锚杆加固围岩潜力研究及应用.pdf

山东科技大学 硕士学位论文 锚杆加固围岩潜力研究及应用 姓名顾士坦 申请学位级别硕士 专业安全技术及工程 指导教师王春秋 20040501 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 传统的锚杆支护理论，其模型大都是经过大量简化而得到的目前的煤矿巷道锚杆 支护中，无论是锚杆支护理论还是现场的锚杆支护设计，都在很大程度上偏离实际。锚 杆支护理论方面的研究已经远远落后于工程实践，这种理论落后实践的现实，制约了锚 杆支护技术的推广应用；现场的锚杆支护设计大多是经验类比后做出的，存在很大的盲 目性。 本文在传统锚杆支护理论研究的基础上，根据锚杆与围岩的作用关系，结合前人在 锚杆改善锚固体力学参数理论与模型试验研究成果，从复合材料力学和损伤力学的理论 角度出发，对锚杆与围岩的关系较全面地进行了锚杆失效系统能量分析、锚杆加固岩体 复合增强力学分析和顶板损伤机制分析。在此基础上，定义了锚杆加固岩体稳定性潜力 系数 安全系数 ，初步建立了基于锚杆加固潜力的巷道锚杆支护设计方法。 分析了煤矿顺槽的应力环境，把采动应力影响定量表达，分别分析了未受采动影响 的回采巷道和受采动影响的回采巷道围岩变形量与护巷煤柱宽度间的关系和不同采动条 件下的应力集中系数；讨论了两帮锚固的可控性，分析了帮锚杆加固的力学机理，定义 并分析了帮锚杆加固的两个条件。把这种稳定性潜力系数 安全系数 结合数值模拟来 实现对复杂应力场下煤矿顺槽的综合分析，结果与实际吻合较好；这种稳定性潜力系数 分析对类似巷道稳定性评价与巷道锚杆支护定量设计具有一定的参考价值，为锚杆支护 理论与设计研究提供了一种全新的思路和途径。 关键词锚杆围岩复合作用稳定性潜力 坐查型垫查兰堕主堂堡垒苎 兰 A b s t r a c t M o s tm o d e l so ft r a d i t i o nt h e o r i e so fb o l ts u p p o r ta r ee d u c e db yb e i n gp r e d i g e s t e dm o s t l y , b o t ht h e o r yo fb o l ts u p p o r ta n ds p o tb o l ts u p p o r td e s i g no fp r e s e n tb o l ts u p p o r to f c o a lm i n e r o a d w a ya l ld e p a r tp r a c t i c em o r e ．R e s e a r c ho nt h e o r yo f b o l ts u p p o r ti s l a g g e db e h i n do f e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h i sc o m p l e x i o n r e s t r i c t sp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fb o l ts u p p o r t t e c h n o l o g y ；s p o tb o l ts u p p o r td e s i g ni s d o n ea f t e re x p e r i e n c ea n a l o g ym o s t l y , i th a sl a r g e b l i n d n e s s ． I nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt r a d i t i o n a lt h e o r yr e s e a r c ho fb o l ts u p p o r ta n dc o m b i n e d w i t hr e s e a r c hr e s u l t si nt h e o r ya n dm o d e lo fb o l ti m p r o v i n gm e c h a n i c sp a r a m e t e ro fb o l t e d r o c kb o d yo fo t h e r s ，e n e r