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。     

高膨胀松软围岩巷道支护技术

为了解决高膨胀松软围岩巷道顶板变形量大、锚杆脱落失效等问题,利用工程类比分析、数值模拟等方法对高膨胀软岩巷道稳定性影响因素及锚杆支护技术进行了研究。研究结果表明:高膨胀松软岩层强度低,遇水易膨胀软化,是顶板破坏失稳的内因,围岩高集中应力及支护强度不足是外因,可通过优化巷道布置方式、加强支护提高巷道稳定性。研究确定了高膨胀软岩巷道树脂加长锚固锚杆锚索组合支护方案,主要参数为:锚杆间排距800 mm×900 mm,锚杆预紧扭矩不小于400 N·m;锚索间排距1 600 mm×1 800 mm,每排2根,锚索预紧力为200~250kN,并将设计支护方案进行了现场试验,取得了良好的支护效果。     

基于上限理论的深部巷道顶板锚杆预紧力简化设计方法

以深部直墙半圆拱巷道为例,基于非线性Hoek-Brown强度准则,考虑顶板围岩应力与锚杆支护作用,构造出顶板围岩破裂机制,利用极限分析上限法,提出了巷道开挖初期顶板锚杆预紧力的简化设计方法,给出了相应工程建议措施,并通过现场应用实例验证了高强预紧力支护对顶板围岩的控制效果。研究结果表明:巷道开挖初期,锚杆支护构件只有施加足够预紧力,才可有效限制顶板围岩下沉破坏;随岩体强度参数增大,锚杆所需预紧力不断减小,而随锚杆布设间距与围岩应力增大,锚杆所需预紧力不断增加;在软弱或松散破碎围岩中,可通过采用高强、高韧性锚固支护构件并施加高预紧力或注浆加固等方式来获得较理想围岩控制效果。     

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。     

高应力坚硬顶板煤层巷道锚杆支护方案的确定

针对国内某大型矿井高应力坚硬厚顶板煤层巷道锚杆支护方案的优化问题,通过分析初步确定了锚杆支护的候选方案,随后利用数值计算各方案时巷道围岩的稳定性,并据此确定锚杆支护方案.研究结果表明:该矿回采巷道属于高应力坚硬厚顶板煤层巷道,属于I类巷道顶板,巷道支护的重点应在巷道两帮.锚杆支护参数(锚杆直径、锚杆长度、锚杆间排距)对支护效果有较大影响.该矿条件下,帮部锚杆间排距对支护效果的影响较敏感;回采巷道帮部锚杆采用直径18mm、长度2.4m、间排距0.8m、锚固长度0.8m时锚固效果较好,能满足巷道稳定性要求.     

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。     

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。     

基于FLAC~(3D)的巷道围岩高强预紧力支护数值模拟

为解决深部高应力条件下复合顶板煤巷支护困难的问题,针对实际工程情况,采用FLAC~(3D)数值模拟软件对不同预紧力条件下的巷道围岩位移及锚杆形成的附加应力场进行对比分析,研究发现:高强预紧力支护可以明显控制巷道围岩位移,锚杆之间的锚固压应力区相互叠加,形成一定厚度承压拱,围岩整体承载能力得到提高,最后提出高强预紧支护方案并应用于现场,监测结果显示该方案合理可行。     

基于FLAC^(3D)的巷道围岩高强预紧力支护数值模拟北大核心

为解决深部高应力条件下复合顶板煤巷支护困难的问题,针对实际工程情况,采用FLAC^(3D)数值模拟软件对不同预紧力条件下的巷道围岩位移及锚杆形成的附加应力场进行对比分析,研究发现:高强预紧力支护可以明显控制巷道围岩位移,锚杆之间的锚固压应力区相互叠加,形成一定厚度承压拱,围岩整体承载能力得到提高,最后提出高强预紧支护方案并应用于现场,监测结果显示该方案合理可行。     

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。     

新集二矿1608运输巷顶板离层特征分析

为了解决新集二矿1608运输巷复合顶板原锚杆支护存在问题,选用合理锚杆支护参数保持巷道复合顶板离层稳定,基于对塑性离层和层间离层随时间变化的不同特点分析,将工程实测的新集二矿1608运输巷复合顶板总离层分离为层间离层和塑性离层。结果表明该巷道复合顶板离层不稳定主要是由层间离层引起的,原锚杆(索)支护主要为总预紧力不够,在增加锚(索)预紧力基础上调整锚杆(索)间距和排距,经工程实际应用,取得了很好支护效果。     

裕兴煤矿15109工作面回风巷支护技术研究

针对裕兴煤矿15108工作面回风巷顶板离层、两帮围岩变形破坏严重、巷道支护困难的问题,通过对15108工作面现场监测数据进行分析,研究15108工作面回采巷道围岩应力分布规律及变形破坏特征,在15108工作面回风巷支护方式基础上对相邻工作面15109回风巷锚杆支护参数进行设计、优化;通过FLAC~(3D)数值模拟软件模拟不同支护参数下巷道应力分布特征与巷道变形量,对比分析不同方案模拟结果确定合理的支护参数。结果表明:当锚杆预紧力不变,采用方案一、二、三时回风巷围岩都得到有效控制,支护效果比较明显;当锚杆间排距不变,锚杆预紧力越大巷道顶底板变化越小,支护效果越好。考虑工程需要及支护成本确定方案三中锚杆间距为800 mm、预紧力为80 k N为最优方案。     

