锚杆支护金属网力学性能与支护效果研究.pdf

分类号 U D C 学校代码 密级 硕士学位论文 锚杆支护金属网力学性能与支护 效果研究 S t u d y o nM e c h a n i c a lP r o p e r t i e sa n d S u p p o r t i n gE f f e c to f W i r eM e s hi nR o c kB o l t i n g 导 学科专业墨芷王捏 煤炭科学研究总院 2 0 11 年4 月 独创性声明和使用授权声明 ．0 9 ．0 1 毕业时间主 竺 学位论文独创性声明 密级 甥聊 本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写 的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。。 论文作者 签名 ．歹壬杰鹰 沙l J 年} 月／口日 学位论文使用授权声明 本人完全了解煤炭科学研究总院关于收集、保存、使用学位论文的规定。本 人愿意按照总院的要求提交学位论文的印刷本和电子版。 总院有权保留学位论文印刷本和电子舨，或采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文；总院有权将论文放入总院档案管理部门供查阅。在不以营利 为目的的前提下，总院有权向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版。总院有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。总院有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的论文在解密后遵守此规定。 翩c 签鼽杯龟。文作者c 签鼽 沙l } 年} 月／* R砂1 7 年j 月f 。日 孙客磊 霪 黑 魁黼槛 删 粼㈣雠 ㈥ 必㈣继 ㈣ 煳澍剐 黼 一删融 麟 谳题 凇 删趣 煤 徽渊粼姗燃凇 煤炭科学研究总院硕士学位论文 摘要 本文针对煤矿井下锚杆支护金属网的变形和破坏形式，对锚杆支护金属网 在均布力状态下的受力变形情况进行了理论分析，阐述了金属网的传力机制和 护表机理，计算了网丝张力和挠度之问的关系，分析了金属网的受力特点和破 坏形态；采用A N S Y S 数值模拟软件计算分析了金属网在不同类型、尺寸、网 丝直径、受载面积、托板面积、锚杆间排距、承载位置、支护方式八个影响因 素下的受力变形分布；研制了专用的金属网变形破坏实验台，对煤矿常用的三 类锚杆支护金属网进行了实验室试验，得出不同支护方式和不同锚杆排距下三 类金属网提供的最大护表能力，分析了不同联网方式对金属网强度利用率的影 响，测试和计算了金属网承载时网丝的受力，提出了提高金属网支护效果的方 法和途径。 关键词锚杆支护；金属网；力学性能；数值模拟；实验室试验影响因素 煤炭科学研究总院硕士学位论文 A b s t r a c t T h et h e s i sh a ss t u d i e dt h ed e f o r m a t i o na n db r e a k i n gm o d eo fw i r em e s hi nb o l t s u p p o r t ．T 1 1 el o a ds t a t eo fw i r em e s h h a sb e e nt h e o r e t i c a l l ya n a l y z e do nt h ec o n d i t i o n o fu n i f o r ms t r e s s ，a n dt h ef o r c ed i s t r i b u t i o na n ds u r f a c es u p p o r tm e c h a n i s mh a v e b e e nb u l i t ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nl o a d c a r r y i n gc a p a c i t ya n dd i s p l a c e m e n to fw i r e i sc a l c u l a t e d ，a n dt h el o a dc h a r a c t e r i s t i c sa n db r e a k i n gm o d eo fw i r em e s hh a v eb e e n p o i n t e do u t ；As e r i e so fn u m e r i c a l 丽也A N S Y Sh a v eb e e nc o n d u c t e dt od i s c u s st h e d i s t r