g ya n a l y s i so fb o l t i n g f a i l u r e s y s t e ma n dc o m p o s i t em e c h a n i c s a n a l y s i so fc o m p o s i t ei m p r o v e m e n t o fb o l t e dr o c ka r em a d er o u n d l ys t a r t i n gf r o ma n g l eo f c o m p o s i t e m a t e r i a lm e c h a n i c sa n dd a m a g em e c h a n i c sa c c o r d i n gt oa c t i n gr e l a t i o no fb o l ta n d s u r r o u n d i n gr o c k ．B a s e do na b o v ea n a l y s i s ，s t a b i l i t yp o t e n t i a lc o e f f i c i e n t s a f e t yc o e f f i c i e n t o fb o l tr e i n f o r c i n gr o c kb o d yi sd e f i n e da n dd e s i g nm e t h o do fr o a d w a yb o l t i n gs u p p o r tb a s e d o nb o l t i n gp o t e n t i a li ss e tu pi n i t i a l l y ．S t r e s se n v i r o n m e n to fc o a lm i n eg a t ei sa n a l y z e d a n di n f l u e n c eo fm i n i n gs t r e s si se x p r e s s e dq u a n t i f i c a t i o n a l l y ，r e l a t i o no fr o a d w a yo f u n i n n u e n c e d 、i n f l u e n c e db ym i n i n ga n dw i d t ho fc o a lp i l l a ro fp r o t e c t i n gr o a d w a ya n d s t r e s sc o n c e n t r a t i o n c o e f f i c i e n to fd i f f e r e n t m i n i n g c o n d i t i o na r e a n a l y z e d ． C o n t r o l l a b l eq u a l i t yo fb o t hb o l t e dw a l l si sd i s c u s s e d ，m e c h a n i c sm e c h a n i s mo f b o t h b o l t e dw a l l si s a n a l y z e da n dt w ot e r m so fb o l t e d w a l la r ed e f i n e da n da n a l y z e d ． I n t e g r a t i v eA n a l y s i so fg a t eu n d e rc o m p l i c a t e ds t r e s sf i e l d i sm a d eb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n d b o l t i n gp o t e n t i a lc o e f f i c i e n t s a f e t y c o e f f i c i e n t ；t h i sa n a l y s i s o fs t a b i l i t y p o t e n t i a l c o e f f i c i e n th a ss o m er e f e r e n c ev a l u ef o rs t a b