大跨度切眼巷道锚杆（索）支护技术研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 大跨度切眼巷道锚杆（索）支护技术研究 姓名邢龙龙 申请学位级别硕士 专业岩土工程 指导教师谷拴成 20080415 论文题目 专业 硕士生 指导教师 大跨度切眼巷道锚杆 索 支护技术研究 岩土工程 邢龙龙 签名 盛幺毖 谷拴成 签名 盘圭监 摘要 自锚杆支护技术在我国煤矿应用以来，煤矿的技术人员在支护理论与实践方面做了 大量工作，积累了大量资料，取得了丰富经验。近年来，随着煤巷锚杆支护技术日趋成 熟，锚杆支护得到普遍推广应用，但是还不能很好解决大跨度、大断面等巷道支护加固 问题。能否解决好大跨度、大断面巷道的支护问题，是矿井开采规模的加大和安全生产 技术的关键。 本文运用理论分析和现场应用相结合的手段，对大跨度、大断面巷道锚杆 索 支 护技术进行了系统地研究。对锚杆 索 支护巷道失稳机理、支护理论作了较为全面的 分析。本文通过等效椭圆的方式研究了大跨度、大断面矩形巷道围岩的应力场分布，应 用弹塑性极限平衡理论研究了大跨度、大断面矩形巷道围岩松动范围，为煤矿大跨度切 眼巷道支护设计提供了一种新的设计方法。在总结传统设计方法的基础上，提出了基于 巷道围岩松动范围的锚杆 索 动态信息设计方法。最后以黄陵二号煤矿1 0 7 切眼大断 面锚杆 索 支护项目为工程背景，进行了大跨度、大断面锚杆 索 支护技术实践研 究。通过传统设计方法和本文研究的设计方法进行支护参数方案对比，最终确定了锚杆 索 支护参数，并应用大型有限差分软件F L A C 2 D 对锚杆 索 支护进行了稳定性分 析；通过现场应用，并对支护效果进行同步多项监测，利用数据处理软件分析了监测数 据，评价支护效果，反馈信息优化设计，实现了初步设计与工程相结合的动态设计。 文中所提出的计算理论比较适合矩形大断面巷道的支护设计，具有一定的经济性和 实用性，较好地解决了黄陵二号煤矿1 0 7 切眼大断面锚杆 索 支护的技术难题，可供 相似巷道的支护设计参考。 关键词大跨度切眼；锚杆 索 支护；松动范围；数值模拟；动态设计 研究类型应用研究 S u b j e c t S t u d yo nA n c h o r C a b l e s S u p p o r t i n g i nL a r g eS p a nS e c t i o n O p e n o f fC u t S p e c i a l t y G e o t e c h n i c a l N a m e X i n gL o n g l o n g I n s t r u c t o r G nS h u a n c h e n g A B S T R A C T S i g n a t ur e S i g n a t ur e W i t ht h ed e v e l o p m e n to fb o l ts u p p o r t i n gt h e o r yi no u rc o u n t r y ’Sc o a l ，t h et e c h n i c i a nd oa 1 0 to fw o r k ．a c c u m u l a t em u c hi n f o r m a t i o na n dg e ta b u n d a n te x p e r i e n c e sf r o ms u p I p o r t i n g t h e o r ya n dp r a c t i c e ．R e c e n t l yp i nt i m b e r i n gh a sb e e ne x t e n s i v eu s e db e c a u s et h eb o l t i n go f c o a lr o a dh a sm e l l o w e d ，h o w e v e rt h ep r o b l e mo fd i f f i c u l tt u n n e lr e i n f o r c e m e n th a v e n ’tb e e n s o l v e dp r o p e r l y , f o re x a m p l e ，w i d es p a nt u n n e l ，h e a v ys e c t i o n ．