预应力让压锚杆的数值模拟研究及其应用.pdf

分类号分类号TD353TD353密密级 级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 预应力让压锚杆的数值模拟研究及其应预应力让压锚杆的数值模拟研究及其应预应力让压锚杆的数值模拟研究及其应 预应力让压锚杆的数值模拟研究及其应 用用用 用 王王阁阁 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名连连 传传 杰杰职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇〇七年五月二〇〇七年五月 论文题目论文题目论文题目 论文题目 预应力让压锚杆的数值模拟研究及其应用预应力让压锚杆的数值模拟研究及其应用预应力让压锚杆的数值模拟研究及其应用 预应力让压锚杆的数值模拟研究及其应用 作者姓名作者姓名作者姓名 作者姓名 王王王 王 阁阁阁 阁 入学时间入学时间入学时间 入学时间 200420042004 2004 年年年 年 9 9 9 9 月月月 月 专业名称专业名称专业名称 专业名称 采矿工程采矿工程采矿工程 采矿工程 研究方向研究方向研究方向 研究方向 特特特 特 殊殊殊 殊 开开开 开 采采采 采 指导教师指导教师指导教师 指导教师 连连连 连 传传传 传 杰杰杰 杰 职职职 职 称称称 称 教教教 教 授授授 授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期 论文提交日期 200720072007 2007 年年年 年 5 5 5 5 月月月 月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期 论文答辩日期 200720072007 2007 年年年 年 6 6 6 6 月月月 月 授予学位日期授予学位日期授予学位日期 授予学位日期 NUMERICALNUMERICALNUMERICAL NUMERICAL SIMULATIONSIMULATIONSIMULATION SIMULATION O O O O F F F F PRE-STRESSEDPRE-STRESSEDPRE-STRESSED PRE-STRESSED YIELDYIELDYIELD YIELD BOLTBOLTBOLT BOLT SUPPORTSUPPORTSUPPORT SUPPORT ANDANDAND AND ITSITSITS ITS APPLICATIONAPPLICATIONAPPLICATION APPLICATION A A A A DissertationDissertationDissertation Dissertation tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of MASTERMASTERMASTER MASTER OFOFOF OF PHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHY PHILOSOPHY fromfromfrom from ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and TechnologyTechnologyTechnology Technology bybyby by WWW W angangang ang GeGeGe Ge SupervisorSupervisorSupervisor Supervisor ProfessorProfessorProfessor Professor LianLianLian Lian ChuanjieChuanjieChuanjie Chuanjie CollegeCollegeCollege College ofofof of NaturalNaturalNatural Natural ResourcesResourcesResources Resources andandand and EnvironmentalEnvironmentalEnvironmental Environmental EngineeringEngineeringEngineering Engineering MayMayMay May 200200200 200 7 7 7 7 声声明明 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。其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION AFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertation,dissertation,dissertation, dissertation, tedtedted ted in in in in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of MasterMasterMaster Master ofofof of PhilosophyPhilosophyPhilosophy Philosophy in in in in ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and Technology,Technology,Technology, Technology, is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of acknowledge.acknowledge.acknowledge. acknowledge. TheTheThe The documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been tedtedted ted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic instituteinstituteinstitute institute . . . . SignatureSignatureSignature Signature DateDateDate Date 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 锚杆现今作为我国煤矿巷道的主要支护形式，已经被绝大多数人认可。