一种改进的中空注浆锚杆连接段螺纹参数优化分析

软岩大变形隧道需要及时锚固支护,特别是在围岩强度较低的隧道中,常采用对围岩扰动较小的中空注浆树脂锚杆施加预应力支护,而开挖后围岩产生的大变形将对锚杆性能提出更高的要求,如何提升锚杆强度与变形能力成为控制围岩稳定性的关键。考虑改进的中空注浆锚杆树脂锚固段+砂浆锚固段的螺纹连接特性,利用数值模拟分析了锚杆连接段内螺纹螺距、连接长度、外壁厚度对连接段强度与变形的影响,得到了连接段螺纹最佳组合参数。研究结果表明：连接段破坏模式受螺纹抗剪强度、钢筋与中空外壁抗拉强度的影响,可分为中空外壁拉断破坏、螺纹滑脱破坏、钢筋拉断破坏3种。当连接段长度较短时,易发生螺纹滑脱破坏,随着连接长度的增加,连接段强度薄弱点由螺纹转移至中空外壁。不同螺纹螺距条件下存在临界连接长度使得连接段内各强度均能得到有效发挥,从而提高锚杆连接段的整体强度。随着螺纹螺距的增加,连接段整体受力性能得到显著改善,当螺纹螺距为1.5 mm时,螺纹抗剪强度最差,在设计时应尽量避免。在中空外壁直径不变时,钢筋直径过大易导致连接段外壁拉断破坏,过小易导致钢筋拉断破坏,在设计时应合理匹配钢筋直径与中空外壁直径。随着中空外壁直径的增加,连接段破坏...     

温轧中空锚杆体抗剪性能分析

在岩土锚固工程中，随着自钻式锚杆的应用不断增多，仅研究抗拉强度、屈服强度及延伸率等性能已经无法满足实际工程需求，工程设计方对中空锚杆体抗剪性能的需求不断凸显。为了给工程设计方提供可靠的抗剪性能依据，特以R32S波形螺纹温轧中空锚杆体为例，对其抗剪强度进行了理论分析计算和实际剪切试验验证。结果表明:R32S中空锚杆体理论抗剪强度为142~208 MPa，而实际试验得出的抗剪强度为290~360 MPa；温轧中空锚杆体的试验数据表明抗剪强度与屈服强度具有一定的线性关系。     

可接长锚杆及其在巷道顶板支护中的应用研究

对于大变形巷道,由于顶板下沉量较大,容易造成锚索破断或支护失效。为避免巷道顶板事故的发生以及多次补强支护,研发了一种适用于大变形顶板的可接长锚杆,由左旋螺纹钢金属杆体、杆体墩粗连接头、杆体连接螺栓及锚尾螺纹组成。经过现场试验,其表现出与相同直径的普通螺纹钢锚杆同样的力学性能。在神东集团保德煤矿进行现场试验,并对试验巷道进行顶板深基点位移监测和可接长锚杆轴向受力监测。监测结果表明,可接长锚杆可以与顶板围岩同步变形,避免了因锚索伸长率低而被拉断进而引起的冒顶事故,可接长锚杆能够较好的控制大变形巷道顶板的下沉变形。同时,对其支护成本进行了分析,结果表明,用可接长锚杆取代锚索进行补强支护,可以大幅降低巷道的补强支护成本。     

锚杆构件力学性能及匹配性

在分析煤矿巷道锚杆支护构件破坏形式与原因的基础上,研究了锚杆各构件,包括杆体、螺纹段、托板、球形垫圈及减摩垫圈的力学性能。采用理论计算与数值模拟分析了杆体与螺纹段在不同受力状态下的应力分布特征。在实验室进行了锚杆形状、参数对其锚固力及安装阻力影响的试验,托板压缩性能及锚杆尾部构件匹配性试验。研究了树脂锚固剂的力学性能及影响因素。研究结果表明：锚杆受拉伸、弯曲、扭转、剪切及其组合作用,煤矿巷道锚杆处于屈服是一种常态,杆体有4个位置易发生破断。螺纹显著改变了螺纹段表面及附近部位的应力分布,在螺纹牙底处出现明显的应力集中。拱形托板压缩变形可分为5个阶段,拱高必须达到一定值才能保证足够的承载能力。锚杆尾部构件几何形状、参数及力学性能应相互匹配,才能使锚杆处于较好的受力状态。树脂锚固剂应与杆体、钻孔匹配,保证锚杆-锚固剂、锚固剂-围岩之间界面有良好的黏结性能。研究成果已应用于多类困难巷道,大幅减少了锚杆支护构件的破坏,显著提高了巷道支护效果。      

