地下工程预应力锚杆支护数值模拟分析.pdf

山东科技大学 硕士学位论文 地下工程预应力锚杆支护数值模拟分析 姓名陈东印 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师连传杰 20050501 山东科技大学硕I 学位论文 摘要 摘要 预应力锚杆支护作为一种高效、经济的硐室加固技术，己H 益广泛地应用于各类地 下工程加固中。由于预应力锚杆加固围岩的作用机理比较复杂，到目前为止，对预应力 锚杆作用机理的研究仍处于探索阶段，还没有形成系统的理论体系，预应力锚杆支护设 计也l 主要依靠工程类比法来实现，理论严重滞后于实践，尤其是在煤矿巷道支护中表现 得尤为突出。本文根据煤矿巷道的围岩特点，利用预应力锚杆支护具有早承荷、快承荷、 可充分调动围岩自承载能力的特点，对煤矿中的采准巷道进行预应力锚杆支护研究。实 践表明，当锚杆施加一定预应力后，锚固项板可形成组合梁结构，减少顶板拉应力区和 顶板变形，并改善围岩应力分布状态，提高巷道的稳定性。 本文根据采准巷道的特点，建立了多个数值计算模型，利用有限元计算软件A N S Y S 对不同支护参数下的采准巷道进行了数值模拟研究，得到了预应力锚杆支护条件下巷道 的变形和围岩应力分布特征，根据定义的安全系数，可判定围岩的破坏区域和破坏程度。 最后结合枣庄和肥城矿区的工程实例，通过数值计算分析，确定了预应力锚杆支护的基 本参数，并对现场巷道支护方案进行了工程设计。 关键词预应力锚杆有限元采准巷道安全系数煤矿 t h 东科技大学硕士学位论文摘要 A B S T R A C T B e i n g a r te f f i c i e n ta n de c o n o m i c a lc a v e r n s u p p o r tt e c h n i q u e ，p r e s t r e s s e db o l ts u p p o r th a s b e e nw i d e l yu s e di nd i f f e r e n tu n d e r g r o u n dp r o j e c t s ．F o rc o m p l e x i t yo fi n t e r a c t i o nb e t w e e n b o l ta n ds u r r o u n d i n gr o c k ，i ti ss t i l li ne x p l o r i n gs t a g ea n dd o e sn o tf o r mp e r f e c t l yt h e o r y s y s t e m ．T h ep r e s t r e s s e db o l t i n gd e s i g nm a i n l yd e p e n d so ne n g i n e e r i n ga n a l o g ya n dt h ed e s i g n t h e o r ys e r i o u s l yf a l l sb e h i n dt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ee s p e c i a l l yi ne n t r ys u p p o r to f c o a lm i n e ． A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fe n t r ys u r r o u n d i n gr o c ki n c o a lm i n e ，t h ep r e s t r e s s e d b o l t i n gf o rd e v e l o p i n ge n t r yi nc o a lm i n eh a sb e e ns t u d i e db e c a u s et h ep r e s t r e s s e db o R p o s s e s s e st h ec h a r a c t e r so fe a r l yl o a d b e a r i n ga n dq u i c k l yl o a d - b e a r i n ga n dh i g hs u r r o u n d i n g r o c kl o a d b e a r i n ga b i l i t y ．