锚固体剪应力分布特征研究及在回采巷道中的应用.pdf

安徽理工大学 硕士学位论文 锚固体剪应力分布特征研究及在回采巷道中的应用 姓名徐作卢 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师高明中 20100606 摘要 摘要 本文综合运用了理论分析、计算机数值模拟、正交回归分析、实验室试验和 现场矿压观测等多种研究方法，对新集煤矿回采巷道锚杆支护技术进行了系统的 研究。通过理论分析求得采用锚杆支护方式时剪应力沿锚固剂两侧交界面分布的 解析解；通过正交模拟试验得到了回采巷道锚杆支护的最优支护参数，对试验结 果进行了回归分析，得到了回归方程；通过计算机模拟分析，研究了回采巷道围 岩的应力分布规律、位移分布规律、塑性区及锚杆位移矢量的变化情况；用巷道 顶板离层临界值来检验锚杆支护设计的合理性。这都为确定现场锚杆支护参数提 供了理论参考，在实践中取得了良好的技术经济效果。 图[ 4 6 】表[ 1 2 】参[ 6 7 】 关键词锚杆支护；剪应力；正交回归分析；回采巷道 分类号T D 3 5 3 ．6 安徽理工大学硕士学位论文 A b s t r a c t T ot h er e s e a r c ho fX i nj ic o l l i e r y ’Sd r a w i n gr o a d w a y ’Ss u p p o r tt e c h n o l o g y , t h i s a r t i c l em a k e su s eo fm a n ys y s t e m a t i cr e s e a r c hm e t h o d ss y n t h e t i c a l l y , s u c ha s t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h ea n a l y s i so fc r o s sa n d r e g r e s s i o n , l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ，t h eo b s e r v a t i o no fm i n ep r e s s u r ea tt h es p o t ，e t c ．B y t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w eo b t a i n e dt h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no fb o l t i n ga n c h o r i n ga g e n t w h e nt h es h e a rs t r e s sa l o n gt h ei n t e r f a c eo nb o ms i d e s ；B yc r o s sc o m p u t e rs i m u l a t i v e e x p e r i m e n t , w eg e tt h eo p t i m u ms u p p o r t i n gp a r a m e t e r ；A c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h e r e s u l to fc r o s se x p e r i m e n t ，w eg a i nt h er e g r e s s i o ne q u a t i o n ；B yc o m p u t e rs i m u l a t i o n a n a l y s i s ，w es t u d yt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fr o a d w a ys u r r o u n d d i n gr o c kd i s p l a c e m e n t d i s t r i b u t i o no ft h ep l a s t i cz o n ea n dt h ec h a n g e so fa n c h o rd i s p l a c e m e n tv e c t o r s ；U s e r o o fb o l ts e p a r a t i o nt h r e s h o l dt ot e s tt h er e a s o n a b l e n e s so fs u p p o r t i n gd e s i g n ．