预应力锚杆支护参数的设计.pdf

第 3 3卷第 7期 2 0 0 8年 7月 煤 炭 学 报 J OUR NAL O F C HI NA C OAL S OCI E T Y V01 ． 3 3 No ． 7 J u l y 2 0 0 8 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 8 0 7 0 7 2 1 0 6 预应力锚杆支护参数的设计 康红普 ， 姜铁明 ， 高富 强 1 ．煤炭科学研 究总 院 开采设计研究分院 ，北 京1 0 0 0 1 3；2 ．晋城无烟煤矿业集团有限责任公 司 技术 中心 ，山 西 晋城0 4 8 0 0 6 摘要 在不考虑原岩应 力场的条件 下，采用有限差分数值计算软件 F L A C ，分析 了锚杆预应 力、锚杆长度、锚杆支护密度、锚杆安装角度及锚 固方式等支护参数对锚杆预应 力引起 的应力场 一 锚杆预应力场的影响、基于数值模拟结果，结合 井下应 用情 况，对预应 力锚杆 支护涉及 的参 数，包括预应力，锚杆直径、强度、长度、密度、角度，锚固方式，组合构件参数，锚索支护参 数等进行 了全面、 系统的分析 ，提 出了预应力锚杆支护参数选择的原则、范围． 关键词预应力；锚杆支护 ；支护参数 中图分类号T D 3 5 3 ， 6 文献标识码 A De s i g n f o r pr e t e n s i o n e d r o c k b o l t i n g pa r a m e t e r s KANG Ho n g p u ，J I AN G T i e rui n g ，GAO F u q i a n g 1 ．C o a l Min in g a n d D e s i g n i n g B r a n c h ，C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e ij in g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a； 2 ． J i nch e n g A n t h r a c it e C o a l Min in g G r o p ．L t d ． ， J i nch e n g O 4 8 o o 6．C h i n a 1 Ab s t r a c t A s e rie s o f p a r a me t ric s t u d i e s we r e c a r r i e d o u t u s i n g t h e fin i t e d i f f e r e n c e c o d e FL AC t o i n v e s t i g a t e t h e i n flu e n c e o f v a rio u s r o c k b o l t i n g p a r a me t e r s o n t h e s t r e s s di s t rib u t i o n c ha r a c t e ris t i c s，t h e s e p a r a me t e r s i n c l u d e d p r e t e n s i o n e d s t r e s s ma g n i t u d e，b o l t l e n g t h，d e n s i t y，i ns t a l l e d a n g l e a nd a n c h o r a g e p a t t e r n．Th e i n s i t u s t r e s s e s we r e n o t c o n s i d e r e d i n p r e s e n t n u me r i c a l mo d e l s ．S u b s e q u e n t l y，a c o mp r e h e n s i v e s y s t e ma t i c a n a l y s i s o f r o c k b o l t i n g p a r a me t e r s ，i n c l u d i n g p r e t e n s i o n e d s t r e s s ，b o l t d i a me t e r ，s t r e n gth，l e n gth，d e n s i t y ，i n s t a l l e d a n g l e ，a n c h o r a g e p a t t e rn ，o t h e r s u r f a c e c o n t r o l d e v i c e s a n d c a b l e b o l t i n g pa r a me t e r s wa s pr o po s e d o n t h e b a s e o f t h e c o mb i na t i o n o f t he n u me ric a l mo d e l i n g r e s u l t s a n d t h e a p pl i c a t i o n c o n d i t i o n s o f r o c k b o l t s i n un d e r g r o u nd c o a l mi n e s i t e s ．