A l li na l l ，w h e t h e rc a nw e w o r ko u tt h ep r o b l e mi sac r i t i c a li s s u ef o rc o a le x p l o i t a t i o na n ds a f e t yi np r o d u c t i o n ． B ym e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df i e l dp r a c t i c e ，b o l ts u p p o r t i n go f w i d es p a nt u n n e l i ss t u d i e dw h o l l ya n ds y s t e m a t i c a l l y ．T h i sp a p e rs u m m a r i z e st h em e c h a n i s mo f d e s t a b i l i z a t i o n i nb o l t i n gr o a d w a ya n ds u p p o r t i n gt h e o r y ．B a s e do ng e n e r a l i z i n gt h em e t h o dw h i c h t h ed e s i g n o fb o l ts u p p o r t i n g ，t h i st h e s i ss t u d yt h ep a r a m e t e rd e s i g n i n gm e t h o dw h i c ha b o u tb o l t s u p p o r t i n gi nb i gs e c t i o no fr e c t a n g l et u n n e l ．T h r o u g hu s i n gt h ew a y t h a tr e c t a n g l er o a d w a y e q u i v a l e n te l l i p s e ，t od e t e r m i n et h ef l o o ro f t u n n e l ’Sp l a s t i cz o n e ．O nt h eb a s eo fe s t a b l i s h i n g m e c h a n i c a lm o d e ，t h ep a p e ra n a l y s i st h ew a l lo ft u n n e l ’Sp l a s t i cw i d t h ．I ti s b a s e do n e l a s t i c - p l a s t i c i t yt h e o r y o fl i m i t i n ge q u i l i b r i u m ．T h ep a r a m e t e r so fb o l ts u p p o r t i n g a le d e s i g n e da f t e rd e f i n i n gt h ep l a s t i cz o n e ．W ec a r r i e do u tt h ep r a c t i c a ls t u d yo nt h eg r o u n do f l a r g es p a nc o a lt h a tt h es e c o n dH u a n g l i n gc o a l ．T h eb o l t i n gd e s i g n sw e r ed e t e r m i n e da n d a n a l y s e dt h es t a b i l i t yo fb o l ts u p p o r t i n gb yu s i n gF L A C 2 D ．