A l lt h i s p r o v i d e sat h e o r e t i c a lr e f e r e n c et od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r so ft h es c e n eb o l t i n g ，i n p r a c t i c e ，t h et e c h n o l o g yh a s a c h i e v e dg o o de c o n o m i cr e s u l t s ． F i g u r e 【4 6 】T a b l e 【12 】R e f e r e n c e 【6 7 】 K e y W o r d s B o l t i n gs u p p o r t ；s h e a rs t r e s s ；o r t h o g o n a la n dr e g r e s s i o na n a l y s i s ；d r a w i n g r o a d w a y C h i n e s eb o o k sc a t a l o g T D 3 5 3 ．6 I I l 绪论 1 绪论 1 ．1 问题的提出及研究意义 人们对能源的需求，伴随着社会经济的快速发展而不断增加。煤炭是我国的 主要能源之一，我国目前煤炭开采的主要方式是井工开采，它的产量占煤炭总产 量9 5 ％以上【l 】。如此庞大的地下工程，在给我国经济建设提供强大的工业粮食的 同时，也给我们带来了一系列问题与考验。浅部煤炭被开采之后，采煤工作面逐 步向深部推进。目前，我国煤矿开采深度正以 8 “ - 1 2 m ／a 的速度增加，东部矿 井更为突出，以 1 0 “ - - - 2 5 m ／a 的速度向深部延伸，预计在未来2 0 年内我国很多 煤矿的开采深度将达到1 0 0 0 “ - “ 1 5 0 0 m t 引，由此带来一系列的专业技术问题。随着 开采深度的增加，地质条件恶化、破碎岩体增多、地应力增大、水头压力和涌水 量加大、地温升高，导致深部巷道围岩稳定性控制与支护的难度加大、作业环境 恶化、生产成本急剧增加p 】。其中，支护问题更是重中之重，不仅关系到经济效 益，更直接关系到安全问题。如何安全，经济地将煤炭从地下快速采出，成为地 下工程界的亟需解决的技术难题。其中，回采巷道支护是一个具有普遍意义的基 础性工作。 伴随着科学技术的进步，我国巷道支护技术也在不断发展，支护方式由传统 的木支护、矿用工字钢支护、可缩性U 型钢支护、砌碹支护等被动支护，发展到 锚杆支护 包括锚索 、注浆等主动支护。尤其是锚杆支护，可以说是巷道支护的 一次重大革命。锚杆支护是通过在围岩中钻孔，然后将锚杆 锚索 通过粘接剂 目前多为矿用树脂锚固剂 和围岩连接在一起，并可以施加一定的预紧力，从 而对围岩起到加固、悬吊、组合梁和挤压连接拱等作用，它可以改变岩体的受力 状态，不仅增加了岩石本身的稳定程度，而且使被支护岩体由荷载变为承载体， 提高了岩体承载能力⋯2 1 。其中，预应力锚杆支护技术是预应力混凝土技术和楔 式锚杆支护原理的有机结合产生的两点式预应力结构，对支护对象的扰动很小， 很少破坏围岩的原始结构【6 】。同时，大量工程实践表明，锚杆支护具有用料节省、 巷道断面利用率高、支护及时、劳动强度小、经济效益高以及对巷道围岩变形的 适应性好等诸多优点【l 】。因而，井下巷道采用锚杆支护是一种行之有效的支护手 段，成为世界主要产煤国家煤矿支护的主要形式。由于井下地质条件的极端复杂， 给现场工作带来很大的困难和挑战。地应力、煤层赋存条件、水文地质条件等客 观条件目前已基本可以探测清楚，．但是，围岩支护理论还正在逐步完善，对于合 安徽理工大学硕士学位论文 理的锚杆支护参数的确定，各种理论见解不一，造成了工程施工的不一致，极易 造成浪费现象，或者出现各种安全事故和隐患1 4 ，5 J 。 本课题来源于新集一矿，新集一矿位于淮南煤田颖凤勘探区的中部，行政区 划属凤台县新集镇，距凤台城西1 7 K M 处，井田走向长6 ．