基于锚固力学效应巷道围岩稳定性分析

为了分析巷道在锚杆支护时锚杆和围岩耦合作用下形成的锚固承载层对巷道围岩稳定性的影响,根据围岩应力分布曲线特点,将巷道围岩划分为塑性区和弹性区进行研究。结合MohrCoulomb准则,分析锚杆在施加预紧力时引起容重的变化,可求解得到锚固承载层范围内切向应力的解析表达式,由静力平衡方程推导计算出锚固承载层外边界所能提供的等效支护力以及在等效支护力作用下巷道围岩塑性区的应力、半径和巷道位移计算解析表达式。通过上述所求的计算解析表达式结合全长锚固锚杆的预紧力、长度、间排距来分析3者对巷道围岩的力学效应影响。研究结果表明:等效支护力对巷道围岩的稳定性有一定的影响,在等效支护力的作用下,对巷道围岩应力分析可知,围岩应力峰值发生变化,且位置向巷道壁转移;全长锚固锚杆预紧力越大,锚杆长度越长,间排距越密,锚固承载层范围内的等效支护力越大,对巷道围岩的稳定性越有利;锚固承载层厚度与等效支护力的大小成正比,随着等效支护力的增大,巷道围岩的塑性区范围和巷道表面位移都会明显下降,等效支护力对围岩的稳定性有着很好的抑制作用。通过FLAC3D数值模拟对理论分析结果加以验证,根据模拟锚固承载层作用下的塑性区半径和巷道表面位移分析可知,数值模拟与理论分析结果基本一致。     

软岩巷道锚杆支护特性分析

为了保证软岩巷道围岩稳定以及确定合理的锚杆支护参数,将局部锚固锚杆的支护作用等效为作用于硐壁表面的支护力与作用于锚固段区域围岩的体积力。基于强度强化理论,建立巷道力学计算模型,将理论计算结果与FLAC~(3D)的结果进行对比,并且研究了各个锚杆参数对巷道硐壁位移以及塑性区范围的影响。结果表明:在算例下,理论计算得到的硐室硐壁位移与塑性区范围分别为28.4 mm和6.995 m,FLAC~(3D)数值模拟得到的巷道巷道位移与塑性区范围分别为30.1 mm和7.097 m,而且在不同支护强度下理论计算值与FLAC~(3D)的结果相差均小于10%,从而验证了该理论的正确性;与其他锚杆参数相比,锚杆间排距与预紧力对围岩变形影响较大,在工程中应该合理调整锚杆间排距与采用预紧力锚杆。     

不同锚固长度下巷道锚杆力学效应分析及应用

为研究不同锚固长度对巷道围岩的控制效果,从理论方面推导了锚杆应力分布规律,建立了不同锚固长度下巷道围岩力学分析模型,考虑分析了锚杆直径、围岩强度参数、锚固长度、预紧力、布设间距等影响因素,给出了巷道锚杆支护设计的工程建议措施,并通过开展现场试验验证了本文理论研究成果的正确性。研究表明：锚杆受力主要集中在锚固段端头1/3范围内,且沿长度方向杆体剪应力与轴力不断递减;在软岩中更利于锚杆锚固作用的发挥;施加高预紧力,并留设一定的自由段长度,有利于锚杆预紧力在围岩中扩散,可形成有效的锚固围岩承载结构,充分发挥杆体支护潜力;当锚杆布设间距较大时,可通过提高预紧力、适当减少锚固长度来增加预紧力对围岩的控制效果。     

深部大断面巷道交叉点围岩稳定性分析及控制技术

针对邢东矿-760 m水平大断面巷道交叉点顶板明显下沉、两帮剧烈收敛、底板强烈鼓起、柱墙岩体破碎松散等巷道变形破坏特征,采用理论分析、数值模拟、工程类比及现场观测等方法,针对性地提出了集多层次交错密集高强度锚杆(索)支护技术、多层混凝土喷层拱支护、壁后注浆加固拱和柱墙浇注混凝土加固于一体的锚喷网注联合支护技术,剖析了深部大断面交叉点具体支护方法的围岩控制机理。研究表明:①当锚杆安装越密集时,压应力叠加所形成承压拱的最小厚度越大,压力拱承载能力越强;②锚杆间距大于700 mm时,喷层结构最大承载力小于0.55 MPa,随着锚杆间距减小至400 mm,喷层承载能力与锚杆间距呈类幂函数增长关系;③喷层结构承载能力与喷层厚度呈类线性关系,即喷层承载能力随喷层厚度增大而线性增大;④数值模拟结果表明围岩塑性破坏深度较大的区域位于顶部两肩窝处,且交叉点大部分塑性区深度小于2.4 m,锚杆长度确定为2.4 m时,能够使得锚杆锚固在岩体的弹性区内。基于以上研究,结合现场地质生产条件确定巷道交叉点围岩支护方案,并进行现场工程应用。工程实践表明,采用锚喷网注联合控制技术后,顶底板、两帮移近量最大分别为166、134 mm,移近速率最大分别为9.8、7.3 mm/d,巷道围岩总体收敛情况较好,有效控制了-760 m水平大断面巷道交叉点围岩变形。     