由于我国许 多煤矿开采时间较长，新建煤矿和老矿不得不开发地质条件复杂、岩层结构软弱的煤田 或向深部延深，巷道围岩体表现出明显的大变形、大地压、长时间持续流变的软岩特性， 出现了越来越多的采用传统锚杆支护方式难以控制的大变形巷道。预应力让压锚杆是针 对深井、软岩和受动压影响的大变形巷道而专门设计的一种可延伸锚杆，它可以对围岩 施加高预应力，最大限度地减少巷道离层的发展，而且这种锚杆杆体是由高强钢加工而 成的，因此在支护时其支护强度很高，能最大限度地维护巷道的稳定；让压锚杆的结构 是在高强预应力锚杆的螺母与托盘之间安装一个特制的让压管，能够使锚杆在高支护阻 力情况下适应巷道围岩大变形的需要。现场试验表明，预应力让压锚杆对控制大变形巷 道的围岩变形有着非常明显的效果。 本文根据大变形巷道的特点，利用“先刚后柔，柔中带刚”的支护观点，对预应力 让压锚杆的数值计算方法进行了一系列的研究，建立了预应力让压锚杆的本构关系。结 合新泰矿区某煤矿应用预应力让压锚杆的工程实例，利用有限元计算软件 ANSYS 对大变 形巷道支护进行了数值模拟分析，利用围岩的离层分析确定锚杆应施加的预应力，以锚 杆受力及巷道变形分析设计锚杆的让压点，并对支护方案进行了优化设计。 关键词关键词预应力让压锚杆，大变形巷道，预应力，ANSYS 数值模拟 山东科技大学硕士学位论文摘要 ABSTRACTABSTRACT As a kind of main coal mine roadway supporting s in China nowadays, bolting has been widely accepted by most people. Due to the mining ages increasing, both new mines and old mines have to exploit coalfields in complex geological conditions or soft stratofabric or deeper deposits. As a result,apparentlargedeation,biggroundpressureandlong-term sustained rheological characteristics of soft rock occur in roadway wall rock. All of these result in much larger deation roadways that hardly canbecontrolledbytraditionalbolting.Pre-stressedyieldbolthas extensibilityanditisdesignedspeciallyagainstroadwayslarge deation due to deep mining, soft rock and dynamic pressure. It can apply highpre-stresstowallrockanddecreasethedevelopmentofroadway separation layers in high limit. The body of this bolt is made of high- strength steel, so it can support strongly and maintain stabilization of roadways.Itiscalledyieldboltbecauseatailor-madeyieldtubeis installed between nut and pallet of the pre-stressed bolt. This kind of structure can make the bolt adaptable to large deation of wall rock of roadway under high resistance pressure for support. Field tests show that thepre-stressedyieldboltismosteffectualincontrollinglarge deation of wall rock of roadway. Under the direction of “first strong later yielding” and “fit strong in yielding”, numerical s on pre-stressed yield bolt are studied and constitutive equations are built in this paper based on the characteristics of large deation roadway. A project case that pre-stressed yield bolts are used in