Ac c o r d i n g ． 1 y，t h e p rin c i pl e a n d s c o p e o f t h e s e l e c t i o n o f p r e t e n s i o n e d r o c k b o l t i n g p a r a me t e r s we r e p u t f o r wa r d ． Ke y wo r d s p r e t e n s i o n e d s t r e s s ； r o c k b o l t i n g ；b o l t i n g p a r a me t e r s 国内外的研究与实践表明 ，预应力是锚杆支护中的关键参数 ，是区别锚杆支护属于主动支护还是被动 支护的参数．无预应力或预应力很低的锚杆支护属 于被动支护，只有围岩发生变形后才能被动地支护巷 道 ，无法控制 围岩 的早期变形与离层 ；预应力锚杆支护属于真正的主动支护 ，能及时控制锚 固区围岩的离 层、滑动、 裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破 坏的出现，保持围岩的完整性，减小围岩强度的降低．在岩土加固工程中，预应力锚杆、锚索已经得到广 泛应用．在边坡加 固、坝体工程 、基坑工程 ，以及隧道和地下硐室工程 中，预应力锚杆 、锚索是有效的加 固手段川．在这些岩土工程中进行锚杆、锚索支护设计时，预应力是关键参数． 美 国的矿井十分重视锚杆预应力的作用 ，锚杆预应力为锚杆杆体屈服强度的 5 0 ％ ～ 7 5 ％ ，达到高预 收稿 日期 2 0 0 8 0 4 2 8 责任编辑柴海 涛 基金项目国家科技支撑计划基金资助项 目 2 0 0 6 B A B 1 6 B 0 2 ， 2 0 0 6 B A K 0 3 B 0 6 作者简介 康红普 1 9 6 5 一 ，男 ，山西五台人 ，研究员 ，博十生导师．T e l 0 1 0 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年第3 3 卷 应力和超高预应力级别．高预应力锚杆显著提高了复杂条件顶板的稳定性 ，大大降低 了冒顶事故 ．我 国煤矿也逐渐认识到锚杆预应力的重要性 ，不仅在理论上进行了一定的研究 ，得出预应力大小对支护效果 的影响 ，而且部分矿区如新汶、潞安、晋城、淮南等，采用高预应力锚杆支护技术 ，有效地控制了围 岩变形，取得了良好的支护效果 ] ．但是，我国煤矿很多矿区对锚杆预应力的认识还很不够，加之 目 前 的锚杆施工机具不能提供较大的预应力，导致锚杆预应力普遍偏低 ，一般预紧力矩为 1 0 0～1 5 0 N m，预 紧力为 1 5 ～ 2 0 k N ，有的甚至为0 ，严重影响了锚杆支护效果．为此，本文采用数值模拟及井下应用效果 分析相结合的方法 ，研究合理的预应力锚杆支护参数 ，为井下应用提供参考． 1 锚杆支护参数对预应力场影响的数值模拟 1 ． 1 数值模型与模拟方案 在不考虑原岩应力条件下 ，采用有限差分数值计算软件 F L A C ’ ，分析 了锚杆支护参数对锚杆预应力 引起 的应力场 一锚杆预应力场的影响．模拟对象为晋城矿区大断面巷道 ，巷道宽度 5 m、高度 3 ． 5 m．巷 道两帮为煤层 ，顶板为泥岩．顶板采用锚杆支护，锚杆直径 2 2 m m，长度 2 ． 4 m，破断载荷 3 l 0 k N，树脂 加长锚固；锚杆间排距为 l ml m． 数值模拟方案 ① 锚杆预应力的影响．将锚杆预应力分别设为 2 0～ 2 2 0 k N，每 2 0 k N为 l级．② 锚 杆长度的影响．模拟锚杆长度分别为 1 ． 6 ～ 3 ． 0 m，每 0 ． 2 m为 1 级．③ 锚杆根数的影响．模拟每排锚杆 数为1 ～ 8根．④ 锚杆锚固方式的影响．模拟锚杆为端部锚固、加长锚固与全长锚固．⑤ 锚杆角度的影 响．模拟顶板角锚杆与垂线的角度为 0～ 4 5 。 ，每 5 。 为 1 级． 1 ． 2 模拟结果及分析 1 ． 2 ． 