8 5 K M ，南北宽3 ．6 5 K M ， 井田面积约为2 4 ．5 K M 2 ，原始能利用储量7 5 7 3 6 ．3 万t 。 新集一矿在中厚煤层中已经推广应用锚杆支护，并在沿空巷道、综采面安装 切眼、收作眼、峒室的施工中得到了一定程度的应用，积累了一定的经验。但是 到目前为止，锚杆支护参数的设计主要采用工程类比法，锚杆支护设计缺乏科学 依据。工程类比法设计的锚杆支护强度虽然能满足部分巷道的要求，但是排除不了 由于强度低而造成巷道破坏的情况和强度过高而导致的人力物力和时间的浪费情 况。此外，煤巷锚杆支护巷道的顶板离层临界值没有合理的判定依据，难以分析 巷道的支护设计参数是否合理、巷道是否需要加强支护等技术问题。因此，亟需 研究探索与新集一矿主采煤层地质条件相适应的锚杆支护参数和顶板离层临界 值，为提高安全生产的可靠性，改善巷道的支护技术与支护质量，确保支护效果， 减少支护费用和巷道维修工作量，减少和杜绝顶板事故等提供可靠的技术依据。 这些问题具有一定的普遍性，如何结合新集一矿的具体地质条件，在保证大 范围安全使用的前提下，寻求经济合理的支护参数去控制顶板离层值，对于进一 步提高锚杆支护巷道的掘进速度，降低巷道支护成本，使锚杆支护技术应用水平 在已有的基础上向更高层次发展，并带动矿区支护技术的革新，具有重要的技术 和经济意义和社会意义。锚杆支护是我国煤巷的一种主要支护形式，而顶板离层 临界值是顶板灾害事故的预报预警系统的一项重要内容，因而本论文的成果有较 强的现实意义。 1 ．2 煤矿巷道锚杆支护技术发展概况 1 ．2 ．1 国外锚杆支护技术发展概况 1 0 0 多年前国外一些矿山就已经开始应用锚杆进行巷道支护，直至今天，从 锚杆支护形式的发展过程角度进行划分，锚杆支护可以划分为以下几个阶段【, ．3 r l 1 ．1 9 5 0 “ - - 1 9 6 0 年，锚杆形式主要为机械端部锚固锚杆，包括楔缝式、倒楔 式、涨壳式等几种形式。由于这类锚杆锚固力较低、支护刚度小，在不同岩层中， 其锚固力变化大、可靠性差，不宜在松软破碎的岩层中使用，极大地限制了锚杆 的使用范围和锚杆支护理论及支护技术的发展。 2 1 绪论 2 ．1 9 6 0 “ - 1 9 7 0 年，树脂锚杆研制成功。第一批树脂锚杆由德国埃森采矿研究 中心经过一年多实验室研究制作，于1 9 5 9 年在煤矿井下试验，1 9 6 1 年获得成功。 随后在世界各主要采煤国家得到逐步应用和发展。经过初期的端部锚固，大钻孔 直径 3 8 ～4 5 m m ，改进到性能优良的小钻孔直径 2 2 “ - - - - 3 0 m m 全长树脂锚固 锚杆，其锚固力大、可靠性高、适应性强，极大地促进了锚杆支护技术的发展与 广泛应用。 3 ．1 9 7 0 “ - - , 1 9 8 0 年，管缝式锚杆，涨管式锚杆等全长锚固锚杆研制成功。由于 管缝式锚杆、涨管式锚杆在矿井下面容易锈蚀，锚固力受钢材质量、围岩性质、 钻孔大小等因素影响较大，且施工工艺复杂，只能在特定条件下使用。 4 ．1 9 8 0 ～1 9 9 0 年，锚杆支护形式多样化，出现了特种锚杆，如混合锚固锚杆， 钢带式组合锚杆，桁架锚杆，可拉伸锚杆，注浆锚杆等，锚索加固技术也得到了 较大应用，树脂锚杆材料得到进一步改进和提高。 5 ．2 0 世纪9 0 年代至今，具有优越的锚固效果和简便的施工工艺的高强度树 脂锚固锚杆出现并成为主流，逐步取代了其他类型的锚杆。同时，锚索加固技术 也得到了推广应用。 1 ．2 ．2 我国锚杆支护技术发展概况 我国煤矿从1 9 5 6 年开始使用锚杆支护，最初是在岩巷中使用，锚杆支护技 术发展过程为低强度高强度高预应力强力支护。 我国锚杆支护最早主要是使用机械锚固锚杆和钢丝绳砂浆锚杆，从1 9 7 4 年 开始研制、试验树脂锚杆，1 9 7 6 年在淮南，徐州，鸡西等多个矿区进行了井下试 验，获得良好效果。引进并应用管缝式锚杆、涨管式锚杆等多种锚杆，自行开发 研制了快硬水泥锚杆。1 9 9 6 年，从澳大利亚引进高强度树脂锚杆，结合我国煤矿 实际地质条件进行了大量的二次开发和完善提高。 在岩巷中应用获得成功后，2 0 世纪6 0 年代我国锚杆支护技术开始应用在采 区巷道。我国采区巷道多为煤巷，围岩相对比较松软破碎，加上采动影响，导致 巷道围岩变形量大、支护技术要求高，而早期采用的锚杆支护强度、支护刚度相 对较低，属于被动支护，加上锚杆支护理论、设计方法、支护材料、施工机具、 监测仪器、施工技术等还不够成熟，导致煤巷锚杆支护技术发展缓慢。 “八五“ 期间，煤巷锚杆支护技术被列为重点科技攻关项目，完成了许多较 高水平的科研课题，成功地应用于全国各地的矿区，如新汶、淮南、兖州、峰峰、 铁法等，推动了锚杆支护技术的发展。对于复杂困难条件下，如破碎项板、复合 3 安徽理工大学硕士学位论文 顶板、沿空掘巷的应用还没有进行深入细致的研究，还有待于进一步完善，尤其 是对煤巷支护的研究亟需深入进行。 “九五”期间，煤巷锚杆支护技术被原煤炭部列为重点课题，由此展开了广 泛、深入的研究试验工作，并于1 9 9 6 , - - - , 1 9 9 7 年引进了澳大利亚锚杆支护技术，经 过众多科研院所，大专院校和煤炭企业的联合攻关，极大地提高了我国的煤巷锚 杆支护技术。同时，在锚杆材料、锚固技术、支护方法等方面也获得了很大发展 高强度螺纹钢锚杆、锚索，加长或全长锚固、小孔径树脂锚固技术、预应力锚固 技术，动态支护设计方法得到广泛应用，取得了良好的支护效果。 2 0 世纪以来，我国综采放顶煤技术，厚煤层一次采全高技术得到快速发展和 广泛应用，对煤巷锚杆支护技术提出了更高的要求。综采放顶煤和一次采全高工 作面回采巷道多为沿煤层底板布置，其顶板是比较破碎的煤层，甚至是全煤巷道， 加上随着煤矿开采强度与产量的提高，巷道断面越来越大，支护难度显著提高。 此外，沿空掘巷的使用，也给锚杆支护提出了新的难题。在困难面前，各矿区相 继开展了本矿区煤巷锚杆支护技术的技术攻关与研究、试验，获得成功后进行了 推广应用，极大地提高了巷道支护效果，降低了支护成本，为保证安全快速推进 采煤工作面，实现高产高效矿井创造了良好的生产条件。 最近几年，随着矿井深度的不断延伸，巷道断面的不断加大，巷道支护出现 了一系列的新问题。为解决深部高地应力巷道、特大断面巷道、软岩巷道、受强 烈采动影响巷道等支护难题，我国开发研制成功了高预应力、强力锚杆与锚索支 护技术，使锚杆支护主动性更强，强度更大，支护更及时，实现了“三高一低” 高 强度、高刚度、高可靠性、低密度 的现代锚杆支护设计理念，在保证支护效果 的前提下，实现安全、经济、快速的巷道支护。 1 ．3 锚杆支护作用的研究现状 锚杆的作用机理实质上就是对支护对象进行锚杆支护后，锚杆对支护对象本 身性质及结构的效用。采用锚杆支护方式能通过调节和提高围岩的自身强度和自 稳能力，充分调动围岩的自承能力，减轻支护结构的重量，节约人力物力，保证 施工的安全和支护效果，具有很好的经济效益和社会效益，但其的作用机理十分 复杂，所受到的影响因素众多，包括岩石、锚杆、粘接材料的物理、力学性质、 岩体内部结构面的力学性质、几何特征，锚杆和粘接材料的施工工艺和施工技术 及过程，故而，对其所进行的研究仍处于探索阶段[ 1 3 , 1 4 3 0 , 6 3 】。 4 1 绪论 1 ．3 ．1 锚杆支护的时机 锚杆的作用是减少岩体的变形，避免岩体发生破坏，所以应该首先了解岩体 的变形和破坏规律‘6 ，1 7 ，6 3 1 。图1 是巷道开挖后围岩变形量△，支护抗力P 的特征曲 线。由该曲线可以看出，要使围岩发生的变形量减小，则需要提供的支护抗力就 要增大；反之，如果允许围岩有较大的变形量，则需要的支护抗力就相应减小。 当支护抗力P 小到～定程度，使围岩的变形量超过允许值 曲线中K 点所对应的 值 时，围岩就会破坏，从而产生作用在支护结构上的“松散压力”，其值大于K 值 对应的值尸‘。 P 1f ＼ I ＼ P 。，l 一、一∑≥。毕一么吖l 一一∑。譬箴 F i g ．1T h ec u r v eo f r o c kd e f o r m a t i o na n ds u p p o r t i n gr e s i s t a n c e 据此，存在以下观点【1 7 , 1 8 ] 岩体结构控制论认为岩体由岩石 岩块 和结构面两种元素组成，岩石 和结构面按一定的规律组合而形成各种不同的岩体结构类型。其中，结构面作为 岩体的内在因素在岩体的变形和破坏的过程中起着十分重要的作用。而荷载是外 因，是通过内因起作用的。 突破观点以中科院地质研究所王思敬院士为代表，认为无论岩体的变形 破坏形式具体如何，其破坏过程总是从某一处或者是少数几处开始突破，发生突 破后，导致岩体应力场发生调整，岩体性质发生改变，并逐步扩展导致最终的破 坏或者转入相对稳定状态。