T h ep r a c t i c ei n d i c a t e dt h a ta n c h o r a g er o o fc a nf o r mac o m b i n e d b e a ms t r u c t u r e ，r e d u c er o o ft e n s i l es t r e s sa r e aa n dr o o fd i s t o r t i o n ，a m e l i o r a t es u r r o u n d i n gr o c k s t r e s sd i s t r i b u t i o na n de n h a n c et h es t a b i l i t yo fe n t r ya f t e ras u i t a b l ep r e s t r e s si sa p p l i e dt ot h e b o I t ． A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fd e v e l o p i n ge n t r y , s o m en u m e r i c a lm o d e l sh a v eb e e n e s t a b l i s h e di n t h i sp a p e ra n dt h er o a d w a yd i s t o r t i o na n ds u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sd i s t r i b u t i o n h a v eb e e no b t a i n e db yu s i n gA N S Y St os i m u l a t ed e v e l o p i n ge n t r yi nd i f f e r e n tb o l t i n g p a r a m e t e r s ．A c c o r d i n gt os a f e t yf a c t o r , t h ed e s t r u c t i o na r e ao fs u r r o u n d i n gr o c kc a nb e d e t e r m i n e d ．A tl a s t ，t h ep r e - s t r e s s e db o l t i n gd e s i g n sf o rZ a o z h u a n ga n dF e i c h e n gh a v eb e e n a c c o m p l i s h e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ． K e y w o r d s p r e s t r e s s e db o l t ，f i n i t ee l e m e n t ，d e v e l o p i n ge n t r y , s a f e t yf a c t o r ，c o a lm i n e 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名呷为菇严1 了 日期 A F F I R M A T I o N Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． 些 型垫叁兰堡I - 兰些堡三 绪论 1 绪论 1 ．1 问题的提出 伴随着社会经济的迅速发展，人类对地下资源的开发利用也日趋广泛。面对如此浩 大的地下工程，如何安全、高效、经济地进行地下资源的开发直作为地下工程界需要 重点解决的技术难点，而其中的一个关键问题是如何经济、有效地保持地下硐室的稳定 性。预应力锚固技术是在预应力混凝土技术及楔式锚杆原理基础上发展起来的新的两点 式预应力结构⋯。其对于地下硐室周围的破碎岩体或坝基及高边坡岩体的加固，是通过 在岩体中钻孔并对孔中锚固的锚杆或铺索施加预应力，起到稳定岩体的作用。南于预应 力锚固技术的最大特点是尽可能少地扰动被锚固的岩体或土体，即不破坏原结构并通过 锚固措施台理地提高可利用岩体或土体自身的强度，变被动支护为主动支护，所以顸应 力锚固技术是一种高效、安全、经济的加固技术，因此受到工程界的高度重视并得到迅 速发展‘”‘⋯。 