B ym e a n s o ff i e l dp r a c t i c e ，w e m a k em u l t i p l em o n i t o r i n go nt h es u p p o r te f f e c ti ns y n c h r o n i s ma n da n a l y s i st h em o n i t o r i n g d a t ab yd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r e ．W ee v a l u a t et h es u p p o r te f f e c ta n da c h i e v et h eg o a lo f d y n a m i cd e s i g nw h i c hc o m b i n e dp r e l i m i n a r yd e s i g na n de n g i n e e r i n gm o n i t o ri nt h el i g h to f f e e d b a c ki n f o r m a t i o no p t i m a ld e s i g n ． T h ep a p e rp r o p o s e dt h e o r yo fc a l c u l a t i o ni sf i tf o rs u p p o r t i n gd e s i g n i n g ．I th a sc e r t a i n e f f i c i e n c ya n du s a b i l i t y , a n ds o l v es o m et e c h n i c a ld i f f i c u l tp r o b l e m si nt h es e c o n dc o a lb e d o f H u a n g l i n gc o a lm i n ew e l l ，a n ds u p p l yt h ed e s i g nr e f e r e n c eo ft h es i m i l a rt u n n e lI ．e t l l ma i r c o u r s es u p p o r t ． K e yw o r d s l a r g es p a no p e n - o f fc u t a n c h o r c a b l e s s u p p o r t i n gr e l e a s i n gr a n g e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n d y n a m i cd e s i g na p p r o a c h T h e s i s A p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名前；龙龙日期撕．幺1 6 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名邻7 I 乞龙指导教师签名之≥乍扔茹 2 们年铲月∥日 1 绪论 1 绪论 1 ．1 研究的意义 随着时代的发展、科学的进步及其不断的开采实践和理论研究，围岩工程控制理论 取得了长足的发展，支护形式也随之发生了重大的变化。支护理念由被动转为主动，巷 道的支护己由传统的棚式支护向锚杆支护转化。在各国地下工程领域里，锚杆支护得到 推广和普及。可以说，锚杆支护是当今各种地下工程的一种新型先进的支护形式。 在国外，澳大利亚、英国、美国等国家的锚杆支护技术比较先进，特别是澳大利亚， 锚杆支护技术己经形成比较完整的体系，处于国际领先水平。英国的锚杆支护技术是从 澳大利亚引进的，在近十年实践实验的基础上又作了改进和提高，锚杆支护技术的广泛 采用给英国煤矿带来巨大的活力和经济效益。美国一直采用锚杆支护巷道，锚杆消耗量 很大。锚杆种类也比较多，有涨壳式锚杆、树脂锚杆、复合锚杆等各种形式。组合件有 钢带和拱架。具体应用时，根据岩层条件选择不同的支护方式和参数。 我国煤巷锚杆支护技术近年来也取得长足发展。我国最早从1 9 5 6 年开始在煤矿中 使用锚杆，由于煤层地质条件复杂多样，锚杆支护理论、设计方法、锚杆材料、施工工 具、监测手段等不够完善，因而发展缓慢。在“八五”期间，煤炭工业部把煤巷锚杆支 护技术作为重点项目进行了攻关，取得了一大批水平较高的科研成果，并应用于新汉、 铁法、充州、蒲白、铜川、淮南等多个矿区，基本上解决了一般条件下巷道支护问题。 