基于ANSYS的玻璃钢锚杆托盘失效机理分析及结构优化

针对玻璃钢锚杆锚固系统中托盘受损破坏以致锚固失效的现象,利用材料力学对其进行受力分析,同时利用有限元软件ANSYS的静力分析模块对托盘受力进行仿真模拟分析。结果表明:托盘发生破裂或破碎,主要是因为边缘变形量过大,引起切向拉破坏使托盘产生破裂,破裂向托盘中心延伸进而引起整个托盘破碎失效。数值模拟结果与理论推导的结论相吻合,通过对山西段王煤矿150405工作面回风巷玻璃钢锚杆支护失效情况的统计,也验证了理论分析与数值模拟结论的正确性。在此基础上,提出固定轴向载荷作用下托盘更为合理的结构模型。     

注浆岩石锚杆锚固机理影响因素分析

为了进一步研究隧洞等地下工程中锚杆支护锚固机理,根据微段锚杆的受力平衡以及载荷传递机理建立了锚杆的载荷传递微分方程,同时根据隧道围岩安装锚杆前后的应变变形建立了锚杆的轴向载荷传递方程,结合圆形隧洞围岩的径向变形方程,推导了理想弹塑性围岩中注浆岩石锚杆的轴向应力的计算模型,以及锚固段与围岩体界面之间摩阻力的计算模型。通过分析锚杆应力的分布特征以及影响应力分布趋势和大小的因素,得到了影响其锚固效应的因素是锚杆的安装施工时机、围岩的力学特性以及锚杆的长度等。     

脆性围岩中锚杆的应力分布及岩石剪涨角的影响

根据微段锚杆的受力平衡以及载荷传递机理建立了锚杆的载荷传递微分方程，同时根据隧道围岩安装锚杆前后的应变变形建立了锚杆的轴向载荷的传递方程，结合圆形隧洞脆性围岩的径向变形方程，推导了理想弹脆性围岩中注浆岩石锚杆的轴向应力的计算模型，以及锚固段与围岩体界面之间的摩阻力的计算模型。分析了锚杆应力的分布特征以及影响其应力分布趋势和大小的因素，其中重点对围岩体的剪涨角进行了分析。     

巷道顶板离层对锚杆载荷影响的弹性分析

针对巷道顶板岩层变形不协调产生的离层量过大会使锚杆失效的问题, 对离层产生的锚杆附加应力建立弹性力学模型, 根据岩层相对移动时拉拔载荷对锚杆的作用机理, 得出离层作用下锚固体的应力分布形式, 分析发现： 在相同离层位置条件下, 离层值越大, 离层对锚杆产生的附加应力就越大; 在相同离层值条件下, 锚杆中心处应力最小, 越靠近边缘离层产生的附加应力越大, 离层位置和锚固体的轴力、 剪应力呈非线性关系。     

锚杆螺纹与螺母联接力学特性的数值模拟研究

采用有限元数值模拟方法对锚杆尾部螺纹联接的受力及变形特性进行了研究,包括不同螺纹齿高、螺纹间隙及螺母强度等级等因素对螺纹连接的影响,得出螺纹齿高应不小于0.7H、螺纹间隙最好为0.048mm、螺母强度应比锚杆杆体屈服强度高一个等级等结论。     

D-1型等强可伸锚杆

由煤科总院北京建井所研制、天津市塘沽煤矿支护设备器材厂生产的D-1型等强可伸锚杆,是在普通锚杆(水泥卷式锚杆、树脂卷式锚杆)的基础上开发的新锚杆。杆体两端的结构与加工做了改进,使杆体两端与杆体母材承载力基本一致,克服了普通锚杆由于杆体尾部螺纹易被拉断、锚头易发生滑移或拔出,使锚杆作用失效的缺点.     