目前，预应力锚固技术已经应用剑地F 工程围岩加固、各种边坡加崮、各种建筑物 基础的加固、不稳定士体的加固，高层建筑物的深基坑加固以及结构物内部应力调整等 多个领域“1 ，其中应用最为厂‘泛和成熟的是各种边坡的加固。由于地下工程面临的地层 结构非常复杂、丁作空间也十分有限，预应力锚固技术在地下工程中的应用受到了限制， 发展比较缓慢，尤其是在像煤矿这样地质条件复杂、工作环境恶劣、安全事故多发的l 程中发展预应力锚固技术更为困难。至今，预应力锚吲技术在很多国家煤矿中的应用还 很不成熟，没有形成系统、成熟的理沧。现有的预应力锚固技术只是在少数国家部分煤 矿中得到了应用，由于此技术在各种规程中都没有明确和具体的规定，不具有可操作性， 在煤矿中主要采用的是工程类比法，没有统一的理论指导和科学依据，存在明显的不合 理忭，因此对预应力锚固技术的作用机理及合理参数设计进行研究具有重要的现实意义 【6 】 1 ．2 预应力锚固技术的发晨历史 1 ．2 ．1 预应力锚固技术在地下工程中的应用历史 在土木1 ．程建筑中，利用钢丝或钢绞线具有较高抗拉强度的特性，用于建筑和加固 各种工程已经取得良好的效果。在上世纪初，预应力锚杆就作为一种新的支护手段，用 各种工程已经取得良好的效果。在上世纪初，预应力锚杆就作为一种新的支护手段，用 坐墨型堡查堂堡圭兰些堡苎 垡堡 于西利西安的矿山开采。进入2 0 世纪3 0 年代以后，阿尔及利亚的舍尔法坝采用预应力 锚枵加固取{ 导了成功””⋯。到上世纪的5 0 ～7 0 年代，则有更多的【程应用了预应力锚杆 技术。预应力锚固技术近年来又得到了迅速的发展，目前已广泛应用于工业与民用建筑、 桥梁、矿山建设、大型地下硐室的围岩加固、坝基的加固，以及各种建筑物的维护和补 强。在国际上对单根预应力锚杆旌加的锚围力已达1 3 0 0 0 k N ，在我国也发展到了 1 0 0 0 0 k N 。1 。我国应用预应力锚杆技术加固基础始于2 0 世纪6 0 年代，是应用预应力锚杆 最早的领域，例如梅山水库大坝的加固，安装预应力锚杆l l O 根，共施加预应力2 7 7 1 4 0 k N 。 加同后，坝基抗滑稳定安全系数提高到1 ．0 5 ，满足了大坝稳定的要求，同时减少了渗漏 量。我国的预应力锚杆应用于地下工程是从上世纪7 0 年代开始的，1 9 7 2 年3 0 6 部队、 北京市市政工程研究所、海军后勤部设计研究局共同研制了6 0 0 k N 涨壳式预应力锚杆。1 ， 应用于地下飞机库，获得了良好的效果，首次显示了预应力锚固技术对大跨度地下工程 具有的优越支护作用。 实践证明，预应力锚固技术是一种先进的岩土加固技术，特别是对围岩软弱、薄弱 的部位，或围岩深部的构造对围岩稳定有影响时，或者由于围岩中的构造应力值较大出 现颦性变形时，采用预应力锚杆支护可以收到良好的效果。但是由于预应力支护技术在 地下工程的应用起步较晚，加之人们对预应力锚杆支护机理还没有完全弄清楚，因此预 应力锚杆的支护设计目前在很大程度上仍采用工程类比法“1 。 1 ．2 ．2 预应力锚固技术在煤矿中的应用历史 2 0 世纪5 0 年代中期，预应力锚固技术已经开始在煤矿井巷锚喷支护中应用，如胀 壳锚杆、倒楔锚秆、树脂锚杆、水泥卷粘结锚杆，均为端头锚固的预应力锚秆。尽管这 些锚杆应用数量很大，但其长度较短，钢材强度较低，因而施加的预应力较小，达不到 理想的效果，预应力锚固技术的发展也比较缓慢。1 。2 0 世纪7 0 年代末，美园首次将涨壳 式铺头与树脂锚固剂联合使用，使得锚杆能承受很高的预应力，同时锚杆的直径和强度 有了进一‘步的提高 直径达到2 2 m m 和2 5 m m ，强度达到5 1 7 M P a ，锚杆的高预应力可以达 到杆体本身强度的5 0 ％～7 0 ％。现在美国煤矿巷道锚杆的预应力一般为l O O k N 左右，可 很好地控制巷道层状顶板的离层。另外，英国研制的锚固力达5 0 0 k N 的“大锚杆”，也在 巷道支护中取得了成功和推广”1 。由于高预应力锚杆能够有效控制顶板的离层，因而巷 道的顶板变形就能得到有效控制，安全状况得到改善。采用预应力锚杆可以加大锚杆的 阳J 排距，减少锚杆的用量，提高掘进速度，降低掘进成本，具有巨大的发展空间和良好 的发展前景。 