深埋巷道预应力让压锚杆支护技术及应用研究.pdf

河海大学 博士学位论文 深埋巷道预应力让压锚杆支护技术及应用研究 姓名连传杰 申请学位级别博士 专业岩土工程 指导教师徐卫亚 20071201 洲海人学博I j 学位论文 摘要 摘要 随着煤矿开采深度的不断增加，巷道稳定支护F 1 益成为深部开采的一大难题。目前 在众多煤矿的深埋巷道支护中，锚杆破断甚至支护体系失效等问题同渐突出。本文通过 大量深埋巷道支护实例调查与分析，认为高地应力、大变形以及冲击矿震作用强烈是影 响深埋巷道支护的关键科学问题。为此，本文提出了一种适用于深埋巷道支护的新型预 应力让压锚杆支护技术，分别就预应力让压锚杆的结构特点和力学特性、预应力让压锚 杆支护下围岩应力和变形规律以及锚杆支护机理、预应力让压锚杆的锚固性能及其主要 影响因素、动载作用下预应力让压锚杆的适应性等问题进行了深入探讨，并将预应力让 压锚杆成功应用于一实际深埋巷道支护，主要研究工作如下 1 将一种具有特殊结构的让压管与高强锚杆组合，研发出一种新型预应力让压 锚杆。让压管具有恒阻变形特性，其让压变形功能可通过让压点、最大让压距离以及让 压管稳定系数等特征参数予以控制。与普通锚杆相比，让压锚杆的性能得到大大改善。 将拉拔试验得到的让压锚杆轴向力一轴向变形关系予以适当简化，给出了分段式轴向力 一轴向变形本构方程。 2 开展了预应力让压锚杆支护机理的理论研究，其支护作用可从三个方面解释 一是具有调整围岩应力分御的作用二是对锚杆起到保护作用；三是让压管发挥作用后， 围岩的变形能主要转化为锚杆系统的弹性应变能，让压锚杆具有显著的让压耗能作用。 3 提出一种让压锚杆预应力施加方法，基于A N S Y S 有限元软件建立了预应力 让压锚杆一围岩共同作用体系的数值模型，建立了新型高预应力让压锚杆支护数值模拟 分析方法，开展了预应力让压锚杆支护数值试验深入探讨了让压锚杆设计参数、安装 应力以及让压管特征参数对预应力让压锚杆锚固效果的影响，得到一些规律性认识，指 出让压锚杆应用于深埋巷道支护具有较普通锚杆更为显著的稳定性． 4 针对深埋巷道矿震显现强烈的特点，开展了动载作用下预应力让压锚杆锚固 性能分析；深入探讨了矿震类型、矿震频率和强度特性对巷道不同部位处锚杆动力响应 的影响，指出让压锚杆的塑性让压功能使其较普通锚杆具有更强的动载适应性。动载作 用可能显著增大角部斜锚杆的轴力并导致其稳定性大大降低。 5 以一实际深埋高地应力巷道为例，提出适合于高地应力、大变形、冲击矿压 显现强烈的巷道支护设计方案。通过对预应力让压锚杆支护下的围岩及巷道变形、锚杆 受力状态等进行连续观测及分析，验证了设计方案的可靠性和合理性。 关键词深埋巷道锚杆支护，让压锚杆，高地应力，预应力，矿震 瓣海大学簿l 学盈连室攮委 A b s t r a c t A tp r e s e n t , t h es t e a d y s u p p o r th a sb e e nad i f f i c u l tp r o b l e mf o rt h e e x p l o i t a t i o ni nt h ed e e pm i n er o a d w a yb e c a u s et h ep r o b l e m so f b o l t sb r o k e na n d s u p p o r t i n gs y s t e m d i s a b l e db e c o m e i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t 。T h r o u g h i n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so fm a s s i v ed e e pm i n er o a d w a ys u p p o r te x a m p l e s ， h i g hg r o u n ds t r e s s ．1 a r g ed e f o r m a t i o na n df r e q u e n tm i n e i n d u c e de a r t h q u a k ea r e t h ek e ys c i e n t i f i cp r o b l e m so f d e e pm i n er o a d w a ys u p p o r t ．