软岩巷道高预紧力大变形锚杆支护技术研究.pdf

分类号 密级 T D 3 5 3 公开 ⑧ 单位代码1 0 4 2 2 学号2 0 1 3 1 3 1 6 2 ∥户茹力番 S H A N D O N GU N 王V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目 T h e s i sf o rM a s t e r D e g r e e 软岩巷道高预紧力大变形锚杆支护 技术研究 S u p p o r tT e c h n o l o g yr e s e a r c ho nb o l tw i t hH i g h P r e ．t i g h t e n i n g L a r g eD e f D r m a t i o no fS o f tR o c kR o a d w a y 作者姓名王新 培养单位土建与水利学院 专业名称建筑与土木工程 指导教师 合作导师 李海燕 2 0 1 6 年5 月1 6 日 万方数据 原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 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 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名日期 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名导师签名差兰壹日期w 6 ￡I x 万方数据 山东大学硕士学位论文 目录 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I C O N T E N T S ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．Ⅲ 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．1 选题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．2 软岩巷道支护研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．2 ．1 巷道支护理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．2 ．2 预紧力锚杆的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．2 ．3 大变形锚杆的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．3 现阶段存在问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．4 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9 第二章软岩巷道现场探测及支护参数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 2 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 2 ．1 ．1 矿井概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．1 ．2 项目概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．2 围岩变形破坏现场探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l6 2 ．2 ．1 围岩力学参数测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．2 钻孔探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．2 ．3 巷道围岩变形与支护构件受力监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．3 不同锚固参数下围岩变形破坏及控制效果数值对比试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．3 ．1 数值对比试验方案规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．3 ．2 计算结果对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 第三章高预紧力大变形锚杆研发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．1 高预紧力大变形锚杆现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．2 高预紧力大变形锚杆工作性能及特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 3 ．2 ．1 高预紧力大变形锚杆结构组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 7 3 ．2 ．2 工作性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 万方数据 软岩巷道高预紧力大变形锚杆支护技术研究 3 ．2 ．3 特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．2 ．4 高预紧力大变形锚杆不同阶段支护机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．3 高预紧力锚杆力学特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．3 ．1 力学特性实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．3 ．2 锚杆杆体轴向拉伸力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．4 基于F L A C 3 D 平台的高预紧力大变形锚杆的数值模拟实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．4 ．1C A B L E 单元基本组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 3 ．4 ．2C A B L E 单元杆体力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 3 ．4 ．3 高预紧力大变形锚杆数值模拟实现方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 7 3 ．4 ．4 程序实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 3 ．4 ．5 效果验证一锚杆自由段拉伸试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 8 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 第四章高预紧力大变形锚杆现场试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l 4 ．1 现场试验段概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l 4 ．2 支护方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．2 ．1 支护参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．2 ．2 支护效果数值模拟验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．3 现场监测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．3 ．1 锚杆受力监测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．3 ．2 巷道表面收敛监测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 第五章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6l 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 参与的科研项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 发麦的论文 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。