2 生查登垫查兰堡圭堂垡笙苎堕堕 由于我国煤矿的地质条件相对较复杂，含煤地层的围岩比较软弱且破碎，而且多种 锚固视具的配套设备不够完善，因此预应力锚杆在煤矿中的应用和发展受到了很大的限 制，现在还很不成熟、不完善。尽管现在已有少数煤矿采用了预应力锚杆来加固巷道围 岩，但由于预应力锚固技术的作用机理比较复杂，没有统一的认识，主要采用工程类比 法进行设计，存在很大的不确定因素，预应力锚固技术的优越性得不到充分体现。虽然 预应力锚固技术在煤矿中的应用发展较慢且存在很多问题，但其良好的支护效果已经被 国内外的矿山支护实践所证实。随着煤矿开采深度的增加以及巷道断面的增大．原有棚 式支护以及普通锚杆支护方式已经滞后于煤矿生产高产商效的需要，预应力锚秆的优势 将得到进一步的体现，具有良好的应用前景。 1 ．3 预应力锚杆作用机理的研究现状 到目前为止，对预应力锚杆作用机理的研究仍处于探索阶段。早期，一般认为锚杆 具有悬吊作用、组合梁作用和挤压加固作用，与此相对应提出了传统的三种锚杆支护理 论，即悬吊理论、组合梁理论、组合拱 压缩拱 理论“⋯。由于每一种理论都是在特定 的条件下，以一定的假说为基础的，各自从不同的角度阐述了锚杆支护的作用机理，具 有特定的适用条件。近年来，人们根据不同的岩体强度理论，对锚杆的作用机理进行了 多种理解和解释，如从岩体塑性理论上分析，认为锚杆具有限制岩体流变松弛的作用； 从脆性断裂强度理论上分析，认为锚杆具有降低裂隙尖端应力强度因子的作用；从损伤 理论分析，认为锚杆可以降低岩体节理面损伤因子，增加承载面积，降低节理岩体的有 效应力的作用。同时，人们以弹性、弹塑性、粘弹性力学为基础，在锚杆的计算方面进 行了有益的探索。如王明恕在试验和理论分析的基础上提出了全长粘结式锚杆的“中性 点”理论；杨根社、何唐镛提出了戴垫板锚秆的中性点公式；葛友庭、黄新良以弹塑性 力学为基础，推导出了锚固区的应力分布，即M i n d i n - - B o u s s i n e s p 解等，但是由于预应 力锚杆与围岩的作用机理比较复杂，至今尚无统一的结论，其作用机理值得进一步分析 研究。现在人们认识到从理论上探索预应力锚圃作用机理存在一定困难，因此很多研究 1 i 作者把研究工作转向数值计算和模型试验方面，取得了一定的成果“‘”～”’。 在模型实验方面，苏锦昌通过光弹实验，分析了预应力压缩区范围与锚杆长度和间 距的关系，但由于模型的尺寸较小，受模型和模拟材料的影响，其成果只能定性地反映 这一问题。顾金才、沈俊 1 9 9 1 年 进行了单根预应力锚杆的模拟实验，获得了预应力 锚杆加固区围岩纵向应力分布和锚固区的形状“1 。近些年，很多学者在现场通过对预应 R 坐查型壁奎兰堡主兰笪笙壅堕堡 力锚杆实际测试，得到了预应力锚杆的轴力分布规律，所以这些实验工作虽然有一定的 局限性，但这些工作都为预应力锚杆 索 作用机理的研究提供了有益的指导作用。 近年来，随着计算机技术的飞速发展，以有限单元法为代表的数值计算方法在很多 领域得到了广泛应用。岩石力学问题的数值计算方法主要有有限单元法、有限差分法、 边界单元法及离散单元法⋯1 。由于地下工程的地质条件复杂多变，无论是理论分析或是 模型实验方法都很难求得精确解，而且也不利于现场技术人员理解。实践证明，在模拟 岩土体的复杂状态及锚杆的支护作用方面，数值计算方法为问题求解提供了有效的计算 方法。但是，在数值计算前，力学模型与力学性质参数的确定需要有岩石力学理论指导 以及现场实测的原始数据。现在很多地下工程采用了数值计算的软件对工程迸行设计， 其工作思路为首先深入现场提取原始数据，然后进行数值模拟，确定设计方案，最后 进行现场监测检验，修改设计，确定最终设计方案。这种方法已经为很多现场技术人员 所接受，具有很大的灵活性，适应性强，结果较准确”“。 1 ．4 本文研究的主要内容 本文主要研究预应力锚杆在地下工程中的作用机理，根据不同的围岩条件，用大型 有限元计算软件A N S Y S 模拟预应力锚杆在不同支护参数作用下的围岩变形情况以及巷道 围岩中的应力分布情况，根据模拟结果分析、总结预应力锚杆对围岩的支护效果，确定 主要影响因素，然后根据具体条件结合数值计算的结果确定合理的支护参数，提出系统 的锚杆支护工作程序，结合煤矿巷道支护的】程实例，根据实际的围岩条件和巷道的形 状、尺寸等因素，结合以上的理论分析和A N S Y S 模拟的结果，得到合理的预应力锚杆支 护参数，并对巷道支护进行初步设计，使巷道支护设计经济、有效。 