切刚度大致为259.8~272.5 MPa/m,抗剪强度大致为1.22~1.57 MPa,为锚固系统失效模式判识和支护设计提供指导。     

隧道围岩中全长粘结式锚杆受力的非线性分析

为分析隧道围岩中全长粘结式锚杆锚固界面剪切作用的非线性特性及其受力特性,建立了锚固界面剪应力与剪切位移的双曲正切函数模型,推导了围岩变形作用下全长粘结式锚杆的荷载传递方程,采用有限差分方法和Newton迭代公式建立了锚杆受力特性计算方法,并采用典型隧道工程锚杆试验实测结果进行了验证。在此基础上,分析了围岩变形作用下全长粘结式锚杆的轴力和界面剪应力分布特征,探讨了锚杆长度、界面剪切强度和初始剪切刚度、围岩位移释放系数等因素对锚杆受力的影响。研究结果表明：①双曲正切函数模型采用单一函数曲线刻画了界面剪应力与剪切位移的非线性关系及锚固界面剪切刚度演变规律,可有效描述隧道围岩中全长粘结式锚杆的受力特性;②锚杆锚固力随着锚固长度的增加而逐渐增大,但其锚固长度存在临界值;超过临界值后,锚杆锚固力基本不变;③随着界面剪切强度和刚度的增加,锚杆锚固力逐渐增大,中性点位置移向临空面一侧,界面剪应力向临空面和锚杆末端聚集;④围岩位移释放系数越小,锚杆支护后所提供的锚固力越大。实际工程中,宜根据围岩稳定状态及所需锚固力大小,合理确定锚杆支护时机和长度。     

深井巷道锚注补强力学效应及支护参数研究

针对赵楼煤矿5302工作面轨道巷在回采期间围岩控制难题,提出锚注补强措施,并对主要支护参数进行研究。考虑锚固体界面剪胀效应,建立简化的锚固体-围岩界面力学分析模型,推导注浆前后锚固体界面剪应力计算公式,分析注浆后岩体弹性模量、黏聚力、内摩擦角和剪胀角对锚固体界面抗剪能力的影响规律。定义有效加固范围,开展不同长度注浆锚杆浆液扩散性能拉拔试验。研究表明:与注浆锚杆相同距离条件下,普通锚杆锚固性能提高程度整体呈现"下方左侧上方"的趋势,距离注浆锚杆1.6 m处;拉拔力提高程度最大为85%,距离注浆锚杆0.8 m处拉拔力提高程度最大为170%;2.5 m注浆锚杆浆液扩散性能优于2 m注浆锚杆,接近3 m注浆锚杆。比选出较为合适的注浆锚杆长度为2.5 m、间排距为1200 mm×1600 mm。在此基础上,开展现场应用对比试验,结果显示试验段围岩平均收敛量比原支护方案下降低54.9%,锚注补强控制效果显著。     

煤矿巷道树脂锚固体力学行为及锚杆杆体承载特性研究

目前锚杆(索)支护技术是我国地下煤矿开采中普遍采用的一种主动控制巷道围岩稳定的支护技术。但由于锚杆支护加固对象的复杂性,至今锚杆支护原理还没有一个统一全面的认识,对于复杂条件下锚杆的锚固机理、与围岩相互作用关系、应力分布规律及锚杆杆体承载特性等问题需要更深入的研究。论文采用理论分析、数值模拟、现场实测、实验室试验和工程实践相结合的综合研究手段,围绕树脂锚固体力学行为及锚杆杆体承载特性展开研究。论文研究的主要工作如下:(1)总结分析了树脂锚固体4类主要失效类型,着重分析了黏结失效类型中树脂锚固体空洞锚固失效和长时蠕变失效的两种形式。建立了空洞树脂锚固体拉拔状态下的力学模型,推导并求出了空洞树脂锚固体拉拔状态下沿锚固方向上杆体内拉应力分布的理论公式;同时建立了考虑锚固层黏弹特性树脂锚固体拉拔状态下的长时蠕变力学模型,推导并求出了与时间有关的杆体拉应力和锚固层-杆体界面剪应力分布公式,并求解了恒力长时作用下的树脂锚固体杆体外端点位移的近似公式,同时得到了锚固体产生破坏的极限拉拔力。(2)通过实验室力学试验,获得了围岩、锚杆等力学参数。基于ABAQUS数值模拟软件,验证了两种锚固体理论力学模型,研究了两种模型中杆体应力沿锚固方向上的分布规律,揭示了拉拔过程中锚固体内应力和位移的演化过程;着重阐述了长时蠕变模型杆体应力传递的3个阶段,分析了杆体的极限抗拉拔力与时间的关系。同时,分析了锚杆直径、锚固层厚度、钻孔直径、围岩强度等参数对树脂锚固体杆体拉拔状态下的力学特性影响。(3)采用预拉力锚固系统锚固作用综合实验台,研究了不同预拉力下锚杆杆体应力和弯矩的分布特征及其变化速率;通过测力锚杆井下拉拔试验,揭示了预拉力与锚杆杆体外端点位移的相互关系及不同预拉力下锚杆杆体轴力分布及承载特征,同时基于测得的锚杆杆体应力分布曲线,借助第三章研究结果,准确推测了巷道顶板的完整性;初步判定预拉力锚杆实际工作状态下杆体承载受力主要集中在外锚固段中性点附近,对限制巷道围岩变形起主要作用的是中性点附近杆体-锚固层-围岩3者之间的黏结关系,同时杆体内弯矩的存在说明杆体截面处于非均匀受力状。(4)在分析现有煤矿巷道围岩监测手段的不足和光纤光栅传感技术优越性的基础上,初步提出并建立了一套基于现代光纤传感技术的煤矿巷道围岩动态实时在线监测系统;并采用该系统对煤矿巷道锚杆杆体受力及演化进行了实测,监测结果表明树脂锚杆的杆体应力分布呈非均匀分布且波动变化,杆体内存在大量弯矩。(5)最后基于理论研究结果提出了确保锚杆支护效果的几个基本原则,并应用于淮南矿区顾桥矿1115(1)工作面轨道巷及朱集煤矿1111(1)工作面轨道巷的工程实践,应用结果表明遵循该原则采用的预拉力高强锚杆强化支护技术可以充分调动围岩的自稳能力优化围岩的力学参数,有效控制巷道围岩变形,满足矿井安全生产要求;同时采用煤矿巷道围岩动态实时在线监测系统成功揭示了1111(1)工作面轨道沿空留巷期间的矿压显现规律,并与传统矿压观测结果进行了对比,两者基本一致,初步显示了该系统的可靠性和应用前景。     