i b u t i o no fl o a da n dd e f o r m a t i o no nd i f f e r e n tc o n d i t i o n so ft h r e ek i n d so f m e s h e s d i m e n s i o n ，w i r ed i a m e t e r , l o a da r e a ，b e a rp l a t ea r e a ，b o l ts p a c i n ga n dl o a d s i t e ，s u p p o r tm o d e ；S p e c i a ll o a d - d e f o r m a t i o ne x p e r i m e n tt a b l eh a sb e e nb u i l t ，a n d t e s t so nt h el o a da n db r e a ko ft h r e ek i n d so fm e s h e si nc o m m o nu s eo nm i n es i t e h a v eb e e nc o n d u c t e di nt h el a b o r a t o r y , a n dm a x i u n ls u r f a c es u p p o r to ft h em e s hi s m o n i t o r e do nd i f f e r e n ts u p p o r tm o d e sa n db o l ts p a c i n g s ，a n dt h ee f f f e c t so fm e s h c o n n e c tt y p ea r ea n a l y z e do nt h ei n t e n s i t yu t i l i z a t i o nr a t e ，a n dt h el o a do nt h ew i r e a r ec h e c k e da n dc a l c u l a t e dd u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，a n dt h em e a s u r e so fi m p r o v e m e n t h a v eb e e np r o p o s e dt or a i s es u p p o r t i n ge f f e c to ft h em e s h ． K e y w o r d s r o c kb o l t i n g w i r em e s h m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；l a b o r a t o r yt e s t s ；a f f e c t i n gf a c t o r s I I 煤炭科学研究总院硕士学位论文 目录 l 绪论．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯．．．．．⋯．．．⋯⋯．．．．．⋯．．．1 1 ．1 论文研究的背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 文献综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 锚杆配套构件研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 金属网的分类⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 菱形金属网的几何与力学参数．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．4 金属网对围岩的稳定作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．2 ．5 金属网受力分析研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．2 ．6 金属网实验室试验研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 1 ．3 存在的主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 1 ．4 主要研究内容与预期目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 1 ．