本文完成的主要工作包括 1 分析地下工程中围岩的特点、巷道的变形破坏机制以及锚杆的作用机理。 2 在理论分析和数值模拟的基础上研究预应力锚杆与围岩的相互作用机理。 3 利用大型有限元计算软件A N S Y S 对预应力锚杆支护的采准巷道进行模拟分析， 总结预应力锚杆加固巷道的特点，分析围岩的应力分布特征，确定合理的锚杆支护参数 和工作程序。 4 利用分析获得的规律，结合工程实例进行采准巷道的数值计算，确定支护设计 的基本参数，然后进行初步支护设计。 山东科技人学碳士学位论文 预应力锚杆与围岩的作用机理研究 2 预应力锚杆与固岩的作用机理研究 2 ．1 地下工程中巷道围岩的变形破坏特征 由于地下工程旌工的需要，需要在地下挖掘一定的空间，并要保持该宁间的稳定性。 由于空间的开掘，破坏了原岩的应力平衡状态，致使围岩由原来的三向应力状态，变为 、向甚至单向应力状态，使围岩的岩石强度大大降低，并产生应力转移、集中，使空间 周围的岩体发生变形甚至破坏。 ～般情况下，空间开挖后，空间围岩的破坏由表及里发展，根据破坏程度和继续变 形的能力不同，可以把空间周围的岩体分为四个区第1 区为完全丧失了结构能力，成 为破碎的岩块，无法承受继续变形，且因重力作用可随时冒落的破碎区；第1 I 区为具有 一定的破坏程度，但仍具有一定的变形能力，可承受部分外载，在围岩的维护期限内不 会转变为第1 区的塑性区；第1 I I 区为受较小甚至不受空间开挖影响的弹性区，它具有较 大的变形能力，可咀承受较高荷载；第1 v 区为原岩应力区，如图2 ．1 。 陶2 ．1 圆形巷道围岩破坏示意图 F i g ．2 ．ID i a g r a m m a t i cd r a w i n go f c i r c u l a rr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c kc r a c k 对于煤矿这个特殊的地下工程而言，巷道围岩的层状结构明显，且围岩的强度～般 偏低，部分巷道还会受采动压力的影响，会再次产生应力集中。煤矿中巷道顶板的破坷、 主要是由于岩层的破裂和离层引起的。因此，如何控制煤矿巷道的顶扳破裂和离层的发 坐堑型垫_ 犬堂堡主兰竺堡圣翌壁塑堕堑量璺量塑堡塑塑型竺型 生是控制巷道稳定的关键因素。在巷道掘进的短时间内，围岩的弹性变形和塑性变形已 经基本结束，维护巷道围岩的目的就是阻止围岩的进一步变形破坏。 图2 ．2 是巷道开挖后围岩变形与支护抗力P 之间关系的特征曲线。由特征曲线可以 看出，要求围岩产生的变形越小，需要的支护抗力越大。当围岩变形超过允许值时，围 岩就产生破坏，形成作用于结构体上的“松散压力”，此时支护结构的荷载反而增大。在 特征曲线的K 点处进行支护，则是以最小的支护抗力维护围岩稳定，及时有效地限制围 岩有害变形的发展。采用预应力锚固技术可以及时均匀地提供支护抗力，有效地限制围 岩有害变形的发展，维护围岩的整体稳定“1 。 u E U 图2 ．2 巷道围岩变形与支护特征线 F i g ．2 ．2T h ec h a r a c t e r i s t i cC U l a ／eo f s u r r o u n d i n gr o c kd i s t o r t i o na n d i t ss u p p o r t 2 ．2 预应力锚杆加固围岩的机理分析 2 ．2 ．1 锚杆支护的理论基础 常用的锚杆支护理论有悬吊理论、组合梁理论、组合拱 压缩拱 理论、最大水 平应力理论。这些理论都是以一定的假说为基础，各自从不同的角度、不同的条件阐述 了锚杆支护的作用机理。由于其力学模型简单，计算方法简明易懂，因此得到了很多技 术和施工人员的认可。近年来，又提出了巷道锚杆支护围岩强度强化理论，进～‘步丰富 了锚杆支护理论，扩大了锚杆支护技术的范围。。“”。“’““⋯。 1 悬吊理论 悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上， 以增加较软弱岩层的稳定性，如图2 ．3 所示。悬吊是锚杆最简单、最基本的作用。 笔者认为悬吊应分为广义悬吊和狭义悬吊两个方面。广义的悬吊是指巷道开挖后， 直接顶因弯曲、变形与老顶离层，锚杆的作用就是把直接顶挤压并悬挂在坚硬老顶上， 6 坐奎型垫盔堂堡主兰竺丝兰堡坐塑堂堑兰璺量塑堡旦塑兰堕窒 以减小和限制直接顶的下沉和离层，其典型的应用是大型地下工程的锚索加固。