1 锚杆预应力对预应力场的影响 不同锚杆预应力引起的预应力场模拟结果表明① 锚杆预应力过低 2 0 k N ， 导致锚杆支护产生的预 应力场应力值小 ，形成的压应力区范围小 ，有效压应力 区孤立分布 ，没有连成整体．近零应力区范围大 ， 锚杆支护在近零应力区几乎没有加固围岩的作用，主动支护效果差；② 在高预应力条件下 1 0 0 k N ， 锚 杆预应力场应力值大，形成的压应力区范围广 ，有效压应力区相互连接 、叠加 ，几乎覆盖 了整个顶板 ，形 成有机的整体，锚杆的主动支护作用得到充分发挥．可见 ，预应力是锚杆实现主动支护的关键参数 ，对锚 杆支护效果 ，特别是初期支护效果起着非常重要的作用． 1 ． 2 ． 2 锚杆长度对预应力场的影响 图 1 为不 同长度锚杆 的 预应力场分布．随着锚杆长 度增加 ，压应力 区范围与厚 度 增 加，锚杆 作 用 范 围扩 大．但锚杆长度 中上部的压 应力减小 ；两锚杆之间中部 围岩的压应力减小．在预应 力一定 的条件下，锚杆越 长，预 应 力 的 作 用越 不 明 显，主动支护性越差．因此 ， 长度． 图 1 不同锚杆长度的预应力场分布 F i g ．1 P r e t e n s i o n e d s t r e s s d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s f o r d i f f e r e n t r o c k b o l t l e n g t h 锚杆越长，施加的预应力应越大．反之 ，通过提高预应力 ，可适 当减小锚杆 1 ． 2 ． 3 锚杆密度对预应力场的影响 图2 为不同锚杆间距的预应力场分布．由图2可看出① 在一定预应力条件下，锚杆间距过大，单 根锚杆形成的压应力区彼此独立，锚杆之间出现较大范围的近零应力区，不能形成整体支护结构，主动支 护效果较差．② 随着锚杆间距缩小，单根锚杆形成的压应力区逐渐靠近、相互叠加，锚杆之间的有效压 维普资讯 维普资讯 7 2 4 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年第3 3 卷 果选择合理的预应力值 ，则能 够实现对离层与滑动的有效控 制．根据国外的经验，以及国 内部 分 矿 区 的 试 验 数 据 ， 一 般可选择锚杆预应力为杆体 屈服载荷的 3 0 ％ ～5 0 ％．表 1 为不同锚杆预应力的取值范 围．可见 ，锚杆直径越大 ，杆 体材质强度越高 ，要求 的预应 力值越高． 2 ． 2 锚杆杆体力学参数 表 1 不同材质与规格锚杆的预应力 Ta b l e 1 S u g g e s t e d p r e t e n s i o n e d s t r e s s m a g n i t u d e f o r d i ffe r e n t q u a l i t y a n d s p e c i fi c a t i o n o f r o c k b o l t s 锚杆力学参数包括杆体的屈服强度 、拉断强度、抗剪强度 、延伸率及冲击吸收功等．锚杆力学参数与 制作锚杆的材料有关 ，相同直径的锚杆 ，材质强度越高 ，锚杆能承受的载荷越大．锚杆杆体材料既要有一 定的强度 ，又要有一定的延伸率 ，还必须有足够的冲击韧性 ，以防高强度杆体 的脆断．① 优先选择高强 度锚杆．一般条件下 ，应优先选择高强度锚杆 ，以提高支护效果 ，保证巷道安全，同时 ，可适 当降低支护 密度，提高支护速度．② 锚杆强度应与预应力相匹配．一味地提高锚杆强度，而不增加预应力，只能导 致锚杆的作用不能充分发挥 ，达不到应有的支护效果．结合控制围岩离层 、滑动等所需要的预应力 ，确定 合理的锚杆强度，才能显著提高支护效果． 2 ． 3 锚杆直径 我国煤矿巷道常用锚杆杆体为4 } 1 6 ～ 2 5 m m ．锚杆直径的选取从技术上主要考虑2方面的因素① 与 钻孔直径匹配 ，保证锚 固效果．对于螺纹钢锚杆 ，钻孔和杆体直径差应控制在 4～1 0 mm．对 于 2 8 m m 的钻孔，锚杆直径不应低于 1 8 m m，比较合理的直径是 2 0 ，2 2 m m ．② 与锚杆预应力相匹配．选择锚杆 直径时 ，应结合巷道围岩具体条件 、支护要求的预应力大小确定．预应力越大 ，在相同材质的条件下 ，锚 杆直径应越大． 2 ． 4 锚杆长度 我国煤矿巷道锚杆长度一般为 1 ． 6～ 2 ． 4 Il 1 ．锚杆长度的选取应考虑以下因素① 保证锚固区内形成 稳定的承载结构．锚杆长度应保证锚固区内形成一个稳定的承载结构 ，具有足够的承载能力．锚杆长度太 短 ，锚固区厚度过小 ，不能保证顶板稳定 ；相反 ，如果锚杆长度增加到一定值后 ，再加长锚杆对锚固体承 载能力已无明显影响．因此， 锚杆长度有一个合理的取值范围．