锚杆支护组合构件对钢筋网加固作用试验研究

针对深井高地应力巷道因围岩大变形导致金属网严重破坏引发支护失效的问题,对高地应力巷道支护常用的钢筋网配合单体锚杆、钢筋托梁、W型钢带3种组合系统在垂直载荷作用下的力学性能进行实验室测试,分析了锚杆支护组合构件对钢筋网支护系统峰值强度、承载刚度、残余强度及卸压程度的影响规律,得到了锚杆支护组合构件对钢筋网支护效应的加固特征。借助Ansys Workbench软件分析钢筋网支护系统在垂直载荷作用下的整体位移变形量,得到了锚杆支护组合构件对钢筋网横向、纵向股线的位移约束差异性。基于锚杆支护组合构件对钢筋网的不对称加固特征及边界网丝概念的提出,探讨了锚杆支护组合构件对钢筋网支护系统的加固机理。结果表明:①钢筋网支护系统在垂直载荷作用下的承载性能可分为峰前承载区与峰后卸压区,W型钢带对钢筋网支护系统的强度强化作用是钢筋托梁的1.5倍,刚度强化作用是钢筋托梁的3倍。②锚杆支护组合构件对钢筋网的横向股线加固作用大于纵向股线加固作用,横向股线抗变形阻力分为垂直和水平两个分量,垂直分量由边界网丝与锚杆支护组合构件提供,水平阻力大小取决于边界网丝及焊接点剪切强度。③锚杆支护组合构件通过提高垂直约束作用、护表面积及护表区域内系统的抗变形能力增加钢筋网的支护强度与刚度。     

冲击地压巷道锚杆支护金属网静载和动载力学性能试验研究

为揭示冲击地压巷道锚杆支护常用金属网的静载和动载力学性能,从而为冲击地压巷道锚杆支护中金属网的选取提供设计依据,采用专门制作的金属网静载和动载力学性能试验装置对常用的经纬网、菱形网和钢筋网的力学性能进行了测试,分析了常用金属网在静载和动载荷下的受力特征和变形状况。实验结果表明:静载作用下,菱形网、经纬网和钢筋网的最大挠度分别为240,236和225 mm,最大承载能力分别为20,16.2和77 kN,3种金属网的最大挠度差别不大,但承载速率差别较大,钢筋网承载速率最大,其次是经纬网,最小是菱形网;动载作用下,菱形网、经纬网和钢筋网的最大吸能能力分别为1 743,938和2 010 J,最大挠度分别为350,420和360 mm,钢筋网吸能能力最大,挠度中等,而菱形网吸能能力次之,而挠度反而最小。菱形网无论是静载还是动载,其初期刚度较低,承受效率慢,而其受力均匀,能承受较大的静载荷和动载荷,且四周绑丝处不易破断,勾接连接方式有很好的承载和缓冲能力,但其主要的缺陷在于承载效率慢,支护刚度太低,通过提高初期张紧力是提高菱形网支护效果的主要途径;经纬网刚度较高,承载效率快,但强度相对较低,易产生经线和纬线错动失效,且经纬网变形时,受力不均匀,绑丝易断裂,四角固定处受力较小,受力传递效果较差,要想提高经纬网支护效果,需提高经纬网经线和纬线之间的约束力;钢筋网初期刚度高,强度大,吸能能力强,但钢筋网的缺点是强度不能充分利用,尤其是钢筋网焊接处和四周绑丝处强度较低,制约了钢筋网支护效果,要想提高其支护效果,需提高焊接点强度和四周绑丝强度。     

锚杆支护钢筋网传力机制及分区承载试验研究

为了掌握钢筋网在控制巷道围岩变形过程中自身的破坏规律,通过对钢筋网进行垂直载荷试验及数值模拟仿真计算(Ansys),得到了钢筋网在静载荷作用下的传力机制及分区承载特性:钢筋网中心"十"字拉伸区内的钢筋主要受垂直载荷导致的拉伸作用,且为主传力筋而呈现出拉伸破坏,主传力钢筋与模型边界固定的绑丝脱扣破断;局部扭曲承载区内钢筋非主传力筋,且区域内的矩形网格受到扭曲作用变为菱形网格。基于钢筋网传力机制与分区承载特性,提出"十"字拉伸区钢筋扩径改造、局部扭曲承载区节点抗扭加固、绑丝扎捆中区强度增加3种优化方案,有针对性地对钢筋网进行分区强化,从而提高钢筋网的稳定性。     

锚杆支护金属网力学性能与支护效果实验室研究

针对煤矿锚网喷支护巷道金属网选择及联网方式随意性大,严重影响支护质量的问题,采用实验室试验的方法对锚杆支护常用金属网的受力状态、变形状况及支护作用进行了研究。制作了专门的金属网变形破坏试验台和测力金属网,测试了3种金属网在不同支护下提供的最大护表力和挠度,分析了不同联网方式对金属网强度利用率的影响,得出3种金属网的极限承载能力和在不同支护方式下的强度利用率。指出钢筋网的强度利用率极低,联网强度是制约钢筋网充分发挥护表作用的薄弱环节。提出大幅度提高金属网的预张力是提高锚杆支护效果的重要方法和途径。     

锚杆支护金属网力学性能理论分析

针对煤矿锚网喷支护巷道金属网使用条件无明确的参考标准,造成金属网在现场盲目滥用的问题,采用理论分析的方法对矿用金属网的受力状态、变形状况及支护作用进行了研究。阐述了金属网的传力机制,对金属网的受力特点进行了分析;通过计算分析得出网丝张力和挠度之间的关系,并得到金属网对围岩的护表能力与网丝强度、锚杆间排距和网兜大小3个因素有关。     

