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。     

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。     

煤巷锚杆预紧力损失特征及围岩控制机理研究

锚杆预紧力对维持煤巷围岩稳定具有重要作用，然而现场工程中因预紧力损失造成的巷道失稳现象普遍发生。分析了锚杆预紧扭矩与预紧力间的转化关系，研究了五家沟煤矿现场锚杆预紧力损失现象，揭示了锚杆预紧力损失行为特征及原因，并探究了不同预紧力损失率下锚杆对围岩应力及位移分布的影响。研究发现：现场锚杆预紧扭矩与预紧力基本呈线性正相关，但受支护构件间摩擦和巷道围岩条件影响，锚杆预紧力损失率均值范围为20%～58%,而锚杆预紧力损失加重可导致巷道浅部围岩应力下降，围岩变形及塑性区深度和体积增加，降低围岩的承载能力。研究可为现场锚杆预紧施工提供指导，提高支护初期巷道围岩的稳定。     

软岩巷道锚杆支护特性分析

为了保证软岩巷道围岩稳定以及确定合理的锚杆支护参数,将局部锚固锚杆的支护作用等效为作用于硐壁表面的支护力与作用于锚固段区域围岩的体积力。基于强度强化理论,建立巷道力学计算模型,将理论计算结果与FLAC~(3D)的结果进行对比,并且研究了各个锚杆参数对巷道硐壁位移以及塑性区范围的影响。结果表明:在算例下,理论计算得到的硐室硐壁位移与塑性区范围分别为28.4 mm和6.995 m,FLAC~(3D)数值模拟得到的巷道巷道位移与塑性区范围分别为30.1 mm和7.097 m,而且在不同支护强度下理论计算值与FLAC~(3D)的结果相差均小于10%,从而验证了该理论的正确性;与其他锚杆参数相比,锚杆间排距与预紧力对围岩变形影响较大,在工程中应该合理调整锚杆间排距与采用预紧力锚杆。     

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。     

采动影响下巷道支护数值模拟

在不考虑原岩应力条件下,运用FLAC3D软件分析预紧力锚杆在不同间、排距情况下对岩体施加应力场的影响范围。采用模拟手段对不同宽度的煤柱应力场进行仿真研究。通过研究选择合理的支护密度、煤柱尺寸,使围岩达到稳定状态。     

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。     

巷道顶板离层对锚杆载荷影响的弹性分析

针对巷道顶板岩层变形不协调产生的离层量过大会使锚杆失效的问题, 对离层产生的锚杆附加应力建立弹性力学模型, 根据岩层相对移动时拉拔载荷对锚杆的作用机理, 得出离层作用下锚固体的应力分布形式, 分析发现： 在相同离层位置条件下, 离层值越大, 离层对锚杆产生的附加应力就越大; 在相同离层值条件下, 锚杆中心处应力最小, 越靠近边缘离层产生的附加应力越大, 离层位置和锚固体的轴力、 剪应力呈非线性关系。     

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。     

叠加支承压力影响沿空巷道围岩稳定性特征及支护对策

针对急倾斜煤层叠加支承压力作用下沿空巷道围岩变形失稳问题,采用室内试验、数值模拟、理论分析和现场实验相结合的方法,对比研究了回采前后沿空巷道围岩位移、应力分布和塑性区范围等稳定性特征,开展了锚网索联合支护参数敏感性分析。结果表明：固定支承压力下,沿空巷道围岩应力非均匀分布,围岩变形以顶板下沉和两帮非对称变形为主;叠加支承压力作用下,沿空巷道围岩变形加剧,靠近采空区侧煤体弱化程度加深,煤帮及顶、底板岩层深部岩体向塑性状态转变;锚网索主要参数敏感性从强到弱依次为锚杆间排距、锚杆长度和锚杆预紧力。据此提出了非对称锚网索支护方案,有效控制了支承压力叠加影响沿空巷道围岩变形。     