锚杆初始支护阻力的计算及预测

为了便于计算和预测锚杆支护的初始支护阻力,基于锚杆及时支护时锚固区围岩处于弹塑性状态的假设,建立锚杆受力和安装力学模型,分析研究初始支护阻力与预紧力矩之间的关系,得出锚杆支护螺母、托盘两种接触类型的初始支护阻力的理论解,同时采用自制的“锚杆锚固传递及衰减规律”模拟试验台对初始支护阻力进行验证。研究结果表明：锚杆支护材质、规格及支护间排距相同时,其初始支护阻力与预紧力矩呈线性关系;预紧力矩在0~300 N·m时,初始支护阻力与预紧力矩间有准确的数学表达式,采用预紧力矩能够量化和预测初始支护阻力。     

预应力锚杆锚固段轴力分布区间影响因素研究

针对不同因素对预应力锚杆锚固段轴力分布区间影响问题,采用理论分析、数值模拟、实验室试验与井下实测相结合的方法进行了研究。理论推导得出了锚固段轴力表达式,并用MATLAB软件数值分析了锚杆直径、锚固长度、预紧力、围岩弹性模量与锚固段轴力分布区间的关系。在实验室进行了不同锚固长度、不同预紧力下锚杆锚固段受力试验,得出了不同锚固长度与不同预紧力对锚固段受力区间的影响程度。在任家庄煤矿井下进行了煤体可锚性试验,实测了煤岩体不同锚固长度下的锚杆拉拔力、不同预紧扭矩下的锚杆预紧力大小。最后,提出增强锚杆锚固性能与锚固力的建议。     

下沟矿特厚煤层锚杆支护实践

为研究适用于下沟矿特厚煤层受采动影响巷道合理的锚杆支护技术,通过理论分析、数值模拟与工程实践相结合,总结出一套较为成熟的锚杆支护技术采用高预紧力使锚杆产生的有效压应力区覆盖顶板,充分发挥锚杆的主动支护作用;顶板角锚杆最好垂直布置,最大施工角度不应超过10°;钢带可以使锚杆形成的有效压应力区显著扩大,彼此相互连接,形成连续的有效压应力带;锚索可将锚杆支护形成的次生承载结构与深部围岩相连,提高次生承载结构的稳定性,且通过高预紧力与锚杆形成的压应力区形成骨架网络结构,保持围岩完整性。     

巷道锚杆锚索协同支护数值模拟研究

基于锚杆、锚索协同支护原理,在围岩条件和锚杆、锚索其他支护参数一定的情况下,采用正交试验设计方法,运用FLAC3D数值模拟软件对锚索预紧力、锚索长度、锚索锚固长度3个支护参数对巷道围岩变形影响规律和它们之间的协同匹配关系进行研究分析。结果表明:影响围岩顶底板、两帮变形的主要因素是锚索预紧力,锚索预紧力的大小对巷道变形的影响最为显著,而锚索长度和锚固长度的影响相对较小;锚杆预紧力须和锚索预紧力协同配合,共同控制围岩的变形,预紧力为20kN的锚杆和预紧力为100kN的锚索在巷道顶底板变形控制中能达到很好的协同配合作用;巷道围岩顶底板和两帮的围岩稳定性控制的机理不同,需要采取的支护理念和支护参数也不同;锚索锚固长度对围岩位移变化的影响规律是锚索长度对围岩位移变化影响规律的侧面描述,呈负相关的关系。     