其突破位置往往与结构面，尤其是软弱结构面有关。 在工程实践中可以据此确定优先处理的突破口。 基于以上认识，在巷道中进行支护时，应把围岩作为承载结构的主要部分， 甚至是全部。广为流传的“新奥法“ 就是一个典型的例子，该方法强调在支护的 设计和施工中要注意观测，允许围岩有～定的变形以释放部分压力，同时尽量避 免围岩发生过大的变形，以充分发挥围岩自身的承载能力，具有良好的技术经济 效益。 5 安徽理工大学硕士学位论文 1 ．3 ．2 锚杆支护机理的发展 早期的研究结果主要有悬吊理论，组合梁理论，组合拱理论 挤压加固理论 ， 减跨理论等【5 - 8 , 1 3 , 1 4 , 1 7 , 3 i 】。 悬吊理论认为，锚杆的作用是将其支护设计范围内的围岩悬吊在深部的坚固 稳定的岩层，使其不会掉落。这是最早，最直观的理解，但其局限性也是显而易 见的。该理论对巷道的帮部和底板不适用，当巷道上方较近范围内有完整坚固且 有一定厚度的顶板时，可以使用该理论。 组合梁理论认为，预应力锚杆的作用是将巷道顶板上的多层层状岩体连成一 体并通过锚杆的预应力把各层岩体相互压紧，从而增大了各岩层间的摩擦力，与 锚杆杆体提供的抗剪力一同作用，减小了岩体的挠度，达到阻止岩层间产生相对 滑动和离层的效果。该理论仅用于层状顶板。 减跨理论揉合了悬吊理论和组合梁理论，把不稳定的顶板岩层看成是支撑在 两帮的叠合梁 板 ，锚杆穿过叠合梁锚固在稳定的岩层中。紧固后，锚杆一方面 把岩层组合成组合梁，另一方面又把组合梁悬吊在稳定岩层顶板中，在紧固端处 形成了支点，就相当于在该处增加了约束，从而减少了顶板的跨度，降低了顶板岩 层的弯曲应力和挠度，维持了顶板 看作是组合梁 的稳定性，使岩石不易变形 和破坏。 组合拱理论认为，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间距足够小锚杆群，各个锚 杆形成的压应力圆锥体将相互交错，在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱， 大大提高了围岩的强度。该理论认为，锚杆有效长度三与承压拱厚度b 的关系为 三 【6 t g a a ／t g a 。 式中L 锚杆的有效长度，m ； b 组合拱厚度，m ； 口锚杆的间排距，m ； 口锚杆在松散岩层中的控制角， o 。 以上几种理论均是针对特定的岩层条件而提出的，从某一侧面反映了预应力 锚杆的作用机理，但其适用性较差，理解不够全面，且各自的力学模型比较简单 粗糙，片面地考虑锚杆作用区域内的围岩，忽略了围岩的整体性，因而与实际情 况有较大出入。 近年来，随着相关学科的不断发展，人们根据岩体强度理论对预应力锚杆的 6 1 绪论 作用机理从不同的角度进行了全新的理解和表述从岩体塑性理论角度理解，锚 杆可以起到抑制围岩流变松弛的作用；从脆性断裂强度角度理解，锚杆可以起到 降低裂隙尖端强度因子，阻止裂隙扩展的作用；从损伤理论角度理解，锚杆可以 起到降低围岩节理面的损伤因子，增加承载面积，从而降低节理岩体的有效应力 的作用。 文献[ 1 9 】阐述了预应力锚杆的加固机理，对土层锚杆的预应力损失原因如土 体蠕变，冲击作用，锚杆材料松弛等进行了分析。基于工程实践和土工试验，提 出了相应的预应力损失补偿对策，如选用低松弛材料，规范操作，二次张拉等， 并深入剖析了其中的理论依据。 文献[ 2 0 】分析了径向锚固力支护，切向锚固力加固的锚杆作用机理，指出全 锚与端锚支护效果不同的原因 文献【2 1 】对端锚情况下的锚杆受力情况进行了理论推导，得出了一些有益的 结论。 文献[ 2 2 1 通过对全长粘接锚杆锚固能力实验、作用机理和应力应变模式分析， 建立了锚固作用的力学模型，推导了锚固切向锚固能力、抗拉拔力、托锚能力的 理论计算公式，得到锚固长度的合理取值范围，指出钻孔、锚杆、锚固剂直径合 理匹配可以提高支护效果。 1 ．3 ．3 预应力锚杆支护的优越性 预应力锚杆支护【7 , 1 5 - 1 7 , 2 2 , 3 1 ．3 5 , 4 2 】是在非预应力锚杆支护基础上的发展和突破， 作为锚杆支护的一种，它具有非预应力锚杆支护的优点，同时，因为施加了预应 力，与非预应力锚杆支护方式相比，它还具有以下优点 1 ．