I ti so nt h i sb a s i st l l a t an e wp r e - s t r e s s e dy i e l d i n gb o l ts u p p o r tt e c h n o l o g y , s u i t e df o rd e e pm i n e r o a d w a y i s p u t f o r w a r d 。T h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo ft h ep r e - s t r e s s e d y i e l d i n gb o l t ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n d d e f o r m a t i o np e r f o r m a n c eo fs u r r o u n d i n gr o c L s u p p o r t i n g m e c h a n i c sa n d a n c h o r i n gp e r f o r m a n c eo ft h ep r e - s t r e s s e dy i e l d i n gb o l ta n dt h ed y n a m i c r e s p o n s eo f t h ep r e - s t r e s s e dy i e l d i n gb o l ta g ed i s c u s s e d 。F i n a l l y , t h ep r e s t r e s s e d y i e l d i n g 酗论辩u s e dt os u p p o r tad e e pm i n er o a d w a y ．曩l em a i nc o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n so f t h ep a p e ra r ed e s c r i b e da sf o l l o w s 1 ．T h en e wp r e s t r e s s e dy i e l d i n gb o l tc o n s i s t so fay i e l d i n gp i p ew i t h s p e c i a lc o n s t r u c t i o n ．a n dah i g h - s t r e n g t hb o l tb o d y ．1 1 1 ey i e l d i n gp i p eh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o n s t a n tr e s i s t a n c ed e f o r m a t i o n 。I t s y i e l d i n gd e f o r m a t i o n f u n c t i o nC a nb ec o n t r o l l e dt h r o u g hs o m ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si n c l u d i n g y i e l d i n gl o a d , m a x i m u my i e l d i n gd i s t a n c ea n ds t a b i l i t yf a c t o r ．C o m p a r e dw i t h o r d i n a r yb o I t , t h ey i e l d i n gb o l ti si m p r o v e di nm a n yp e r f o r m a n c e s ．I na d d i t i o n , a s e r i e so fd r a wt e s t so fy i e l d i n gb o l ta r ep r o c e s s e dt os t u d yt h e i rm e c h a n i c s p e r f o r m a n c e 。