但1 9 9 5 年新掘煤巷、半煤岩巷中锚杆支护的比重仅占到1 5 ％和3 0 ％，严重制约着煤矿 安全生产和经济效益的进一步提高。在此情况下，西安科技大学和东北大学联合开展原 煤炭工业部“八五“ 科技攻关，在一系列技术难题上取得了突破性进展，并形成一整套 的软岩巷道锚杆支护技术，锚杆在煤巷中使用比重也有了迅速提高。到2 0 0 0 年全国新 掘煤巷、半煤岩巷中锚杆支护比重己分别提高到4 1 ．1 4 ％和5 4 ．5 ％，目前正以更快的速度 在全国推广应用。在“九五”期间，煤炭部又把煤巷锚杆支护技术列为重点课题，展开 了更深入、细致的研究试验工作，使我国的煤巷锚杆支护在技术上有了较大提高。 随着锚杆锚索支护技术的不断发展，一般地质条件下普通巷道的锚杆锚索支护技术 已经相当成熟，近几年来，为了引进大采高设备，切眼的断面尺寸越来越大，现有的锚 杆锚索的支护设计方法已经不能满足要求，急需解决大跨度、大断面锚杆 索 支护参 数的设计问题，找出一套适合大断面锚杆锚索的支护参数设计方法，保证煤矿的安全生 产，创造一定的经济效益。 西安科技大学硕士学位论文 1 ．2 国内外锚杆锚索支护技术发展概况 锚杆 索 支护技术是采矿工程领域的一个重要分支。采矿工程中采用锚杆 索 支护 技术，能较充分地调用和提高围岩体的自身强度和稳固能力，大大缩小支护结构物体积 和减轻结构物自重，显著节约工程材料，利于施工安全，己经成为提高采矿工程稳定性 和解决复杂的采矿工程问题最经济最有效的方法之一。锚杆 索 技术已经在我国边坡、 基坑、矿井、隧道、地下工程、坝体、航道、水库、机场、及抗倾、抗浮结构等工程建 设中获得广泛的应用。 国内外锚杆支护技术发展概况及存在的问题近年来，我国在煤矿支护与加固技术 方面取得了长足进步，尤其在锚杆、锚索加固方面有较大的发展，这两种方式在维护巷 道围岩稳定性方面应用很普遍。然而，这两种方法都有其各自的适用范围。 1 ．2 ．1 国内外锚杆支护技术发展概况 锚杆支护可显著提高围岩的稳定性，与传统的棚式支护相比具有明显的技术和经济 优越性，因而倍受世界各国采矿工程界所关注，并得到快速发展和广泛应用。目f j { 『，锚 杆支护已经成为巷道支护的一个主要发展方向。锚杆支护技术始于国外。1 9 0 5 年美国在 建筑修缮方面开始使用喷浆技术，1 9 2 4 年前苏联的顿巴斯矿开始应用锚喷支护，5 0 年 代英、德、法、瑞典开始使用和研究锚杆支护。经过5 0 “ - 6 0 年代的徘徊期后，世界各 国的锚杆支护技术获得蓬勃发展，成为煤矿巷道支护的主要形式。目前澳大利亚、英国、 美国等国的锚杆支护技术比较先进。特别是澳大利亚锚杆支护技术己经形成比较完善的 体系，处于国际领先水平，该国结合自身条件，应用岩石力学原理和综合实测技术发展 锚杆支护技术，几乎所有的巷道都采用锚杆支护川；美国锚杆支护占整个煤矿支护形式 的比例达9 0 ％【2 】以上；英国近年来锚杆支护巷道己占巷道总量的8 0 ％【3 】；法国、德国锚杆 支护的比例达到5 0 ％以上【4 】。总的来看，国外应用锚杆支护技术的发展有以下特点 1 结合本国巷道围岩自身条件，针对性地解决了一些技术难题。如德国8 0 年代初针对 煤田赋存较深特点，建立了大型三维实验台模拟1 6 0 0 m 井深条件，进行深井巷道支护 包 括锚杆 研究； 2 逐步完善锚杆支护技术。国外锚杆日益向高强度、超高强度发展，研 制了适应围岩大变形的可拉伸锚杆； 3 完善锚杆施工配套机具； 4 各国都建立适合自身 条件锚杆支护设计方法。如澳大利亚在充分考虑水平地应力条件下将锚杆设计看成整个 动态过程，即采用了“地质力学评估一计算机模拟进行初步设计一现场施工、监测一信 息反馈修改完善设计”的方法。此设计方法已在英国、波兰、印度、日本得到应用【5 】【6 】【7 】 法国的设计方法以经验为基础，适用于地质条件变化相对较大的情况；德国条件单一， 采用极限移近法； 5 逐步完善测试技术确保锚杆支护技术的安全性和经济性。 我国锚杆支护技术始于5 0 年代，1 9 5 5 年开始试用于煤矿巷道支护。当时主要采用 2 1 绪论 机械端锚和钢丝砂浆无托板锚杆，这种单体锚杆在较稳定的岩石巷道中获得成功，但是 在围岩较松软的巷道及动压巷道中没有取得预期效果。