i l i t y e s t i m a t i o no fs i m i l a r r o a d w a y a n d q u a n t i t a t i v ed e s i g no fr o a d w a yb o l t i n gs u p p o r t ，i to f f e r s an e wi d e aa n da p p r o a c hf o rt h e o r y a n d d e s i g n r e s e a r c ho f b o l t i n gs u p p o r t ． K e yw o r d s b o l t ，s u r r o u n d i n gr o c k ，c o m p o s i t ea c t i o n ，s t a b i l i t yp o t e n t i a l 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。 该论文尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。 A F F I R M A T I O N 研究生签名厥士坦 日 期2 0 0 妒．互J 3 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 y , i 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 l I s t i t l l t e ． S i g n a t 啪编硪池，L D a t e 互J 3 ．加口z f 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 问题的提出及研究意义 1 8 7 2 年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡Ⅲ，锚杆支护自上世纪初开 始在煤矿使用，锚固技术便迅速发展。随着锚杆支护技术的应用和发展，美国、澳大利 亚、前苏联、英国、德国和印度等国家均认识到锚杆支护的重要性，从2 0 世纪5 0 年代 起，在矿山、交通等领域的地下工程中得到广泛的应用，其中尤其以美国和澳大利亚的 锚杆支护最为流行，美国是目前世界上锚杆支护技术最成熟、锚杆使用数量最多的国家。 现已普及到世界各国的露天矿边坡加固，地下开采硐室支护、铁路隧道支护、水利水电 工程中的坝基加固、高边坡稳定加固、土木工程中的深基坑加固等各个领域。据不完全 统计，国外各类岩石锚杆已达6 0 0 余种，锚杆年使用量超过2 ．5 亿根。国内外的实践经 验表明锚杆支护是目前回采巷道最有效、最经济的支护方式。 我国从1 9 5 6 年起在煤矿岩巷中使用锚杆支护，到6 0 年代末，锚固技术已在我国的 矿山、冶金、水电、交通、土木建筑等领域内广泛采用，应用范围由坚硬稳定岩石发展 到松软破碎岩石，由小巷道发展到大跨度硐室。由静荷条件发展到动荷条件，由基建工 程发展到工程抢险和结构补强【1 0 l ，至今已近5 0 年的历史了。我国煤巷锚杆支护技术研 究与应用主要经历了三个阶段8 0 年代中期至9 0 年代初为起步阶段1 9 9 1 ～1 9 9 5 年为“八 五”攻关阶段1 9 9 6 年至今为引进技术和提高阶段。锚杆支护在技术上有了较大的发展， 煤巷锚杆支护技术的提高，对于平衡采掘关系，加快高产高效矿井建设，提高煤矿经济 效益将产生深远的影响。“煤巷锚杆支护技术”作为原煤炭工业部“九五”期间重点科技 攻关项目，经过几年的攻关研究，技术上不断成熟，设备上基本配套，己初步形成适合 我国煤矿具体生产条件的煤巷锚杆支护成套技术，并且在平顶山、开滦、兖州、邢台、 徐州等各大矿区的煤巷支护中推广。1 9 9 5 年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3 0 ．0 7 ％，煤巷中占1 5 ．1 5 ％。到1 9 9 8 年，全国煤巷锚杆支护的比重已达到2 0 ．1 4 ％。从上述数字可以看出，锚杆支护已经成为 岩巷支护的主要形式，煤巷、半煤岩巷中所占比重还很低，而且主要使用在条件比较简 单的I 、Ⅱ、I I I 类回采巷道，条件比较复杂的Ⅳ、V 类回采巷道还处于试验、总结经验 ● 阶段或者采用锚杆与其他支护的联合支护形式，因此，在煤巷、半煤岩巷中发展锚杆支 坐查型垫查兰堡主兰竺笙壅 护还有很大潜力。