As e c t i o n a lt y p ec o n a i t u t i v ee q u a t i o n sd e s c r i b i n gt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e na x i a lf o r c ea n da x i a ld e f o r m a t i o na r ep u tf o r w a r dt h r o u g hs i m p l i f i e d t h et e s t sr e s u l t s ． 2 ．T h e o r ys t u d yo ns u p p o r tm e c h a n i c so fp r e s t r e s s e dy i e l d i n gb o l ti s c a r r i e do u t ．n es u p p o r tm e c h a n i c sc a nb ee x p r e s s e df r o mt h ef o l l o w i n gt h r e e a s p e c t s 。F i r s t l y y i e l d i n g d e f o r m a t i o nc a l l a d j u s t s t r e S Sd i s t r i b u t i o no f s u r r o u n d i n gr o c k s 。S e c o n d l y , y i e l d i n gd e f o r m a t i o nc a l lp r o t e c tt h eb o l tb o d y ． F i n a l l y , t h ed e f o r m a t i o ne n e r g yo f s u r r o u n d i n gr o c kw i l lt r a n s f o r mt ot h ee l a s t i c s t r a i ne n e r g yo fb o l ts y s t e m , a n dt h ey i e l d i n gb o l tC a nb er e g a r d e da sa d i s s i p a t i v es y s t e m ． 女Ⅱ海人学博J 学位论文 摘要 3 ．An e wn u m e r i c a lm e t h o do fp r e ‘s t r e s si sp u tf o r w a r da n dt h e nt h e n u m e r i c a lm o d e lo fp r e s t r e s s e d y i e l d i n gb o l t - s u r r o u n d i n gr o c ks y s t e m i s e s t a b l i s h e db a s e do nA N S Y Ss o f t w a r e ．N u m e r i c a la n a l y s e so fp r e ．s t r e s s e d y i e l d i n gb o l t - s u r r o u n d i n gr o c ks y s t e ma r ep r o c e s s e dt h r o u g ht h i sm o d e l ．1 1 1 e e f f e c t so fd e s i g n p a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fp r e - s t r e s s e d y i e l d i n gb o l ta n dp r e s t r e s so na n c h o r i n ge f f e c t i v e n e s sa r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y ． S o m ec o n c l u s i o n s 龇．eo b t a i n e d ．A n d ．i ti so b v i o u st h a tt h ey i e l d i n gb o l ti sm o r e e f f e c t i v et h a no r d i n a r yb o l t ． 