国家“七五“ 和“八五“ 科技攻 关中将锚杆支护定为软岩支护的主攻方向之一，使锚杆支护有了新的发展，进入了以锚 带网和锚梁网为代表的组合锚杆支护阶段。这一阶段锚杆类型以水泥药卷钢筋锚杆为 主，树脂药卷钢筋锚杆开始使用，基本解决了一般条件下巷道支护问题。“九五”期间 展开了更深入、细致的研究工作。特别在9 6 ～9 7 年，我国引进了澳大利亚锚杆支护技术， 在邢台矿务局进行了现场演示，并完成了与锚杆支护技术有关的十五个项目，使我国的 煤巷锚杆支护技术上了一个新台阶。我国锚杆支护经过5 0 余年的探索，取得了很大进 展。从单体锚杆支护发展到了组合锚杆联合支护；从端锚固发展到加长锚固和全长锚固； 从水泥砂浆锚固发展到树脂锚固剂和涨壳式锚固。目前，在我国I ，I I ，I I I 类回采巷道锚 杆支护技术已经基本解决，已在全国推广应用【8 】。 锚杆支护现存的主要问题由于锚杆支护具有许多优越性，受到了国内外的普遍重 视，并得到了快速发展和广泛应用，使之越来越成为占据主导地位的巷道围岩支护形式， 尤其是在西方发达国家，普及应用率较高。 但是近年来，随着我国煤矿开采技术的提高，新技术、新工艺、新装备的发展，掘 进和回采设备功率高、体积大，同时为了满足掘进和回采期间的运输和通风要求，巷道 断面、跨度明显增大。另外，煤巷锚杆支护比重也逐年提高。1 9 9 5 年，我国国有重点煤 矿当年新掘巷道中锚杆支护所占比重为2 8 ．1 9 ％，其中岩巷中占5 7 ．2 ％，半煤岩巷中占 2 7 ．6 5 ％，煤巷中占1 5 ．1 5 ％。到1 9 9 8 年，煤巷锚杆支护比重提高到了2 0 ．1 4 ％，半煤岩巷 中则提高到了2 9 ．7 4 ％【9 J 。锚杆支护技术还存在不少问题，锚杆支护理论仍未完善，特别 是大跨度、全煤巷道软弱破碎围岩等困难条件巷道的支护加固问题还没有完全解决。 这主要是由于 1 对锚杆支护机理的认识还不够准确和全面，现有锚杆支护理论具有很大的局限 性。对锚固效果的综合因素效应还难以做到定量把握。目前，较成熟的锚杆支护理论主 要可归纳为三大类一是基于锚杆的悬吊作用而提出的悬吊理论、减跨理论等；二是基 于锚杆的挤压、加固作用提出的组合梁理论、组合拱理论以及楔固理论等；三是综合锚 杆的各种作用而提出的松动圈支护理论、锚固体强度强化理论、锚注理论、最大水平应 力理论以及锚杆桁架支护理论等。然而，与锚杆支护技术广泛应用的现实极不相称的是 在很多情况下锚杆支护理论和技术尚不完善。锚固支护作为一种独立的支护方式还不能 解决大断面、软弱破碎围岩等困难巷道的支护和加固问题。经典的锚杆作用机理在现场 应用过程中存在诸多弊端，现场操作困难，不适合锚杆支护的科学化要求。进一步深化 锚杆支护理论的研究，完善设计理论显得十分必要。 2 围岩条件复杂，锚杆支护难度大。我国煤炭资源丰富，赋存条件复杂，制约了 锚杆使用范围，特别是在Ⅳ、V 类巷道及回采巷道，不仅围岩的强度条件较差，还要受 3 西安科技大学硕士学位论文 到采动的强烈影响。因此，围岩变形量和破裂范围往往都很大，且随着围岩各阶段变形、 破坏的发生，锚固结构须具有相应的变形适应性并保持足够的承载能力以及对围岩变形 的约束能力，以使围岩重新形成平衡状态，这给锚杆支护技术的推广应用造成了极大的 困难。 3 支护形式和支护参数选择还存在一定的盲目性，而且在我国并没有统一的支护 设计规范，锚杆支护技术的应用在很大程度上仍处于工程类比法阶段。 4 机械化程度较低，钻装 装药卷、安装锚杆 速度较慢，影响巷道快速掘进，不适 应综合机械化采煤的发展。 5 设备、仪器、仪表不能适应目前需要。 目前虽然锚杆支护理论和技术取得了一定的研究成果，但远不能满足生产的要求， 在锚杆支护参数设计方面还缺乏足够的科学依据，存在一定的盲目性。因而要扩大锚杆 支护技术应用范围，特别是推广应用于Ⅳ、V 类巷道，还应开展大量的工程实验及理论 研究工作。 综合以上分析，对于一些特殊巷道单独采用锚杆支护不能达到支护要求，必须采用 锚杆、锚索联合支护，充分发挥锚索的补强作用，才能达到满意的效果。本文重点研究 大跨度、大断面煤巷锚杆锚索联合支护，并应用到工程实际中，具有重要的现实意义。 1 ．2 ．