② 锚杆长度的选择应与锚杆预应力、直 径 、强度相匹配．显然，直径小 、强度低 、预应力低的锚杆 ，选择过大的长度是不合理的．锚杆长，预应 力低 ，在顶板不能形成有效的预应力结构 ，不能充分发挥锚杆的支护作用．锚杆越长，预应力应越大． 2 ． 5 锚固方式 对于端部锚固锚杆，锚杆拉力除锚固端外，沿长度方向是均匀分布的．在锚固范围内，任何部位岩层 的离层都均匀地分散到整个杆体的长度上 ，导致杆体受力对围岩变形 和离层不敏感 ，支护系统的刚度低． 为了提高端锚锚杆的刚度 ，只能施加较大的预应力 ；对于全长锚固锚杆 ，杆体应力 、应变沿锚杆长度方向 分布极不均匀，离层和滑动大的部位锚杆受力很大，杆体受力对围岩变形和离层很敏感，支护系统的刚度 大 ；加长锚固锚杆兼有端锚与全锚的特点 ，已得到广泛应用．必须强调的是 ，锚 固方式的选取应充分考虑 预应力的影响．如前所述，考虑锚杆预应力时，全长锚 固与加长锚 固的效果均 比端部锚 固差．提高全长锚 固与加长锚 固锚杆预应力扩散效果的有效途径是先进行端部锚固，然后施加预应力 ，锚 固剂后 固化， 如超 快速固化与慢速固化锚固剂搭配 ，端部机械锚 固与慢速固化锚 固剂相结合 ，形成类似于预应力钢筋混凝土 的结构 ，实现全长预应力锚固，可显著提高加长与全长锚固锚杆的支护效果． 维普资讯 第 7期 康红普等预应力锚卡 r 支护参数的设计 7 2 5 2 ． 6锚杆 角 度 传统的锚杆布置方式是将顶板倾斜锚杆布置成与垂线呈 1 5～3 0 。 ，使倾斜锚杆能够深Z ． ll 巷 帮上方 的 顶板中，一方面倾斜锚杆可以阻止顶板整体切落；另一方面，倾斜锚杆与钢带组成一个兜状结构，防止顶 板垮落．对已发生的冒顶事故分析表明，倾斜锚杆的上述 2种作用都比较小 ，不能阻止顶板垮落，相反， 过大的角度削弱了锚杆对顶板的支护作用．前述的数值模拟结果表明，对于预应力支护系统 ，在近水平煤 层巷道中，顶板角锚杆最好垂直布置．如考虑施工需要一定的角度 ，最大角度不应 超过 1 0 。 ．这个结论在 潞安 、晋城的井下应用 中得到证实 ，顶板角锚杆垂直布置的支护效果优于倾斜布置． 2 ． 7 锚杆密度 锚杆支护密度的选择应遵循 以下原则 ① 低支护密度原则．我国煤巷锚杆间排距一般为 0 ． 6～1 ． 0 m， 间排距偏小，支护密度偏大，影响支护速度．应尽量提高单根锚杆的预应力、强度与刚度，在保证支护效 果与安全条件下 ，降低支护密度 ，从而降低巷道支护综合成本 ，提高支护速度．② 支护密度与锚杆预应 力 、强度 、长度相匹配原则．实践表明，通过提高锚杆预应力 、直径 、强度 ，可以增大锚杆间排距．特别 是我国锚杆预应力普遍很低 ，即使支护密度大 ，支护效果也不理想．通过大幅度提高锚杆预应力 ，不仅能 够显著减小围岩变形 ，保持 围岩的完整性与稳定性 ，而且可显著降低支护密度． 2 ． 8 组合构件参数 锚杆组合构件有钢带 、钢筋托梁 、钢梁等形式．钢带又分平钢带 、w 形钢带 、M形钢带等形式．组 合构件在预应力锚杆支护系统中起着关键作用 ，在技术上对其有以下要求 ① 有一定的护表面积 、强度 和刚度 ，起到扩散锚杆预应力 、扩大锚杆作用范 围，以及均衡锚杆受力，提高整体 支护能力的作用；② 组合构件的几何参数 、力学参数应与锚杆参数相匹配．组合构件形式与参数选择不合理 ，会导致组合构件 发生破坏 ，显著降低支护系统的支护能力． 钢筋托梁护表面积小 、强度与刚度低 ，托梁钢筋与巷道表面为线接触 ，不利于锚杆预应力扩散和作用 范围的扩大 ；W形钢带护表面积大 、强度与刚度高 ，与巷道表 面为面接触 ，有利 于锚杆预应力扩散和扩 大锚杆作用范围．w 形钢带是适合复杂困难条件巷道的有效组合构件．实际应用时 ，应根据锚杆预应力 、 直径和强度等参数选择相适应的钢带参数． 2 ． 9 锚索支护参数 1 锚索预应力．锚索预应力设计的原则 锚索与锚杆预应力形成 的有效压应力区相互连接 、重叠 ． 形成以锚索为骨架 、锚杆为连续带的骨架 网状结构 ，对锚杆 、锚索之问围岩的起到有效的主动支护作用． 锚索越长 、直径越大 、强度越高，施加的预应力应越大．根据我国煤矿巷道条件 、现有锚索规格及张拉设 备 ，锚索预应力一般应为其拉断载荷 的4 0 ％ ～ 7 0 ％． 2 锚索长度．锚索应将锚杆支护形成的预应力承载结构与深部围岩相连，发挥深部围岩的承载能 力 ，提高预应力承载结构的稳定性．因此，锚索应锚固在 围岩内部相对较稳定 的岩层中，确保锚 固效果． 同时 ，锚索长度应与锚索预应力相匹配 ，锚索越长，施加的预应力应越大．高预应力 的短锚索支护效果比 低预应力的长锚索支护效果好 ． 3 锚索直径．