支护由被动转化为主动 由于预应力锚杆在进行施工时就施加了一定的预应力，所以，它不必等到围 岩发生变形，而是从施工时就开始“主动“ 地发挥作用，所以能够更加有效地利 用围岩的能量，提供支护抗力更加及时，同时，能够更加有效地发挥锚杆自身的 承载能力。 2 ．对围岩的力学性质影响更大 除可以形成承压拱，提高围岩的强度以外，在支护过程中，对不稳定岩体， 如存在劈裂，块裂，板裂结构等宏观和微观裂隙 结构面 的围岩，在预应力作 用下，使各初始裂隙闭合或贴近，从而增加其滑移时的摩擦力。另外，锚杆具有 的“销钉“ 作用也可以增加滑移面的抗剪强度，其结果是使围岩结构近似完整。 7 安徽理工大学硕士学位论文 3 ．调整围岩的应力分布 由弹塑性理论可知，巷道开挖后，在巷道周围会产生应力的重新分布。应力 重新分布后，巷道周边围岩切向应力增大而径向应力减小，易于发生压剪破坏。 锚杆上施加的预应力可以提高围岩的径向应力，改善围岩的应力状况，使围岩表 面的应力状态由二向应力状态向三向应力状态转化，从而提高围岩的弹性模量E ， 强度，内聚力c 和内摩擦角矽，进而提高围岩的承载能力。 1 ．4 锚固段传力机理的分析方法 锚杆支护方式中，锚杆与围岩的作用力必然要通过锚杆的锚固段，经粘接材 料进行传递。对锚固段的传力机理的分析，包含粘接材料粘接面的粘接特性，锚 固体和围岩间的荷载传递两个主要方面，通常有以下3 种方法【2 2 , 2 3 , 2 7 ～3 1 , 3 5 , 3 6 , 6 2 - 6 7 1 1 ．4 ．1 试验研究 实践是检验真理的唯一标准，通过试验可以获取丰富的第一手资料。大量的 试验和现场实践表明，锚固作用的产生是由于锚杆、粘接物、围岩三者之间存在 相对位移 相对位移趋势 。当锚杆的强度很高，表面粗糙度很好时，作用力的传 递方向是由锚杆到粘接物，再由粘接物到围岩。一般而言，粘接面的物理力学特 性较粘接物差，而粘接物和锚杆之间的粘接强度要高于粘接物和围岩之间的粘接 强度，所以，这一系统的最薄弱部分粘接物和围岩之间的粘接面的性质是研 究的重剧2 3 J 。 粘接面的工作阻力由三部分组成1 ．粘接物与被粘接物之间的化学粘接作用 粘接力 也有人称之为附着力 ，在发生脱粘时消失；2 ．粘接物与被粘接物之 间的物理摩擦作用，有相对位移或者相对位移趋势时产生；3 ．粘接物与被粘接物 之间的结合阻力_ 扩张阻力。 无论是拉拔试验还是现场实际工作情况均显示，锚杆在锚固段的剪应力分布 十分不均匀。在锚固段的靠近自由面 围岩表面 的部分较大，向远处逐渐减小。 当锚杆受到张拉载荷作用时，锚杆，粘接物，围岩共同承担载荷。载荷较低时， 三者变形同步，整个锚杆体系处于弹性状态。当载荷增加到一定程度时，同步变 形关系被破坏，围岩与粘接物之间产生相对位移，部分粘接面 通常是在锚杆前 端的应力集中部位 发生脱粘，于是，脱粘部位的粘接力消失，摩擦阻力 随着 粘接物的剪涨而增加 变成工作阻力的主要形式，粘接力的峰值向深部转移。随 8 1 绪论 着载荷的继续增大，粘接物发生横向破坏或者断裂，粘接物与围岩孔壁之间被拉 脱。随着载荷的增大或者加载循环的增加，锚杆的应力传递深度会趋向某一个固 定值，称之为临界长度；也可能出现锚杆被拉坏，被拔出现象。 粘接物的物理力学特性，锚固长度，围压是影响锚杆荷载传递的重要因素， 随锚杆直径，锚杆长度和围压的增加锚固力会增加，但不会超过锚杆自身的抗拉 强度。同时，锚杆的表面形态也会影响锚固力的传递。在锚杆轴向受拉时，与光 面锚杆相比，螺纹锚杆与粘接物之间的粘接面将产生法向剪涨变形，可以保证和 提高锚杆的锚固力。 1 ．4 ．2 理论分析 近年来，锚固支护的理论研究得到很大发展，研究重点在于荷载传递机理和 不同类型注浆锚杆在不同围岩条件下支护时，杆体与注浆体，注浆体与围岩间的 粘接应力大小及分布规律[ 2 2 , 3 1 】。 C o a t e s 和Y u 采用有限单元法对完全弹性介质中的理想锚杆特性，其研究结 果表明，交界面上的粘接剪应力的分布规律主要取决于锚杆的弹性模量和锚杆周 围土介质的弹性模量E ，的比值。比值 E ／E 。 越小 “硬“ 地基 ，则锚杆锚固 段顶端应力集中越严重；反之，比值 E ／E 越大 “软”地基 ，应力分布越 均匀。F u j i t a 则在总结3 0 例现场试验的基础上，提出了“临界锚固长度’’的概念， 超过临界锚固长度后，极限抗拔力增加很少。