5 研究方法和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 锚杆支护金属网的力学理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．1 引言⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．1 8 2 ．2 锚杆之间不稳定载荷的估算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 2 ．3 金属网受力变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．3 ．1 金属网的受力分析．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．2 金属网的破坏形式．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．3 金属网变形分析⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．2 0 2 ．4 小结．．⋯⋯．．⋯⋯．．⋯．．．．．⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯2 3 3 金属网受力弓变形的数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．1 有限元分析模型及模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．1 ．1 有限元分析模型．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．1 ．2 模拟方案⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 不同类型的金属网模拟⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．2 5 3 ．3 不同长度的金属网模拟⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．4 不同网丝直径的金属网模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 3 ．5 不同受载面积的金属刚模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．6 不同面积托板支护下的金属网模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 煤炭科学研究总院硕士学位论文 3 ．7 不同锚杆间排距下金属网模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．8 不同承载位置的金属网模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 3 ．9 不同支护方式下的金属网模拟．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 3 ．1 0 小结．⋯⋯．．⋯．．．．．⋯．．．．⋯．．⋯⋯．．．．⋯⋯．．⋯⋯．4 4 4 金属网受力与破坏的实验室试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．1 金属网变形与破坏形式⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 4 ．1 ．1 金属网弯曲与兜状变形⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．4 6 4 ．1 ．2 联网绑丝断裂导致的金属网失效⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．1 ．3 支护构件剪切作用导致的金属网破坏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．2 试验装置的设计与研制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 试验台工作原理．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 4 ．4 钢筋网试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 4 ．4 ．1 钢筋网的极限承载力试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．4 ．