煤巷锚杆支护不同于 1绪论 般岩巷的锚喷 网 支护。它的主要型式是单 体锚杆；锚杆加w 钢带 或钢筋梁 或加网，或者加W 钢带 钢筋梁 及网，简称为 锚梁、锚网或锚粱网支护。我国煤巷锚打支护在不断发展中也取得了不少宝贵经验。主 要有单体锚卡T 支护、锚粱网组合支护、桁架锚杆支护、软岩巷道锚杆支护、深井巷道 锚杆支护、沿空巷道锚杆支护、锚杆与金属支架联合支护等。 锚杆支护属于主动支护方式，有利于加固围岩和提高围岩强度，保持巷道的长期稳 定。同架棚支护相比，锚杆支护的优越性主要表现在由于锚杆是主动支护顶板，防止 早期离层，大大改善了巷道的稳定状况，有利于巷道维护。锚杆支护与工字钢棚支护相 比，支护成本可降低3 0 ％左右，维护费用可降低3 0 ％一5 0 ％，有利于工作面单产和效率 的提高，另外也可减少支护材料运输量，减轻工人的劳动强度和劳动量，改善作业环境， 为回采工作面安全快速推进和实现高产高效创造了有利条件。锚杆支护是巷道支护的一 次重大革命，锚固技术己成为一种无可替代的岩土工程安全加固措施。虽然锚固如此重 要，其应用R 益广泛，锚杆支护理论也取得了巨大的成就，并在指导支护实践方面发挥 了积极的作用。尽管挤压加固理论、悬吊理论、组合梁理论早已问世，但是现有的锚杆 支护理论对岩土锚固机理还没有完全搞清楚，其计算模型都是经过大量简化而得到的， 所以设计理论和计算方法都不够完善，在锚杆支护设计的定量计算方面存在严重不足， 只能从理论上解释，与实际的锚杆支护定量设计有较大误差【2 】。由于模型本身的不足， 不能较好地反映锚杆加固的实际效果。锚杆支护设计在很大程度上依赖于经验类比。岩 土锚固理论方面的研究已经远远落后于工程实践，制约了锚杆支护技术的推广应用，有 时甚至还会造成严重的工程事故。在锚杆支护技术迅猛发展，理论却滞后于应用的现实 下。探讨锚杆锚固机理，对于锚杆支护设计的定量计算，服务于生产实践，有着重要的 理论价值和现实意义。本文的锚杆加固围岩潜力就是针对上述不足提出的。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 锚杆支护理论研究现状 随着锚秆支护工程实践的不断丰富，锚秆支护的理论计算模型己有许多有价值的成 果。目前，较成熟的理论主要有一、基于锚杆的悬吊作用而提出的悬吊理论；二、基 于锚杆的挤压加固作用而提出组合梁理论；三、综合锚杆的各种作用或基于特殊条件而 提出的锚杆桁架支护理论、锚注理论、松动圈理论、锚固体强度强化理论等。 些查型垫查堂堡主兰垡丝奎 丝堡 l 、悬吊理论悬吊理论认为锚杆支护是通过锚杆将软弱、松动不稳定的直接顶板 锚固在比较坚硬的岩层上，以防止其离层滑脱，起到悬吊作用，在这种理论下，锚杆主 要是提供足够的拉力，用于克服离层岩体的重力。该理论适用于锚杆长度范围内赋存有 稳定岩层的条件。 2 、组合梁理论组合梁也是一般公认的支护作用理论，组合梁理论【3 】是从经典的材 料力学中借用而来的。在美国七十年代无拉力全长胶结锚杆盛行时，组合梁理论被广泛 用来解释锚杆的支护机理，其主要要点是锚杆的轴向作用力将顶板各分层加紧，各分 层相互挤压，以增强各分层间的摩擦作用，提高层间抗剪力，各分层贯穿在一起形成一 个厚的组合梁，薄的岩石分层能独立抗拒的拉应力较小，而厚的组合梁抗拉强度、抗弯强 度大大提高。在锚杆与岩石层面横交处，锚杆与胶结物一起共同阻止岩层沿层理面的水 平错动。材料力学中的组合梁理论本身不考虑水平侧压的影响，而只考虑垂直载荷。该 理论适用于顶板由多层小厚度连续性岩层组成的巷道支护。 3 、锚杆桁架支护理论【9 】锚固桁架对巷道的加固作用主要表现在①改变顶板的应力 状态。即随着桁架锚杆预紧力的增加，顶板中部的拉应力将减小，甚至出现压应力，从 而弥补了岩体抗拉强度较小的弱点。②促进顶板裂隙体粱的形成。当巷道开挖在层状岩 体中且顶板极软和破碎时，顶板的破坏和变形可以用“岩梁”理论来分析，它的稳定性 取决于裂隙体梁的成拱作用，桁架锚杆的预紧力可以增强裂隙体间的挤压作用，从而增 强其间的摩擦作用，并可约束岩层的下沉变形，有利于裂隙体梁达到压力拱式的平衡状 态。 4 、锚注理论中国矿业大学陆士良教授通过对软岩和动压巷道支护的研究，提出了 外锚内注式的新型支护理论【8 】 简称“锚注理论” 。