基于锚杆拉拔试验优化锚固承载特性研究

为提高深部软岩巷道锚杆支护承载能力,有效控制巷道围岩变形,采用锚杆拉拔正交试验对锚固承载特性影响因素进行研究,分析不同影响因素作用效果,并以试验结果为依据针对性提出高预应力全长锚固支护技术,研发了预应力全长锚固锚杆,通过理论计算对预应力全长锚固围岩承载能力加以分析,并以潘三煤矿17102(3)工作面回风巷道为工程背景,采用数值模拟和现场试验方式与传统加长锚固支护、全长锚固支护进行对比验证。研究表明：锚杆拉拔失效首先发生在锚固体与试块黏结界面,锚杆拉拔锚固失效经历了弹性—塑性—破坏的动态阶段,不同锚固因素产生锚固效果不同,在拉拔失效发展过程中的体现也有所区别。其中试块强度和锚杆预应力对锚杆极限拉拔力影响程度显著,并且极限拉拔力的大小与试件强度和预应力值呈正相关。根据试验结果提出高预应力全长锚固锚杆支护技术,研发的预应力全长锚固锚杆采用全长锚固提高岩体强度的同时分段施加预应力,与传统加长锚固支护、全长锚固支护相对比,高预应力全长锚固支护技术实现了锚杆在全长锚固的基础上使得预应力向围岩内传递,从而增大围岩压应力区范围,形成更有效的锚固围岩承载结构。工程实践表明,预应力全长锚固支护技术可有效控...     

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.     

锚杆锚固段极限抗剪强度参数试验

锚杆支护是地下工程稳定围岩的有效支护手段之一,围岩与锚固体界面之间的极限抗剪强度参数确定对锚杆支护设计有重要的工程应用价值.为了在锚杆设计中能方便准确的确定锚固层的抗剪强度,基于弹塑性理论,建立了锚杆在拉拔力作用下的理论模型,推导了锚杆作用过程的荷载传递函数,得出了锚固层界面的极限抗剪强度参数与锚杆拉拔试验曲线之间的理论关系式,确定了煤矿巷道锚杆支护树脂锚固剂与煤岩体之间的剪切强度参数.结果表明:利用锚杆拉拔试验曲线,可以很方便求得锚固层黏结强度以及锚固层界面剪切刚度系数,为锚杆支护设计提供参考依据.     

锚杆轴向作用力的分布特征

依据数值计算结果对端部锚固及全长锚固锚杆的轴向作用力的分布特征进行了分析，指出了拉拔试验锚杆与支护中的锚杆以及端锚锚杆与全锚锚杆的区别。     

基于智能拉拔测试系统的锚杆锚固力现场高效评测方法

锚杆锚固力现场评测是锚杆支护效果评价、支护参数设计与优化的基础。为解决当前锚杆锚固力现场测试方法与设备存在的效率低、携行困难、数据采集不连续和测试过程连接复杂等问题,基于自主研发的锚杆智能拉拔测试系统,提出了锚杆现场检测快速连接技术,开发了荷载—位移实时采集软件对拉拔全过程的荷载与位移数据进行智能分析与可视化。将研发的拉拔系统应用于新城金矿对锚杆现场锚固力进行评测,结果表明：长2.4 m、壁厚2.5 mm、管径差2 mm的管缝锚杆平均锚固力为61.5 kN,位移可达150 mm以上;长2.2 m、直径22 mm的端锚树脂锚杆锚固力可达230 kN,位移约120 mm;长2.2 m、直径22 mm的涨壳式锚杆锚固力可达94.5 kN,位移为25 mm。现场应用验证了锚杆智能拉拔测试系统具有便捷高效、智能分析的特点,有助于降低矿山锚杆测试成本,可为锚杆锚固力现场定量评测提供数据支撑,可为智能矿山建设、科学管理与决策提供技术支持。     