曼 申请的专利⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 Ⅱ 万方数据 山东大学硕士学位论文 C O N T E N T S C o m e n t s mC h i n e s e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I C o n t e n t s 访E n g l i s h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．Ⅲ A b s t r a c t i nC h i I l e s e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 A b s t r a c t i nE n g l i s h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 C h a p t e r lP r e f a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．1B a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．2I 沁s e a r c hs t a t u so fs u p p o r ti ns o Rr o c kr o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．2 ．1R e s e a r c hs t a t u so fr o a d w a ys u p p o r tt h e o 巧⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 ．2 ．2R e s e a r c hs t a ．t u so f p r et i g h t e n i n gf ．o r c ea n c h o r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．2 ．3R e s e a r c hs t a m so fl a 玛ed e f o n m t i o nb o l t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3E k i s t i I l gp r o b l e m sa tt h ep r e S e n ts t a g e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．4T h em a i lI 沁s e a r c hC o n t e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 C h a p t e r 2A n a l y s i so f f i e l dd e t e c t i o na n d s u p p o r tp a r a m e t e r so f s o f tr o c kr o a d w a y ⋯⋯．1l 2 ．1G e n e r a ls i t 硼t i o no ft I l ee n g m e e r i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 。1 ．1G e n e r a ls i t u a t i o no fm 遗e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ll 2 ．1 ．2P r o j e c tp r o f i l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．2D e f o 珊a t i o n 锄df a i l u r eo fs u r r o u n d 访gr o c ko ns i t ed e t e c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l6 2 ．2 ．1M e c h a n i c a lp a r a m e t e rt e s to fs u r r o u n d i I l gr o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l6 2 ．2 ．2B o r e h o l ed e t e c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一18 2 ．2 ．3 D e f o n n a t i o no fs u l l ．o u n d i I l gr o c ka n ds t r e s s m o l l i t o 血go fs u p p o n m e m b e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．3N u m e r i c a lc o m p a r i s o nt e s to fd e f o m l a t i o na n df a i l u r eo fs u r r o u n d i I l gr o c k u n d e rd i f f ．e r e n ta n c h o r i l l gp 跏e t e r sa n di t sc o n t r o le f f e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．3 ．1N u m e r i c a lc o m p a r i s o nt e s ts c h e m ep l a n n i I l g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 2 - 3 ．2C o m p a r a t i V ea n a l y s i so fc a l c u l a t i o nr e s u I t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 2 ．4C h a p t e rs u m m a 巧⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 C h a p t e r3R e S e a r c ha n dd e V e l o p m e n to fl a r g ed e f o m a t i o nb o l t c a b l e w i t hh i 曲p r e t i g h t e n i f l gf o r c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．1P r e s e n ts i t u a t i o no fl a r g ed e f o m a t i o nb o l t c a b l e w i t hh i g hp r et i g h t e n 访g f b r c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．2W o r k i n gp e 墒咖a n c e 锄dc h a r a c t e r i s t i c so fl a 唱ed e f o r r n a t i o nb o l t c a b l e w i t h h i g hp r et i g h t e n i n gf 1 0 r c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 Ⅲ 万方数据 软岩巷道高预紧力大变形锚杆支护技术研究 3 ．2 ．1S t m c t u r eo fl a r g ed e f o m a t i o nb o l tw i t hh i g hp r et i g h t e n i n gf o r c e ⋯⋯3 7 3 ．2 ．2W o r k i n gp e r f ．0 m a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 3 ．2 ．3C h a r a C t e r i s t i c ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．2 ．4 S u p p o r tm e c h a n i s mo fd i 疵r e n ts t a g e s o fh i 曲p r es t r e s s l a r g e d e f - o m a t i o nb o l t c a b l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．