该类巷道围岩的破坏范围大，传统 的刚性支护不适应于这种变形特点，单纯使用锚杆或组合锚杆，难以形成平衡拱。注浆 可以改变围岩的松散结构，提高围岩的整体性和强度，使锚杆对松软、破碎岩层的锚固 作用得以发挥。 5 、松动圈理论1 9 8 8 年，中国矿业大学董方庭教授提出了松动圈支护理论。围岩 松动圈理论【3 】认为①在井巷未开挖之前，岩体处于原始应力状态，巷道开挖后，破坏 了原来的应力平衡，围岩应力重新分布并产生应力集中，应力集中系数一般均大于2 ； 重新分布的应力称为二次应力，当二次应力超过其岩体的强度极限时，巷道围岩开始变 形，直至达到新的平衡。地应力与围岩相互作用在巷道周边一定范围内形成了松动破碎 带，即围岩松动圈；②松动圈形成过程中产生的碎胀力及其所造成的有害变形是巷道支 3 些重型垫查兰婴蔓 丝堡兰 堑 竺 护的主要对象，松动圈尺寸越大，巷道收敛变形也越大，支护越困难。③依据松动圈的大 小采用不同的原理设计锚杆支护。小松动圈 O ～4 0 c m 采用喷射混凝土支护即可；中松动 圈 4 01 5 0 c m 采用悬吊理论设计锚秆支护；大松动圈 1 5 0 c m 采用组合拱原理设计 锚杆支护参数。松动圈越大，收敛变形就越大，支护也越困难。破裂顶板在锚杆锚固力 作用下，可以形成具有一定强度和厚度的锚固层，随围岩变形，锚固层将达到新的平衡 状态，形成压力拱式的平衡结构。出于围岩松动圈是随着时间、巷道支护形式及支护强 度的变化而变化，并且在同一断面上由于岩性的差异，围岩松动圈的大小也是不一样的。 所以，在复杂条件下围岩松动圈理论 如煤巷、软岩巷道 并没有得到应用。松动圈支护 理论对于锚杆支护的指导作用主要在于确定普通锚杆 如普通圆钢锚杆、水泥药卷锚杆等 的适用条件和范围。 6 、最大水平地应力理论【3 】自从八十年代以来，水平应力对巷道稳定性的影响已经 引起了人们的普遍关注。澳大利亚W ．G a l e 博士 1 9 8 7 通过数值模拟分析及现场观测，得到 了水平应力对巷道稳定性影响的最基本的认识巷道轴向与最大主应力方向平行时，巷道 受水平应力的影响最小；二者垂直时，巷道受水平应力的影响最大；二者呈一定夹角时， 巷道其中一侧会出现水平应力集中而另一侧应力较低，因而顶底板的变形会偏向巷道的 某一侧。并提出在最大水平地应力的作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动 与松动而造成围岩变形，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，因此要求锚杆必须具有强度大、刚度大、抗剪切阻力大的特点才能起到约束围 岩变形的作用。所以，澳大利亚锚杆支护特别强调锚杆高强及全长胶结。 7 、基于高水平地应力状态的“刚性”梁理谢3 】近几十年来，美国、澳大利亚、 英国等国家的地应力观测结果表明水平最大应力通常是垂直应力的1 ．2 5 ～2 ．5 倍，水平 应力的大小、方向主要取决于地球板块之间的运动，而与垂直应力没有直接关系。我国 一些矿区的地应力测试结果表明，大部分矿区的地应力是以水平地应力为主的，如邢台、 峰峰、新汶、兖州等。所以，在这种情况下水平地应力才是影响巷道稳定性的主要因素， 煤巷锚杆支护的理论与设计方法必须充分考虑水平地应力的影响。美国的J ．S t a n k u s 和 S o n g G u o 1 9 9 6 ，1 9 9 7 系统地研究了水平地应力对巷道稳定性的影响，认为水平地应力是 造成巷道顶板离层跨落、底板鼓起的主要原因，但可以通过提高巷道顶板锚杆预应力， 将水平地应力的消极影响变为积极的作用，从而极大地提高巷道的稳定性，并开始在锚 杆支护设计中考虑锚杆预应力的影响。朱浮声 1 9 9 3 、郑雨天 1 9 9 5 的研究表明当锚杆 预应力达到6 0 ～7 0 k N 时，就可以有效控制巷道顶板的下沉量，并可以加大锚杆的问排 4 山东科技大学硕士学位论文 I 绪论 距。 8 、基于垂直地应力的锚杆支护理论“刚性”墙理论[ 3 1 我国一些矿区或者同一 矿区的不同深度的地层应力是以垂直地应力为主的，在垂直地应力的作用下，巷道两帮成 为薄弱环节，所以两帮锚杆预拉力 或称初撑力 的大小对整个巷道的稳定性具有至关重 要的作用。当预拉力达到一定程度时，使巷道两帮形成“刚性”墙，提高了巷道两帮的 刚度与承载能力，“刚性”墙的存在形成了垂直地应力的转移“通道”，使巷道顶板成为 一个免压区，保护巷道顶板不受垂直压力的破坏，如图1 ．