2 国内外锚索支护技术概况 1 锚索发展概况及作用原理 自从1 9 3 4 年阿尔及利亚的C o y n e 工程师首次将锚索加固技术应用于水电工程的坝 体加固并取得成功，并随着高强钢材和钢丝的出现、钻孔灌浆技术的发展，以及对锚索 技术研究的深入和对锚固技术认识的逐步提高，预应力锚索加固技术已广泛应用于各个 工程领域，并成为岩土工程技术发展史上的一个里程碑。 近年来，英国、澳大利亚等采矿业较发达的国家，注重锚索技术的应用和发展，在 较差的围岩条件下，为提高支护强度和效果，通常采用锚索做加强支护【l o 】。在交叉点、 断层带、破碎带和受采动影响难于支护的巷道中，都采用锚索做加强支护【l l 】。 我国的锚索加固技术始于6 0 年代，1 9 6 4 年梅山水库在右岸坝基的加固中首次成功 地应用了锚索加固技术【l2 1 。目前，锚喷技术已经成为我国煤矿巷道支护的主要形式之一， 而预应力锚索在锚固技术中也占有重要地位，己从原来的岩巷扩展应用于煤巷。尤其是 深井煤巷、围岩松散或受采动影响大的巷道、大硐室、切眼、交叉点及构造带等需要加 大支护长度和提高支护效果的地方，采用预应力锚索是非常行之有效的方法【1 3 】。 随着高产高效工作面，特别是综放的发展，煤层巷道中采用锚杆支护成为其重要的 技术支柱。由于综放面回采巷道断面大、围岩松软变形大，采用单一的锚杆支护以难以 适应。在煤层巷道中采用锚杆与锚索联合支护，变得越来越普遍【1 4 】。 4 1 绪论 锚索是采用有一定弯曲柔性的钢绞线通过预先钻出的钻孔以一定的方式锚固在围 岩深部，外露端由工作锚通过压紧托盘对围岩进行加固补强的一种手段。作为一种新型 可靠有效的加强支护形式，锚索在巷道支护中占有重要地位。其特点是锚固深度大、承 载能力高，将下部不稳定岩层锚固在上部稳定的岩层中，可靠性较大；可施加预应力， 主动支护围岩，因而可获得比较理想的支护加固效果，其加固范围、支护强度、可靠性 是普通锚杆支护所无法比拟的【l5 | 。 锚索除具有普通锚杆的悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用、楔固作用外，与普通 锚杆不同的是对顶板进行深部锚固而产生强力悬吊作用。 在采掘现场，对于围岩松动圈大，巷道围岩节理发育、顶板破碎及伪顶较厚等复杂 项板条件下的巷道支护，通过锚杆对松动圈内的围岩进行组合梁加固和锚索的补强支 护，将其锚固到顶板深部。 由于锚索支护给巷道顶板的高预紧力和它的高承载能力，使顶板由锚杆支护形成的 组合梁得到进一步加强，并将其牢固的悬吊在上部直接项或老顶内。同时，这种加强锚 杆支护所形成的组合梁对上部直接顶或老顶也进行了保护，阻止了它的下沉移动和松动 扩展。使相邻的锚杆、锚索的作用力相互叠加，组合形成了一个新岩梁。这个新的岩梁 厚度、刚度、层问抗剪强度增加，使顶板压力通过巷道煤帮向煤体深部转移。改善巷道 受力条件，使顶板得到有效控制，片帮问题也得到了较好的解决。 2 锚索支护的适用条件 一般情况下，I 、I I 类围岩条件不使用锚索。由于岩体的非均质性局部变化及大型硐 室或综采切眼的跨度等因素影响，也有局部少量使用。其使用主要是根据现场情况变化， 确定局部非均匀布置使用。锚索多使用在I I I 、Ⅳ、V 类围岩条件的巷道中，更多的使用 在Ⅳ、V 类围岩条件的巷道中。 3 锚索类型分析 目前在加固工程中使用的锚索类型种类繁多，按不同的分类方法可将锚索划分为不 同的类型，例如按外锚头的结构形式分为O V M 锚、Q M 锚、X M 锚、弗氏锚等；按锚 固段结构受力状态分为拉力型、压力型、荷载分散型、另外还有可拆除式锚索、观测锚 索等。 ①拉力型锚索 拉力型锚索的锚固段是采用纯水泥浆或水泥砂浆将锚固段部分的锚索体固结在被 锚固体的稳定部分，该类锚索采用二次注浆，第一次形成锚固段，第二次是在张拉后进 行，主要作用是确保张拉段锚索体的防护，同时也将锚索体的预应力通过浆体的粘结力 固结，一旦内外锚头失效也可保持预应力。拉力型锚索结构简单，施工方便，造价较低。 但是这种锚索作为永久性锚索，其防护性能差，内锚固段受力机理不尽合理，在内 锚固段上部应力集中，并随深度衰减，因此在锚固段上部大约在l ～3 米范围内浆体容易 5 西安科技大学硕士学位论文 开裂，特别是o l 米范围内钢绞线和浆体之间粘结力被剪切破坏，而且在垂直于锚固体 轴向出现可见的裂缝，而在1 ～3 米范围内则出现微缝，影响锚固效果。