基于锚杆加固作用的圆形巷道围岩弹塑性分析

为研究锚杆支护机理及控制巷道围岩稳定，基于锚杆加固效应，将锚杆的支承作用考虑成作用于锚固区围岩的体积力，将锚杆的加固作用视为增强了锚固区围岩的强度参数|建立巷道计算模型，并进行弹塑性分析，导出了巷道围岩应力、位移解析解。结合算例，将理论计算值与实际监测值进行了对比，比较了锚杆支护与未支护时围岩应力，同时进行了围岩变形的影响参数分析。结果表明：锚杆支护改善了塑性区围岩应力状态，提高了围岩自承载能力|锚杆长度、间排距的参数设计遵循“长而疏、短而密”原则。文中理论解析解考虑了锚杆加固效应，为认识锚杆支护机理提供了理论参考，也能为巷道围岩控制提供合理的锚杆支护方案。     

围岩应变软化巷道锚杆支护作用的计算

从围岩应变软化巷道弹塑性力学计算出发,引入软化模量与非关联流动法则,用锚杆两端对围岩体内锚固区施加的两组夹紧力来考虑锚杆支护对巷道围岩应力状态改变的影响;在锚固围岩体力学性质的黏结力和内摩擦角不变的情况下,建立了锚杆支护对围岩稳定作用的弹塑性力学模型.通过计算,得到了不同锚杆支护强度和锚固区半径下的围岩应力、巷道位移、围岩应变软化区半径及破碎区半径的理论计算公式;分析了围岩应变软化巷道锚杆支护的应变软化区、破碎区及巷道周边位移变化趋势,并在巷道锚杆支护的参数选定中进行了应用.     

围岩应变软化巷道锚杆支护作用的计算

从围岩应变软化巷道弹塑性力学计算出发,引入软化模量与非关联流动法则,用锚杆两端对围岩体内锚固区施加的两组夹紧力来考虑锚杆支护对巷道围岩应力状态改变的影响;在锚固围岩体力学性质的黏结力和内摩擦角不变的情况下,建立了锚杆支护对围岩稳定作用的弹塑性力学模型.通过计算,得到了不同锚杆支护强度和锚固区半径下的围岩应力、巷道位移、围岩应变软化区半径及破碎区半径的理论计算公式;分析了围岩应变软化巷道锚杆支护的应变软化区、破碎区及巷道周边位移变化趋势,并在巷道锚杆支护的参数选定中进行了应用.     

锚杆预紧力对煤矿巷道支护效果的响应特征研究

为从理论上揭示锚杆预紧力对巷道支护效果的作用机理,针对锚杆支护岩石巷道,建立了分析巷道围岩力学特征的理想弹塑性应变软化模型,获得施加预紧力锚杆支护后巷道围岩位移、应力分布的解析表达式,从理论上表明:提高锚杆预紧力对控制巷道围岩变形及改善巷道周边围岩的应力状态有积极的作用,有利于保持巷道围岩的稳定。并结合现场实际研究了锚杆预紧力对巷道支护效果的影响关系,研究成果对分析锚固作用机理及进行锚杆支护设计具有指导意义。     

基于锚固力学效应巷道围岩稳定性分析

为了分析巷道在锚杆支护时锚杆和围岩耦合作用下形成的锚固承载层对巷道围岩稳定性的影响,根据围岩应力分布曲线特点,将巷道围岩划分为塑性区和弹性区进行研究。结合MohrCoulomb准则,分析锚杆在施加预紧力时引起容重的变化,可求解得到锚固承载层范围内切向应力的解析表达式,由静力平衡方程推导计算出锚固承载层外边界所能提供的等效支护力以及在等效支护力作用下巷道围岩塑性区的应力、半径和巷道位移计算解析表达式。通过上述所求的计算解析表达式结合全长锚固锚杆的预紧力、长度、间排距来分析3者对巷道围岩的力学效应影响。研究结果表明:等效支护力对巷道围岩的稳定性有一定的影响,在等效支护力的作用下,对巷道围岩应力分析可知,围岩应力峰值发生变化,且位置向巷道壁转移;全长锚固锚杆预紧力越大,锚杆长度越长,间排距越密,锚固承载层范围内的等效支护力越大,对巷道围岩的稳定性越有利;锚固承载层厚度与等效支护力的大小成正比,随着等效支护力的增大,巷道围岩的塑性区范围和巷道表面位移都会明显下降,等效支护力对围岩的稳定性有着很好的抑制作用。通过FLAC3D数值模拟对理论分析结果加以验证,根据模拟锚固承载层作用下的塑性区半径和巷道表面位移分析可知,数值模拟与理论分析结果基本一致。     