狭义的 悬吊是指锚杆的头部锚固在巷道周围塑性区 或松动圈 外的稳定岩体里，其需要的锚 杆长度要比广义的悬吊的锚杆长度短很多，它是高预应力短锚杆能够得到应用的理论基 础。广义的悬吊包括了狭义的悬吊，只是二者的适用性有差别。 图2 ．3 锚杆的悬吊作用 F i g ．2 ．3H a n g i n gf u n c t i o no f b o l t 悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用，在分析过程中不考虑围岩的自承载能力， 而且将被锚固体与原岩分开，与实际情况有一定差距a 2 组合梁理论 如果项板岩层中存在若干分层，顶扳锚杆的作用包括两个方面，一方面是依靠锚杆 的锚固力增加各层问的摩擦力，防止岩层沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象另一 方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪强度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚 固范围内的几个薄岩层锬紧成为一个较厚的岩层 组合粱 。 对于平顶巷道的层状岩石顶板，可以看作是以巷道两帮为支点的叠合梁，在荷载作 用下，叠合梁各层岩石都有各自的单独弯矩，每层岩石的上、下边缘分别处在受压和受 拉状惫。组合粱前后的挠度及内应力对比强如图2 ．4 所示。 由材料力学知识可知，当叠合梁各岩层的弹性模量相同时，组合梁所受到的最大拉 应力及挠度与叠合梁的比值分别为 F h 2 旦墼笪‘ 2 ．1 ‰’隆囊] 2 【J 东科技人学硕上学位论文 预应力锚杆与围岩的作用机理研究 图2 ．4 组合粱形成前后的挠度及内应力对比图 F i g ．2 ．4D e f l e c t i o na n di n t e r n a ls t r e s sc o n t r a s td i a g r a mo f c o m b i n e d b e a mf o r m e db e f o r ea n da f t e r { c l t 2 ．2 式中o - ⋯组合梁的最大拉应力，P a o 。。，叠合梁的最大拉应力，P a ； 正组合粱的挠度，m ； ／；叠合粱的挠度，m ； h i 各层岩层厚度，m ； “ 岩层总数，层。 当巷道顶板锚杆加固范围内各岩层厚度相同时，组合梁的最大拉应力及挠度分别是 叠合梁应力及挠度的I ／n 与1 ／n 2 。由此可以看出，经锚杆锚固形成的组合梁能大大降低 岩石中的应力和减小顶板下沉量，这就是预应力锚杆初锚力大小不同，锚固效果差别较 大的理论基础。 组合梁理论是对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释。在分析中，将锚杆作用与 围岩的自稳作用分开，与实际情况有一定差距，并且随着围岩条件的变化，在顶板较破 碎、连续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。 3 组合拱 压缩拱 理论 组合拱理论认为在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形 成圆锥形分布的压应力，如果巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形 ]|]J ， 一Pl， 曩一缸 。∑旦。∑Ⅲ 一／，●●●●L 生变壁堡查堂堕兰堂竺堡苎 堡些生垡堑．皇堕童塑堡里型 矍竺窒 成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个 承{ 鞋拱可以承受箕上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压， 处于三向受力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大，如图2 ．5 所示。 组合拱理论在一一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理，但在分析过程中没有深入考 虑嗣岩与支护的相互作用，只是将各支护结构的最大支护力简单相加，缺乏对被加固岩 体本身力学行为的进一步分析探讨。 图2 ．