a coal mine in Xintai mining area is quoted in this paper and numerical simulation analysis to support to the large deation roadways of the coal mine is done through finite element calculation software ANSYS. Pre-stress to the bolts is determined by analyzing separation layers of wall rock and yield points of bolts are analyzed and designed based on axial stressonboltsandroadwaydeation.Atlast,supportschemesand designs are optimized. 山东科技大学硕士学位论文摘要 KeywordsKeywordspre-stressed yield bolt, big distortion entry, pre-stress, ANSYS numerical simulation 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 1 1 1 绪论绪论绪论 绪论 1 1 1 1 1.1 引言1 1.2 国内外研究现状2 1.3 主要研究内容10 2 2 2 2 大变形巷道预应力让压锚杆锚固机理研究大变形巷道预应力让压锚杆锚固机理研究大变形巷道预应力让压锚杆锚固机理研究 大变形巷道预应力让压锚杆锚固机理研究 121212 12 2.1 大变形巷道围岩的特点12 2.2 预应力让压锚杆的力学特性分析12 2.3 大变形巷道预应力让压锚杆与围岩的相互作用关系19 2.4 预应力让压锚杆锚固机理分析21 2.5 本章小结27 3 3 3 3 预应力让压锚杆的数值计算方法研究预应力让压锚杆的数值计算方法研究预应力让压锚杆的数值计算方法研究 预应力让压锚杆的数值计算方法研究 282828 28 3.1 岩石强度准则28 3.2 预应力让压锚杆数值计算方法的研究30 3.3 数值模拟软件的选择37 3.4 本章小结37 4 4 4 4 工程应用工程应用工程应用 工程应用 393939 39 4.1 引言39 4.2 工程地质条件39 4.3 数值计算过程及模拟结果分析41 4.4 锚杆支护设计51 4.5 支护效果分析及评价52 4.6 本章小结58 5 5 5 5 结论与展望结论与展望结论与展望 结论与展望 606060 60 5.1 主要结论60 5.2 展望61 致致致 致 谢谢谢 谢 626262 62 附件附件附件 附件 636363 63 主要参考文献主要参考文献主要参考文献 主要参考文献 656565 65 山东科技大学硕士学位论文目录 CONTENTSCONTENTSCONTENTS CONTENTS 1 1 1 1 IntroductionIntroductionIntroduction Introduction 1 1 1 1 1.1Introduction1 1.2Current Study Situation Both Home and Abroad2 1.3Research Contents10 2 2 2 2 ResearchResearchResearch Research ononon on thethethe the Pre-stressedPre-stressedPre-stressed Pre-stressed yieldyieldyield yield boltboltbolt bolt ’ ’ ’ ’ s s s s anchoranchoranchor anchor mechanismmechanismmechanism mechanism in in in in largelargelarge large distortiondistortiondistortion distortion entry.entry.entry. entry. 121212 12 2.1Characteristics of the large distortion entry’s surrounding rock12 2.2Analysis on the mechanical traits of pre-stressed yield bolt12 2.3Interaction between the pre-stressed yield bolt and surrounding rock for large distortion entry19 2.4The pre-stressed yield bolt’sanchor mechanism21 2.5Summary27 3 3 3 3 ResearchResearchResearch Research ononon on thethethe the simulatingsimulatingsimulating simulating ofofof of thethethe the pre-stressedpre-stressedpre-stressed pre-stressed yieldyieldyield yield boltboltbolt bolt 282828 28 3.1Rock strength criterion28 3.2Research on the simulating of the pre-stressed yield bolt30 3.3The choice of the numerical simulating software37 