煤矿软弱围岩巷道锚杆孔钻扩机理与试验

锚固系统失效是煤矿锚杆支护的瓶颈问题,特别是软弱破碎围岩条件下,锚固系统锚固力低下普遍存在。针对煤矿巷道锚固系统失效问题,确定了影响软弱岩层锚固系统失效的主要因素为锚固剂黏结失效,根据理论分析成果,提出了采用改变锚杆孔底形状提高锚固力的方法。通过对普通钻孔、圆柱扩孔、正楔形扩孔和倒楔形扩孔四类锚固系统分析,以锚固体极限拉拔强度、锚固剂与锚杆黏结面应力及位移为指标,确定正楔形为最佳扩孔形状。以锚固剂与锚杆黏结面应力分布特征为依据,确定了正楔形扩孔的最优楔角为40°。设计研发了相应的扩孔机具,进行实验室锚杆孔钻扩与锚固系统拉拔试验,验证了正楔形扩孔的作用机理与提高锚固系统锚固力的有效性。     

锚杆界面力学试验及剪应力传递规律细观模拟分析

锚杆界面的应力分布及传递规律的分析对巷道围岩锚固机理的研究至关重要.通过全长锚固砂浆锚杆的室内拉拔试验,测试了锚杆杆体与砂浆黏结界面之间的轴向剪应力分布规律.从细观力学角度入手,采用PFC颗粒流软件对锚杆界面力学试验进行了数值仿真模拟.结果表明,锚杆界面剪应力在轴向方向上分布不均匀,呈先增后减的形式传递,最大值位置距离...     

基于孔壁形态的锚杆锚固体荷载传递机理及特性分析

在进行锚杆(索)拉拔试验时发现一个重要的力学现象,即当拉拔力加到一定数值,锚杆(索)体未从孔内拔出,岩体试件却伴随巨响或震动,瞬间沿孔壁径向发生整体开裂,由于这种径向压力足以引起整个岩石试件迅速开裂,可见其对锚杆承载力的影响是不可忽视的。针对该现象,通过深入研究岩-岩结构面剪切特性和扩孔理论研究成果中结构面受力剪切过程中必然产生的剪胀效应,分析认为钻孔孔壁形态是产生该径向应力的最主要因素。在适当的假设条件和考虑锚杆钻孔孔壁粗糙形态的前提下,基于非线性Mohr-Coulomb强度准则,结合荷载传递函数法和锚固体-围岩结构面剪胀效应及破坏机理,建立了适应于圆形巷道锚杆锚固体应力传递模型,分别求得破坏和弹性条件下锚固体轴力及剪应力解析式。基于所获得的解析式,深入探讨了锚固体轴力随剪胀角即钻孔孔壁粗糙度变化的分布规律和随圆形巷道应力场切向应力变化的分布规律。同等条件下,剪胀角越大即钻孔孔壁粗糙度越大,锚杆的抗拉拔性能越好,极限抗拉拔力越大;并且注浆锚杆的灌浆压力对锚杆的抗拉拔力有着重要的制约作用,建议在实际锚固工程设计和施工中适当增加钻孔孔壁的粗糙度以提高锚固效果和适当增加灌浆压力来改善锚杆的承载性能。