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...     

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.     

弱胶结富水巷道合理支护技术研究

为了解决大南湖西五矿围岩胶结性差、顶板含水量大导致巷道支护困难的问题,采用现场实测与数值模拟相结合的方法,进行了现场锚固性能测试,分析了随顶板岩层含水量增加,采用架棚支护、锚杆支护和锚杆锚索联合支护3种支护方式时巷道围岩变形规律和支护体受力特征。研究结果表明:在现场围岩条件下锚杆、锚索可以达到规定的拉拔力;顶板含水量较大时采用架棚支护围岩变形严重,梯形棚发生结构性失稳,而锚杆锚索联合支护可以有效减弱在水作用下锚杆轴向力的降低,大幅减小围岩变形。现场观测结果显示锚杆锚索联合支护围岩控制效果显著。     

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。     

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。     

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。     

考虑锚固复合承载体效应的巷道安全支护参数分析

考虑锚固复合承载体对巷道支护力和变形量的影响,以锚固复合承载体为结构基础,依据岩石的极限拉压破坏准则并结合芬纳-卡斯特奈公式,对圆形巷道支护力和变形量进行分析研究,推导出锚杆支护巷道最小支护力和最大允许变形量的表达式。基于该表达式经算例分析得出：圆形巷道最小支护力和最大允许变形量与巷道埋深呈线性相关;随着锚固复合承载体厚度和内摩擦角增加,巷道最小支护力减小,巷道最大允许变形量增大;在计算锚杆支护的圆形巷道最小支护力和最大允许变形量时考虑锚固复合承载体的作用更合理。     

深部破碎围岩高预紧力加长锚固支护技术研究

针对深部受采动影响巷道围岩松散破碎难以支护的工程问题,考虑巷道围岩裂隙的存在,采用3DEC中DFN技术预制初始损伤围岩模型进行模拟拉拔试验,研究结果得出:破碎岩体中,端锚锚杆最易发生脱黏失效,且无法通过黏锚力控制浅部围岩,易出现片帮。锚固长度为700 mm时,拉拔载荷为130 kN即发生锚固失效;当锚固长度增加到1 400 mm时,锚固性能显著增强,且锚杆抗拔力提高了20.7%。当增加锚杆预紧力时,对巷道周边破碎围岩的控制效果显著增强。基于上述研究,提出深部破碎围岩锚杆高预紧力加长锚固支护技术,经工业性试验,高预紧力加长锚固技术使巷道变形得到有效控制,锚杆预紧力可达到60 kN以上,回采期间巷道帮部相对移近量减小了44.7%,显著减小了超前支护难度,提高了施工效率。     

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。     

新型树脂式可回收锚杆支护效果分析

为了既能满足回采巷道的支护强度,又能在采煤机截煤前撤除工作面煤帮的锚杆,介绍了新型树脂式可回收锚杆的结构组成,分析了其锚固特性和支护机理,对锚固力和支护效果进行了数值模拟,并进行了井下锚固力测试、回收性能试验和巷道变形监测。结果表明:新型树脂式可回收锚杆的杆体强度高,锚固力可靠,对岩性适应范围广,控制围岩效果好,安装回收方便,回收率高,能够满足回采巷道的支护要求。     

锚杆支护锚固力传递机理研究

锚杆支护锚固力的传递机理非常复杂,在前人研究的锚固力剪应力指数分布基础上,考虑了围岩体和锚固剂相对刚度对剪应力分布的影响,给出了锚杆锚固力沿杆体长度的计算表达式,并推导出了锚杆锚固段围岩体剪应力沿径向的分布曲线,以期为锚杆支护设计和施工提供更有效的理论指导。     

巷道喷层结构内力的简化计算

根据短柱壳的力学原理,对软岩巷道锚喷与金属支架联合支护结构的内力和变形阐述了其特点,提出了一种简化计算方法并导出了计算公式,探讨了危险截面位置和截面强度设计的控制因素,为这种联合支护结构设计提供了一定的理论依据。     