3M e c h a n i c a lp r o p e n i e so f h i g hp r es t r e s sa n c h o rb o l t c a b l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 3 ．3 ．1E x p e r i l n e n to f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 0 3 ．3 ．2A x i a lt e n s i o nm e c h a n i c sm o d e lo f a n c h o rr o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 3 ．4N 啪e r i c a ls i m u l a t b no fl a r g ed e f o r m a t i o nb o l tw i t hh i g hp r et i g h t e n i n gf o r c e b a s e do nF L A C 3 Dp l a t f o r n l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．4 ．1B a s i cc o m p o s i t i o na n dc o n s t i t u t i V em o d e lo fC A B L Eu n i t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．4 ．2M e c h a n i c a lm o d e lo fC A B L Eu n i t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 3 ．4 ．3N 啪e r i c a ls i m u l a t i o nm e t l l o df o rl a 唱ed e f o 肌a t i o nb o hw i t hh i g hp r c t i g h t e n i n gf o r c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 3 ．4 ．4P r o g m mi m p l e m e n t a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 3 ．4 ．5E f r e c to fa n c h o rb o l tf ．r e es e g m e n tt e n s i l et e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 3 ．5C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 C h a p t e r4F i e l dt e S tr e s e a r c ho nl a r g ed e f o r m a t i o nb o l tw i t hh i g hp r e t i g h t e n m gf o r c e ．51 4 ．1F i e l dt e s ts e c t i o no v e r v i e w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5l 4 ．2S u p p o n i n gs c h e m ed e s i g n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 4 ．2 ．1S u p p o r tp a r a m e t e rd e s i g n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 4 ．2 ．2N u m e r i c a ls i I n u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o no fs u p p o r t i I l ge 疏c t ⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．3S i t em o n i t o r i l l gr e s u ha n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．3 ．1S t r e s sm o n i t o r i n gr e s u l t so f r o c kb o l t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 4 ．3 ．2R D a d w a ys u r f a c ec o n V e 唱e n c em o n i t o r 访gr e s u h s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．4C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 C h 印t e r5C o n c l u s i o n sa n dP r o s p e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．1M a i nc o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．2P r o s p e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 R e f ．e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 l T h a h k s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 A c k n o w l e d g m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 A C A D E M I C A C H I E V E I E N T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 P A T E N T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 I V 万方数据 山东大学硕士学位论文 摘要 为实现软岩巷道高效高产、安全可持续开采，解决软岩巷道大变形、返修率 高、支护成本高等问题，本文以金阳煤矿为研究依托，深入研究了该矿区的工程 地质条件，通过围岩钻孔探测等探测手段对软岩进行系统分析，研发了适用于软 岩巷道的高预紧力大变形锚杆，有效的控制了围岩的变形。通过本文的相关研究 以及新产品的研发，对高预紧力大变形锚杆支护技术在软岩巷道中的应用具有重 要的指导和实践意义。主要的研究成果如下 1 确定了金阳煤矿软岩巷道最大松动破坏范围在2 ．6 m ，平均可以达到2 ．1 m 左右。并通过数值模拟计算，得出适合于金阳煤矿地质条件合适的间排距为9 0 0 9 0 0 I I l r n ，锚杆预紧力为1 2 0 l 斟。 2 研发了高预紧力大变形锚杆，本产品可以提供不低于1 0 0 k N 不高于让压 点的高预紧力，让压点1 8 0 2 4 0 l 烈，变形量一般1 5 0 ～l 0 0 0 m m ，锚杆的破断力可以 达到3 5 0 k N 左右，并且在变形的过程当中能保持较高的恒定或渐增的支护阻力。 3 对高预紧力大变形锚杆进行了基于F L A C 3 D 的数值模拟，进行了二次开 发，建立了锚杆杆体轴向拉伸力学模型，并对锚杆拉伸过程进行数值试验，高精 度模拟了大变形锚杆的轴向拉伸力学行为。 4 以金阳煤矿为研究依托，提出了相对应的设计方案，并通过数值计算对 比分析设计方案与原支护方案，同时通过现场监测发现，在软岩巷道中应用高预 紧力大变形锚杆可以有效的控制巷道围岩变形，验证了高预紧力大变形锚杆的使 用价值。 关键词软岩高预紧力大变形；锚杆；支护 万方数据 软岩巷道高预紧力大变形锚杆支护技术研究 A b s t r a c t l no r d e rt or e a l 讫et h eh i g h - e m c i e n c y 锄ds a f ee x p l o i t a t i o n ．