3.4Summary37 4 4 4 4 FieldFieldField Field applicationapplicationapplication application 393939 39 4.1Introduction39 4.2Engineering geological condition39 4.3The numerical simulating process and simulation results analysis41 4.4Bolt support design51 4.5Support effect measurement and uation52 4.6Summary58 5 5 5 5 ConclusionsConclusionsConclusions Conclusions 606060 60 5.1Conclusions60 5.2Forecast61 AcknowledgmentsAcknowledgmentsAcknowledgments Acknowledgments 626262 62 AppAppApp App endixendixendix endix 636363 63 ReferencesReferencesReferences References 656565 65 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 1 1 1 绪绪绪 绪 论论论 论 1.11.11.1 1.1 引言引言引言 引言 随着开采时间的推移，很多矿井不得不向深部延深，深井巷道围岩体表现出明显的 大变形、大地压、长时间持续流变的特性，出现了越来越多的采用传统支护方式难以控 制的大变形巷道。由于深部软岩巷道围岩体承载能力差，支护方式的选择受到诸多因素 的限制，巷道的稳定控制十分困难，很多巷道处于多次返修、多次扩刷、多次支护的境 地[1-2]。由于大变形巷道工程所处的复杂工程地质条件，其支护问题一直是困扰我国煤炭 生产的一个主要问题[3-4]。 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，其围岩自稳时间很短，在掘进引起的巷道围岩应力调 整阶段围岩变形速度快、变形量大；应力调整阶段完成后，在应力相对稳定阶段围岩蠕 变变形量较大，故积累的总变形量也较大，一般均大于 200mm，有的可达 500mm，甚 至在 1000mm 以上；埋藏深度大、地应力高的巷道或受回采动压影响的巷道开掘后，在 其服务期间内围岩的变形量也很大。上述大变形巷道中使用普通刚性锚杆支护时，常因 锚杆不能适应巷道围岩的变形被拉断失效，而且锚杆刚度越大，延伸率越低，变形量小， 不能适应大变形巷道围岩的变形需要。因此，对于松软、膨胀、破碎围岩和动压影响下 的巷道，在开掘后应及时安装锚杆；锚杆在安装完毕后应能提供较高的预应力以控制围 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较高的支护阻力， 以控制围岩的变形，还要求锚杆有一定的伸长量，以适应围岩大变形的需要，使锚杆既 能维护好围岩使之不致垮落，又具有很好的让压性而不致损坏，从而保证软岩巷道支护 的可靠性。因此，控制围岩变形与适应围岩变形是相辅相成的，缺一不可[5-6]。普通锚杆 难以实现较大的延伸量，不能满足使用要求[17]，在这种情况下，出现了可延伸锚杆。 与现今锚杆支护技术应用的蓬勃发展相比， 虽然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，但由于大变形巷道锚杆支护机理的复杂性和 多样性，已有的理论计算模型[7-8]都是经过大量的简化而得到的，其结果往往与实际存在 较大的差异，或者对锚杆的支护效果体现的不明显，尤其对高应力条件下的大变形巷道 更是如此。数值方法[8-9]诞生以后，克服了解析计算中的诸多困难，扩大了定量分析的范 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 围，可以不受巷道断面形状和应力分布状态的限制，但通常的数值计算方法一般是对锚 固岩体进行模拟，通过巷道围岩的应力状态来反映锚杆的支护效果。前人在对可延伸锚 杆进行数值模拟时，是把锚杆的屈服过程近似看作为恒阻过程，锚杆一旦达到屈服，其 承载能力就会大大下降，锚杆很快就会失效，这与实际的可延伸锚杆有一定差距。预应 力让压锚杆作为一种新型的可延伸锚杆，在其达到屈服前锚杆会有一个恒阻让压过程， 其数值计算方法目前在国内外还没有人提出，因此关于它的支护设计在很大程度上仍依 赖于经验类比，不可避免地存在一定的盲目性。本文将针对这个问题，通过模拟巷道顶 板的离层情况分析确定锚杆应施加的预应力大小，通过锚杆受力及巷道顶板的下沉情况 来设计预应力让压锚杆的让压点。本文针对深井软岩等大变形巷道，探讨合理的预应力 让压锚杆的数值计算方法，对预应力让压锚杆的支护设计参数通过数值计算进行确定， 从定量方面对巷道支护进行设计，这对解决我国大变形巷道的支护难题、推广预应力让 压锚杆都具有非常重要的现实意义。 1 1 1 1 . . . . 2 2 2 2 国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状 国内外研究现状 1.2.11.2.11.2.1 1.2.1 可延伸锚杆应用研究现状可延伸锚杆应用研究现状可延伸锚杆应用研究现状 可延伸锚杆应用研究现状 国内外对可延伸锚杆的研究已有近 30 年的历史，我国在这方面的研究始于上世纪 80 年代初。国内外学者研制的可延伸锚杆形式很多，按其基本工作原理可分为锚杆杆体 可延伸和锚杆结构元件滑动可延伸两大类。