4 ．C o n s i d e r i n gf r e q u e n tm i n e i n d u c e de a r t h q u a k e si nd e e pm i n er o a d w a y , t h ea n c h o r i n gp e r f o r m a n c e so ft h ep r e - s t r e s s e dy i e l d i n gb o l td u r i n gd y n a m i c l o a d sa r ea n a l y z e d ．T h ee f f e c t so ft h e t y p e ，f r e q u e n c ya n di n t e n s i t yo f m i n e i n d u c e de a r t h q u a k eo nt h ed y n a m i cr e s p o n s eo f y i e l d i n gb o l t sl o c a t e di n d i f f e r e n tp o s i t i o n so ft h et u n n e la r ed i s c u s s e di nd e t a i l ．I ti sd e d u c e dt i o mt h e a n a l y s i sr e s u l t st h a tt h ey i e l d i n gb o l ti sf i t t e rf o rt h ed e e pm i n er o a d w a ys u p p o r t t h a nt h eo r d i n a r yb o l t ．A n d ，t h ea x i a lf o r c eo fg r a d i e n tb o l tm a yb ei n c r e a s e d e v i d e n t l yd u r i n gd y n a m i cl o a d ． 5 ．W i t ht h ee x a m p l eo fad e e pm i n er o a d w a y , ad e s i g ns c h e m ei s p u t f o r w a r dt os u i tt h ed e e pr o a d w a ys u p p o r tw i t hh i g hg r o u n ds t r e s s ，l a r g e d e f o r m a t i o na n df r e q u e n tm i n e i n d u c e de a r t h q u a k e ．B ys u c c e s s i v eo b s e r v a t i o n a n da n a l y s i so ft h ed e f o r m a t i o no f r o a d w a ya n dt h ef o r c eo fb o l t s ，e x p e r i m e n t s h o w st h a tt h ed e s i g ns c h e m ei sr e l i a b l ea n dr e a s o n a b l e ． K e y w o r d s b o l ts u p p o r tf o rd e e pm i n er o a d w a y ；y i e l d i n gb o l t ；h i g hg r o u n d s t r e s s ；p r e - s t r e s s ；m i n e - - i n d u c e de a r t h q u a k e 秘爨 锻杼支护技术在避一个世纪的发展历程中墩褥7 蹙犬的成就，孵决了大量包括煤矿 在内的巷道掘进和稳定支护问题。然而，随着采深的不断增加，高地应力、软岩特征以 及{ 孛拳矿压显瑷强烈等同题缆褥越塞越多的深壤巷遒鲶予多次返修、多次扩劂耧多次支 护的境地，传统的锚秆支护技术已不能适应大采深巷道的支护要求。深埋巷道锚杆支护 理论豹发震、薪型锤轷支护技术豹提交帮痤焉簸已残麓采矿工程迫切需簧解决豹润题。 针对深埋软岩辏道锚栉支护中存在的关键科学问题，开展深埋软岩巷道锚杆支护的理论 和相关技术研究具有羹要的科学意义和工程实羽价值。 