2 不同支护方式下钢筋网试验．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．4 ．3 钢筋网中间联网试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 4 ．4 ．4 钢筋网的滑移和扭曲变形⋯．⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯．⋯．．6 5 4 ．5 菱形网试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 4 ．5 ．1 不同支护方式下菱形网试验．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯．6 6 4 ．5 ．2 不同锚杆排距下菱形网试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 4 ．6 经纬网试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 4 ．6 ．1 经纬网的极限承载力试验⋯．．．．⋯．．．．⋯⋯．⋯．．⋯．．．7 3 4 ．6 ．2 不同支护方式下经纬网试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 4 ．6 ．3 不同锚杆排距下经纬网试验⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯．．．7 8 4 ．7 小结⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．．．8 0 5 结论与展望⋯．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．⋯8 3 5 ．1 主要结论⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．8 3 5 ．2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 附件．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．．．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 0 I l 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 论文研究的背景与意义 巷道支护技术是煤炭开采中的一项关键技术，合理、安全、可靠的支护技术 是实现矿井高产高效的必备条件【l 训。到目前为止，锚杆支护已经成为煤矿巷道 首选的、高产高效的主要支护方式。由于这种支护方式具有支护成本低、支护效 果好、劳动强度低、旌工速度快等诸多优点，它的广泛采用给煤矿企业带来巨大 的技术经济效益吲。 锚杆支护技术发展日益成熟，支护理论从传统的悬吊理论、组合粱理论、组 合拱理论发展到最大水平应力理论、围岩强度强化理论、锚杆支护扩容一稳定理 论等，对巷道锚杆支护设计起到了积极的指导作用。锚杆支护构件也日益发展完 善，包括杆体、托板、螺母、锚固剂、钢带、金属网等，如图1 - 1 所示。 目1 ．I 锚朴支护构件图 随着矿井埋深不断增加和地质条件日益复杂化，世界上先进的采煤国家纷纷 加大锚杆支护技术的研究力度，不仅坚持以锚网支护为主导方向，而且从锚杆杆 体材质及配套构件 螺母、托板、钢带、金属网 等方面日益向高强度、高刚度 材料发展{ ”。北京开采设计研究分院近年来首次提出锚杆支护系统精细化研究[ 6 1 问题，并在全国范围内率先开展研究工作，将锚杆支护系统中各影响因素、各构 件分项进行深入研究。本文开展金属网力学性能及支护效果研究，该工作对提高 锚杆支护效果、保证巷道安全具有重要的意义。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 ．2 文献综述 1 ．2 ．1 锚杆配套构件研究现状 锚杆支护中与锚杆配套使用的构件包括托板、钢带、金属网、螺母、锚固剂 等，锚杆支护的作用是锚杆与由这些构件共同完成的[ 7 ‘12 1 。因此，对这些构件的 发展现状进行分析是非常有必要的。 1 强力锚杆杆体 超高强度树脂锚杆钢材的开发在国内外取得了显著的成就，为了大幅度提高 锚杆强度，北京开采设计研究分院开发了专用强力锚杆钢材配方，设计了 B H R B 5 0 0 ，B H R B 6 0 0 的螺纹钢筋‘1 0 , 1 3 - 1 8 】，达到了高强度和超高强度级别。 