深井中钻铤螺纹联接的强度研究

改进了文献〔１〕中的理论模型并利用一种修正的弹簧模型，通过对石油钻柱接头螺纹的受力分析，分别建立了上扣扭矩、轴向外载作用下螺纹载荷分布的计算模型，详细分析了螺纹载荷分布规律，指出了螺纹锥度、不同润滑脂的润滑所产生的摩擦系数、螺纹牙的弹性系数对螺纹联接的载荷分布规律的影响关系，给出了改善接头受力状态、减小应力集中的主要措施。还通过一种简单的力学模型得到了螺纹联接的极限轴向外载。     

深井嵌套式变截面巷道交岔点稳定性控制研究

深部矿井中,保持具有长服务年限的开拓巷道围岩稳定性十分重要,而井底车场中常存在两交岔点近距离连接使用的情形,在深部软岩环境下易出现大变形、支护失效等问题。以某煤矿嵌套式变截面巷道交岔点组围岩控制为工程背景,通过现场调研、地质勘查明晰了其具有3.9 m近距离嵌套式连接结构、变截面和大断面的属性及大范围穿层的特性,分析了在深部流变围岩下原支护方案失效的原因。为此进行精细化数值建模分析,得到主巷在三角岩柱侧的应力沿轴向存在“降低—叠加—恢复”的应力分区,两巷交叉角度越小,区域在轴向的距离越长,支承压力峰值及范围越大;变截面段随着截面的逐渐增大,围岩应力集中范围在横向与竖向均增大;塑性区在连接段发生多重叠加,宽度增加两倍以上,同时存在明显的穿层不连续状况,其范围在变截面巷道段及连接段急剧扩大。由此提出以中空注浆锚索为主的分段锚注强化控制方案,并经现场窥视与监测,加强支护有效保障了深井交岔点组围岩的稳定。     

动压巷道组合锚索的“应力柱”效应研究

为有效控制动压巷道围岩变形较大、支护控制困难等问题，以山西某矿8102工作面为工程背景，通过现场调研、数值模拟、现场试验等手段，对动载扰动条件下组合锚索的支护效果进行研究分析，并在现场进行了工业性试验。研究结果表明:通过对在动压巷道顶板施加组合锚索的数值模拟得知，巷道顶板应力比较集中，并出现“应力柱”效应，巷道变形较小。结合现场工业性试验，在动压巷道顶板施加组合锚索，巷道变形破坏情况明显好于未施加组合锚索段；组合锚索可以有效控制动压巷道围岩变形破坏情况。     

孤岛工作面沿空巷道锚固失效分析与支护对策

为解决某矿3210孤岛工作面回采巷道中大量锚杆锚索断裂及锚固失效、导致巷道围岩变形破坏严重的现象,对现场锚杆锚索的断裂数量分布和断裂形态进行统计分析,揭示了锚杆索支护失效的重点区域,发现大部分锚杆破断的位置都在杆尾螺纹处、大部分锚索破断位置均为杆体中部,进一步分析了巷道围岩破坏的破坏特点及原因。针对巷道支护帮弱的问题,对强帮护顶支护技术应用进行了探讨。基于研究针对原有支护,提出了“锚网索加强支护+帮部注浆补强加固”的支护对策,对支护参数及注浆施工参数进行详细设计。在改进支护前后对围岩变形情况进行实时监测与拉拔试验检验。结果表明,在工作面采动影响下,围岩变形量减小,该支护方案能提高巷帮抗变形能力与锚固能力,增强锚杆体锚固结构的弹性模量,能够有效解决锚杆索破断导致的锚固失效问题,极大提高了生产效率。     

螺纹钢横肋作用下锚固体应力分布与破坏规律

在柱坐标系下将拉拔状态下的锚杆空间受力问题简化为平面应变问题。基于ABAQUS仿真软件建立全长黏结式螺纹钢锚杆有限元模型,研究螺纹钢横肋作用下的锚固体应力分布特征。选取单元锚固体,建立有限元模型并数值计算,重点分析了树脂破坏面的演化特征以及螺纹钢横肋面角q、径向尺寸系数d/D和横肋间距L对锚固体破坏的影响。结果表明,螺纹钢锚杆的应力分布显著不同于圆钢锚杆;拉拔状态下螺纹钢的轴向应力较圆钢沿轴向衰减速率更快,树脂-杆体接触面剪切应力值沿轴向呈现锯齿状分布。螺纹钢横肋几何参数q,d/D,L对锚固体的强度和破坏失效形式有直接影响。联合分析螺纹钢锚杆全长应力分布与单元锚固体的破坏失效形式,总结了横肋作用下的锚固体失效的时空演化规律。     

矿井深部软岩巷道锚注一体化支护应用研究

针对平煤一矿-950 m水平下延回风上山埋深大、应力高、围岩强度低、支护难度大等特点,基于锚注一体化支护技术进行锚注参数设计,提出了以直径25 mm全螺纹高强中空注浆锚杆和直径29 mm螺纹肋中空注浆锚索为核心的全断面锚注一体化支护方案。工程实践表明,锚注参数设计合理,锚注加固强化了巷道整体性,改善了巷道围岩的承载性能,有效控制了巷道变形,支护效果得到显著提升,巷道稳定性明显提高,且支护成本降低,工艺简单。     