5 锚杆绢台拱理论示意图 F i g ．2 ．5B o l tc o m b i n e da r c ht h e o r yd i a g r a m m a t i cd r a w i n g 4 最大水平应力理论 最大水平应力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，最大水平应力一般为最小水平应力的1 ．5 ～2 ，5 倍。巷道顶底板的稳定性主 耍受水平应力的影响。 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 成固岩变形，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，因 此要求锚杆必须具有强度大、刚度大、抗剪阻力大的能力，才能起到约束围岩变形的作 t E | { 。 最大水平应力理论主要论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护 所起的作用。随着高预应力锚杆的应用，水平应力对巷道的稳定性不再是一种完全有害 的冈素，它在特定条件下有助于减少顶板的下沉。由于受到煤层赋存条件和开拓方式的 影响，巷道布置很难与最大水平应力方向平行，且在巷道开拓以前，很难准确判定莱点 最大水平应力的大小和方向，因此，笔者认为该理论实用性不强。 5 锚杆支护围岩强度强化理论 锚杆支护围岩强度强化理论认为在围岩巷道中系统地布置锚杆后，可以提高围岩 的整体强度，形成承载结构，改善围岩的应力状态，减少巷道表面的位移，控制围岩破 日 当薹型垫奎兰堡主兰垡堡塞 堡生垄壁堑兰里童塑笪里垫堡塑壅 碑区和塑性区的发展，从而保持巷道围岩的稳定性。 锚杆支护围岩强度强化理论主要论述了锚杆对提高围岩峰值后强度和残余强度的作 j 日，比较客观地揭示了锚丰T 在支护破碎围岩中的作用。虽然铺杼支护围岩强度强化理论 比较全面地反映了锚杆支护的作用机理，但由于其影响因素较多，可操作性差，应用不 方便。 2 ．2 ．2 预应力锚杆加固围岩的作用机理分析 由于地下工程的加固对象复杂多变，尤其是像煤矿这样的地质条件，预应力锚杆加 同围岩的作用机理变得更加复杂。预应力锚杆的受力状态随着地应力的大小和方向的变 化而变化，同时随着围岩的变形而不断变化，尤其是回采巷道，因受到动压和重复采动 的影响而发生拉、剪、扭等多种作用。由于预应力锚杆的作用机制比较复杂，很难用单 一指标来衡量预应力锚杆的作用，而要根据具体的地质和采矿条件来分析其主要作用。 笔者认为预应力锚杆对围岩的加固作用主要有四个方面“’8 ’“⋯ 1 对围岩表面提供支护抗力，限制围岩变形向巷道中心方向发展。 预应力锚杆对围岩的整体加固作用主要是利用钢材具有较高的抗拉强度和一定的抗 剪强度加固围岩。随着巷道开挖的完成，围岩的弹性变形和塑性变形即告结束，要维护 巷道空间的稳定，必须限制围岩的进一步变形，即剪胀变形的发展。预应力锚杆正是在 巷道开挖完成时及时地给围岩比较高的初撑力，有效阻止了围岩剪胀变形的发展，它强 调的是早承载、快承载。这一点可以通过预应力锚杆的支护特征线得到很好解释，如图 2 ．6 所示。 o 图2 ．6 预应力锚杆支护特征线 F i g ．2 ．6 T h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f p r e - t e n s i o n e db o l ts u p p o a 预应力锚杆的荷载由两部分组成，即张拉荷载和变形荷载，其支护特征线方程可表 示为”1 盯r 生 兰△“r 2 ．3 a ba b l n 当查型丝查兰堡兰堂竺笙苎堕窒垄壁堑量璺堂箜堡旦堡些竺至 式中 盯‘预应力锚杆施加在巷道壁上的平均径向压应力； P ’单根预应力锚柑。的张拉荷载； K 预应力锚杆的刚度； △“’巷道围岩的径向位移； a 、b 预应力锚杆的问、排距。 由以上可知，预应力锚杆的初始锚固力来自于张拉荷载，因此属于主动支护形式， 而且可以根据需要提供很高的支护反力，达到控制围岩剪胀变形发展的目标，减少和消 除了离层的发生。高预应力锚杆对提高顶板承载能力和控制顶板位移具有重要作用。 2 加固围岩，使破碎区及塑性区的岩体整体化，使其形成具有较高承载能力的组 合梁和组合拱。 