预紧力锚杆作用下锚固体的形成与失稳模式

高强锚固系统在深部及复杂软弱巷道围岩控制中得到越来越广泛的应用,但对该条件下的锚固体形成和失稳的认识仍不充分。笔者采用数值模拟方法研究了预紧力锚杆作用下锚固体的形成因素及原岩应力作用下锚固体的失稳规律。结果表明：预紧力一定时,锚杆间距越小,附加应力就越大;锚杆间排距一定时,预紧力越大,附加应力就越大,附加应力在锚固体范围岩体中呈纺锤形,压力从巷道表面处逐渐衰减,在锚固起始端呈锥形分布;锚固段越短或预紧力越大,压缩区域就越大,锚固体的范围就越大,但锚固段长度对锚固体的影响较为明显。原岩应力环境中,巷道围岩锚固体失稳类型有锚杆断裂型、锚固脱黏型、岩体主导破坏型和锚固体复合型破坏型;岩体强度、锚杆预紧力、原岩应力侧压系数、埋深、锚杆间排距等对锚固体失稳的作用依次减小。     

基于FLAC~(3D)的巷道围岩高强预紧力支护数值模拟

为解决深部高应力条件下复合顶板煤巷支护困难的问题,针对实际工程情况,采用FLAC~(3D)数值模拟软件对不同预紧力条件下的巷道围岩位移及锚杆形成的附加应力场进行对比分析,研究发现:高强预紧力支护可以明显控制巷道围岩位移,锚杆之间的锚固压应力区相互叠加,形成一定厚度承压拱,围岩整体承载能力得到提高,最后提出高强预紧支护方案并应用于现场,监测结果显示该方案合理可行。     

基于FLAC^(3D)的巷道围岩高强预紧力支护数值模拟北大核心

为解决深部高应力条件下复合顶板煤巷支护困难的问题,针对实际工程情况,采用FLAC^(3D)数值模拟软件对不同预紧力条件下的巷道围岩位移及锚杆形成的附加应力场进行对比分析,研究发现:高强预紧力支护可以明显控制巷道围岩位移,锚杆之间的锚固压应力区相互叠加,形成一定厚度承压拱,围岩整体承载能力得到提高,最后提出高强预紧支护方案并应用于现场,监测结果显示该方案合理可行。     

不同锚杆参数对锚固系统稳定性影响研究

为了研究不同锚杆参数对锚固系统稳定性的影响，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，理论分析了围岩协同锚固系统力学模型和锚杆锚固段的“大托盘”效应，数值模拟了不同锚杆长度、锚杆密度和锚杆预紧力下群锚杆最小主应力分布，分析了锚杆围岩形成的挤压带范围，得到了相关参数对锚固系统稳定性的影响。研究为巷道支护提供了理论指导。     

霍尔辛赫矿井大断面煤巷锚网支护技术研究

从理论上分析了霍尔辛赫矿井大断面煤巷锚杆支护体系存在的问题,寻找影响锚网支护的关键因素,得出锚杆(索)的预紧力在支护系统中起关键性作用。采用数值模拟计算方法,分析锚杆预紧力、长度、间距、锚固方式、角度、钢带以及锚索预紧力不同时的应力效果。在霍尔辛赫开拓巷道和3201首采工作面巷道进行井下工业性试验并对锚杆(索)受力进行监测,得出高预应力强力锚杆锚索支护系统(锚杆预紧扭矩400N.m、锚索预紧力300 kN)可提高支护效果,有效控制围岩变形。     

新城金矿深部全断面锚网喷支护技术研究

针对新城金矿进入深部开采后巷道围岩出现频繁变形和破坏的现象，采用数值模拟的方法分析了不同锚杆长度、不同锚杆预紧力及不同巷道断面尺寸对支护效果的影响，结果表明：锚杆长度与锚杆锚固效果不呈正比关系，当锚杆长度超过2.3m时，锚杆锚固效果不再发生明显变化；当锚杆预紧力为100kN时，锚杆锚固效果最好；小断面巷道围岩表面拉应力明显小于大断面巷道，且其破坏区范围更小。通过以上分析并结合工程现场实际，提出了全断面锚网喷技术参数，并依据工程现场验证了该支护参数的可行性，为杜绝该金矿深部顶、帮冒落伤人事故的发生提供技术支撑。     

旧巷改造的锚固技术方案

通过对巷道围岩现状调研,确定了适宜的支护原则:中等支护强度原则、预紧力及预紧力扩散原则和及时支护原则。依据大厚度锚固板理论和整体锚固结构理论制定了合理有效的锚固支护方案,支护效果甚佳。现场矿压监测发现旧巷具有变形小,短期即可稳定,锚杆(索)受力小,锚固结构仍有较大承载潜能特点。     