1 所示。在垂直应力占主导地 位的情况下，与高水平地应力的情况下“先控顶，后护帮”的支护理念相比，当垂直地应 力成为控制巷道稳定性的关键因素时，巷道的支护原则是“先护帮后控顶”。“刚性”墙 的存在，降低了巷道顶板的有效跨度，从而提高了巷道顶板的承载能力，减少了巷道顶 板离层冒顶的可能性。 9 、锚固体强度强化理论中国矿业大学侯朝炯教授【4 ’7 ] 等通过对处于不同特性状态岩 体加锚前后的力学性质的研究，提出了巷道锚杆支护围岩强度强化理论。该理论认为 巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域岩体相互作用，并形成统一的承载结构；锚杆支 护可以提高锚固体强度，改善锚固体的力学性能锚杆作用可以提高围岩各状态下的强 度值，使巷道围岩强度得到强化。 1 0 、组合拱理论组合拱理谢3 】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，如果沿巷道周边布置锚杆群，只 要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆 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 亦称组合拱或压缩拱 ，如 图1 ．2 所示。这个承压拱可以承受其上部破碎 岩石施加的径向载荷。在承压拱内的岩石径向 及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强 度得到提高，支撑能力也相应加大。因此，锚 杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较 高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的稳定 和支撑能力的提高。组合拱理论在一定程度上 图1 ．1垂直地戍力在巷道两帮 形成的应力“通道” F i g ．1 ．1 S t r e s s “c h a n n e l s ”f o r m e db y s t r a t u ms t r e s si nb o t hs i d e so f r o a d w a y 揭示T N 杆支护的作用原理，在岩石或煤层拱形巷道中可以作为锚杆支护参数的设计依 据。 5 颟、 栽 当．茎型塾奎兰堡兰些堡兰 一一． j 童兰一 1 l 、岩体锚固系统串并联系统模型【。】岩体锚固系统是指以实现岩体锚固为功能目 标，由若干岩体锚固子系统构成的系统集合体，系统集合体是岩体锚固系统的特征，它 表明各子系统之间存在着互相制约机制，遵循着一定的准则。岩体锚固子系统由4 个主 要单元构成 1 围岩体单元 2 锚杆单元； 3 围岩体 a 锚固层 b 组合拱 图1 ．2群体锚杆形成的“锚固层”和“组台拱” F i g ．1 ．2 B o l t e dl a y e ra n dc o m b i n e da r c hf o r m e db yb o l t s 内部固定物单元； 4 围岩体表面联接固定物单元。为使问题分析简单，作以下简化4 个主要单元简化为围岩体单元、锚杆单元、粘结固定单元和外联接件固定单元。经上述 简化后，单一锚杆的端锚及全锚系统模型如图1 ．3 和图1 ．5 ，任一隧 巷 道断面锚杆的端锚 及全锚串并联系统模型如图1 ．4 和图1 ．6 。 图1 ．3 】个锚杆端锚系统模型 F i g ．1 ．3S y s t e mm o d e lo f b o l t e de n do f o n e b o l t 6 舻㈠≯ ．J ， { { U{ j j 一 【】1 1 图1 ．4n 个锚杆端锚系统模弛 F i g ．1 ．4S y s t e mm o d e lo f b o l t e de n do f n b o l t s 山东科技大学硕士学位论文 1绪论 一出舅t 酣一、．瞄必粝 图1 ．6r 1 个锚杆全锚系统模型 F i g ．1 ，6S y s t e mm o d e l o f b o l t e dt o t a l l e n g t ho f r lb o l t s 根据上述围岩体锚固系统的概念，对其作用机理提出以下效应 1 岩体锚杆加固， 一方面能有效抵御围岩体内部产生的结构变形，并与围岩体共同作用，从而有效控制了 围岩体变形。