必此，本文开发了一秘适耀于深蠼巷道毫媲应力、大变形巷道支护的新型羰应力让 压锚秆，并就预应力让压锚杆的力学特性、预威力让压锚杆支护下围岩应力和变形规律 狱及镶柽支护瓤理、鬏痘力谴艇链抒豹锈固瞧麓及其主簧影稳瓣素、餐载捧建下强痘力 让压锚杆的适威性等问题进行了深入撵讨。最后，以一实际工程为例，验证了预应力让 压镶脊在深捶麓道支护串韵安全往和经济毪。翎薪点主要体臻程戳下危个方萄 1 研制了一种适用于离地应力、大变形以及矿服显现强烈的巷道支护的新型预 应力让压锚秆。该锚秆具有可控的让聪变形功熊，让压变形功能能在一恒定阻力的条件 下稳定发挥据耀，具鸯顺应匿装变形、防止锚枉破龋以及让压耗能等律用。 2 建巅了描述新型预威力让压锚杆工作性能的数值模型，提出了一种新的预应 力注鬟镬羲数壤襞羧方法。深入分辑了罐柽羲疲力、透援警特缓参数浚及锚柽浚诗参数 对支护效果的影响及其影响规律。 3 深入探讨了渤载作掰下预瘦力诖匿镶秆静动力响应，指出洼箍锚杼静动力鹅 应与遭遇的动载类型及特性、锚杆所处部位密切相关；给出了不同类型矿震影响下巷道 不同部位锚秆动力响应规律，较好地解释了动载作用下巷道变形、破坏现象分析了让 压管特毵参数慰镪转动装嚷应蛉影响，揍出颈废力诖压镶桴朝瓣予警遴镂柽具鸯更强懿 动载适应性。 4 耨鬏应力谴簇镶秆袋功痤蠲予菜实繇深淫藩缝痤力、夫交形蘩遘支护，巷道 变形及锚杆受力监测结果验证了预应力让压锚杆的可靠性和合理性，为预应力让压锚杆 的进～步推广应用提供了宝贵的实践缀验。 学位论文独创性声明 本人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取得 的研究成果。罨我所黧，除了文孛特戮翱疆标注释致谢鳃魏方外，论文串 不包含其他人已经发表绒撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人受全都责饪。 论文作者 签名 - 』。物， 2 0 0 7 年1 2 月1 5 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中豳学术期刊 光 盘舨 惫予杂恚茬有权傺蘩本久所送交学使论文豹复印谗绫电子文档， 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除猩保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全郝或部分痰容懿公布 包括刊登 授投潺海大学磅究生陵办理。 论文作者 签名 1 21 纽j 2 0 0 7 年1 2 月1 5 日 扣I 海大学博l j 学位论文 第1 章绪论 1 ．1 弓l 言 目前，中国煤炭占能源总消费量的7 0 ％左右。随翁国民经济的快速发展，我国对化 嚣戆源戆鬟求，茏其是对攥炭兹嚣求鬓不叛增燕。我溺潆炭资源羰溅总量终5 0 5 9 2 亿t ， 其中埋藏深度大于1 0 0 0 m 的约占5 3 ％，大于6 0 0 m 的约占7 3 ％。几十年来太规模的开 采，浅部资源走向枯竭，煤炭开采逐步向深部延深，国内许多矿井开采或开拓娥深的深 度已经超过了7 0 0 m ，有的甚至超过了1 0 0 0 m “1 。麓黉开采深度的增加，采矿工程面临 豹闯嚣更攘复杂，由蠢乏产艇豹工程灾害搴教氇更为严蓬。鲷魏巷邋维护困难、犷蘧显现 强烈、岩爆及冲击地压危险加大。因此，必须探索有效的深部采矿巷道支护和施工技术 以及防治工程灾害的基础理论和技术手段，以保障深部矿井开采安全，这对于我国国民 经滚魏发震懑义重大。 我国许多煤矿开采时间较长，新建煤矿建并深度也明显加大，老矿必须不断延深。 深部巷道围澍体表现出明驻的大变形、大地压的软岩特性。由于软岩强度弱、结构差， 巷遂的围岩松动区范围大，岩俸承载能力差，支护方式的选择受到限制，巷遭的稳定控 髑更为困鼹。矿著出瑰了越来越多静传统方法难潋羧麓的软岩巷邋，两其中多数巷道处 于多次返修、多次扩刷、多次支护的境地∞1 。 尽管巷邋支护在近一个世纪以来得到了巨大的发展，但是深埋软岩巷道的肖效支护 经然是采矿Z 程孛巷遂支护戆薄弱环够。深蒡巷遂支轳是采矿雾公虢数鏊际毪滚惩，嚣 岩大变形是獭前和今后深并开采中的关键难题之一。