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...     

深井复合顶板回采巷道支护技术研究

为解决深井复合顶板回采巷道难以支护的问题,以谢一矿4671B4工作面-600 m水平回风巷为研究背景,分析了深井大断面复合顶板回采巷道围岩变形破坏特点,认为受高地应力和回采动压影响,各层顶板极易发生离层,且高帮变形影响顶板的稳定,由此提出了高强全长树脂锚固预应力锚杆支护系统控制对策,同时配用自行设计的低稠度树脂锚固剂,实现了树脂全长锚固,结合自制的光纤光栅测力锚杆,分析了巷道掘进过程中树脂全长锚固锚杆受力特征。工程实践表明,全长锚固锚杆沿锚杆全长均产生较强的黏聚力,能有效控制复合层状顶板的离层变形,保持巷道围岩稳定。     

预应力端锚锚杆全锚后承载分布特征分析

为了分析锚固方式对锚杆承载特征的影响程度,便于巷道锚杆支护设计选型,本文采用理论分析和现场实测的方法,对比了全锚锚固和端部锚固条件下锚杆轴向力与剪应力分布特征.研究结果表明:锚杆承载分布特征与锚固条件、预应力、锚杆直径和围岩强度等密切相关;锚杆轴向力沿锚固段呈现单向递减趋势,锚杆剪应力沿锚固段呈现先增大后减小趋势,主要...     

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。     

全长预应力锚固强力支护系统的应用研究

为解决复杂困难巷道条件下传统锚杆支护体系存在的问题,从理论上分析了不同锚固方式对巷道支护的影响,得出了全长预应力锚固具有端部锚固和全长锚固的优点,能够在较长的锚杆杆体上施加预应力,增加了对围岩离层及错动的敏感度。采用数值模拟计算方法分析了不同锚固方式对锚杆支护附加应力场的影响,得出提高全长预应力锚固锚杆扩散效果的有效途径是先施加预应力而锚固剂后固化。在潞安矿区进行井下工业性试验,对全长预应力锚固状态下锚杆受力分布及变化进行了监测,锚杆锚索受力基本稳定,锚杆最大受力122 kN,锚索最大受力387 kN。矿压监测数据表明：全长预应力锚固强力支护系统优于传统支护,能有效控制围岩变形,支护效果良好。     

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,...     

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.     

隧道围岩中全长粘结式锚杆受力的非线性分析

为分析隧道围岩中全长粘结式锚杆锚固界面剪切作用的非线性特性及其受力特性,建立了锚固界面剪应力与剪切位移的双曲正切函数模型,推导了围岩变形作用下全长粘结式锚杆的荷载传递方程,采用有限差分方法和Newton迭代公式建立了锚杆受力特性计算方法,并采用典型隧道工程锚杆试验实测结果进行了验证。在此基础上,分析了围岩变形作用下全长粘结式锚杆的轴力和界面剪应力分布特征,探讨了锚杆长度、界面剪切强度和初始剪切刚度、围岩位移释放系数等因素对锚杆受力的影响。研究结果表明：①双曲正切函数模型采用单一函数曲线刻画了界面剪应力与剪切位移的非线性关系及锚固界面剪切刚度演变规律,可有效描述隧道围岩中全长粘结式锚杆的受力特性;②锚杆锚固力随着锚固长度的增加而逐渐增大,但其锚固长度存在临界值;超过临界值后,锚杆锚固力基本不变;③随着界面剪切强度和刚度的增加,锚杆锚固力逐渐增大,中性点位置移向临空面一侧,界面剪应力向临空面和锚杆末端聚集;④围岩位移释放系数越小,锚杆支护后所提供的锚固力越大。实际工程中,宜根据围岩稳定状态及所需锚固力大小,合理确定锚杆支护时机和长度。     

不同边界约束对锚杆锚固段承载特征的影响北大核心

为研究不同边界约束对锚杆锚固段承载特征的影响,在锚杆张拉预紧、锚杆-围岩协调变形承载状态受力分析基础上,采用数值计算方法开展相关研究。结果表明:不同边界约束锚杆轴力沿锚固长度均呈递减分布,有侧向约束锚杆轴力衰减速度较快;顶端固定侧向约束锚杆轴力在锚固长度1/2处递减明显变缓且接近0;底端固定侧向约束锚杆轴力在锚固始端5 cm内递减缓慢,随后呈幂函数递减;顶端固定侧向约束锚杆-锚固剂界面剪应力在锚固外端2 cm处出现峰值,但底端固定侧向约束剪应力峰值位于锚深9~10 cm处;顶端固定侧向约束锚固剂-围岩界面剪应力峰值位于锚固外端口,而底端固定侧向约束时剪应力峰值位于锚深8 cm处;不同边界约束两界面剪应力峰值大小和位置不同,是影响锚固失效模式的重要影响因素。     

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。     

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。     

大松动圈下锚固承载层支护效应的弹塑性解

对于大松动圈围岩巷道,锚杆和围岩共同作用在松动圈内部形成了“锚固承载层”。为研究大松动圈下“锚固承载层”对巷道围岩应力分布的影响,通过理论推导和实例分析,认为“锚固承载层”在极限平衡状态下对塑性区提供的支护强度[pid]由锚杆支护强度[pi]和锚固承载结构强度两部分组成,根据支护强度[pi]和锚固层厚度b的关系提出了“锚固界限厚度”概念。对于松动圈外的围岩,将巷道周边的应力分布进行了重新计算并与传统的Finner-Kastner解进行了比较。研究表明：承载结构在巷道稳定性控制中占据主导作用,支护强度和承载结构协调作用更有利于巷道维护,修正Finner-Kastner解可为深部巷道围岩支护机理研究以及巷道支护参数设计提供理论依据。     

