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。     

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。     

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。     

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。     

北岭矿煤巷锚杆支护数值模拟分析

为得出北岭矿煤巷锚杆支护的最佳方案,综合考虑锚杆锚索间排距对支护效果的影响,采用FLAC3D分析软件对5种不同间距和5种不同排距支护方式进行模拟。以巷道的塑性区分布、巷道围岩的水平应力分布和垂直应力分布及巷道顶底板的位移量作为巷道支护效果依据进行分析。结果表明:合理的锚杆、锚索支护可以有效防止塑性区扩展、有效保护顶板完整性,围岩破坏次数及破坏形式随锚杆(索)间排距不同而不同;增加支护密度可以使围岩避免出现拉应力,提高围岩承载力;合理的锚杆、锚索间排距能有效控制巷道顶板下沉量。     

煤层巷道锚杆索支护性能关键影响因素研究

锚固力与预紧力是实现煤矿井下锚杆索高预应力强力支护的前提,是影响其支护效果的关键因素。为最大限度地发挥锚杆索主动支护性能,以柴家沟煤矿为试验地点,进行锚杆索可锚性试验,锚杆预紧力矩转化效率试验和锚索张拉预紧力损失试验。试验结果表明:柴家沟煤矿巷道已安装锚杆索,在进行拉拔试验时,均能达到足够高的锚固力,锚杆拉拔力为150 k N,锚索拉拔力为200 k N时,锚杆索均未发生失效现象,锚固效果良好;当扭矩为400 N·m时,锚杆预紧力约为43~83 k N,围岩较硬时锚杆预紧力较高,围岩表面松软不完整时,锚杆预紧力偏低;泵压-拉力转化系数较低,锚索张拉时,为保证足够的预紧力,应采取超张拉措施。     

红柳林煤矿大断面切眼支护参数优化分析

针对红柳林煤矿煤大断面切眼支护设计,采用数值模拟和理论分析的方法,通过正交试验对锚杆(索)等支护参数进行了优化选取。结果表明,随着锚杆间排距的减小单根锚杆间形成的压应力区进一步叠加;随着锚杆长度的增加单体锚杆的有效压应力范围先增大后减小。通过分析锚杆支护形成的围岩位移场和压应力区,确定锚杆支护承载结构的结构薄弱处,并对其进行锚索补强支护,获得了优化后的支护方案。现场围岩变形的监测结果表明,巷道围岩变形得到了较好的控制,达到了预期效果。     

高应力冲击地压矿井煤巷锚网索支护技术

耿村煤矿煤层厚度大、矿井压力大、冲击倾向性高,导致裂隙由浅部向深部发展,破坏了围岩体的完整性及其承载能力,导致巷道原支护效果较差。为此,采用科学的动态信息设计法提出了新的设计方案,对间排距、锚杆(索)规格、锚杆预紧力、锚索张拉力、锚杆(索)锚固力及36U型棚棚距等支护参数进行了优化,并进行了现场矿压监测,取得了良好的支护效果,对于特厚煤层高应力巷道围岩控制有一定的参考价值。     

全煤巷道锚杆锚索联合支护机理与效果分析

以同煤大唐塔山煤矿全煤巷道为例,采用有限差分数值计算软件FLAC 3D,对不同顶煤厚度、不同巷道布置位置、不同巷道高宽比、不同地应力大小、不同锚杆锚索预紧力等情况下巷道围岩受力与变形特征进行了研究。结果表明：顶煤厚度在10 m以内时,随着顶煤厚度增加,应力集中区范围扩大,应力值降低;巷道掘进与相邻工作面回采后在煤柱中形成的应力集中区呈近似“三角形”的分布特征;相同巷道高度下,随着巷道宽度增加,顶煤应力集中程度增加,底板岩体中应力值却降低;煤岩体强度越高,围岩应力值越大;锚杆锚索联合支护时,锚杆与锚索施加的预紧力应在锚固结构中形成相互连接、相互叠加的压应力区。井下试验表明,强力锚杆与锚索联合支护有效控制了巷道围岩变形,为全煤巷道提供了有效的支护手段。     

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...     

复合顶板中锚固力扩散模型及其支护参数优化研究

为研究复合顶板中锚杆锚固力的扩散规律,以大阳煤 矿3306轨道顺槽为工程背景,采用应力扩散效应、梁弯曲理 论和现场监测手段,构建复合顶板中单根锚杆锚固力扩散模 型和锚杆间排距设计优化模型,并通过现场工程应用对该模 型进行了验证。结果表明:锚固应力穿过复合顶板岩层界面 时发生应力衰减和应力扩散角突变是导致复合顶板与均质 岩层中锚固应力分布差异的本质原因;基于优化模型得到的 支护方案在保证顶板安全的同时,比原方案锚杆间排距增加 了180mm;锚杆间排距随锚杆预紧力的增加呈线性规律增 大,随下岩层与上岩层厚度比的增大呈对数型规律增大,随 下岩层与上岩层弹性模量比的增加呈指数型规律增大;预紧 力对锚杆间排距的影响最大,厚度比和弹性模量比次之,由 于顶板岩层弹性模量不易改变,优化支护时优先考虑提高锚 杆的预紧力;研究成果对复合顶板的支护理论和支护设计优 化方案提供理论依据。     

高预紧力锚杆支护技术及应用

采用理论分析、数值计算研究得到锚杆支护高预紧力的作用机理:减小围岩早期变形,提高围岩的承载能力;提供较大的初始支护阻力,实现锚固围岩高阻让压;使顶板处于预应力梁状态,有效减小顶板拉破坏和早期离层。总结了增大锚杆预紧力的各种方法,并将高预紧力锚杆支护技术应用于三河口矿2421工作面轨道巷,结果表明,增大锚杆预紧力可减小围岩的变形、保证围岩稳定。     