澳大利亚，英国，加拿大等国家的 研究人员提出了“有侧限状态下注浆锚杆的性质“ ，“注浆锚杆的侧向刚度、注浆 体长度及膨胀水泥含量对杆体与注浆体界面特性的影响”、“单孔复合锚固的理论 与实践”、“粘接应力分布对地层锚杆设计的影响”和“锚杆注浆体与岩石界面的 现场特性“ 等研究成果。 国内外典型的锚杆锚固段传力机理分析方法及力学模型有剪应力分布的指 数函数假定，按局部变形假定求解锚杆锚固段内力分布，弹性理论法按共同 变形假定求解锚杆锚固段内力分布，剪应力分布的高斯曲线模式，基于M i n d l i n 解的简化分析方法求解锚杆锚固段内力分布等，具体见第二章介绍。 1 ．4 ．3 数值模拟法 数值模拟法是采用有限元，边界元，界面元或者有限差分法方法，借助于先 进的计算机技术及相关软件进行锚杆受力分析。数值模拟法的特点是比较方便， 直观，经济[ 4 1 - ．．4 3 , 6 5 , 6 6 】。 ． 9 安徽理工大学硕士学位论文 根据数值模拟结果我们知道，锚杆受力不大时，锚固体的锚固段与围岩协调 变形，当受力增大到某一程度时，粘接物因拉剪应变超过其抗剪强度而出现剪切 滑移现象，协调变形关系被打破，剪应力开始向围岩深部转移，锚固段顶端的粘 接体的剪应力有较大下降，且下降程度与粘接物的残余抗剪强度等因素有关，如 图2 ～图3 所示 O 2 46L ／m O 24 6 L ／m 图2 不同预应力时的剪应力分布曲线 图3 不同粘聚力时粘接体内的剪应力分布曲线 F i g ．2S h e a rs t r e s sd i s t r i b u t i o nw h e n F i g ．3S h e a r s t r e s sd i s t r i b u t i o nw h e n p u l lf o r c ei sd e f f e r e m c o h e s i v ef o r c ei sd i f f e r e n t 由图2 和图3 可以得出以下结论 剪应力分布曲线是单峰曲线，峰值前剪应力为单调增加，过了峰值后为单调 减少，并趋向于0 。 锚杆表面的剪应力在巷道围岩表面 自由面 附近较大，一般都超过灌浆体 粘接物 的抗剪强度。剪应力在达到峰值后开始减少，在自由面向围岩深部方 向2 米以后剪应力一般都低于灌浆体抗剪强度，即预应力锚杆的锚固段中，只有 自由面后面的一部分发挥了作用，且3 米以后锚杆表面的剪应力值就很小了，故 而，锚固段长度无需过长，以避免无谓的浪费。 随着灌浆体 粘接物 的内聚力C 的提高，其所能传递的剪应力值会增大， 灌浆体 粘接物 的正应力也增大，所以需要的内锚固段的长度会减少。 锚固段的最小长度三曲随预应力值，锚杆和灌浆体 粘接物 的等效弹性模 量 或称为混合体弹性模量 的增大而增大，随围岩的弹性模量，浆体 粘接物 的抗剪强度的增大而减小。 在同一种围岩性质的条件下，当荷载较小时，剪应力的最大值出现在锚固段 1 0 1 绪论 的顶端，大致服从指数函数或者双曲线函数分布；当荷载超过灌浆体 粘接物 的剪切强度或者交界面上的粘接强度时，剪应力最大值向围岩深部移动，以渐进 n 拉力坯缓勉琵瑗荔易乙Z 物 R 氆 辎 撂 锚杆顶端 锚杆底端 图4 不同荷载情况下沿锚杆长度方向的结合应力变化 F i g ．4T h es t r e s sc h a n ga l o n ga n c h o rw h e nl o a di sd i f f e r e n t 的方式发生滑动，同时使粘接剪应力的分布情况发生沿锚固长度以类似摩擦桩的 方式转移。当锚杆锚固段全长都发挥过最大剪应力时，就会发生相对滑动，摩擦 阻力开始发生作用，使锚杆逐渐达到极限承载能力。此时，剪应力的分布情况大 致服从单峰的高斯曲线，如图4 所示。 正式基于这样的认识，为改善锚杆锚固效果，充分发挥锚杆钻孔的利用率， 使锚杆钻孔长度方向上尽可能多的部位同时发挥作用，才诞生了单孔复合型锚杆 并取得了很好的支护效果‘1 1 ‘1 3 】。单孔复合型锚杆与普通锚杆的粘接应力对比如图 5 所示。 粘 结 剪 应 力 普通拉力型锚杆粘结应力沿固定端的分布单孔复合型锚杆粘结应力沿固定端的分布 图5 两种锚杆的粘接应力对比示意图 F i g ．5C o m p a r i s o no ft w ob o l tb o n ds t r e s sd r a w i n g 安徽理工大学硕士学位论文 1 ．