全长粘结式锚杆受力特性研究

目前,全长粘结式锚杆在各种岩土工程中已得到广泛应用,但由于其锚固机理和受力特性的复杂性,使得在设计和应用上还存在一定的局限性。为此,从研究全长粘结式锚杆和围岩的作用机理入手,深入探讨其锚固机理和受力情况,推导出了全长粘结式锚杆的径向及切向锚固力,进而为全长粘结式锚杆的设计和工程应用提供了参考依据,具有重要的理论与工程实际意义。     

综放沿空留巷支护结构的可靠性分析

根据综放沿空留巷围岩变形大且围岩力学参数中有许多随机变量的特征,阐述了其支护结构可靠性分析的必要性.应用工程结构可靠性理论,建立了综放沿空留巷支护结构可靠性分析模型,得到了支护结构可靠度的计算公式.结果表明：通过合理选择锚杆类型、加大锚杆支护密度、改善锚固体及充填材料力学性能等措施,可达到提高综放沿空留巷支护结构可靠性的目的.     

深部隧硐锚杆支护结构系统中锚杆受力研究

依据柏格斯（Burgers）模型，对深部围岩隧硐进行了应力与位移场的解析分析研究，建立了柏格斯模型下隧硐围岩的位移方程、应力方程；基于载荷传递机理，建立了锚杆受力的微分方程，通过求解锚杆受力的微分方程得到了锚杆与围岩相互作用下的轴向载荷分布函数。然后对锚杆的轴向受力与摩阻力进行了计算分析，通过结果分析得出：粘弹性围岩中的应力分布与时间无关；隧硐围岩中任一点的位移随时间而增长，同时，随着时间将趋向于一定值；锚杆的受力符合中性点理论。同时，通过分析深部围岩隧硐发生破坏的原因，建立支护结构与围岩共同作用的特性曲线，提出了一种符合NATM核心思想的，能够科学确定支护结构最佳架设或安装施工时间的新思路。     

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。     

注浆岩石锚杆锚固机理影响因素分析

为了进一步研究隧洞等地下工程中锚杆支护锚固机理,根据微段锚杆的受力平衡以及载荷传递机理建立了锚杆的载荷传递微分方程,同时根据隧道围岩安装锚杆前后的应变变形建立了锚杆的轴向载荷传递方程,结合圆形隧洞围岩的径向变形方程,推导了理想弹塑性围岩中注浆岩石锚杆的轴向应力的计算模型,以及锚固段与围岩体界面之间摩阻力的计算模型。通过分析锚杆应力的分布特征以及影响应力分布趋势和大小的因素,得到了影响其锚固效应的因素是锚杆的安装施工时机、围岩的力学特性以及锚杆的长度等。     

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。     

金山店铁矿玻璃钢锚杆支护试验及存在问题

金山店铁矿矿岩松软破碎,因支护的金属锚杆腐蚀失效较多,巷道变形垮冒严重。玻璃钢锚杆具有抗腐蚀、抗拉强度高等优点,为此采用玻璃钢锚杆替代螺纹钢锚杆进行了支护试验。数值分析表明全长锚固预应力玻璃钢锚杆相比螺纹钢锚杆可以有效改变锚杆中性点位置,改善水泥浆应力分布特征,提高锚杆及水泥浆抵抗围岩向壁面变形的能力。工业试验及试验巷道变形监测表明采用玻璃钢锚杆支护后在控制巷道变形方面可以取得与螺纹钢锚杆相同的巷道变形控制效果;且采用玻璃钢锚杆可以更好控制巷道离层破坏,减少矿岩中硫化物对锚杆的腐蚀,从而提高整体支护可靠性。但玻璃钢锚杆尾部托盘螺母承载力较低,难以抵抗巷道较大变形以及爆破冲击波破坏,还需做进一步研究和改进。     

新型机械锚杆在综采面巷道中的应用研究

以大柳塔矿树脂锚杆支护设计为基础,采用工程类比法进行综采工作面巷道新型机械锚杆支护设计．采用最新锚杆施工机具及工艺,保证钻孔垂直于项板岩面,孔深及锚杆扭矩满足新型机械锚杆的设计要求．锚杆受力、围岩深部位移、项板离层及巷道表面位移综合观测表明,受回采动压影响后,试验巷道稳定,支护效果好．同树脂锚杆相比,新型机械锚杆节省了安装、搅拌树脂和等待树脂凝固时间,大大提高了综采工作面巷道施工速度．