全长锚固锚杆支护软岩巷道围岩承载结构力学响应解析

为研究高应力软岩巷道围岩在全长锚杆锚固后围岩力学承载结构的稳定性,考虑软岩峰后强度软化时的扩容特性和全长锚固锚杆受力边界条件,建立了全长锚固锚杆力学模型,推导得到锚杆受力解析式。并通过将锚固力等效为体积力的形式建立了全长锚固围岩力学模型,将其由浅及深依次划分为锚固残余区、锚固塑性软化区、非锚固塑性软化区及弹性区,推导了各分区的应力表达式。结合工程算例分析了空间效应、扩容系数、锚杆长度和托盘反力等因素对围岩应力和锚杆受力的影响规律。结果表明：受空间效应影响,巷道变形破坏呈现渐进式发育,借此提出了“锚固调控区”的概念,即在全长锚固锚杆支护过程中,围岩的虚拟支护力和锚固力处于此消彼长的状态,从而抑制围岩应力向深部转移,有效减小了塑性区范围。锚杆安装时机越早,作用于杆体的围岩变形越大,且与围岩之间更易形成共同承载体;锚杆轴力与扩容系数呈正比关系,随着扩容系数增大,锚固力增长速率显著加快,保证了锚杆对围岩径向应力的恢复作用;锚杆长度越大,围岩/锚固剂界面粘结范围越广,使得沿杆体的轴力分布及其峰值明显增大,进而使围岩切向应力峰值区向洞壁方向偏移;全长锚固锚杆托盘反力对残余区和塑性区边界的影响较小,...     

巷道锚杆支护特性分析与应用

对采用锚杆工作阻力为夹紧力、锚固区围岩力学性质不改变的计算方法得出的结果进行了分析,研究了巷道锚杆支护作用的特性及其相关因素间的影响关系.结果表明：锚杆巷道围岩径向、切向应力在锚杆锚固端位置有一个跳跃;锚杆长度一定时,支护强度对围岩塑性区半径、巷道位移的影响随锚杆工作阻力值的提高逐渐减弱;锚杆工作阻力强度一定时,锚杆支护巷道周边位移、围岩应变软化区半径及破碎区半径,随锚固区半径增加开始阶段显著减小,基本呈双曲线函数关系,一定阶段后,变化趋缓,呈近水平直线变化.并在程村矿井下巷道进行了一次锚杆支护的设计应用.     

高应力回采巷道变形特征及数值模拟

以陕西彬长文家坡矿4106运输巷为工程研究背景，结合室内岩石力学实验、FLAC^3D数值模拟、工程试验等多种研究方法，基于围岩工程力学理论，研究了支护参数优化后确定间排距下的巷道围岩应力、应变以及巷道位移量情况，并分析了支护及锚固效果。结果表明，应力增高区均发生在巷道肩窝和底脚，应力降低区则出现在巷道顶底板及两帮；竖直方向巷道最大位移量为6.46 mm,水平方向为3.62 mm,分别出现在巷道正中央和中下部；顶底板闭合量和两帮收敛量均较小，均在可控范围之内，优化后支护参数能有效控制巷道围岩变形。但是，通过工程效果检验得知，支护参数存在过度支护现象，应该对巷道予以合理性支护处理，充分发挥锚杆(索)主动支护作用。     

巷道锚杆支护特性分析与应用

巷道锚杆支护时,围岩的切向应力和径向应力处于锚杆锚固段位置时,存在一个跳跃。当锚杆长度一定时,锚杆支护强度对围岩塑性区半径和对巷道位移的影响会随着锚杆工作阻力值的提高而逐渐减弱。当锚杆工作阻力强度一定时,锚杆支护巷道围岩应变软化半径、巷道周边位移、破碎区半径都随着锚固区半径增加,在开始阶段明显减少,呈现双曲线函数关系,而当达到一定阶段后,其变化逐渐减缓,呈近乎水平线变化。采用高强力、高预应力锚固支护,在必要时配合注浆加固,能够有效控制巷道围岩的变形,以取得较好的支护效果。本文对简单分析巷道锚杆支护的特性,对巷道锚杆支护应用进行探讨。     