为了确保锚固力 往往要加长锚固段长度，这样反而增加成本，故此拉力型锚索不是最佳选择。 ②压力型锚索 压力型锚索与拉力型锚索的受力机理不同通过锚索尾部的P 型锚和承压板将张拉 荷载作用于内锚固段下部，使内锚固段的注浆材料承受压力，在轴向压力作用下注浆材 料径向膨胀，但该膨胀受到周围岩体约束，故而在浆体材料与孔壁之间产生挤压咬合力。 所以压力型锚索锚固力不仅取决于内锚固段注浆材料与孔壁的粘结力，而且还取决于两 者之间的挤压咬合力。因此与拉力型锚索相比，在相同长度的内锚固段条件下，前者具 有更高的承载力和更好的耐久性，并且由于压力型锚索施工采用一次性注浆法，这样既 减少了工序，又可在未张拉前提供一定的锚固力。 压力型锚索荷载分布的特点 a ．在锚索的根部荷载大，靠近孔口方向荷载明显变小，这样有利于将不稳定体锚 固在岩层深部，充分利用有效锚固段，从而可缩短锚索长度； b ．浆体受压，被锚固体受压范围更大，可提供更大的锚固力； c ．压力型锚索的锚索体采用无粘结钢绞线，因而多一层防护措施，如果采用镀锌 或环氧喷涂钢绞线外再包裹一层或二层高密度聚乙稀 即P E 套管，则令其具有更高防护 性能，故可作为永久性锚索； d ．抗震性能好。 ③荷载分散型锚索 目前使用的锚索结构一般为拉力型，也有少数采用压力型，以上两种类型，应力过 于集中传递到锚固段的局部部位，导致锚固体遭受破坏，即使压力型锚索，在承载板上 部0 ．2 5 ～0 ．3 米范围内的浆体也可能受压破坏。荷载分散型锚索，将施加的预应力分散在 整个锚固段上，使应力应变分散减小到确保锚固段不受破坏。这种类型的锚索种类多种 多样，大致分为拉力分散型、压力分散型、拉压分散型三种。 a ．拉力分散型锚索 拉力分散型锚索的锚索体均采用无粘结钢绞线，较简单的拉力型锚索是将处于锚固 段中不同长度的无粘结钢绞线末端按一定长度剥除高密度聚乙稀 P E 套管，即变为粘结 段，当浆体固结后，锚索预应力通过钢绞线与浆体的粘体传递给被加固体，从而提供锚 固力。 也有的无粘结钢绞线外套波纹管，还有的将波纹套管设在锚固段，并由多段组合， 波纹套管之问由接头套管连接，波纹套管与接头套管之间可相对滑动。在不同长度的无 粘结钢绞线末端，波纹管部位剥除与波纹套管同样长度的P E 套管。在波纹套管内外注 满浆体并固结后，对锚索体施加预应力时，通过粘结段与浆体的粘结力将预应力传递给 6 1 绪论 波纹管。因波纹套管与接头套管之间可以相对滑动，这个部位的软弱层，不承受预应力， 这样通过多段粘结段和波纹管段，把项应力荷载分散在被加固体上，从而达到荷载分散 的目的。另外，因多段接头套管部位不承受预应力，避免了软弱层产生压缩变形，如果 没有软弱层可不设置接头套管。 b ．压力分散型锚索 压力分散型锚索的锚索体也是采用无粘结钢绞线，较简单的压力分散型锚索结构是 在不同长度的无粘结钢绞线末端套以承载板和挤压套，当锚索体被浆体固结后，以一定 荷载张拉对应于承载体的钢绞线时，设置在不同深度部位的数个承载体将压应力通过浆 体传递给被加固体，这样对在锚固段范围内的被加固体提供被分散的锚固力。还有一种 压力分散型锚索是根据给锚索施加预应力时钢绞线均匀伸长这一性质，在一根或数根无 粘结钢绞线上，按一定间隔 视被加固体的承载力大小，设置间隔为l ～3 m 设置挤压 套承载板，挤压套为特殊可滑动结构。 C ．拉压分散型锚索 拉压分散型锚索是在两根 或四根 无粘结钢绞线下部剥除1 - 3 m P E 套管，变成拉力 型锚固段，在该端靠近剥P E 套管处安装可移动挤压套和承载板，变成压力型锚固段， 在另外两根 或四根 无粘结钢绞线上也按上两根那样处置，然后将它们编制在一起，编 索时无粘结段呈台阶状布置。这样就可以形成拉压分散型锚索，这可以提供比拉力分散 型、压力分散型更为均匀的锚固力，据实验可知锚索塑性滑移前其抗拔能力较拉力型锚 索、压力型锚索均有较大提高。 国内按锚固段受力状态分类，常用的锚索以拉力型为主，但拉力型锚索在锚固段上 部拉应力集中，导致浆体产生开裂，影响锚固效果，而压力型锚索和荷载分散型锚索克 服了拉力型锚索的不足，其受力机理合理，使得整个锚固段上粘结摩阻力应力分布较均 匀，从而充分地利用承载力较低土体的抗剪强度，使锚固体和被加固体提供更高更稳定 的锚固力。 1 ．3 锚杆支护机理的研究现状 锚杆支护技术早在2 0 世纪4 0 年代美国、前苏联就己在井下巷道中使用。