煤矿生产建设的发展趋势谶切需要 对软岩巷道支护，特别是高应力软岩巷邋支护技术进行深入研究，碍求解决高威力软岩 巷道支护闯蹶的安全经济的技术手段，磷究高应力爨辫与支护阕的褶互作用枧璞，进行 支护结构静饶纯设计，遴j 褥减少巷道邋修量，洚低工程造价，为韩下氆遥安全、蘸好的 作业环境。 l 。2 锚轷支护巷道技术的历史及瑗状 1 ．2 ．1 煤矿糟道镭秆支护技术的发展 在煤矿麓道支护中，锚杆支护与传统的棚式支护相比，具有显著的技术与经济优越 性，现己发鼹成为世晃各暇矿井巷道以及其它地下王程支护的主隳形式之一啊。 1 9 1 2 年A l f r e dB u s c h 蓄次在媒矿预板臻固孛使溺铬轷即’，辩剞了镭释支护技术豹 先河。经过几十年的试验和改进，美国干1 9 4 7 年正规采用锚杆支护煤矿巷道和工作面 顶板。此后，在煤矿、金属矿山、水利、隧道以及其玄地下工程中迅速得到了应用和发 震洚4 。特爨憝美国、漠犬嚣耍等蕃，囊予堞屡埋藏条传努，撩之镌耪支护鼓朱及其辏 助施工设备不断发展并臼菔成熟，因而采用锚杆支护很普遍，目前在煤矿巷道的支护比 河海上学博士学位论文深埋巷道预应力让压锚杆立护技术发麻用研究 重几乎达到了1 0 0 ％。在英国，1 9 8 7 年以前，其煤矿巷道支护中9 0 ％以上采用金属支架， 而且主要是矿工字钢拱形钢性支架，由于回采工作面单产低、效率低、巷道支护成本 高，因而亏损严重。为了摆脱煤炭行业的这种困境，在巷道支护方面，积极发展锚杆支 护，从澳大利亚引进了成套的锚杆支护技术之后，吨煤成本由7 5 英磅降到3 5 英磅， 支护成本下降了5 0 ％，事故率大幅度下降，从而扭转了过去的被动局面。澳大利亚在轻 型锚杆机具方面处于国际领先水平，且长期致力于发展特种锚杆，例如纤维高强塑料锚 杆、高预应力锚杆以及注入式锚杆等。我国从1 9 5 6 年起，在煤矿岩巷中使用锚杆支护， 至今已有5 0 余年的历史，2 0 世纪6 0 年代锚杆支护开始进入采区。“九．五”期间，原 煤炭工业部将锚杆支护列为煤炭工业技术发展的五个项目之一，经过教学、科研与生产 单位的联合攻关，煤巷锚杆支护技术有了较大的提高，煤巷中锚杆支护的应用有了迅速 发展，到1 9 9 8 年，煤巷锚杆支护比重提高到了2 0 ．1 4 ％，半煤岩巷中提高2 9 ．7 4 ％““。发 展煤巷锚杆支护是我国继推行综采后的第二次重大支护技术革命，给我国煤矿带来了巨 大的技术经济效益。表1 ．1 列出了国内外具有代表性的锚杆支护技术发展历程““1 2 - 1 4 1 。 表1 ．1 锚杆支护技术的发展历程 时期锚杆发展简况 1 9 4 5 ．1 9 5 0机械式锚杆研究及应H J 广泛应用并开始对锚杆支护进 】9 5 0 ．1 9 6 0机械式锚杆 行系统研究 1 9 印．1 9 7 0 树脂锚杆推出并应用 管缝式锚杆、胀管式锚杆、长锚新式锚杆发明及应用、研究新的 1 9 7 0 - 1 9 8 0 索 ‘ 设计方法 混合锚头锚杆、桁架锚杆以及可 研究新式锚杆、树脂锚崮材料得 1 9 8 0 ．1 9 9 0 延伸锚杆等特种锚杆到改进 1 9 9 0 ．2 0 0 0螺纹钢锚杆广泛应用 煤矿锚杆支护的发展，使矿井开采的吨煤成本和巷道的支护成本显著降低。巷道掘 进速度有了很大的提高，支护质量和安全条件得到了很大改善，找到了煤矿发展的技术 途径。从我国各主要产煤矿区在煤巷、半煤岩巷、开拓巷道推广螺纹钢锚杆支护和在煤 巷中推广螺纹钢锚杆加锚索联合支护技术的情况看，综采综放工作面原煤产量、掘进的 单迸水平大幅度提高，事故率大幅度下降，取得了巨大的经济效益和社会效益。 1 ．2 ．2 可延伸锚杆的研究及应用现状 锚杆在井下的支护作用表现为在强化巷道围岩强度、提高围岩承载能力的同时， 控制并适应巷道围岩的变形，从而达到保持巷道围岩整体稳定的目的。大量现场观测资 料表明，围岩松软的巷道掘出后，其围岩的自稳时间很短，在掘进引起的巷道围岩应力 2 湖海太学博L 学位论文绪论 调整阶段围糟变形速度快、变形量大；威力调整阶段完成后，在威力相对稳定阶段围岩 褥变交形塞较大，数积繁瓣蕊变形量氇较大，一般臻大予2 0 0 m m ，骞懿虿这5 0 0 m m ， 甚至在1 0 0 0 m m 以上，埋藏深度大、地应力高的巷邋或受回采动雁影响的巷道开掘后， 在其服务期间内围岩的变形量也很大。上述大变形的巷道中使用普通刚性锚杆支护时， 常困锚杆不能适应巷道嗣畿的大变形霹被控断失效，蕊且民q 度越大，其延{ 孛率越低。因 此，对于松软、膨胀、破碎豳岩和动嚣影响下的巷邋，在开箍螽巍及时安装锈释。