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。     

锚固参数对地震作用下岩质边坡锚固界面剪切作用影响的数值分析

基于FLAC~(3D)建立锚固岩质边坡数值分析模型,并用优化的cable单元建模分别模拟分析锚杆-砂浆界面上和砂浆-岩体界面上的剪切作用,通过改变全长黏结锚杆的锚固参数(锚固角、锚固段长度、锚杆竖向间距、锚杆直径、锚孔直径),对地震作用下锚固岩质边坡锚固界面上的剪应力及动力响应规律进行研究。研究发现:在地震作用下,随着锚固角的增大,锚固界面上的峰值剪应力减小,边坡永久位移增大;当锚杆在结构面两侧的长度相等时锚杆界面的锚固作用最大化;当锚杆竖向间距减小,峰值剪应力和边坡永久位移均减小;随锚杆和锚孔直径的增大,峰值剪应力和边坡永久位移总体呈减小的趋势。在考虑安全性、经济性的前提下,建议适当减小锚固角和锚杆竖向间距,保持锚杆拉拔段与锚固段长度相等,锚杆和锚孔直径保持合理的比值。该研究可为相关理论、试验研究和锚固边坡抗震设计提供参考。     

“S”型裂隙岩体锚固效果及应力场分布规律

针对裂隙岩体中的"S"型节理裂隙进行机理分析并对该节理的锚注效果进行了数值模拟研究,通过数值模拟软件FLAC3D建立单根、双根2种锚固方式下的裂隙岩体模型,并利用对FLAC3D软件不同加锚方式下裂隙岩体的力学性能进行模拟,对比分析不同锚注方式下的锚固效果和主要破坏方式。研究结果表明:加锚可有效提高裂隙岩体的强度、弹模等力学参数,改善岩体的整体力学性质,不同的锚注方式对裂隙岩体的锚注效果差别明显。对"S"型裂隙岩体加以锚杆锚固,其应力集中现象可以得到缓解,拉应力峰值也有所下降,在裂隙端部加锚杆比在裂隙中部加锚杆的锚固效果要好,特别是在峰值强度和弹模方面有较大差别,且在裂隙端部位置加锚杆在峰值强度后表现较好,对裂隙后期扩展有较好的抑制作用。该研究成果对该类型的裂隙岩体锚固提供了理论依据。     

水对新型自膨胀锚杆腐蚀影响试验

针对深部矿岩地应力大、地质条件复杂等现象,普通锚杆无法满足深部巷道所需的锚固力,因此研发了新型自膨胀锚杆,用来解决深部矿岩锚固力不足的问题;其次深部矿体环境复杂,尤其地下水对锚杆的腐蚀影响,锚杆支护的可靠性难以保证,因此在室内试验的基础上研究了水对新型自膨胀锚杆锚固力的影响。试验表明,随着浸泡时间的增加,锚杆的锚固力变化不大,拉拔力测试以杆体断裂为主,杆体断裂时的拉拔力达到190 kN左右,锚固剂成分的变化主要受空气中二氧化碳的影响,影响可忽略。经过6个月的浸泡,结果表明,水对新型自膨胀锚杆锚固力影响较小。此研究可以为深部矿山锚杆支护提供借鉴,具有一定的示范作用。     

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。     

张拉高预紧式锚固体强度强化机制研究及工程应用

针对平煤四矿己₁₅-23090运输巷扩帮后锚杆无法重复预紧、锚固体强度减弱等问题,提出了新型张拉预紧式锚杆配套设备,研究预紧力对锚杆锚固性能的影响。通过数值模拟、单轴压缩试验,分析不同预紧力下,岩体强度及内部裂隙发育特征得出:(1)张拉高预紧式锚固体可有效提高岩体的峰值强度和残余强度,增强其极限承载能力;(2)高预紧力能约束内部张拉和剪切裂隙的发育,提高了岩体的整体性。巷道试验后,张拉锁具使锚杆预紧力普遍达到60kN以上,使用锁具紧固锚杆后,巷道帮部位移量比原支护方式减少了44.3%,解决了扩帮后锚杆因尾部螺纹长度不足而无法重复预紧的问题,降低了施工强度及支护成本。     

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。