锚杆预紧扭矩转化效率主控因素分析

为研究锚杆预紧扭矩与预紧力转化规律，通过理论分析和现场试验，系统研究了转化效率主控因素，并基于数值模拟结果对锚杆预紧扭矩进行参数优选。研究结果表明：同一预紧扭矩下，随螺母与螺纹间摩擦因子、螺母与垫圈间摩擦因子增大，锚杆预紧力均随之减小，且减小速率呈降低趋势。对于细牙全螺纹锚杆和左旋无纵筋锚杆，当预紧扭矩超过400 N·m时，预紧力增幅随预紧扭矩增加而变缓，继续施加预紧扭矩获得的预紧力增量较小。锚杆直径越大，预紧扭矩转化效率越低，锚杆螺距越小，预紧扭矩转化效率越高。当预紧力达到80 kN时，直径18 mm细牙全螺纹锚杆和直径20 mm左旋无纵筋锚杆对应的预紧扭矩分别为408 N·m和429 N·m。研究成果对锚杆支护理论完善及支护参数选取具有一定实用价值。     

复合顶板中锚固力扩散模型及其支护参数优化研究

为研究复合顶板中锚杆锚固力的扩散规律,以大阳煤 矿3306轨道顺槽为工程背景,采用应力扩散效应、梁弯曲理 论和现场监测手段,构建复合顶板中单根锚杆锚固力扩散模 型和锚杆间排距设计优化模型,并通过现场工程应用对该模 型进行了验证。结果表明:锚固应力穿过复合顶板岩层界面 时发生应力衰减和应力扩散角突变是导致复合顶板与均质 岩层中锚固应力分布差异的本质原因;基于优化模型得到的 支护方案在保证顶板安全的同时,比原方案锚杆间排距增加 了180mm;锚杆间排距随锚杆预紧力的增加呈线性规律增 大,随下岩层与上岩层厚度比的增大呈对数型规律增大,随 下岩层与上岩层弹性模量比的增加呈指数型规律增大;预紧 力对锚杆间排距的影响最大,厚度比和弹性模量比次之,由 于顶板岩层弹性模量不易改变,优化支护时优先考虑提高锚 杆的预紧力;研究成果对复合顶板的支护理论和支护设计优 化方案提供理论依据。     

煤巷锚杆-锚索支护的预应力协调作用分析

在分析目前锚杆、锚索联合支护条件下施加预紧力时存在问题的基础上,提出了锚杆、锚索联合支护的预应力协调问题,并采用有限差分数值计算软件FLAC3D对锚杆(索)施加不同组合预紧力时围岩产生的应力场分布特征与规律进行了模拟分析。结果表明:预应力锚杆、锚索联合支护可以在巷道围岩锚固结构中形成相互连接、相互叠加的有效压应力区,随着锚杆(索)预应力的增加,压应力区的值和范围也相应地增加;锚杆端部的拉应力值和范围随锚杆预紧力矩的增加而增大,这种情况可以通过施加锚索预紧力进行平衡,锚杆预紧力矩越大,平衡其端部拉应力区所需的锚索预紧力越大;结合工程施工现状,合理的锚杆预紧力矩选择在300～400N.m,锚索预紧力为200～300kN比较合理。井下试验表明,合理预应力组合的锚杆锚索联合支护系统可以有效控制围岩变形。     

回采巷道锚杆支护参数敏感性正交试验分析

采用正交数值模拟试验方法研究了锚杆支护参数对巷道变形与破坏的影响.选择锚杆直径、锚杆长度、锚杆间排距、锚固长度及锚杆预紧力等5个因素、4个水平的正交试验方法进行了相关的数值模拟试验.试验结果表明,锚杆间排距是影响巷道变形与破坏最敏感也是最重要的参数;锚杆预紧力是巷道锚杆支护系统的关键参数,在进行巷道锚杆支护设计时,应将锚杆预应力作为重点考虑的问题之一.     

数值模拟技术在锚网支护设计中的应用

用数值模拟技术进行巷道支护设计是目前较为先进的设计方法。首先通过软件用模拟技术设计出最主要的锚网支护参数———锚杆长度及间排距, 然后分析锚固力与锚杆直径、预紧力、托盘、螺母、钢带等的匹配关系, 从而达到锚网支护优化目的。