该锚 杆安装完毕厨即能提供较商的预应力以控制围岩的早期变形，消除顶板岩层中的离层， 在围岩蠕变阶段锚杆能够提供恒定的工作阻力，并可被拉伸到相当长度以适应嘲岩的大 交形，镬镌移甄裁维护黪溅塞瑟不致垮渗，又其毒缀搿戆诖莲毪麓不致损舔，簌褥穰证 软岩巷道支护的安全可靠““”。在这种情况下，出现了可延伸锚籽⋯。 国内外对可延伸锚杆的研究已有几十年的历史，我国在这方谳的研究始于2 0 世纪 8 0 年代初麟。国内外学考疆割鲍可延{ 枣镶梧形式缀多，按其基本工作雁理霹分秀镱柽释 体可延{ 串秘锚秆结构元徉滑动可延律两大类。第一类可延伸锚抒豹支护阻力出轩俸材质 的力学特性决定，锚杆的延伸量则是依靠杆体材质较大的延伸率提供的第二类可延伸 锚杆则是依擞设计某些机械结构而使锚枰在受到巷道围岩变形传递绘杆体的拉力瑶，在 一定戆逯力下氆韵运些撬缀结擒翡终翔褥产生潺动豹，该溪韵熬宠舔为链释豹支护阻 力，滑动后锚杆相对伸长，其滑动量即为锚杆的延伸疑。一般来说，杆体可延伸锚杆对 材质要求较高，但结构简单，加工制造及安装较方便，具有微增阻特性。为了保证安全， 在使用中缝缓只能剩尾镶姆抒俸极限l 枣长量豹一半，掰鞋，馋长鬃蹩有限静，蔹镁力也 较小；结构元件滑动可延{ 率锚秆一般其商恒阻可缩能，伸缩量可调，动作比较W 嚣，律 长量也较大镣优点，但构遗通常较复杂，成本较高“⋯’。 国外典测的秆体可伸长锚轩有德国鬻森型及前苏联的杆体弯曲波浪型。蒂森裂锚杆 鹃两穗荛警逶瑗素钢，孛鬻焊接一段霹簸律戆奥氏体镄，锤杼翡辍黻艇箨量霹这5 1 7 r n m ， 最大工作阻力为2 0 0 k N 。前苏联研制的杆体弯曲可伸长锚杆是用酱通碳素钢做成波浪 形。当杆体所受拉应力达到一定值后则波浪形段杆体开始拉直，从而为锚杆提供了一定 豹工终阻力耪一定夔{ 孛长爨。绩搀元馋潺动霹律长镶耱戆类型骞续糖摩擦潺动泼、结构 剪切滑动式、结构挤压滑动式，结构元件可设置在张内也可设置在孔口嘲。 国内最媳型的可伸长锚杆主要有中囡矿业大学的“H 型”及“改进型”杆体可伸长 锚杆，这种锚枵是选用低碳圆钢 如Q 2 3 5 或螺纹钢 如2 0 M n S i 扼工制作，它与普 逶金藩锤符豹差嗣在于锈怒不同。普通衾属锤秆因锚怒段鳔绞蠹缀夺于脊俸壹缎，鼓锘 尾段强度较杆体段低，受拉应力作用后锚尾首先屈服，当拉应力增大到其极限强度时， 锚尾将损坏绒被拉断而使锚杆失效，这时，杆体材质的强度及延伸率均未能充分发挥和 铡震。珏鍪} 及菠逢型抒髂霹{ 攀长锈耪是鼹锤霆进每掇缓麴工或蒸懿疆，镬疆霆羧静强度 商于杆体，如此，在巷道变形时，秆体蓠先屈服延伸，锚尾不会损坏或拉断，巍分发挥 杆体材质的强度及延伸率，从而使锚杆的支护阻力及伸长量都高予普通金属锚杆胁州。 涎海太学薅￡学蕴论文潍埋巷遵羲斑套适基镶转变护技拳爱斑用臻宠 但这种锚杆的强度低，当巷邋所受的地应力较犬时，锚杆杆体就会挝断，而且这种锚杆 的延伸墩也是有限的。我国谯上世纪9 0 年代还研发了几种可伸长锚杆，如蛇形可伸长 锚杆、套管摩擦式可伸长锚杼、孔口弹簧压缩式聊伸长锚杆、杆体伸长和孔口压缩式可 l 枣长镪榜、鎏攀} 压缩篱可传长钱释及释俸拉长式诳{ 枣长链杼。这些镶秘蹙有一定的让臻 { 生，毽均来麓得到} 爱好豹撬广应用。。 上述可延伸锚秆并未得到广泛的应用，主黉有以下几个方面羽原因①锚秆强度 不够大㈣。在软岩巷道支护中，强度是锚杆让聪的前提，巷道必须怒高强度锚杆都不 能控制的；如果采用低强度锚杆，锚杆会随着围搿的变形很快被拉断，而这时让压装置 根本裁没寒德及起作用。嚣鼹，裹强度镬枵是像谖澡势软岩巷遒支护成功酶关键。②谴 压设羚举会理。合理静诖臻藏筑缳涯锫抒支护系绫在整令傻弼期阙誉失效。③谴基结稳 太复杂，加工不便，成本崮。台理的让压装置成该结构简单，能保证锩道的掘进速度， 在保证熊道支护安全的前提下尽可能地减少制造成本。 1 ．3 煤巷锚杆支护机理及设计方法 1 ．3 。1 镶移支护礁瑾静瑾谂稀究 自2 0 世纪5 0 年代L o u i sA ，P a n e l 3 ．0 m 的围岩，在没有进一步研究资料之前，应采用以锚喷 网为基础的复合支护。该理论的优点是简单直观，对中小松动圈有很重要的价值，但对 大松动圈尤其是高应力软岩的采准巷道，实践表明该理论有一定的局限性。 围岩强度强化理论啊“认为岩体经锚杆锚固后，其峰值强度和残余强度均得到提高。 随着锚杆布置密度的增加，强度强化系数逐渐增大。