5 存在的问题 目前，对于锚杆支护的工作机理及受力分析，许多前辈专家学者们已经进行 了大量的研究，并获得了许多重大成就，攻克了许多理论上和实践中的难题，实 现了锚杆支护理论的逐步系统化，使锚杆支护实践有了科学的理论依据，促进了 各个需要进行锚杆支护的领域的发展。 然而，在对锚杆支护的研究逐步深入的过程中，也存在着一定的盲区。我们 知道，锚杆对围岩的作用要依靠粘接材料 目前矿山锚杆支护多采用树脂锚固剂 来传递，由于锚固剂的材料性质和围岩、锚杆有着很大的不同，所以，在锚固剂 与围岩、锚杆的两个交界面上的受力就会受其影响而有所不同，加上交界面本身 的特殊性，要精确研究其力学作用的机理，还有很多困难有待克服。在当前，对 锚固体的受力分析中，多把锚固剂这一厚度很薄，但对支护效果有较大影响的因 素忽略，或者进行简化分析与处理。这样做，显然与实际有一定的偏差。正因为 对锚固剂及其相关的交界面的研究相对较为薄弱，对其应该采取的处理方法有待 于进一步深入研究，所以，在进行力学分析时，众多的专家学者们采取的力学模 型也不相同，获得的结果随之有些差别，导致锚固体内部的应力分布规律至今没 有一个为大家所共同接受的权威论断。 1 ．6 本文的研究内容及方法 本文主要针对新集一矿掘进工作面掘进后的维护难题，进行锚杆支护参数的 设计，保证工作面回采巷道围岩的稳定性，节约支护成本及提高矿井的综合技术 经济效益。 1 ．通过锚杆支护载荷传递的力学模型，求出锚固剂与围岩、锚固剂与锚杆的 两个交界面上的剪应力的解析解。 2 ．通过正交设计法建立数值模型，探讨影响预应力锚杆支护效果的影响因素 及对预应力锚杆支护参数进行优化组合设计。 3 ．针对具体工程地质条件，采用数值模拟的方法，对锚杆支护参数进行优化 设计并通过现场监测，检测支护效果。 1 ．7 研究技术路线 1 2 1 绪论 I 整理并提交论文 图6 研究技术路线 F i g ．6R e s e a r c ht e c l l l l i q u er o m e 1 3 安徽理工大学硕士学位论文 2 锚固体双界面剪应力分布的解析解 目前，研究锚杆锚固段传力机理的理论分析方法有很多，由于采用的假设和 力学模型的不同，各种分析方法所得到的结果也不一样。本章在总结国内外几种 典型的分析方法的基础上，推导锚固体双界面上的剪应力分布规律1 2 2 , 3 1 ] 。 2 ．1 国内外典型的锚杆锚固段传力机理分析方法及力学模型 2 ．1 ．1 剪应力分布的指数函数假定 P h i l i p s 认为，锚杆的交界面粘接剪应力分布符合指数函数规律，其表达式为 尘 f ， T o e d 2 1 式中 r ，距锚固段顶端距离X 处粘接剪应力； T 。锚固段顶端处的粘接剪应力； 么与主应力有关的常数； d 锚杆直径。 将式 2 ．1 沿杆长积分，结合边界条件，可得施加在锚杆上的载荷尸为 P ％等 2 ．2 故而有 玉蒯2 彳P 可 2 ．3 P 式 2 ．3 表明，彳值越小，沿锚杆的结合应力的分布就越均匀，锚杆的锚固 长度越短，越能发挥粘接剪应力。荷载分布随么值变化情况如图7 所示。 1 4 2 锚同体双界面剪应力分布的解析解 b x } ∞耐2 图7 不同么值时，沿锚杆长度方向的荷载分布 F i g ．7L o a dd i s t r i b u t i o na l o n ga n c h o rb a rw h e n Ai sd i f f e r e n t 2 ．1 ．2 按局部变形假定技术锚杆锚固段内力分布 “局部变形假定”是目前普遍采用的计算锚固段内力分布情况的方法，该方 法是用一系列相互独立的‘‘切向弹簧“ 来表示虚拟锚杆【5 8 , 5 9 】 锚杆和粘接物的复 合体 和围岩之间相互作用的关系。如图8 所示。 “ 一一一一一』一一一一一 O X 图8 按局部变形假定计算锚固段内力分布 F i g ．8C a c u l a t et h es t r e s sd i s t r i b u t i o no f f i x e ds e g t i o nb yp a r t i a ld e f o r m a t i o ns u p p o s i t i o n 图中，N 。为锚杆端部受到的轴力，E D 为虚拟锚杆的等效弹性模量，f 为锚 杆与围岩交界面上的剪应力，k 为切向弹簧的弹性系数。 根据胡克定律，有 f ， k u ， 2 - 4 根据厚壁圆筒理论，有 k g 2 ．5 ‰l I l 2 1 5 安徽理工大学硕