另一方面锚固系统的一定柔性能使它形成的内承载结构具有随围岩体变形 而变化的“动态”特征，因此锚固系统易于与围岩体变形达到调和与匹配。这2 方面作 用的互相统一体便是锚固系统的变形抑制与耦合效应。 2 销钉及加固岩梁效应板裂结 构和块裂结构的破坏主要是由软弱结构面或软弱夹层 层间错动 引起的，这在隧道中经 常见到。板裂结构破坏机制主要是弯折及溃屈破坏 图1 ．7 ，f 唾斜产状时也可能出现滑动破 坏，而块裂结构主要是滑动破坏。锚杆将各岩层穿起来后，锚固系统提供的工程支护力 能使各岩层挤紧，增大了层间摩擦力，同时锚杆本身也提供了一定的抗剪能力，最终结 果是全部锚固岩层共同变形，抗弯强度大大提高，叠合梁变成了组合梁，此即为锚固系 统的加固岩梁效应。 3 动态承载拱 环 效应隧 巷 道围岩破裂区形成的碎裂结构一般可 看作为错缝式碎裂结构，以地基力学模型为例，错缝式碎裂结构岩体力学作用模型见图 1 ．8 。当锚杆长度及间距合适时，矩形隧 巷 道初期形成挤压加固梁 图1 ．9 a 。曲线形隧 巷 道初期可视为挤压加固拱 环 图1 ．9 b 。由于该挤压加固梁 拱或环 具有承载能力， 故亦称承载梁 拱或环 。此即为锚固系统的动态承载拱 环 效应。 三凼IIII 一黛⋯～II ⋯II 隆 专多蓼晦一劢睁 图1 ．7 岩体的弯折或溃屈破坏图1 ，8 错缝式碎裂结构岩体力学作用模型 F i g ．1 ．7B e n d f o l da n db u r s tb o wo fr o c k F i g ．I ．8R o c k m e c h a n i c sm o d e lo f i n t e d a c e d - s l o tc h i ps t r u c t u r e 山东科技大学硕{ 。学位论文绪论 ≠，． 参K 彳 ／∑ 骅蟹强筠鼋彩 ＼ 于代一 7 ＼7／＼ a I 祷压加固暴h 裤压扣圈鹏 图1 ．9 锚杆的呈梁、拱动态过程示意 F i g ．1 ．9D y n a m i cp r o c e s so f b e a ma n da r c h i n go f b o l t 1 ．2 ．2 锚杆支护巷道锚固机理现代力学研究成果 l 、解析研究解析研究是揭示锚固机理的基础，现代力学的迅速发展，为利用解析 方法研究锚固机理提供了机遇，国内外许多学者，利用现代力学理论，在锚固机理及工 程应用方面作了大量探讨。在国外，如R a j e n d r a 等研究了在厚煤层顶板中采用锚索支护 的机理及设计方圳m 佗】，C ．S a g a s s e t a [ ‘卸等提出了边坡滑移的锚固解析模型；在国内，高 明中等[ 1 4 , 1 5 ] 通过锚固体无拉力梁力学模型解析和模型试验，发现锚固体梁在受载变形过 程中，由于梁轴向受动荷载挤压作用，以压力拱形式维持不同变形阶段的动态平衡；当 岩体强度及摩擦力不足时，引起剪切滑落失稳和挤压破碎失稳否则，当挠度超过某一 极限状态时，将产生回转变形失稳，并探讨了煤巷锚秆对动压的适应性。王立斌等【“ 1 对 锚杆体在各种受力状态下的强度进行了力学模型分析计算，重点阐述了杆体在受复合外 力作用下的破坏机理，发现锚固在井下巷道围岩中的负载锚杆，若承受复合外力作用， 锚杆杆体强度会低于试验中纯拉力或纯扭矩的破断强度。刘庆顺等【‘6 】根据工程实际，探 讨了裂隙岩体锚杆失去支护能力的缘由。朱浮声掣他】、颜荣贵㈣探讨了全长粘结式锚杆 的加固及预应力岩石锚杆的作用机理。杨建辉等【2 0 】将煤巷顶板结构类型划分为整体结 构、块裂结构、碎裂结构、板裂结构和散体结构，简述了不同顶板结构类型的结构面性 质、破坏特点及相应的支护设计原则。杨振宏【2 l 】针对采场锚杆支护顶板围岩失稳的力学 过程，分析研究了锚杆支护系统发生突变的突变尖点。赵子江等[ 2 2 ] 通过力学分析，证明 在软岩中锚杆失效的主要原因在于岩体的可锚性差，锚杆的锚固力得不到充分发挥。官 山月等【2 3 】提出了村脂锚杆锚固失效的四种基本模式，建立了锚固失效的力学判掘，可用 于分析设计锚杆直径和杆体强度。彭立敏等【2 4 】探讨浅埋隧道锚杆预加固的作用机理与分 坐查型垫查兰堡主堂堡丝苎 堑堡 析方法。王志宏等【2 5 】则探讨了不同锚固方式的锚杆受力机制。