巷道矿压与支护技术研究所吴拥政[ 1 4 , 1 9 1 1 程师在其硕士论文研究了锚杆杆 体的受力状态及支护作用，对锚杆杆体在复合应力状态下的受力情况进行了理论 分析，建立了杆体危险断面的力学模型，采用A N S Y S 数值模拟软件计算分析了 杆体受拉、受弯、受剪、受扭及组合作用下的应力分布，对井下锚杆支护方案的 优化起到了积极的指导作用。 2 锚杆预应力与巷道支护效果的关系 巷道矿压与支护技术研究所范明建[ 2 0 1 工程师在其硕士论文中研究了锚杆预 应力与巷道支护效果的关系，试验研究发现，锚杆预紧扭矩与轴向预应力基本成 线性关系，预应力随预紧扭矩的增加而增大，对应关系可以表示为 M k ．T ．d 1 1 相同的锚杆预紧扭矩条件下，采取减摩措施能够将锚杆轴向预应力显著提 高，提高程度根据使用的减摩垫片材质不同而有所变化，其中1 0 1 0 尼龙垫片的 减摩效果最为明显。 通过对比试验巷道在不同锚杆预应力条件下巷道支护的效果研究发现，巷道 变形量随锚杆预应力的增大而减小。巷道顶板离层也可以通过增加锚杆的预应力 来得到有效控制。预应力锚杆安装越及时，预应力越大，锚固范围内岩层的整体 刚度越高，岩层的完整性和整体强度就能够得到保持。高预应力强力锚杆【2 1 1 的 成功应用为困难巷道支护提供了一个有效的支护手段。 3 锚杆托板 托板是锚杆支护的重要构件，对锚杆支护作用的发挥影响很大。托板的作用 2 煤炭科学研究总院硕士学位论文 可分为两个方面一是通过给螺母施加一定的扭矩使托板压紧巷道表面，给锚杆 提供预紧力；其二是围岩变形使载荷作用于托板上，通过托板将载荷传递到锚杆 杆体暖3 ，2 2 , 2 4 , 2 5 1 。 巷道矿压与支护技术研究所吴建星[ 2 3 1 工程师在硕士论文中分析了现有托板 的力学性能，对托板从尺寸、厚度、拱高等方面进行了优化，探讨了托板对锚杆 预应力扩散的作用，分析了托板对锚杆间围岩的控制作用。基本弄清了托板在不 同受力状态下的应力分布特征，得出了托板的合理参数，丰富了对托板支护作用 机理的认识，深化了托板与围岩相互作用关系的研究，为工程实践中有效、合理 地使用托板提供了理论与技术支持。 4 强力钢带 钢带是煤巷锚杆支护中的重要组合构件，它有利于发挥锚杆支护的整体作 用。巷道矿压与支护技术研究所李建波【1 2 , 2 6 ] 工程师在硕士论文中对w 型钢带进 行了全面分析，模拟研究了钢带在受拉、弯、剪等状态下的应力分布和变形特征， 探讨了钢带对锚杆预应力扩散的作用，并对w 型钢带的截面和材质进行了优化。 通过研究，得出了w 型钢带的优化参数，丰富了对钢带支护作用机理的认识， 深化了钢带、托板与围岩相互作用关系的研究，为工程实践中有效、合理地使用 钢带提供了理论与技术支持。 1 ．2 ．2 金属网的分类 网有多种类型，按材料划分，可分为金属网、非金属网和复合网【2 ，1 6 2 7 - 2 9 】， 如图1 ．2 所示。按网孔形状的不同，可分为经纬网和菱形网，按制作工艺不同又 可分为焊接网和编制网。 网 厂钢 铁 丝网一 广_ 经纬网 金属网一 L 菱形网 钢筋网 一笆片 非金属网一 厂_ 编织网 L 一塑料网一L 压模列 复合网 图1 - 2 网的分类 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 铁丝网 铁丝网一般用矽3 “ - - - 4 m m 的镀锌铁丝编制而成，由于强度较低，一般用于I I 类和I I I 类围岩中。 1 经纬网网孔尺寸一般为2 0 m m 2 0 m m ～4 0 m m 4 0 m m ，国内煤炭系统 常用8 号铁丝 ≯4 r a m 手工编制的方格网，见图1 ．3 a 。这种网经线与纬线 联系不紧，在受力时往往单根铁丝受力，网的强度仅为铁丝的强度。铁丝间空档 有时被岩石撑开形成空洞而掉块，影响安全。在巷道安装时，各片要搭接，并用 铁丝捆绑，往往捆绑质量不好，在搭接处形成薄弱环节，金属网出现垂门帘情况。 2 菱形网由一般用途热镀锌低碳钢钢丝加工成的扁螺旋网丝逐根绕联在 一起，网孔呈菱形，国外使用过一种普通用作栅栏的链式金属网，网线之间形成 铰链环扣，这种网的柔性好、强度高，可折叠和任意拆装，因而可以成捆运往井 下，大片铺设。但是，国外使用的这种网格尺寸较小，以致喷射混凝土难以通过， 该金属网不适合用于锚喷支护。综合两种金属网的优点，国内研制出加大网格尺 寸，加粗网线的的菱形铰接柔性金属网。网格尺寸为5 0r a m 5 0t o n i 、7 0r a m 7 0 m n l 等，网线直径矽4 ．01 T I I T I 8 号 和≯3 ．2m i n 1 0 号 ，见图1 ．3 b 。这种网 受力好，若某一铁丝受到围岩压力，它能将压力传递给周围所有铁丝，具有强度 高和良好的整体受力效应。由于菱形网具有柔性好、强度高、连接方便等优点， 现在逐步代替经纬网。 2 钢筋网 钢筋网由钢筋焊接而成，见图1 3 c 。此种网整体性好、强度高，刚性较大， 在国外广泛使用。 