经过几十 年的发展，美国、澳大利亚等国锚杆支护使用很普遍。澳大利亚锚杆支护技术已经形成 比较完整的体系，处于国际领先水平。在英国、德国、法国、俄罗斯锚杆支护都得到很 快发展。我国在1 9 5 6 年开始使用锚杆支护，迄今为止，已有5 0 年历史。锚杆支护机理 研究随着锚杆支护实践在不断发展，国内外已经取得大量研究成果。 1 悬吊理论L o u i sA ．P a n e k 于1 9 5 2 ～1 9 6 2 年间提出，锚杆的作用是将直接项板悬 吊到上部孥硬岩层。在软弱围岩中锚杆的作用是将直接顶板的破碎岩石悬吊在其上部的 自然平衡拱上，拱高可采用普氏压力拱理论估算。 7 西安科技大学硕士学位论文 悬吊理论能较好地解释锚固顶板范围内有坚硬岩层时的锚杆支护。但跨度较大的软 岩巷道中，普氏拱高往往超过锚杆长度，悬吊作用难以解释锚杆支护获得成功的原因。 2 组合梁理论德国J a c o b i n 等于1 9 5 2 年提出组合梁作用理论，其实质是通过锚 杆的径向力作用将叠合梁的岩层挤紧，增大层间的摩擦力，同时锚杆的抗剪能力也阻止 层间错动，从而将叠合梁转化为组合梁。 组合梁理论能较好地解释层状岩体锚杆的支护作用，但难以用于锚杆支护设计。在 组合梁的设计中，难以准确反映软弱围岩的情况，将锚固力等同于框式支架的径向支护 力是不确切的。 3 拱形压缩带理论T ．L ．V ．R a b c e w i c z 于1 9 5 5 提出安装锚杆后使巷道围岩中形成连 续的压缩带，锚杆的作用是使围岩中产生一定厚度的压缩带承受围岩压力的观点。美国 T ．A ．L a n g 和P e n d e r 7 0 年代提出锚杆的拱形压缩带作用原理，T ．A ．L a n g 通过二次元光弹 性试验证实了拱形压缩带的存在。与拱形压缩带理论相似的还有组合拱理论。 拱形压缩带理论揭示了软弱围岩中锚杆的作用，它与组合梁理论类似，拱形压缩带 的承载能力难以确定，且很难和锚杆锚固强度联系起来。 4 最大水平应力理论该理论由澳大利亚学者盖尔提出，该理论认为矿井岩层 的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般是最小 水平应力的1 ．5 - 2 ．5 倍。在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现 错动与松动而膨胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向 的岩层剪切错动。 5 锚杆作用机理的新研究近年来，国内外有不少学者开始另辟研究新思路，进 一步研究锚杆作用，主要包括以下一些理论【l6 】 加拿大I n d r a r a t n a 和K a i s e r 于1 9 8 9 ～1 9 9 0 年提出全长锚固锚杆的分析设计模型，通 过提高围岩的内摩擦角和内聚力来体现锚杆的锚固作用，按照简化的，线性本构关系和 H o k e ．B r o w n 破坏准则确定围岩的塑性区。 法国学者L a b i o u s 于1 9 9 4 年研究的锚杆支护的全部过程及支护设计的数值模拟法， 分析锚杆安设前围岩的状态、锚杆安设后锚杆与围岩的相互作用、锚固围岩体的平衡3 个阶段，以及锚固围岩体可能出现的五种应力状态。 美国S ．S ．彭和L ．B ．戈于1 9 9 5 年提出软岩巷道锚杆支护的设计方法，认为软岩矩形 巷道顶板有3 种破坏形式，采用边界元法研究了3 种破坏形式的主要影响因素，并对锚 杆的作用进行了分析。 孙学毅于1 9 8 4 年提出全长锚固无托板锚杆的力学模型，根据7 0 年代我国对砂浆锚 杆轴向力丰富的实测资料，提出了砂浆锚杆的力学模型，该模型1 9 8 3 年在国际锚杆支 护会议交流后，被国内外学者广泛引用。 王明恕于1 9 8 7 年用中性点理论根据锚固后静态锚杆的静力平衡关系，指出锚杆体 8 1 绪论 表面的剪应力方向不可能一致，存在剪应力为零的中性点，并给出了中性点的计算公式， 从而提出了全长锚杆的设计方法。 董方庭，宋宏伟等1 9 8 7 年提出了松动圈支护理论，对于锚杆支护的指导作用在于 确定各种经典锚杆支护作用理论的适用条件和范围，可操作性强。 孙钧、宋德彰于1 9 9 1 年提出的分