侯朝炯等1 4 】通过实验室试 验和理论分析，研究了巷道锚杆支护对锚固范围岩体峰值强度和残余强度的强化作用以 及对锚固体峰值强度前后E 、c 、审值等力学参数的改善，分析了锚固体强度强化后对巷 道围岩塑性区和破碎区的控制程度。刘波等【2 6 】基于S ．R 定理的大变形理论，研究了锚杆 在节理岩体的拉剪局部大变形行为。尤春安【27 】利用M i n g d l i n 问题的位移解导出了全粘结 式锚杆的受力弹性解。叶明亮【28 】对地下结构围岩锚固参数进行弹塑性分析。 2 、试验研究模拟试验研究是锚固机理研究的重要手段。汤雷等【2 别运用真三轴实 验台，进行了l 4 大比例的模型试验，展示了锚杆支护的围岩从开挖到失稳的全过程，即 锚固区破碎围岩碎胀变形、锚固区以外围岩碎胀变形和围岩失稳三个阶段。丁多文【3 0 】等 采用大比例尺寸模型，分析了预应力长锚索灌浆段的载荷传递机制，对锚固深度公式进 行了修正。勾攀峰【7 】等采用相似材料模拟实验研究表明，锚杆可以有效提高锚固岩体的 峰值强度和残余强度。这些研究为人们对锚杆机理理性化思维和工程设计提供了基础。 3 、数值模拟计算计算机技术的发展，为岩土锚固理论的进步提供了机遇。谢文兵 等1 3 1 】通过锚杆及锚固剂工作状态力学模型的分析，并采用数值力学分析了锚杆支护失效 的原因，提出了改善锚杆支护效果的技术途径。陈云浩等【3 2 】应用快速拉格朗日元法 F L A C 对回采巷道锚杆支护作大变形数值分析，分析了回采巷道在不同地应力条件， 不同应力状态下的变形特征。张晋生等1 3 4 】提出了有限元大变形锚杆单元模型，并推导了 其相关的大变形有限元计算公式，成功地解决了锚杆支护大变形有限元的模拟计算问题。 谭云亮等【5 ’3 3 】采用F E M 与B E M 耦合方法，研究了深部高应力软岩巷道变形规律及锚固 效果。上述的数值模拟研究。使人们对锚固机理的认识更加深刻。 1 ．3 巷道锚杆支护理论及技术现存的主要问题 虽然锚杆支护理论取得了巨大的成就，并在指导现场支护实践方面发挥了积极的作 用，但能够用于定量支护设计的方法仍存在严重不足，由于锚杆支护机理的复杂性和多 样性，已有的理论计算模型都是经过大量的简化而得到的，其结果往往与现场实践存在 较大的误差，或者对锚杆的支护效果体现的不明显。主要表现在 l 、现有的锚杆支护理论存在一定的局限性，难以满足复杂条件下尤其是煤巷围岩支 护设计的要求。悬吊作用的实现有赖于锚杆有效长度范围内坚固稳定岩层的存在。组合 梁作用的实现要以连续层状顶板为条件。而挤压加固作用仅能在巷道为拱形断面的条件 些查型垫叁兰堡主兰竺丝苎 ． 笪笙 下，才能得以较好地发挥。由于煤巷围岩具有强度低，裂隙发育等内在的不稳定因素， 因而不具备锚杆组合梁的形成条件在锚杆有效长度范围内往往没有稳固岩层，因而难 以发挥锚杆的悬吊作用。由于煤巷多为矩形或梯形断面，传统的挤压加固拱理论不再适 用。 2 、数值计算方法出现后，克服了解析计算中的诸多的困难，扩大了定量分析的范围。 但由于模型本身的缺陷，并不能较好地反映出锚杆加固的实际效果；而且，数值计算方 法很难在现场推广和普及，现场的支护设计很大程度上依赖于经验类比。这就不可避免 的带有一定的盲目性，因为锚杆支护属于隐蔽性工程，这种类比设计的盲目性，有时可 能会造成顶板离层冒落，而且顶板冒落前征兆不明显，具有突发性，带来严重的事故。 3 、在现场锚杆支护设计方面，传统的锚杆支护理论只能从宏观上、理论上解释锚杆 支护设计，对于锚杆支护定量设计的贡献不大，因此，没有涉及锚杆增加围岩稳定性潜 力的定量描述问题。 4 、在锚固设计方法方面，很难用统一的锚固理论作为指导，进行定量的设计计算， 在现场应用中，经验决策成为锚杆支护的主体，这样一来，往往出现两种极端的情形 要么锚固围岩稳定性差，出现塌方或顶板垮落事故；要么锚固强度过大，造成极大的经 济浪费，因此做不到“既安全可靠，又经济合理”的优化设计，因而大大限制锚杆支护 技术的推广应用。 1 ．4 研究内容及方法 本课题为锚杆支护巷道加固潜力与应用的基础性研究。课题以理论分析、数值模拟 计算等为手段，对特定支护参数下，巷道跨度潜力进行分析，为端锚和全锚条件下巷道 锚杆支护定量设计提供可靠性依据。具体研究内容及方法如下 1 、借鉴复合材料力学、断裂与损伤力学理论，以矩形巷道为研究对象，建立锚杆加 固层状顶板围岩稳定性