高预应力锚杆在软岩地层斜井巷道的应用

在分析软岩巷道围岩变形与破坏特征的基础上,采用有限差分数值计算软件FLAC3D模拟分析了北京木城涧煤矿穿越软岩地层斜井巷道在高预应力强力锚杆端部锚固与全长锚固支护下预应力在巷道围岩中的分布特征.结果表明:不同类型岩层对巷道围岩受力与变形影响明显;相对于端部锚固,全长锚固能使锚杆的锥形压应力区相互叠加,锚杆预紧力扩散到大部分锚固区域,更能充分发挥锚杆整体支护的效果.现场试验表明,高预应力锚杆全长锚固支护方式能够有效控制软岩巷道顶部和两帮煤岩体的大变形.     

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。     

组合岩层端锚锚杆预应力场分布规律模拟研究

在不考虑原岩应力的条件下,通过有限差分数值模拟软件FLAC3D,对软硬岩层不同组合条件下锚杆预应力场分布规律进行数值模拟研究。结果表明,在软岩和硬岩中,较高的连续压应力分布范围基本一致,但锚杆产生的压应力由软岩层向硬岩层方向传递的效果要明显优于压应力由硬岩向软岩传递的效果。现场支护中,可通过施加高预紧力来扩大锚杆支护有效压应力区范围;同时可调整锚固段或锚杆长度,使结构面位于压应力较高的有利位置,避免锚杆因水平应力的影响出现剪断或离层现象。     

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。     

高强度锚杆支护技术及在大断面煤巷中的应用

在分析目前大断面煤巷锚杆支护存在问题的基础上,论述了对锚杆支护机理的新认识,开发了适合于大断面煤巷支护的高强度锚杆,并采用FLAC3D有限差分程序对不同锚杆支护参数巷道围岩应力场分布特征与规律进行了模拟分析。结果表明：预紧力是锚杆支护系统的决定性参数,增加锚杆预紧力能有效增大巷道围岩压应力场应力值及扩散范围;锚杆长度的选择应充分考虑锚杆预应力、巷道围岩破碎程度与可锚性;对于相同锚杆材料,直径越大强度越高,预应力扩散范围越大;锚杆垂直于岩面布置时,巷道围岩形成的压应力区分布更加均匀,锚杆预应力叠加效果更好。井下试验表明,高强度锚杆支护技术为大断面煤巷提供了有效的支护手段,巷道掘进期间两帮移近量25.0 mm,顶底板移近量16.6 mm,能有效控制围岩的强烈变形。     

树脂锚杆锚固性能及影响因素分析

采用理论分析、实验室试验、数值模拟及井下实测相结合的方法对树脂锚杆锚固性能及影响因素进行研究。理论分析了锚杆在拉拔与全长锚固状态下的应力分布特征;在实验室进行了不同形状锚杆、不同钻孔直径下锚杆拉拔力试验,得出了锚杆形状、孔径差对锚杆拉拔力的影响程度;测试了不同模拟钻孔温度、淋水量下锚杆的拉拔力,得出了温度、淋水量与锚杆拉拔力之间的关系。采用有限差分数值模拟软件FLAC3D,计算了不同杆体形状、孔径差、居中度及不同围岩强度下锚固剂、围岩中的剪应力大小,分析了诸因素对剪应力分布的影响,得出了不同条件下剪应力分布特征。在平庄风水沟煤矿井下进行了软岩可锚性试验,实测了软岩不同含水状态下锚杆、锚索拉拔力。最后,提出改进树脂锚杆锚固性能、提高锚固力的建议。     

预应力锚杆锚固段轴力分布区间影响因素研究

针对不同因素对预应力锚杆锚固段轴力分布区间影响问题,采用理论分析、数值模拟、实验室试验与井下实测相结合的方法进行了研究。理论推导得出了锚固段轴力表达式,并用MATLAB软件数值分析了锚杆直径、锚固长度、预紧力、围岩弹性模量与锚固段轴力分布区间的关系。在实验室进行了不同锚固长度、不同预紧力下锚杆锚固段受力试验,得出了不同锚固长度与不同预紧力对锚固段受力区间的影响程度。在任家庄煤矿井下进行了煤体可锚性试验,实测了煤岩体不同锚固长度下的锚杆拉拔力、不同预紧扭矩下的锚杆预紧力大小。最后,提出增强锚杆锚固性能与锚固力的建议。     

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。     

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。     

全长锚固预应力锚杆预紧力确定方法及其应用

预应力锚杆是提高围岩强度和保证巷道稳定的有效支护手段。基于单根全长锚固预应力锚杆在围岩中的作用机理,推导了预紧力作用下全长锚固预应力锚杆形成的锚固区内的应力分布规律。根据锚杆锚固区的两种破坏形式,提出锚杆最小和最大预紧力并推导了其计算公式。该公式在工程中的应用结果表明,在最小与最大预紧力之间,合理增大锚杆预紧力能够有效提高支护强度,对控制巷道围岩变形效果显著。     