第一类可延伸锚杆的支护阻力是由杆体材质 的力学特性决定的，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 伸锚杆则是依靠设计某些机械结构而使锚杆在受到巷道围岩变形传递给杆体的拉力后， 在一定的阻力下借助这些机械结构的作用而产生滑动的，该滑动阻力即为锚杆的支护阻 力，滑动后锚杆相对伸长，其滑动量即为锚杆的延伸量。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， 在使用中往往只能利用锚杆杆体极限伸长量的一半，所以，伸长量是有限的，初锚力也 较低；结构元件滑动可延伸锚杆一般具有恒阻可缩性，伸缩量可调，动作比较可靠，伸 长量也较大等优点，但构造通常较复杂，成本较高[4-5, 10-12]。 国外典型的杆体可伸长锚杆有德国蒂森型及前苏联的杆体弯曲波浪型。蒂森型锚杆 的两端为普通碳素钢中间焊接一段可拉伸的奥氏体钢，锚杆的极限拉伸量可达 517mm， 最大工作阻力为 200kN。 前苏联研制的杆体弯曲可伸长锚杆是用普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，从而为锚杆提供一定的工作 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 阻力和一定的伸长量。结构元件滑动可伸长锚杆的类型有结构摩擦滑动式、结构剪切滑 动式、结构挤压滑动式。结构元件可设置在孔内也可设置在孔口[11]。 国内最典型的可伸长锚杆主要有中国矿业大学的“H型”及“改进型”杆体可伸长 锚杆，这种锚杆是选用低碳圆钢（如Q235）或螺纹钢（如 20MnSi）加工制作，它与普 通金属锚杆的差别在于锚尾不同。普通金属锚杆因锚尾段螺纹内径小于杆体直径，故锚 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， 锚尾将损坏或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 利 用 。“H型”及“改进型”杆体可伸长锚杆是对锚尾进行机械加工或热处理，使锚尾段 的强度高于杆体，如此，在巷道变形时，杆体首先屈服延伸，锚尾不会损坏或拉断，充 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于普通金属锚杆 [11-12]。但这种锚杆的强度低，当巷道所受的地应力较大时，锚杆杆体就会拉断，这种锚 杆的延伸属于破坏性拉伸。 我国在上世纪 90 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 伸长锚杆、孔口弹簧压缩式可伸长锚杆、杆体伸长和孔口压缩式可伸长锚杆、塑料压缩 筒可伸长锚杆及杆体拉长式可伸长锚杆。这些锚杆具有一定的让压性，但均未能得到很 好的推广应用[13]。主要有以下原因[18]①预应力太小，锚杆支护系统难以阻止顶板离层 和围岩松动圈的发展，导致围岩有害变形加大；②锚杆强度不够大，难以阻止深井软岩 巷道的变形；③让压不合理，不能保证锚杆支护系统在整个使用期间不失效。 预应力让压锚杆是美国捷马公司 2005 年针对中国煤矿的特点而研发的一种新型可 延伸锚杆，其高预应力、高强度以及特有的让压特性，非常适合我国煤矿深井软岩大变 形巷道中遇到的支护问题[14-16]，现在已在许多煤矿得到应用，如新汶矿业集团的华丰煤 矿、协庄煤矿、孙村煤矿、潘西煤矿，肥城矿业集团的梁宝寺煤矿，莱芜矿区的莱芜熠 能矿业有限公司、龙口矿区的梁家煤矿以及潞安矿业集团常村煤矿等进行了试验研究， 取得了非常显著的效果。 尽管预应力让压锚杆的现场支护效果非常显著，但由于其研发的时间并不长，其锚 杆支护机理还没有经过系统的研究，仍缺少完整的理论支撑。 1.2.21.2.21.2.2 1.2.2 大变形巷道支护理论的研究现状大变形巷道支护理论的研究现状大变形巷道支护理论的研究现状 大变形巷道支护理论的研究现状 1.2.2.1 国外研究现状 （1）古典压力理论 20 世纪初发展起来的以海姆（A.Haim） 、朗金（W.J.M.Rankine）和金尼克理论[4]为 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 代表的古典压力理论认为作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的质量γH。其不同之 处在于海姆认为侧压系数为 1，朗金根据松散体理论认为是 tan2（45－Ψ/2） ，而金尼克 根据弹性理论认为是μ/（1-μ），其中μ、Ψ、γ分别表示岩体的泊松比、内摩擦角和体积质 量。 （2）坍落拱理论 随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论在许多方面都有不符合实际之处，于 是坍落拱理论应运而生，其代表有太沙基和普氏理论[19]。坍落拱理论认为坍落拱的高 度与地下工程跨度和围岩性质有关。太沙基认为坍落拱形状为矩形，而普氏则认为坍落 拱形状呈抛物线形。坍落拱理论的最大贡献是提出巷道围岩具有自承载能力。 20 世纪 50 年代以来，人们开始用弹塑性力学来解决巷道支护问题，其中最著名的 是芬纳（R.Fenner）公式[20]和卡斯特纳（H.Kasterner）公式[21]。 （3）新奥法 20 世纪 60 年代， 奥地利工程师L.V.Rabcewicz 在总结前人经验的基础上， 提出了一 种新的隧道设计施工方法，被称为奥地利隧道新施工方法，简称新奥法[22]。 新奥法目前已成为地下工程的主要设计施工方法之一。1978 年，米勒教授比较全面 地论述了新奥法的基本指导思想和主要原则，并将其概括为 22 条。 1980 年，奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为在岩体或土体中设置 的使地下空间的周围岩体形成一个中