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。     

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。     

锚索支护传力机制与应力分布的数值模拟

采用FLAC^3D对锚索预应力在巷道围岩中形成的应力场－锚索预应力场分布特征进行了数值模拟.结果表明：在一定预应力条件下,单根锚索在其周围形成了类似“心”形的压应力分布区域,压应力在锚索尾部附近最大,锚固起始处附近次之,锚索自由段中部较小.锚索锚固段附近出现了拉应力区,但拉应力值很小;多根锚索形成的压应力区相互叠加,并连成一体,形成类似“鼓”形的整体支护结构,锚索预应力及主动支护作用扩散到大部分锚固区域.锚索预应力场分布形态与锚索长度、间距、排距、安装角度、预应力的大小及组合构件有关.     

霍尔辛赫矿井大断面煤巷锚网支护技术研究

从理论上分析了霍尔辛赫矿井大断面煤巷锚杆支护体系存在的问题,寻找影响锚网支护的关键因素,得出锚杆(索)的预紧力在支护系统中起关键性作用。采用数值模拟计算方法,分析锚杆预紧力、长度、间距、锚固方式、角度、钢带以及锚索预紧力不同时的应力效果。在霍尔辛赫开拓巷道和3201首采工作面巷道进行井下工业性试验并对锚杆(索)受力进行监测,得出高预应力强力锚杆锚索支护系统(锚杆预紧扭矩400N.m、锚索预紧力300 kN)可提高支护效果,有效控制围岩变形。     

某矿5~#煤层软岩巷道锚杆锚索联合支护方案

某矿5#煤层围岩层岩性较软,可塑性较强,遇水有膨胀现象,该煤层已掘进的巷道均见有底鼓现象,极易造成巷道变形。结合该矿巷道变形破坏的实际情况以及巷道矿压监测数据,分析了巷道变形破坏特征,认为棚式金属支架支护作为一种被动支护形式,难以发挥围岩的支撑作用,且支护成本较大,软岩巷道的支护原则应为避开回采工作造成的应力集中带或构造应力集中带,充分利用围岩的自稳性,提高巷道帮部的支护强度。在此基础上,结合FLAC数值模拟分析方法,设计了以锚网索支护为核心的支护方案,巷道优先采用全长锚固锚杆,支护范围宜相应增大,选取长度大的锚杆、锚索对巷道围岩进行联合支护。研究表明:该煤层软岩巷道锚杆、锚索联合支护的最优参数为巷道顶板采用高强度小孔径全锚索支护形式,锚索直径为17.8 mm,锚索预紧力不宜小于135 k N;巷道帮部采用自旋式全长锚固支护形式,以改善锚杆的整体受力状况,锚杆长度应相应增加,锚杆直径为22 mm,长度为3 500 mm,锚杆(索)间排距为800 mm;巷道顶帮均采用高强钢带或槽钢和金属网护表,确保巷道浅层围岩稳定。     

预应力锚索加固机理的数值模拟分析

采用FLAC3D对单锚和群锚两个方面分析了预应力锚索的加固机理,结果表明:预应力锚索张拉力在锚索垫板周边煤岩体中形成压应力集中区,在内锚头形成拉应力区,内部被压应力区覆盖,且表层压缩区范围和量值随锚固力的增加而增加;群锚时在一定间距时出现群锚的压缩加固带,随预应力的增大,围岩表面压应力提高,但衰减很快。     

赵庄二号井回采巷道锚网索支护参数优化研究

针对煤矿井下巷道锚网索支护参数选取随意性和盲目性导致巷道支护强度过低或过强问题。以赵庄二号井矿2305工作面回风巷道为工程背景,通过理论计算初步确定回风巷道锚网索支护参数,在此基础上设计锚杆的长度、间排距和锚索密度3种巷道支护参数优化方案,采用FLAC^3D数值模拟软件对锚杆不同长度、间排距和不同密度锚索下巷道围岩应力和巷道表面变形监测进行分析对比,确定最合理的方案。研究结果表明:随着锚杆长度由1.5 m增大至2.5 m过程中,巷道变形量逐渐减小,长度在大于2.5 m之后巷道变形量较小且无明显变化;随着锚杆间排距逐渐增大,锚杆之间产生有效应力区重叠部分逐渐减小直至分离,巷道变形量也逐渐增大;随着锚索密度增大,锚索在巷道顶板有效压应力影响范围越大,巷道变形量逐渐减小。在满足工程支护强度下,考虑经济成本、施工速度等因素最终确定锚杆长度2.5 m、间排距1 000 mm×1 000 mm,锚索每排2根最合适。     

小峪煤矿8104工作面进风巷支护设计探索

为得到8104工作面进风巷支护设计参数,采用数值模拟方法对比了3种支护方案条件下巷道围岩塑性区分布、应力分布及位移情况.数值模拟结果表明:巷道围岩应力受锚杆/索长度影响较大,增大锚杆/索长度可以有效控制巷道围岩应力集中程度,而锚杆/索预紧力对巷道围岩应力集中程度影响较小,但锚杆/索长度及预紧力在控制巷道围岩变形方面均能够起到明显作用.现场对工作面开采期间巷道围岩变形量进行监测,结果表明,巷道顶板最大移近量为93.6 mm,两帮最大移近量为70.8 mm,这说明现有支护能够较好维持巷道围岩的稳定性.