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。     

基于实际围岩变形的全长锚固锚杆杆体应力分布特征分析

在全长锚固锚杆支护过程中,锚杆与围岩之间会相互作用,进而引起锚杆应力分布变化。为探究全长锚固锚杆正常支护过程及临界失效时锚杆应力分布规律,以围岩变形为基础,建立了锚杆-围岩相互作用模型,推导出锚杆在正常支护过程中及临界失效时轴力及剪应力沿杆长分布解析表达式,进而获得了轴力及剪应力沿杆长分布曲线。并在考虑锚杆及锚固剂弹性模量、锚杆及锚固剂横截面面积等锚固参数的条件下分别分析了围岩条件、锚杆长度、托锚力对全长锚固锚杆杆体应力分布的影响。结果表明:在全长锚固锚杆正常支护过程中,杆体应力分布符合中性点理论;影响锚杆轴力、剪应力分布的因素有围岩条件、锚固参数、托锚力;在锚杆正常支护过程中,全长锚固锚杆杆体应力分布符合中性点理论,随着围岩变软,锚杆为了限制变形,中性点向孔口方向移动且所受轴力、剪应力增大;托锚力影响杆体应力分布,托锚力越大,轴力分布越不均匀,且孔口到中性点处剪应力越小,中性点到杆端剪应力越大。所以在工程实际中可实时监测锚杆托锚力,依靠本文理论依据可深入揭示锚杆支护过程中受力特征;在锚杆支护临界失效时,围岩越坚硬,剪应力及轴力越大,且分布更加集中;锚杆长度影响全长锚固锚杆的支护性能,但在锚杆长度超过一定范围后再增大锚杆长度并不能显著提升锚杆的锚固效果。     

考虑围岩蠕变的锚固时空效应分析及控制技术

针对巷道锚杆锚索联合支护失效形式,基于围岩变形特征建立了能够反映围岩加速蠕变的本构模型以及锚杆工作特性的锚固体本构模型,通过求解出的锚固体蠕变方程分析锚固基础位置对围岩变形的控制作用,结果表明:锚杆支护对围岩的蠕变控制机理可概括为:分担围岩承受的载荷和等效增大围岩刚度,增强围岩抵抗变形能力两部分。充分发挥锚杆支护性能、延长锚杆支护时效、维持巷道处于稳定工作状态所需的空间需要同时满足两个条件:锚杆受载不超过杆体破断载荷,锚固基础位于塑性区之外;端锚形式的锚固基础位于弹性岩体中能够最大程度发挥支护系统的承载能力,端锚锚固形式的着力基础位于稳定的弹性围岩中,围岩变形后锚固基础能迅速发生锚固作用,优于全长锚固形式;可接长锚杆具有延伸率大、可灵活设置锚杆长度的优点,能解决蒲河矿西三采区集中运输大巷锚杆易发生滑脱失效、锚索易发生破断失效的问题。     

考虑空间和锚固效应的硐室围岩弹塑性分析

为研究圆形硐室围岩在开挖-支护过程中的力学机制,根据围岩力学特征将围岩划分为弹性区、软化区及残余区,考虑围岩软化、扩容和空间、锚固效应,引入软化模量、扩容系数和剪胀角,推出了围岩弹塑性区应力、位移和范围的解析表达式。通过算例分析了不同因素对塑性区范围、应力和硐室周边位移的影响。结果表明:对于软化模量较大的围岩,锚固效应可有效地减小塑性区半径和位移;而考虑空间效应时,当开挖面到计算面的距离x值越小,围岩应力、位移越大,当x值大于10 m时,空间效应基本失效;锚固残余区扩容系数h3对硐室周边位移的影响大于锚固软化区扩容系数h2;根据不同长度锚杆支护下的硐室周边位移为支护结构围岩预留变形量设计提供了参考。     