玻璃钢锚杆支护锚固力的试验分析

针对锚固长度、锚固时间、锚固材料等影响玻璃钢锚杆锚固力的因素,在实验室开展了玻璃钢锚杆拉拔试验研究。通过单因素对比法,分析研究了锚杆锚固长度、锚固时间、锚固材料对锚固力的影响规律,总结出玻璃钢锚杆锚固力随锚固长度和锚固时间的增加而增大,锚固材料的选择应综合各方面因素考虑等规律,对玻璃钢锚杆的支护参数设计及支护机理分析具有一定的指导意义。     

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。     

锚固剂锚杆工程力学特性及应用研究

在锚固剂锚杆拉拔力/变形实测数据的基础上,拟合出锚固剂锚杆的工程力学特征曲线--阶梯函数。锚固剂锚杆的拉拔力在支护10 d后就接近其平均最大拉拔力,其变形能力则随时间的增加表现出先增后减的趋势。根据锚固剂锚杆实测工程力学特性曲线和典型巷道变形特性曲线,阐明了评价巷道支护设计效果的安全系数法,从而为优化设计提供了重要的依据。     

螺纹钢锚杆在古书院矿9#煤巷道中的应用

介绍古书院矿9#煤采取加大单根锚杆锚固力、加大锚杆间排距的方式,在93205巷、93206巷试验加长型螺纹钢锚杆支护。根据对试验巷道监测的顶板离层情况、顶底板及两帮位移变形和锚杆锚固力的拉拔结果分析,此支护方式可保证9#煤巷道支护安全,提高了生产效率。     

锚固缺陷对锚杆拉拔试验荷载影响分析

为解决在地下巷道锚杆支护过程中出现的锚杆锚固缺陷问题,通过弹性理论对带有锚固缺陷的锚杆建立了力学模型并进行了分析,推导出了在带有锚固缺陷段的锚杆受拉拔荷载作用时的轴力和剪应力分布公式,并对锚固缺陷长度和位置等影响因素进行了分析,得到了锚固缺陷对锚杆锚固荷载的影响规律。     

螺纹钢锚杆在古书院矿9#煤巷道中的应用

介绍古书院矿9#煤采取加大单根锚杆锚固力、加大锚杆间排距的方式，在93205巷、93206巷试验加长型螺纹钢锚杆支护。根据对试验巷道监测的顶板离层情况、顶底板及两帮位移变形和锚杆锚固力的拉拔结果分析，此支护方式可保证9#煤巷道支护安全，提高了生产效率。     

不同锚固长度下锚杆拉拔特性研究

针对软弱围岩、树脂锚固、矿用锚杆支护体系,采用多功能锚杆拉拔测试系统,研究揭示了不同锚固长度下煤矿锚杆拉拔力学特性。结果表明:锚杆拉拔荷载-端头位移发展过程分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和破坏失效阶段;随着锚固长度增加,锚固失效方式由锚固界面滑移脱黏失效转化为锚杆破断失效,且锚固长度越大,锚杆抗拔力越大,但存在临界锚固长度;锚杆轴向应力则经历了急增阶段、稳定阶段、回升阶段和溢出阶段;锚杆轴向应力沿杆体长度方向呈负指数分布,且由锚固近端向锚固远端逐渐减小,应当提高杆体局部强度与其应力数值的匹配性,以避免局部锚固失效而造成整根锚杆失效。     

深井碎裂岩体新型锚杆支护实验研究

为了寻找深井碎裂岩体区域合理的支护方式和科学的支护参数,改善井下破碎岩体应力环境,在高峰矿-200m中段和-185m中段开展了现有支护技术手段和支护效果调查,以此为依据设计了深井碎裂岩体新型螺纹钢锚杆支护现场试验。通过现场螺纹钢锚杆锚固力拉拔试验发现,在锚杆安装施工质量良好的情况下,全锚固的螺纹钢锚杆锚固力比现有点锚固的管缝锚杆的锚固力高2~3倍以上,锚固力均大于100kN,不仅完全满足现场支护要求,而且中、长期的支护效果比管缝锚杆好,安装合格率高于玻璃钢锚杆。     