考虑到锚索索体直径与钻孑 L 直径 一般为 2 8 m m的差值控制在 4～1 0 m m之 内有 利于树脂药卷锚固效果的发挥 ，应优先选用 1 7 ． 8 m m及以上的锚索． 3 结 论 1 预应力是锚杆实现主动支护的关键参数 ，对支护效果起着非常重要的作用．锚杆预应力设计 的原 则是控制围岩不出现 明显的离层 、滑动 ，减小甚至消除拉应力区．一般可选择锚杆预应力为杆体屈服载荷 的3 0 ％ ～ 5 0 ％．锚杆直径越大，杆体材质强度越高，预应力应越高． 2 锚杆长度应保证锚固区内形成稳定 的承载结构．同时 ，锚杆长度应 与预应力 、直径 、强度相匹 配．锚杆长 、预应力低 ，在顶板不能形成有效的预应力结构 ，不能充分发挥锚 杆的支护作用．锚杆越长， 维普资讯 7 2 6 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年第3 3 卷 预应力应越大．相反，通过提高预应力可适 当减小锚杆长度． 3 考虑锚杆预应力时，全长锚 固与加长锚固的支护效果均 比端部锚固差．提高全长锚固与加长锚 固 锚杆预应力扩散效果的有效途径是先进行端部锚 固，然后施加预应力 ，锚固剂后固化 ，形成类似于预应力 钢筋混凝土的结构 ，实现全长预应力锚 固，可显著提高加长与全长锚固锚杆的支护效果． 4 对于预应力支护系统 ，在近水平煤层巷道 中，顶板角锚杆最好垂直布置．如考虑施工需要一定的 角度 ，最大角度不应超过 1 0 。 ． 5 锚杆支护密度的选择应遵循低支护密度原则 ，应提高单根锚杆的预应力 、强度与刚度 ，在保证支 护效果与安全条件下 ，降低支护密度 ，提高支护速度．同时，支护密度应与锚杆预应力 、强度 、长度相匹 配．通过提高锚杆预应力 、直径 、强度 ，可以增大锚杆间排距． 6 锚杆组合构件应有一定的护表面积、强度和刚度，起到扩散锚杆预应力、扩大锚杆作用范围，以 及均衡锚杆受力，提高整体支护能力的作用．w形钢带是适合复杂困难条件巷道的有效组合构件，应根 据锚杆预应力、直径和强度等选择相适应的钢带参数． 7 锚索预应力一般应为其拉断载荷 的 4 0 ％ 一7 0 ％ ，锚索越长、直径越大 、强度越高 ，施加 的预应 力应越大．锚索长度应使其锚固在围岩内相对稳定的煤岩层中，确保锚固效果，而且应与锚索预应力相匹 配．高预应力的短锚索支护效果 比低预应力的长锚索效果好．应优先选用 6 1 7 ． 8 m m及以上的锚索． 参考文献 [ 1 ] 程良奎，范景伦，韩军，等．岩土锚固 [ M] ．北京中国建筑工业出版社，2 0 0 3 ． C h e n g L i a n g k u i ，F a 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t h c o a l r o a d w a y[ D] ．B e i j i n g C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o gy B e ij i n g ． 2 0 0 7 ． [ 8 ] 范明建．锚杆预应力与巷道支护效果的关系研究 [ D]．北京 煤炭科学研究总院，2 0 0 7 ． F a n Mi n g j i a n ．S t u d y o n t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n bol t p r e s t r e s s e s a n d s u p p o rt e ff e c t o f roa d w a y[ D ] ．B e i j i n g C h i n a C o a l R e ． s e a r c h I n s t i t u t e，2 0 07． [ 9 ] 王金华 ，康红普，高富强．锚索支护传力机制与应力分布的数值模拟 [ J ] ．煤炭学报，2 0 0 8 ，3 3 1 1 6 ． Wa n g J i n h u a ， K a n g Ho n g p u， Ga o F u q i a n g ． N u me ric a l s i mu l a t i o n s t u d y o n l o a d ． t r a n s f e r me c h a n i s ms a n d s t r e s s d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e ri s t i c s o f c a b l e b o l t s[ J ] ．J o u rna l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ，2 0 0 8 ，3 3 1 1 6 ． 维普资讯