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。     

富水弱胶结软岩巷道围岩变形破坏特征分析

弱胶结软岩巷道围岩稳定控制是煤矿安全生产需要解决的一个技术难题。为研究弱胶结软岩巷道围岩的变形破坏特征以及合理的支护技术,以色连二矿12307巷道为研究背景,考虑采空区积水下渗对弱胶结软岩强度的影响,采用FLAC^3D对“锚杆索网”以及“钢筋网+全锚索+混凝土地坪”两种支护方案下弱胶结软岩巷道的应力、变形、塑性区等分布特征进行了数值模拟分析。研究结果表明,常规“锚杆索网”联合支护下富水弱胶结软岩巷道很难维持自身的稳定,其围岩变形量以及破坏范围将随着巷道的向前开挖而持续增长,最终在顶板、底板、两帮出现的最大位移分别为630、410、155 mm,而塑性区深度则可达5.9、4.0、6.0 m。而“钢筋网+全锚索+混凝土地坪”联合支护下,富水弱胶结软岩巷道则在巷道开挖后会迅速保持稳定,并且其在顶板、底板、两帮出现的最大位移分别为37.0、31.2、9.8 mm,塑性区深度仅为2.0、1.5、1.1 m。应用表明,采用“钢筋网+全锚索+混凝土地坪”联合支护能够有效控制富水弱胶结砂质泥岩的泥化现象,有利于巷道的掘进与使用安全。     

极弱胶结地层煤巷支护体系与监控分析

针对极弱胶结地层煤巷围岩自稳能力差、自稳时间短、围岩变形剧烈等特征,采用FLAC3D深入揭示了矩形、切圆拱形与直墙拱形等3种断面形状煤巷开挖后围岩位移、塑性区及应力分布规律,确定了极弱胶结地层煤巷合理断面形状;结合国内外煤巷支护理论与技术,提出了极弱胶结地层煤巷"双层锚固平衡拱结构",基于煤层厚度与巷道埋深,分类提出了极弱胶结地层煤巷支护技术方案,模拟验证了支护方案的合理性与可行性;基于围岩变形与支护结构受力实时监测及分析,动态掌握了极弱胶结地层煤巷围岩变形与支护结构受力状态,评价了支护效果与验证了支护方案的可行性。监测结果表明,切圆拱形断面煤巷成型较好、受力均匀,有利于巷道围岩的整体稳定,提高了煤巷开挖后的自稳与承载能力;锚网索联合支护技术方案有效地控制了极弱胶结地层煤巷围岩大变形与破坏,保证了巷道围岩与支护结构的长期稳定及安全。     

不同锚杆参数对锚固系统稳定性影响研究

为了研究不同锚杆参数对锚固系统稳定性的影响，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，理论分析了围岩协同锚固系统力学模型和锚杆锚固段的“大托盘”效应，数值模拟了不同锚杆长度、锚杆密度和锚杆预紧力下群锚杆最小主应力分布，分析了锚杆围岩形成的挤压带范围，得到了相关参数对锚固系统稳定性的影响。研究为巷道支护提供了理论指导。     

霄云矿井深部软岩巷道及硐室锚注支护研究与应用

锚注支护利用空心锚杆兼做注浆管,通过注浆将松散围岩胶结成整体,既提高了围岩自身的承载能力,又为锚杆提供了可靠的着力基础,从而有效地控制了深部软岩巷道及硐室的大变形,尤其对松软破碎岩体的支护极为有效。     

巷帮-支护体本构模型及长螺纹扩帮锚杆研究

基于螺纹钢锚杆拉伸试验与巷帮围岩深部位移变形监测,建立了锚杆安装后的本构模型与巷帮围岩峰后强度区、塑性区以及弹性区的本构模型,并分析了锚杆参数对巷帮围岩本构模型的作用效果。结果表明：当锚杆安装后的锚固段位于弹性区围岩时,锚杆能同时控制巷帮峰后强度区与塑性区的变形,且能保证锚固段强度。针对大变形巷道中,锚杆长度不足,锚索延伸率较低,片帮或扩修后支护材料失效的难题,新研发了长螺纹扩帮锚杆。该锚杆具有“锚固点深”、“延伸性好”和“多次复用”的特性,且特有的长螺纹段可解决巷道片帮和扩修后需要补打锚杆锚索的难题。