ms o Rr o c km a d w a y ， a J l ds o l v et h ep r o b l e m sa b o u tI a r g ed e f o m a t i o n ，h i g hr e p a i rr a t e 锄dh i g hc o s to f s u p p o r t i f l gw o r k s 洒t h ee x p l o “a t i o np r o c e s so fs o f tr o c kr o a d w a y ，t h e r e f o r e ，b a s e do n t h eJ i n y a n gm 访ee n g i n e e r i I l g ，t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e so nt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s o ft h em m i n ga r e aa n dm a k e ss y s t e m a t i ca n a l y s i sa b o u ts o f tr o c kt h r o u g hd r i l l i n g d e t e c t i o ma n de v e n t u a l l yd e v e l o p s al a r g ed e f o 衄a t i o nb o l t c a b l e w i t hh i 曲 p r e - t i g h t e n i n gf o r c ew h i c hi s s u i t a b l ef o rs o f tr o c kr o a d W a ya n dh a sag o o de 岱C to n s u r r o u n d i l l gr o c kd e f o m a t i o nc o n t r 0 1 ．T h er e s e a r C ho ft h i sp a p e ra n dd e V e l o p m e n to f n e w p r o d u c t sh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c et og u i d et I l e 印p l i c a t i o no fl a r g ed e f o 咖a t i o nb o l t c a b l e w i t hh i g hp r e t i g h t e n i n gf o r c em s o Rr o c kr o a 小Ⅳa y ．T h em a mr e s e a r c hr e s u l t s a r ea sf o l I o w s 1 F i l l do u tt 1 1 em a x i r I l u mn e x i b l er 锄g eo fs o Rr o c kr o a d w a yi nJ 访y a n gc o a l m i I l ei s2 ．6 m ，a J l dt h ea V e r a g eV a l u ec a nr e a c ha b o u t2 ．1m ．A n du t i l i z i I l gn u m e r i c a l s i m u I a t i o n ，t h ep a p e rc o n c l u d e dt l l a tt 1 1 ep r e l o a do fb o l tp l a y sak e yr o l e i nt l l e d e f o r n l a t i o no fr o a d W a y ．A n df o rJ i n y a n gc o a Im i I l e ，t h ea p p r o p r i a t er o wa n dc o l u m s p a c i n gi s9 0 0 木9 0 0 m m ，a n dt h eb o l tp r e ．t i g h t e n i n gf ．o r c ei sl2 0 l N ． 2 D e v e l o p sas o r to fl a 唱ed e f o m a t i o nb o l t c a b l e w i t hh i 曲p r e - t i g h t e n i I l g f o r c e ，t h i sp r o d u c tc a np r 0 V i d eh i g hp r e t i g h t e n 访gf o r c ew i t hn ol e s st h a nl0 0 k N ，s l i p p o i n tp r e s s u r e18 0 2 4 0 k N ，a n dt h ed e f - o n l l a t i o ng e n e r a l l ym a 访t a i n15 0 ～10 0 0 删1 1 ．T h e m p t u r es t r e s so fb o l tc a nr e a c h3 5 0 l d 呵a n db o l tm a i l l t a i n sac o 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gl a r g ed e f o m l a t i o nb o l tw i t hh i g hp r e - t i g h t e n i n gf o r c ei nt h es o R r o c kr o a d w a yc a I le 航c t i V e l yc o n t r o ls u n ．0 u n d 访gr o c kd e f o m a t i o no fr o a d 、Ⅳa y ，、池i c h c l e a r l yv e r i 矽t l l e 印p l i c a t i o n S o fl a 略ed e f o 肿a t i o na 1 1 c h o rb o l t c a b l e w i t hh i g h 2 万方数据 山东大学硕士学位论文 p r e - t i g h t e n i n gf o r c e ． K e yw o r d s s o f cr o c k ；h i 曲p r e - t i g h t e n i n gf o r c e ；l a r g ed e f o m l a t i o n ；a I l c h o rb o l t ； s u p p o n i n gs t m c t u r e s 万方数据 软岩巷道高预紧力大变形锚杆支护技术研究 1 ．1 选题背景及意义 第一章绪论 我国能源资源最为显著的特点是“富煤、贫油、少气”，煤炭在我国一次能 源生产和消费结构中占7 0 ％左右，并且在未来一段时期内煤炭仍是我国的主体能 源。随着国内外煤炭开采由浅部转向深部，软岩巷道的数量也呈现增长的趋势， 其中属于软岩的巷道比例已经占到1 0 ％以上【1 】，每年软岩巷道的掘进量占年巷道 掘进总量的3 0 ％左右【2 】。 软岩问题作为世界性的难题早在二十世纪六十年代就被提了出来，由于其复 杂、变形量大、速度快、难控制等特点，使软岩巷道支护成为了影响煤矿安全、 高效生产的绊脚石。近几年来贵州丹寨县合心煤矿、重庆天元高楼煤矿都造成了3 人死亡的惨剧，同时湖北、陕西、黑龙江、辽宁等全国各地的软岩巷道都发生了 不同程度的伤亡事件；另外软岩巷道变形持续时间长，底鼓严重，围岩整体稳定 性差等特性给煤矿的生产、建设造成极大的困扰，某些矿区为控制特殊巷道的破 坏变形，竟需要高达2 万多元／m 甚至更高的支护成本【3 】，与此同时绝存在的一个 普遍的现象就是大多数的软岩巷道平均返修率超过了7 0 ％以上【4 】，也大大增加了因 二次支护甚至是多次支护的成本。这些问题都给软岩巷道支护敲响了警钟。因此 研究针对于软岩巷道的变形破坏特征的支护技术具有十分的重要的现实意义，能 为工程实践提供技术支持。 锚杆的作用是通过改变围岩的内摩擦角来提高巷道的整体稳定性的，通过有 效的阻止巷道围岩的竖向以及水平位移达到加固围岩的目的。倘若锚杆的预紧力 比较低，在巷道开挖初期不能提供有效的初次支护阻力，当巷道来压后，由于不 能起到主动支护的作用，造成杆体和巷道围岩产生变形破坏。目前，根据相关科 研所以及煤炭工作者的研究成果表明，预紧力对于锚杆发挥主动支护作用，它不 仅仅在一定程度上提高巷道围岩初期支护强度，调动围岩自承能力，还对控制软 岩巷道的破坏变形具有十分重要的作用。但现场调研发现，目前锚杆支护设计及 4 万方数据 山东大学硕士学位论文 施工中，预紧力设计仍以经验为主，并未没有足够强度的预紧力，根本起不到主 动支护的作用。下表1 ．1 为山东省内部分矿井锚杆预紧力的的调查情况。 表1 ．1 山东省内部分矿井煤巷锚杆预紧力设计值的调研I s 】 为实现软岩巷道高效高产、安全可持续开采，本文以金阳煤矿为研究依托， 深入研究了该矿区的工程地质条件，研发了适合于软岩巷道的高预紧力大变形锚 杆，有效的控制了围岩的变形。通过本文的相关研究以及新产品的研发，对高预 紧力大变形锚杆支护技术在软岩巷道中的应用具有重要的指导和实践意义。 图1 ．1 金阳煤矿软岩巷道局部变形图 万方数据 软岩巷道高预紧力大变形锚杆支护技术研究 1 ．2 软岩巷道支护研究现状 1 ．2 ．1 巷道支护理论研究现状 1 国外方面 古典压力理论可以说是成熟比较早并在一段时间内运用较为广泛的支护理 论，它是在二十世纪初逐渐被发展起来的，以郎金 W ．J ．M ．R a n k 访e 、金尼克 A