复杂应力条件下不同锚杆支护的巷道稳定性

以金川集团三矿区1 110 m分段掘进巷道为工程背景,为解决巷道破坏严重、返修率高的难题,采用FLAC^3D数值模拟软件,对涨壳式中空预应力锚杆和全长砂浆锚杆的支护效果进行了数值分析,比较了2种锚杆支护在最大水平主应力与巷道轴线呈不同夹角或相同夹角、最大水平主应力大小不同等条件下的巷道变形、围岩应力场、塑性区以及应力集中系数的差异。通过与现场试验数据进行对比,发现采用涨壳式中空预应力锚杆支护的巷道,在控制巷道两帮位移方面,其效果要好于全长砂浆锚杆支护的巷道;采用了涨壳式预应力锚杆支护的巷道周边受力更加均衡,有利于巷道的长期稳定,能延长巷道的维修周期,降低巷道返修率。     

张拉预紧式锚杆支护系统高能强化锚固机理研究

目前传统转矩式锚杆预紧力损失大、锚杆主动性利用率较低,难以满足深部复杂困难巷道的支护要求,因此提出了张拉式高预紧锚杆支护技术,开发了张拉预紧式锚杆锁具及相关构件,并对系统在实验室进行了锚杆拉伸试验,结果表明:在锚具锥度为6°时,整个锚杆拉伸过程直至锚杆破断后锁具都可实现自锁,锚杆破断时,锁具总后退距离平均为3.3 mm,验证了锁具系统的安全性、匹配性及稳定性。而后采用数值模拟的方法建立了巷道锚固分离体模型,对比了低、高预紧力下锚固体的变形破坏特征与能量演化机制,最终得出高预紧力锚杆比低预紧力锚杆更能提高锚固体强度,减小锚固体受载变形的破坏程度,高预紧力产生的高储能可有效提高锚固体破坏峰值,减小破坏时的总耗散能,有效提高锚固体峰后残余能量。基于理论分析结果,在王庄煤矿91采区运输大巷进行了张拉预紧式锚杆与普通转矩式锚杆的对比试验,据矿压监测结果显示采用张拉预紧式锚杆的巷道段两帮最大移近量减少了32.6%,证明了提高预紧力构建高储能锚固支护体系可以有效减小巷道变形。     

深井软岩巷道温压耦合作用下锚固体破坏机理及应用研究

针对深井软岩巷道高地温高地压锚固支护失锚率增大的问题,以淮南矿区深井软岩巷道为例,采用室内相似模拟试验方法,进行温压耦合作用下锚固体变形破坏特性和锚杆受力特征试验研究。结果表明：随着温度升高和侧压系数的增大,锚固体的破裂深度增大,而侧压系数增大则锚固体的破裂倾角减小。当λ=1.2、1.5和1.8时锚固体的破裂深度分别为托盘直径的1.02～1.2倍、1.13～2.2倍和1.15～2.4倍,锚固体破裂倾角分别为45°～60°、40°～45°和30°～35°|温度升高和侧压系数增大,锚固体压密阶段水平变形量增大,随着侧压系数的增大,温度对锚固体变形破坏规律影响减弱|锚杆在破碎块体作用下处在压、张、剪的复杂应力状态,锚杆以受张拉应力为主,弯曲位置受压、剪应力作用,随着温度和侧压系数的增大,锚杆弯曲位置受压、剪应力增大,锚杆发生明显弯曲变形,锚杆锚固体呈渐进式破坏。将全长锚固支护工艺应用于丁集矿西三轨道大巷围岩支护参数优化设计,并进行现场监测,反馈表明巷道围岩支护效果较好。     

预应力锚杆(索)群连锁锚固技术的试验研究

为了提高巷道围岩锚固体的强度、刚度和抗变形能力,基于锚杆(索)锚固作用机理,提出了"高预紧力、高强度、高刚度、高锚固力和低密度"的设计理念。采用高强锚杆(索)及组合构件作为锚固材料,利用连锁构件将锚杆(索)群进行横向与纵向的连锁,通过给锚杆(索)提供高锚固力和高预应力,从本质上调动锚杆(索)群的主动锚固作用,使其与锚固岩体共同形成有机的承载结构,有效减小巷道围岩变形与破坏,改善巷道安全状况。现场试验表明,这样的设计理念和技术应用,能够较好地解决巷道围岩顶板断裂节理发育、变形不均匀和掘进速度慢等问题,具有合理性与适用性,同时可产生良好的经济效益,值得应用和推广。     

岩石预应力锚索应力分布模式分析

阐述了采用理想弹塑性载荷传递函数,根据拉力型预应力锚索锚固段的受力平衡,利用锚固体、锚索和注浆体共同作用的位移模式,推导出预应力锚索锚固段剪应力和轴力分布函数,得到了预应力锚索极限承载力公式.由此可知,预应力锚索最大极限承载力与锚固段长度无关;并讨论了不同参数对锚固段应力分布的影响.其结果可为预应力锚索的设计和计算提供...     

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。     

基于FLAC3D对不同荷载下锚杆锚固作用机制的数值模拟

以某铜矿为研究背景,通过室内剪切试验、点荷载试验获取岩体物理力学基本参数,用FLAC~(3D)有限元软件对锚杆锚固作用机制进行数值模拟,探究锚固体与锚杆周围应力分布规律,以及锚杆在不同条件下锚固体应力分布情况。数值模拟结果表明:得出了锚杆锚固力、剪应力沿内锚固长度的分布规律,为合理设计锚固长度提供一定的理论依据。通过对锚杆—注浆体—围岩体之间界面的数值模拟获得界面上的应力分布规律及其最大承载力。研究结果不仅有助于了解加锚岩体的力学性能,也可以为设计可靠有效的岩体锚固方案提供有利的试验数据和理论基础。