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。     

深部回采巷道锚固失效分析及支护对策

针对深部回采巷道围岩变形导致锚杆支护失效的问题,提出通过改善锚杆受力状态、改变锚杆锚固方式、优化杆体形状,减少锚杆破断的方法,在此基础上,设计了1种新外形结构的螺纹钢锚杆。进行了实验室拉拔试验,结果表明:矿用右旋锚杆、左旋锚杆和大肋间距高强锚杆的平均拉拔力为136.9、106.1、147.6 kN,且大肋间距高强锚杆吸能效果更好。在现场试验前,先对回风巷的围岩结构进行探测,包括顶板钻孔窥视和松动圈测试,依据围岩结构探测结果,确定最终的巷道支护方案。回风巷采用原支护方案和大肋间距高强锚杆全锚支护2种方案支护,并对顶板离层和锚杆受力进行实时监测,试验结果表明:大肋间距高强锚杆支护的巷道顶板最大下沉量较原支护方案减小36.4%,顶板离层量较原支护方案降低24.1%;顶板和两帮锚杆受力的结果显示大肋间距高强锚杆支护较原支护方案锚杆受力更小,两种支护方案顶板锚杆受力最大值分别为442.9 MPa和78.1 MPa,改进方案较原支护方案降低了82.4%;其回采期间,全锚大肋间距高强锚杆支护方案与原支护方案相比,支护失效锚杆数量明显减少,这都表明全长锚固的大肋间距高强锚杆更有利于维护巷道的稳定。     

锚杆、锚索拉拔力的测试校验

在煤矿巷道支护中,大多采用锚杆、锚索进行支护,使得巷道围岩与稳定岩层有效地结合在一起而形成悬吊、组合梁结构,起到减小跨度、加固围岩的效果,进而达到支护的目的。但是在实际工作中难免会出现锚杆、锚索失效的时候,这就要求工作人员及时进行拉拔力实验检查,确保支护质量。通过阐述锚杆(索)支护工艺,介绍了使用LDZ-200型锚杆锚索拉拔计对锚杆(索)进行拉拔力测试校验方法、锚杆(索)锚固合格性的神东企业标准及安全注意事项。     

锚杆拉拔过程中锚固体系传力规律研究

开展锚杆拉拔过程中锚固体系传力规律的实验研究。通过设计锚杆拉拔实验模型,并以应变片和数字散斑相关方法作为实验测试手段,分析锚杆拉拔过程中锚杆传力、锚固体系变形场演化、锚固剂与围岩界面变形演化、锚固剂与围岩位移及锚固剂与围岩相对位移演化特征。研究结果表明:1)锚杆竖向应变随与锚固端部距离增加而减小,相邻两测点轴力差值演化特征与锚杆锚固剂界面的摩擦类型相关;2)锚固体系变形场演化特征为:在锚杆拉拔过程中,锚固体系变形主要集中于锚固剂与围岩界面处,随着拉拔力增加变形集中区域从锚固端部沿锚固方向向深部扩展;3)锚固剂与围岩界面变形演化特征为:初始拉拔阶段,界面变形沿锚固方向呈单调递减趋势,随拉拔力增加,界面变形沿锚固方向呈先增后减趋势,且变形最大值固定于近锚固端部的某一锚固深度;4)锚固剂与围岩位移演化具有一致性特征,总体经历了弹性变形阶段、塑性变形及扩展阶段、变形回弹阶段,锚固剂与围岩的相对位移演化速率与锚固剂和围岩的变形阶段相关。     

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。     

补连塔煤矿锚杆支护的拉拔力测试及分析

为指导补连塔煤矿的煤巷锚杆支护方案设计,在该煤矿现场开展了一系列锚杆拉拔力测试试验。试验表明:煤巷锚杆的支护失效形式多发生在锚固剂与岩体接触的界面上;对于现场中直径为23 mm的钻孔,应优先采用直径为18 mm的锚杆进行支护,实测表明此类钻孔条件下22 mm的锚杆起不到较好的支护效果;此外,一味提高锚杆杆体的长度并不能得到较好的支护效果,锚杆杆体的长度在3 m左右时拉拔效果较好。     

锚杆拉拔试验的意义

本文通过对端锚锚杆、部分锚固锚杆在拉拔试验和实际工作状态下的力学分析，得出了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了理论依据。