1 小网格钢筋网规格为矽4 m m 的冷拔钢筋，网格为4 0 m m 4 0 m m 。实践 证明，在松软的煤 岩 层中，这种网应用效果很好。 2 大网格钢筋网它由受力筋和分布筋构成，横向筋一般为受力筋，直径 为8 ～1 0 m m ，纵向筋一般直径为6 m m ，网格1 0 0 m m 1 0 0 m m 。这种网强度和刚 度都比较大，不仅能够阻止松动岩石掉落，而且可以有效地增加锚杆支护的整体 效果，适用于大变形、高地应力巷道。 4 煤炭科学研究总院硕士学位论文 图I - 3 曲纬网卜菱形网c 一钢筋网 1 ．2 ．3 菱形金一罔的几何与力学参数 根据中华人民共和国煤炭行业标准煤矿假顶用菱形金属网，总结适用于 巷道支护的菱形金属网主要有以下参数1 3 “，如图1 4 所示。 1 丝径加工网丝所用的直径，一般有4 ．5 、40 、3 ．5 、3 ．0 、2 ．8 、25 、2O m m 等类型。 2 网孔长度网丝围成的菱形孔在网片平面上单边的投影长度。一般有 3 0 、4 0 、5 0 、6 0 、7 0 、8 0 m m 等类型。 3 网孔角度网片中一根网丝相邻两边在网片平面上投影的夹角。网孔角 度一般为9 0 。，有特殊要求时不受此限。 4 网丝螺距网丝两相邻对应点之间的距离 5 网丝节距网丝横剖视的孔长轴方向的距离。 6 网片厚度网丝横剖视外缘短轴方向的距离。网片厚度一般为1 4 ～ 2 0 m m 煤炭科学研究总院硕士学位论文 7 网片长度网片在自然伸展状态下垂直于网丝轴线方向网片两端问的最 大距离。 8 网片宽度网片在自然伸展状态下沿网丝轴向方向网片两侧间的最大距 离。一般为0 ．8 ～2 ．O m 。 9 突出长度网片两侧边最外一排铰点到网丝末端的长度。 1 0 网片不平整度网片在自然伸展状态下放在水平面上，局部翘起的最 大高度。 受 盖 图1 4 菱形金属网参数 1 ．2 ．4 金属网对围岩的稳定作用机理 高质量的金属网能有效地控制锚杆之间岩层的变形，托住挤入巷道的岩石， 是确保锚杆加固作用的重要措施[ 2 , 1 6 , 3 7 - 4 6 】。其主要作用有 1 维护锚杆之间的围岩，防止破碎岩块垮落，将锚杆之间的岩层载荷传递 给锚杆，使单根锚杆的点支护转变为锚杆支护系统的面支护。 2 紧贴巷道表面，提供一定的支护力 已有的研究成果表明，我国现用菱 形金属网，在保证施工质量的条件下，可提供0 ．0 1 M P a 的支护力 ，一定程度上 改善巷道表面岩层受力状况。由于金属网的存在使得锚杆支护系统成为统一的整 体结构，避免了因局部支护恶化而导致整个巷道失稳。金属网一锚杆整体支护系 统可以均衡巷道各部分的受力和变形状态，提高巷道整体稳定性。 3 网不仅能有效控制巷道浅部围岩的变形与破坏，而且对深部围岩也有良 好的支护作用。通过围岩应力场分析，认为金属网能够使松软破碎围岩由破碎结 煤炭科学研究总院硕士学位论文 构转化为镶嵌结构，巷道围岩轮廓形成能承受较大压力的压力拱，防止围岩破裂 范围扩大及岩块冒落H 7 巧6 1 。如图1 ．5 所示，金属网托住已碎裂的岩石，虽然巷道 周边围岩已破碎，由于碎石的碎胀作用和传递力的媒介作用，使巷道深部围岩仍 保持三向应力状态，大大提高岩体的残余强度，显著减小围岩松散、破碎区范围， 同时也保证了锚杆的锚固效果。 4 金属网具有柔性，能够适应围岩的变形，使巷壁处的岩压减小，具有“卸 载”作用。同时由于金属网还具有一定的刚性，能给围岩表面以抗力，从而改善 了围岩的受力状态，防止围岩变形的进一步恶化。 5 回采巷道易受动载的影响，如爆破动载、开采动载等，可使围岩塑性区 和破碎区显著增大，会出现漏顶、掉块、剥落等现象。金属网能和锚杆共同促使 破碎围岩形成锚固组合拱【5 7 。6 1 1 ，对碎块起挤压加固作用，防止岩块垮落；同时具 有一定刚度的金属网对围岩表面的反力可以增大组合拱内部破碎岩体的密实度， 这些都具有提高支护系统的抗动载能力。国内一些成功实践证明，金属网是煤层 动压巷道锚杆支护必不可少的技术措施，巷道围压的稳定性愈差，金属网的这种 加固围岩作用就愈重要。 图1 - 5 金属网的作用 实验证明采用锚网加固的试件在受载破坏时，裂成密集的细柱状杆系，残体 较完整，残余强度为极限抗压强度的0 ．2 6 倍，无网锚杆加固试件残体不完整， 无明显的残余强度‘6 2 。6 7 1 。这是在井下经常可见的锚喷网支护的巷道，金属网变形 很大，喷层已严重开裂，网内围岩已完全松动破裂，巷道仍能保持较长时间的稳 定的重要原因。锚杆支护的关键是能否形成围岩的自承环。金属网在锚喷网支护 中的作用不仅是由钢筋 铁丝 承受围岩压力，更为重要的是通过钢筋 铁丝 煤炭科学研究总院硕士学位论文 改善岩体的受力状态，提高岩体强度来承受围岩压力，以充分发挥岩体的自承能 力，这是比较松软的岩层或采动巷道内成功地应用锚喷网的主要原因。