张拉预紧式锚杆支护系统高能强化锚固机理研究

目前传统转矩式锚杆预紧力损失大、锚杆主动性利用率较低,难以满足深部复杂困难巷道的支护要求,因此提出了张拉式高预紧锚杆支护技术,开发了张拉预紧式锚杆锁具及相关构件,并对系统在实验室进行了锚杆拉伸试验,结果表明:在锚具锥度为6°时,整个锚杆拉伸过程直至锚杆破断后锁具都可实现自锁,锚杆破断时,锁具总后退距离平均为3.3 mm,验证了锁具系统的安全性、匹配性及稳定性。而后采用数值模拟的方法建立了巷道锚固分离体模型,对比了低、高预紧力下锚固体的变形破坏特征与能量演化机制,最终得出高预紧力锚杆比低预紧力锚杆更能提高锚固体强度,减小锚固体受载变形的破坏程度,高预紧力产生的高储能可有效提高锚固体破坏峰值,减小破坏时的总耗散能,有效提高锚固体峰后残余能量。基于理论分析结果,在王庄煤矿91采区运输大巷进行了张拉预紧式锚杆与普通转矩式锚杆的对比试验,据矿压监测结果显示采用张拉预紧式锚杆的巷道段两帮最大移近量减少了32.6%,证明了提高预紧力构建高储能锚固支护体系可以有效减小巷道变形。     

大埋深断层集中带巷道全断面协同锚固技术及应用

为了解决深部断层集中带巷道变形大的问题,以车集矿28轨道下山巷道为研究对象,在对围岩破坏范围现场实测的基础上,利用协同锚固理论,对巷道进行全断面协同锚固设计,并利用数值模拟和实践应用对设计结果进行检验。结果表明,巷道施工结束后20 d左右变形趋于稳定,顶底板及两帮的变形量均控制在了25.0 mm以下。在钢带等连锁结构的作用下,锚杆轴力彼此相互分担,共同承载,使得顶板、两帮锚杆轴力基本一致,在钢筋梯、槽钢等连锁结构作用下,顶底板锚索轴力分布也更为均匀。全断面协同锚固技术的应用避免了巷道的多次返修,在车集矿类似巷道应用中,累计节约直接成本超过480万元。     

高应力复合顶大断面煤巷支护参数优化研究

为解决高应力复合顶板工作面巷道支护维护难的问题,通过现场调查,对已有巷道围岩破坏原因进行分析,得出原有巷道支护方式和参数不具有针对性。结合巷道断面和顶板岩性相变大的特征及巷道破坏特点,通过调整巷道两帮支护的锚杆间距,增加了支护密度,根据复合顶板岩性不同,将顶板支护分为4种方案,分别布置具有针对性的锚索补强支护,同时增大了锚索直径,强化了锚索支护作用。采用FLAC数值模拟软件对巷道在优化支护方案下的应力分布和变形特征进行模拟分析,巷道变形量减少,整体稳定,验证了支护优化方案的合理性。经工程实践和支护效果观测表明,巷道顶板下沉量最大为137 mm,两帮移近量最大为365 mm,顶板深部最大观测离层值为14 mm,保证了巷道稳定性,达到了预期目标。     

高强度采动下巷道围岩与支护构件破坏机理研究

针对高强度采动下巷道围岩与支护构件破坏问题，现场调查了高强度采动下巷道围岩与支护构件的破坏特征，采用理论与数值模拟方法计算了高强度采动下巷道围岩塑性区与位移，并依此分析了巷道围岩与支护构件的破坏机理。研究表明:高强度采动可以多次改变巷道围岩应力场方向与大小，巷道围岩塑性区形态亦相应不断转动近似等同的角度，进而引起巷道围岩呈现出特有的变形特性。这种围岩变形具有非线曲折性、局部强变形性、不对称性、大范围性。围岩变形的非线曲折性分高集度与低集度两种，低集度下锚杆杆体呈现分段弯曲、扭转等破坏特征，高集度下锚（杆）索破断剖面呈现为“Δ”、“Ⅰ”形态。围岩变形的局部强变形性与不对称性可导致型钢支架局部受力不均，使型钢支架呈现破裂、不对称弯曲等破坏现象。