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。     

巷道锚固体内离层对树脂锚杆承载特性影响分析

针对回采巷道锚固体内出现的离层现象,基于荷载传递规律、界面剪切滑移模型和锚固体离层面两侧轴力及剪应力布等研究成果,研究了锚固体上任意处发生离层前后不同锚固方式树脂锚杆的承载特性。结果表明：受锚固方式、锚杆预紧力和锚固体离层的影响,锚杆承载特性呈明显的不均匀分布特征。离层发生前,尽管端头锚固、加长锚固和全长锚固锚杆的界面剪应力和锚杆极限承载力峰值相同,但其界面剪应力和锚杆极限承载力分布形态各异。离层发生时,三种锚固方式锚杆不仅界面剪应力和锚杆极限承载力分布形态都发生了明显变化,而且其界面剪应力和锚杆极限承载力峰值也各不相同。全长预应力锚固锚杆承载特性要优于端头、加长锚固和全长锚固锚杆,对围岩变形和离层有更好的约束和抑制作用,在容易发生围岩离层的回采巷道应优先采用全长预应力锚固锚杆。     

新型高预应力锚索及锚注联合支护技术研究与应用

针对现有支护材料及工艺难以适用于深部软岩巷道大变形的支护难题,在理论分析、室内试验的基础上研发了新型高预应力锚索及其配套工艺,该新型锚索可施加初始预应力达70~100 k N,杆体延伸率10%~12%,可有效阻止开挖后围岩的快速变形,保持围岩的整体性和稳定性,并具有成本低、强度高、不易松动等优点;依据典型深部软岩巷道围岩变形特征及破坏机制,提出了以新型高预应力锚索和注浆锚杆为核心的联合控制技术,即支护初期采用以新型高预应力锚索为主,金属网、混凝土喷层为辅的柔性支护;后期进行全断面注浆,内外结合,从根本上提高支护强度。经现场试验证明,该技术能有效提高锚索受力状态,降低围岩变形速率,缩短围岩变形时间,围岩最终变形量只为原支护方案的30%左右,锚索平均受力提高了近4.7倍,取得了良好的支护效果,具有重要的推广应用价值。     

预应力锚索孔内扩孔工艺的研究

预应力锚索技术是进行滑坡治理、边坡锚固等地质灾害治理中的常用技术,传统锚索内锚头自由地搁置在内锚固段孔内,在无预应力状态下进行内锚固段注浆;而自承载式预应力锚索在有预应力的状态下注浆,有利于充分发挥浆体材料及岩体的力学性能。对于中硬以下碎裂岩层,采取在锚固段进行扩孔,在扩孔段安装自承载式锚索承载体,承载体扩体后,利用孔壁的摩擦力和扩孔段端部的承载力进行初张拉锁定。因此,研究了一种适用于中硬以下岩层(抗压强度30 MPa)且适合使用空气潜孔锤钻进工艺的扩孔钻具和钻孔工艺,通过进行扩孔钻进室内试验,结果表明,该扩孔钻具和工艺能够实现在锚固段进行分段扩孔。     

厚软岩层巷道全断面锚固量化分析模型

考虑围岩应力释放,采用叠加原理将厚软岩层巷道全断面锚固模型分解为锚固前的初始状态模型和锚固后的增量模型2种子模型。基于无锚杆时模型的拉梅解和锚杆影响区模型对2种子模型下围岩的力学量进行了解析,叠加后得到了原模型下锚固围岩的力学解。解析结果表明,锚固区围岩的径向应力大幅度提高,有利于形成承载拱,但切向应力变化不大,在非锚固区,围岩的应力解与无锚杆时的拉梅解相同,锚固后巷道位移明显的减少,尤以锚固区位移变化最显著。基于以上特点,利用锚固前后锚固区内围岩应力、位移的相对变化量定义了锚固效应的3个量化指标,并进一步讨论了围岩弹性模量和锚杆预应力的影响,结果表明锚固对软弱围岩的力学量改变比对硬岩更加显著。最后针对锚固对围岩塑性区的控制作用,建立了支护参数和围岩弹塑性状态的函数关系,并分析了不同强度围岩处于弹性状态的临界支护参数。     

不同锚杆参数对锚固系统稳定性影响研究

为了研究不同锚杆参数对锚固系统稳定性的影响，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，理论分析了围岩协同锚固系统力学模型和锚杆锚固段的“大托盘”效应，数值模拟了不同锚杆长度、锚杆密度和锚杆预紧力下群锚杆最小主应力分布，分析了锚杆围岩形成的挤压带范围，得到了相关参数对锚固系统稳定性的影响。研究为巷道支护提供了理论指导。     

丹江口水库大坝加高工程应力分散型预应力锚杆研制及应用

介绍了丹江口水库大坝加高改造工程中采用的应力分散型、自锁式内锚头预应力锚杆技术。项目研制了性能可靠、结构合理的专用扩孔器具和自锁式内锚头,解决了50 m深孔高精度钻孔难题。该锚固技术改善了内锚固段应力集中的不良状态,改变了普通锚杆预应力通过内锚固体与孔壁的粘结力传递到承载体上的方式,而是通过在扩孔段设置的自锁式内锚头,以压力的形式,分散直接作用于不同深度的承载体上,锚固力不会因粘结力衰减而损失,起到长期锚固的作用。     

全长锚固锚杆的锚固效应分析

从提高围岩力学性质、为围岩提供约束以及与围岩的相互作用关系等方面对全长锚固锚杆的锚固效应进行了分析,指出全长锚固锚杆能够快速增阻,有效地结合了围岩自身的强度,增强了巷道围岩的稳定性。     

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。