巷道围岩 稳定性愈差，网和钢带等的作用愈加重要。 锚网支护中对金属网的要求 1 网片整体强度高，刚度大，在巷道围岩变形初始阶段就能对围岩提供护 表力。 2 具有一定的可弯曲性，以便能与巷道轮廓相吻合，金属网的挠度较大， 其柔性应与锚杆的可缩性相匹配，这一点对大变形巷道尤其重要。 3 加工方便，成本低廉。 4 便于运输，最好可折叠或卷捆。 我国锚网支护必须注意三个技术问题 1 金属网与锚杆固定不牢，网孔比锚杆直径大得很多，金属网有很大的活 动余地，锚杆没有起到固定点的作用，按常用的锚网参数进行计算，金属网网兜 高度1 5 0 m m 时，金属网还没受力。 2 金属网没有张紧，金属网直接挂在锚杆上，与围岩不密贴，延缓了金属 网的承载。 3 金属网的强度与锚杆支护其它构件不匹配，导致网片易受剪切作用发生 破坏。 因此，改进锚网支护的技术关键为 1 将金属网与锚杆固定，即提高锚杆的预紧力； 2 张紧金属网； 3 采用刚度大的焊接钢筋网。 1 ．2 ．5 金属网受力分析研究现状 金属网在井下的受力与其它支护体的受力特点不同，因为悬露的金属网要靠 网丝的张力承托上部松散岩石。具有如下特点一般情况下受力是平面问题锚 杆间排距方向跨度不同而计算是较复杂的；网丝的极限强度内承托松散岩石的能 力与网丝的悬垂度有关，亦即与金属网线性方向的变形率[ 6 8 , 6 9 1 有关。 1 网丝受集中载荷的情况 取单根网丝在跨度Z ，受集中载荷P 的情况分析，如图1 - 6 所示。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 T 1 图1 - 6 金属网受集中载荷分析 钢丝受力按静力下衡条件有 而 令 P 2 T s i n 0 式中0 一钢丝悬垂与水平所成夹角。 如果载荷P 达到钢丝破断力瓦时载荷P b ， 忍 2 瓦s i n t 9 s i n 0 打丽 每1 y l T 1 2 其对应网丝长度为L 。时，则 1 ．3 1 ．4 1 ．5 式中v 一网丝变形率。 则 纠瓦焉 。- 6 可见既定网丝强度的载荷能力与网丝变形率∥有关，从几何上说与悬垂度有 关。当∥一O 时，只- - 0 当y 一一时，e 一2 瓦。 2 金属网受均布载荷的情况 金属网两端固定在锚杆上，金属网在破裂岩石作用下，形成弧形网兜【1 6 】。 如图l 一7 所示。 。／Y 锚杆 掣、＼卜磊■掣 i 一 1 一lA 图1 7 金属网受均布载荷分析 1 取两根锚杆间的～根钢丝 或钢筋 ，以锚杆A 点为中心，列力矩平衡 方程式 H ．y - q l 互1 百1 o 1 - 7 式中日一钢丝 钢筋 的内力 吼一作用在钢丝上的均布载荷，即钢丝对围岩的作用力； 9 煤炭科学研究总院硕士学位论文 少一金属酬恻引‰彤局度； ，一两根锚杆的间距。 则g 。学 钢丝的最大内力为钢丝的极限强度，即 日 竿b 】 式中b 1 一钢丝的许用应力； 1 8 1 ．9 d 一钢丝直径。 贝o g 。兰掣 1 1 0 钢丝对围岩单位面积的作用力为 口掣 1 ．1 1 ‘l ‘ 式中”一在四根锚杆控制的围岩面积Z 2 中的钢丝数。 则 g 丝要2b 】 1 ．1 2 计算结果表明金属网对围岩的作用力，主要取决于网的强度 d b ] 、锚 杆间 排 距、网的挠度，以及它们之间的合理配合，还需强调的是作用力随锚 杆问距的加大呈三次方减少，所以在施工中网与锚杆的固定和绷紧尤为重要。经 研究发现，我国煤矿现用的菱形金属网，在确保施工质量的情况下，金属网对围 岩的最大作用力可达0 ．0 1 M P a 。 对于松碎围岩，由于金属网的强度和刚度太小，当网兜的挠度超过1 2 0 r a m 时，金属网就会失效或撕裂，所以应增设钢带。钢带的强度和刚度要比普通金属 网高得多，可显著提高网带构件对围岩的作用力和岩体的残余强度，有效地控制 巷道围岩变形。 2 现在对“网兜”中心处的金属网丝进行受力分析。假设一种受力状态， 任何一个通过“网兜”中心的断面受力都是一样的，因此，取金属网通过中心的 一条受力叫丝为研究对象。可以认为，该网丝只承担横向一个网格范围内岩石重 量的一半，其余一半由与该网丝相交的受力网丝承担。 如图1 8 所示，设P 为受力网丝沿x 轴方向的均布载荷，按前述沿X 轴受力 网丝所受均布载荷为以，根据静力平衡条件 皇丁s i n 0 1 ．1 3 2 阿 T C O S 0 1 ．1 4 煤炭科学研究总院硕士学位论文 V 矽T H ／ 图1 - 8“网兜”中心处的金属网丝受力分析 由式 1 1 3 和 1 ．1 4 式得 t a n 6 ／p x 1 1 5 由导数的几何意义 坐t a n 目旦 1 1 6 解式 1 1 6 式微分方程得 v 上x 2 C 1 1 7 。4 H 由式 1 ．1 7 式可知，金属网通过中心剖面的受力网丝下沉后曲线为一抛物 线。