对于破碎区的岩块，～方面在锚杆的高预应力作用F ，岩块之间的裂隙闭合、滑移 面上的摩擦力增大，另一方面，由于锚杆是一种典型的异质包体，它在岩体中超到了“销 钉作用”，增大了破坏面的抗剪强度，相当于提高了破坏面的等效凝聚力。对于煤矿中面 临的典型的层状结构地层，由于预应力锚杆的高预应力作用，将巷道顶板锚固范围内的 数个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层，即成为一个组合梁，其最大弯曲应变和应力均大大 减小，组合梁的挠度也较小““。 只要锚杆的问排距设置合理，在预应力锚杆的加固范围内就会形成一个均匀的压缩 带，即承压拱，由于承压拱的岩石处于三向受力状态，其围岩强度得到了提高，可以承 受较高的径向载荷。 3 改善围岩应力场和岩体的受力状态。 井下巷道的开挖，改变了围岩的原始应力状态。在围岩中设置预应力锚杆后，将在 围岩中产生附加的锚固应力。尤其在锚杆群作用下，围岩又变成了三向应力状态。⋯。由 于岩石的抗压强度远大于其抗拉强度，可通过调整围岩的应力状态来有效地提高围岩的 稳定性。实践表明，当围压为零时，残余强度接近于零当围压为t M P a 时，残余强度约 为9 M P a ；随着围压的增高，岩石的应变软化程度逐步降低，残余强度逐步增大，尤其是 当围压在O ～1 M P a 范围内变化时，残余强度表现出对围压很强的敏感性，即围压稍微增 大，残余强度增长很快”1 。 根据弹塑性理论，巷道开挖后，围岩将产乍二次应力分布，结果为巷道周围岩体的 径向应力减小，切向应力增大，这种应力分布状态将导致围岩产生压剪破坏。在岛预应 l l 些查型堇查兰堡兰兰堡堡苎堡坚尘堡量皇望童塑堡旦坐堡竺堑 力锚轩的作用下，围岩的径向应力加大，径向应力的增大使应力分布趋向均匀，应力集 r 卜减缓，固岩的二次应力分布得以改善，而且使拉应力区向围岩内部转移，有利于巷道 的稳定。 4 提高围岩的力学参数，使岩石具有较高的强度，岩体整体作用加强。 巷道掘进后，周边围岩向临空面移动，巷道周边附近发生较大的变形，在O ～2 ．5 m 范围内产生第一张拉区，岩石的粘聚力C 、内摩擦角p 、弹性模量E 等均下降，用预应 力锚杆加固后可以有效提高岩石强度，限制第一张拉区的发展，维护围岩的稳定“o 】。 实际的预应力锚杼作用应该是以上四个方面的耦合作用，只是出于某个特定的围岩 条件，某一方面的作用占了主导地位，锚杆的设计就应以占主导地位的因素为依据进行。 2 ．2 ．3 预应力锚杆的受力特点分析 预应力锚杆是通过对锚杆进行预张拉，安装后即对围岩体施加一定的支护抗力的支 护方式，因此预应力锚杆的轴力由张拉荷载和由于巷道开挖引起的变形荷载两部分组成。 根据文献[ 1 7 ] 对预应力锚固区应力的计算，沿锚杆方向应力呈两头大，中间小的趋 势，将其与地层变形荷载引起的锚杆轴力叠加后，预应力锚杆轴力呈现图2 ．7 的分布形 态““。 锚昆 锚火 图2 ．7 预应力锚杆轴力图 F i 9 2 ．7A x i a ls t r e s sd i a g r a mo f p r e - t e n s i o n e db o l t 从示意图可以看出，预应力锚杆轴力沿轴向分布比较均匀，在近孔口处轴力略大， 锚头部也稍大。这就要求预应力锚杆的锚固剂质量要好，防止锚头因轴力变大而使锚杆 失效；锚杆尾部的轴力大可以通过改善托盘、尾部螺纹热处理等方法得至O 解决。经过改 造的预应力锚杆可以看作是准等强锚杆，使锚杆的承载能力得到了充分地利用。 2 ．3 预应力锚杼支护存在的问题及发展方向 2 ．3 ．1 预应力锚杆支护面临的问题 山末科技人学硕士学位论文预应力锚杆与尉岩的作用机理研究 目前，预应力锚杆在我国煤矿中的应用还很不成熟，主要存在如下几个方面的问题； 1 预应力锚杆支护设计方法不完善 由于预应力锚固技术的支护机理比较复杂，人们对预应力锚固技术的锚固机理的认 以还不统一。根据不同的支护机理，提出了不同的支护方法，这给预应力锚固技术的推 广造成了很大的不便。目前，在我国大部分的煤矿支护设计中主要采用工程类比法、简 单的理论计算法等”1 ，这些方法易于被工程技术人员理解和利用。由于预应力锚固技术 在我国煤矿巷道支护中的应用较少，采用丁程类比法推广使用比较困难。今后应采用实 验、理论计算、数值模拟等方法来迸一步研究预应力锚固技术的锚固机理，为预应力锚 杆支护设计提供理论基础，逐步完善预应力锚丰T 支护设计方法“⋯。 2 现有锚杆的预应力较小 目前，国内煤矿普遍采用的是普通螺纹钢筋锚杆，由于其