锚杆布置密度一定时，锚杆对岩体 河海人学博} 学位论文深埋巷道预应力让压锚杆支护技术及应用研究 残余强度的强化程度大于对岩体的峰值强度的强化程度；锚杆可有效改善原岩体的力学 参数，随着锚杆布置密度的增加，锚固体峰值前的强度指标较峰值后的强度指标均有不 同程度的提高；利用锚杆支护，可以提高锚固区域岩体的强度，可以有效地减小巷道围 岩塑性区、破碎区半径及巷道表面位移，保持巷道围岩稳定。 锚固平衡拱理论认为锚杆加固对于提高围岩自身的最大承载能力没有明显的效果， 但在围岩产生塑性破坏后，对提高围岩的残余强度及承载能力有显著作用。在巷道周围， 锚杆与其锚固范围内的岩石构成一种锚固支护体，当这个锚固体中的岩石在围岩集中应 力作用下发生破坏时，其承载能力降低并产生变形，同时围岩的集中应力向深部转移， 使锚固体卸载。在此过程中，锚固体通过锚杆的约束作用和抗剪作用，使塑性破坏后易 于松动的岩石构成具有一定承载能力和适应自身变形卸载的锚固平衡拱。 前苏联的煤矿科学研究院提出了一套计算锚杆支护参数的能量原理汹删。该理论认 为，巷道开挖后引起围岩应力重分布、位移和破裂，是一个能量释放过程。在有锚杆支 护的情况下，岩体的弹塑性位移受到锚杆阻挡，其能量除有一部分仍用于使岩体变形破 裂，另一部分能量消耗于引起锚杆受力与位移，后者表现为阻挡功能，阻止围岩应变能 的继续释放。当围岩释放的能量与围岩的阻挡功达到平衡时，围岩与锚杆便共同处于稳 定状态。基于上述观点，该院推导了一些计算公式，并将其简化为图表形式。在该方法 中，决定锚杆参数的基本因素有锚杆形式、围岩坚固性、巷道跨度和埋深。蒋树萍““ 也从能量的角度讨论过锚杆的合理布设问题。但由于巷道开挖引起的相关能量变化是一 个极其复杂的过程，而且研究对象又处于一个开放的能量系统中，在平衡方程中如何计 及能量的损耗，经典理论是无能为力的Ⅲ1 。因此，该方法并未被普遍接受。 以上所提及的用于解释锚杆支护机理的理论都具有一定的适用性，有其各自的优缺 点。松动圈理论是建立在巷道围岩松动圈客观存在的基础上提出的，对锚杆支护对象的 论述具有独到之处。围岩强度强化理论、锚固力与围岩变形量关系理论、锚固平衡拱理 论以及全长锚固中性点理论、组合拱理论、组合梁理论是从锚杆和围岩相互作用的不同 角度、不同组合方式以及不同侧重点对锚杆支护机理进行阐释，特别是围岩强度强化理 论、锚固力与围岩变形量关系理论以及组合拱理论分别从锚固体的强度、单根锚杆锚固 作用以及群体锚杆的锚固作用等方面较好地解释了锚杆支护机理。最大水平应力理论则 从宏观角度对围岩应力的各向异性与巷道方向的组合关系分析了巷道稳定性。能量原理 虽然实际工程设计比较困难，却能较容易地理解围岩应力分布变化以及围岩稳定性。因 而，在实际巷道支护设计中，往往需要综合运用上述理论，根据具体情况，选择恰当的 理论进行分析设计。 1 ．3 2 锚杆支护设计方法 现有的锚杆支护设计方法很多，如基于以往经验和围岩分类的经验设计法、基于某 种假说和解析计算的理论设计法，以现场监测数据为基础的监控设计法‘“”。大量实践 6 河海大学博l 学位论文 绪论 经验证明，采用单一锚杼支护设计方法大都不符合巷道围岩复杂性和多变性的特点，因 琵曩终懿没诗效采不够嚣惩，奏豹仅羧予一定条够下镬矮。瘫红謦 1 9 9 9 嘲撵爨了镬 杆支护动态信息设计法。这一方法具肖两大特点其一，设计不是一次完成的，而是一 个动态过程；其二，设计充分利用每个过程中提供的信息。该设计方法包括5 部分；试 验点调查和她质力学评估、奶始设计、多} 下监测、傣患反馈和修疆设计以及日鬻监测， 其中试验煮调查包括疆者强度、圈岩给鞫、篷应力歉锚固往能测试等内容。在就器穑上 进行地质力学评估和围岩分类，为初始设计提供可靠的参数。该法在山西阳泉、潞安等 矿区应用后取得较好的效果。但是，该法不能充分考虑锚轩支护系统中存在的大爨不确 定毪嚣素，颡．1 篼瑟褥结莱炙笈复交系绕豹平均蔽态。2 0 0 3 年兖矿集蘧毒辍公霹颁毒了 兖矿集翻有限公司煤巷锚杆支护技术规范“”，该规范包含管理体制、围岩分类、支 护设计、支护材料、支护施工、支护监测和工程质擞检测等八个部分，提出了锚杆支护 设计应采用以宾溅为基础黥动态反馈设谤法，箕设计过程包括邈餍力学评价、秘舔浚诗、 滥澜与信息蔽馈、修改设计四个步骤。张汶海等 2 0 0 7 ”’认识到当前煤巷锚释支护设 计方法在预防巷道冒顶方颇存在的不足，提出所谓的全线跟踪设计法，其关键技术为支 护前期的顶檄岩层结构探测和支护后期