设下沉后曲线的方程为Y K x2 ，式中K 为待定系数，它与| c 9 的变形率∥有 关，下面求此待定系数，由曲线的弧长S 的公式为 s f 之√ 罢] 2 出 2 f 7 2 √ 罢 2 出 。。一。8 ， 把孚2 融代入式 1 - 1 8 式中得 s 2 f2 √l 4 K 2 x 2 出 1 - 1 9 积分后 s 圭尉孵剖1K ， 孵] I ㈨2 0 分析变形率与和承载能力的关系，设网丝变形率为杪，则 S l 1 ∥ 1 - 2 1 把式 1 - 2 1 式代入式 1 - 2 0 式得 羽训 丢尉孵剖1K [ ， 孵] ] ∥ 恤孵吲1 水 孵] ] 卜 m 2 2 ， 根据公式 1 - 1 3 得p 2 T s i n 8 当x i l 时p _ 4 T s i n6 ／ 煤炭科学研究总院硕士学位论文 曲线方程Y K x 2 时 所以 t a n 口 氧； 刖 ．．t a n 0 K l S 1 n ∥ 一 芦 √1 t a n 2 0 、／1 K2 ，2 4 丁K 口 1 一。 √l K 2 ，2 旦一些 1 2 3 一 、， 图卜9 网丝变形率∥与单位丝强度承载能力％关系图 利用公式式 1 - 2 2 和 1 ．2 3 建立起网丝变形率沙与单位丝强度承载能 力％的联系，如图1 - 9 所示。由此可知，金属网的承载能力随其变形率的增大 而增大。 3 网丝变形率的组成 金属网的变形量一般由下式构成 △f 2 A 1 1 A 1 2 △厶 世4r1 - 2 4 式中甜，为铺网时松紧程度不同预留的伸长度，对于经纬网该值很小，对于菱形 网该值可大可小，铺网时可以人为造成预留量。△，，是金属网结构本身受力后所 具有的伸长量，经纬网是由经纬网丝垂直交叉编织而成，该值很小，菱形网是由 若干个具有一定厚度的扁螺旋丝逐个螺距串联而成，当金属网受力后，其厚度的 大部分将转变为网丝的伸长量，该值与网的厚度有关。△，3 、A l 。分别为网丝的弹、 塑性变形量，其值与锚杆间距，内网丝伸展长度三有关。近似的算法可把三看做 近似f ，所以网丝材料试验拉伸的延伸率可近似地作为网的这部分变形率。由上 可知，上述4 部分变形，两种网的△，。、△，4 基本相等，如果菱形刚在铺设时不设 预留量，两种网的△厶也可以看成相等的。但菱形网的结构变形△Z ，一般比经纬网 高1 0 ％一上，而且可以通过设计调整变形率，变形率v 型。 1 2 煤炭科学研究总院硕士学位论文 4 菱形网结构变形率∥2 的计算 以一个网孔的边长计算消耗网丝长度彳及结构变形率y ，如图1 ．1 0 所示。 彳- [ 掣⋯啷一d 伽／a ’ ∥。尘竺兰一1 ∥22 2 一一l 口 a 1 ．2 5 1 2 6 图1 ．1 0 菱形网的结构参数 由式 1 ．2 5 1 ．2 6 可知，当网孔边长口、网丝直径d 及螺旋升角口一定时， 结构变形率与网的厚度D 有关。 5 网重量计算 结构变形率的增加以多消耗1 6 4 丝为代价，网的单位面积钢材消耗要增加，仍 然以一个网孔边长消耗为计算单元，计算单位重量。 菱形刚一网孔边长消耗重量吸为 矿。 竿彳厂 式中 彳一按式 1 ．2 5 计算； ，一网丝材料的密度。 经纬网一个网孔边长消耗材料的重量髟为 d 一网丝直径 R 一如图1 1 l 所示。 w J 等A l y 图I - 1 1 经纬网的结构参数 1 3 1 ．2 7 1 ．2 8 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 ．2 ．6 金属网实验室试验研究现状 金属网在2 0 世纪5 0 年代开始用于煤矿井下支护，世界上先进的采煤国家纷 纷对金属网的力学性能进行了试验研究，包括南非、加拿大、澳大利亚、智利、 美国等。 2 0 世纪8 0 年代初期，南非兰德矿业有限公司W ．D ．O r t l e p p [ 7 4 - 7 6 】教授和加拿 大安大略省劳工部P a k a l i n i s 、A m e s 教授对金属网的力学性能进行了初步研究。 他们对不同类型的金属网进行了初步探测性试验，包括菱形网 不锈钢和电镀 钢 、方形编织网、扭编网 六边形网格 、焊接钢筋网、聚乙烯绳网。网的四周 被固定在长宽均为1 ．1 m 的方形框架上，载荷施加在网中心区域0 ．4 2 m O ．5 2 m 范 围内，通过测量金属网的受力和变形，绘制金属网的受力和挠度变形曲线。试验 结果表明，金属网的破坏均出现在网丝的交叉点或附近区域，由于交叉点连接方 式 链接、搭接、焊接 不同，这些部位出现不同程度的应力集中和材料强度损 伤，其中菱形网的强度损伤最小。 1 9 9 5 年加拿大学者T a n n a n t [ 7 7 , 7 9 】对焊接钢筋网进行了试验，在他的试验中， 金属网用四个方形托板通过螺栓固定，网片四周没有施加约束，载荷通过往上拉 位于金属网下方的3 0 0 3 0 0 m m 的方形钢板来进行施加。试验网丝直径分别为 3 ．