锚杆支护参数对锚固复合承载体承载特性的影响规律

为了分析锚杆支护参数对锚固复合承载体承载特性的影响规律,研究了锚杆直径、锚杆长度和锚杆间排距的影响。分析了围岩移近量和锚固复合承载体测点应力变化规律,得出:围岩移近量和锚固复合承载体测点应力变化规律主要分为3个阶段,然后对锚杆直径、锚杆长度和锚杆间排距对锚固复合承载体承载特性的影响进行了研究。研究得出,随着锚杆直径的增大,顶底板的移近增速逐渐减少;当锚杆长度达到一定数值后,增加锚杆长度,并不能对巷道围岩的加固起到有效的强化作用;锚杆支护密度越大,锚杆所受的残余应力和峰值应力越大、围岩抵抗变形能力越强、复合承载体的强度越大。研究为煤矿巷道支护的设计提功了理论基础。     

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...     

锚杆支护参数对锚固复合承载体承载特性的影响

为了分析锚杆支护参数对锚固复合承载体承载特性的影响规律,研究了锚杆直径、锚杆长度和锚杆间排距的影响。分析了围岩移近量和锚固复合承载体测点应力变化规律,得出:围岩移近量和锚固复合承载体测点应力变化规律主要分为3个阶段,然后对锚杆直径、锚杆长度和锚杆间排距对锚固复合承载体承载特性的影响进行了研究。研究得出,随着锚杆直径的增大,顶底板的移近增速逐渐减少;当锚杆长度达到一定数值后,增加锚杆长度,并不能对巷道围岩的加固起到有效的强化作用;锚杆支护密度越大,锚杆所受的残余应力和峰值应力越大、围岩抵抗变形能力越强、复合承载体的强度越大。研究为煤矿巷道支护的设计提功了理论基础。     

全长锚固预应力锚杆杆体受力特征分析

采用理论分析、现场实测等研究方法,分析了锚杆杆体轴应力、剪应力与预紧力的关系以及杆体轴应力与剪应力的分布规律.结果表明:锚杆轴应力随预应力的增大而增加,在锚杆全长方向上呈曲线变化的,从锚杆尾部到锚杆端头方向,轴应力先增加后减小,在中性点处轴应力最大,轴应力最大值位置向锚杆尾端移动;随锚杆预应力增加,锚杆杆体剪应力在巷道表面与中性点位置一段减小,在中性点与锚杆端头一段增加,中性点处锚杆剪应力为零,中性点向锚杆尾部移动.全长锚固锚杆预紧力不是越大越好,而是有个合理的范围,预紧力大小要与锚杆支护系统强度相匹配.     

深部厚松散层破碎围岩大巷支护参数优化研究

为了解决陈四楼矿深部厚松散层破碎围岩大巷支护难题,在对该矿-720 m辅助水平回风大巷地质条件和支护形式研究的基础上,采用数值模拟、理论分析和现场观测等方法对巷道支护的锚杆锚固长度、预紧力、锚杆长度、锚杆间排距等参数进行了优化研究,并进行了工业性试验.结果表明:-720 m辅助水平回风大巷合理的支护参数为锚杆的锚固长度至少应为锚杆长度的1/3、预紧力应达到锚杆承载力极限的50％ ～ 70％、锚杆长度为2.5m、间排距为0.7 m×0.7 m,通过实施该优化方案有效地控制该回风大巷围岩变形,达到了预期的目标.     

极近距离煤层变厚度顶板下部回采巷道综合控制技术

针对三交河矿极近距离煤层采空区下变厚度顶板下部煤巷布置及合理支护的技术难题,通过上部残留煤柱应力扩散分析与提高掘采回收效率考量,确定601首采面两巷采用反向大错距的布置方案。在开展现场巷道顶板窥视、锚固力测试与预紧扭矩转化试验的基础上,提出了适应不同地质条件的煤巷差异化支护方案:架棚-锚杆联合支护、锚杆-锚索支护及锚杆-钢带-锚索支护。在井下实施了两条回采巷道的全进尺支护示范,监测结果表明:掘巷期间锚杆锚索工作载荷快速稳定,预紧力设计合理,围岩最大变形量30mm;回采期间超前巷道顶板最大下沉93mm。相关回采巷道综合控制技术保障了近距离下部煤层的安全高效开采。     

松软复合顶板巷道锚杆支护技术参数选择

针对古交矿区2＃煤层松软复合顶板的特殊地质条件，研究并确定了在屯兰矿2＃煤层这种松软复合型顶板下进行锚杆支护的锚杆长度、锚杆间排距、单根锚杆承载力及顶板锚杆锚固力、锚固剂参数、钢托架网参数、锚索支护参数和锚杆锚索布置等各种技术参数，认为所选择的技术参数提高了巷道支护安全，有效控制了松软复合顶板巷道的变形，是解决复合型顶板巷道支护难题的新途径。     

薄层状复合顶板大断面开切眼锚固设计及其应用

在研究薄层状复合顶板条件下综采工作面大断面开切眼的地质与生产条件和施工方法的基础上，提出在该条件下采用联合锚固支护。运用工程类比方法和数值计算方法，系统设计了该条件下的锚固参数，如锚杆直径、锚杆长度、锚杆间排距、锚索长度、锚索间排距、锚杆与锚索的锚固长度和锚固力等。顶板离层监测结果表明，所提供的锚固方式与锚固参数能够有效控制薄层状复合顶板大断面开切眼的顶板变形与冒落。