金属网假顶的顶板管理

分析阐述了经纬网和菱形网的铺联方式，以及在生产管理中的注意事项，同时对两种金属网假顶的支护进行了分析。     

双鸭山东荣二矿动压巷道破坏分析及支护技术

东荣二矿17煤层围岩强度低,原设计支护形式不合理,在深井自重应力、构造应力及上位煤层开采引起的采动集中应力的叠加作用下,巷道围岩载荷超过其极限强度而破坏失稳。采用"锚杆+钢带+锚索+金属网+喷浆"的联合支护方案,有效控制了巷道的变形破坏,取得了良好的技术经济效果。     

大变形软岩顶底板煤巷锚网索联合支护研究

黑沟煤业有限公司煤巷项底板均为松软岩层,为解决巷道在埋藏深度不大条件下变形严重、难以维护问题,对巷道围岩弱结构变形特征和锚固支护机理进行理论分析和Flac3D数值模拟.结果表明:锚杆支护所产生的夹持作用使浅部围岩形成类拱形支护体,提高围岩整体刚度和自身承载能力;底角锚杆促使底板高应力区向深部转移,降低底板应力性底鼓,在控制底鼓变形中起重要作用;锚索可缩小顶底板岩层拉应力区范围及围岩破坏程度,提高顶底板岩层整体稳定性;钢带、金属网形成柔性支护,阻止浅部围岩破坏向深部发展.锚网索联合可实现大变形软岩顶底板煤巷的有效支护.     

松软煤层小煤柱巷道变形机理及支护技术

为解决天池煤矿小煤柱巷道变形严重问题,分析了邻近工作面采空后本工作面煤体内垂直应力分布情况。发现是侧向支承压力与超前采动应力叠加导致巷道围岩应力水平提高,同时锚杆(索)支护范围小和护表构件刚度低使巷道支护强度不足以抵抗围岩变形力。提出了增加锚杆(索)长度、提高锚杆预紧力、采用钢筋网和T型钢护板护表的新型支护方案。实践表明,新支护方案实施后,巷道两帮移近量相对降低50%以上,控制效果较好。     

重载螺旋压缩弹簧轴向和径向承载性能分析

重载螺旋压缩弹簧常用于大载荷矿山机械的振动控制系统中。由于其几何结构的不对称性,容易发生弯曲变形,造成系统发生横向振动,甚至导致系统失效。采用有限元方法数值分析了这类弹簧在轴向和径向载荷作用下的刚度和最大切应力。结果表明,采用螺旋压缩弹簧的经典理论公式计算重载弹簧的刚度和应力会产生较大误差。其中弹簧的轴向刚度不应忽略并紧圈变形所产生的影响,而在轴向载荷作用下的最大切应力则会受到轴向载荷偏心的影响,且与偏心的方向有关。弹簧在轴向和径向载荷共同作用下的径向刚度与径向载荷作用点位置有关,因此在实际使用中必须选择合理的弹簧安装方式。     

高应力厚煤层全煤巷道锚杆支护研究

分析了高水平应力条件下全煤巷道顶板和两帮的变形破坏特征及锚杆支护作用机理，针对顶板受水平应力作用变形破坏之后，由于自重和上覆煤层扩容胀力导致破碎垮落，两帮主要受压剪作用剪胀破坏，提出了支护设计原则、支护方式及参数确定方法。经过现场试验应用，取得了良好效果。     

深部煤巷掘锚一体化支护优化及安全保障技术

为提高掘锚护一体机组在深部复杂条件的适用性，以丁集矿1242(3)试验巷道为研究背景，提出取消锚杆、锚索组合构件思路以解决钻机对孔困难难题，进一步提升掘支效率，并提出了掘锚机组条件下的巷道围岩“护表刚化-锚固强化-应力优化”一体化协同控制技术措施。巷道顶板采用钢筋网护表内衬10#菱形金属网，走向线性锚索束安全保障支护技术，煤柱帮采用关键部位补强、注浆加固等方案，并进行了数值模拟验证。现场应用结果表明，巷道平均圆班进尺由原来的6排增加至8排，显著提升了巷道掘支效率，减人增效效果显著，实现了丁集煤矿掘锚一体机组条件下的深井煤巷掘支优化及安全有效支护。     

冲击载荷下三轴煤体动力学分析及损伤本构方程

为研究冲击载荷下三轴煤体的动力学特征,建立了三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了轴向静载、围压和冲击载荷随机组合的动态冲击试验,研究了三轴煤体在冲击载荷下的动力学特性。实验结果表明:冲击载荷下三轴煤体动态应力应变曲线无压密阶段,轴向预静载有助于使煤体原生裂隙闭合,初始加载就表现出完整弹性体的特征;当应力达到峰值强度的60%～85%阶段时,应力应变曲线呈现"跃进"现象,可能与碳在晶体微破裂中的作用有关;当应力超过煤体动态强度,试样破坏,应力降低。冲击载荷下三轴煤体动态强度和破坏应变与平均应变率高度线性相关,应变率效应明显,应变率效应使得不同轴向静载、围压和冲击载荷因素对煤体动态强度和破坏应变的影响具有可比性。基于岩石力学强度理论和统计损伤理论,建立了冲击载荷下三轴煤体动态损伤本构模型,该模型综合考虑了轴向静载、围压和冲击载荷等因素,明确地反映了3种因素对煤体动力学特征的影响,轴向静载会劣化煤体,造成动态强度降低,围压和冲击载荷有助于提高煤体的动态强度,理论模型反映的特征与试验结果相吻合,并通过建立的本构模型和试验应力应变数据拟合了理论应力应变曲线,其与试验应力应变曲线基本重合,且应变率越高,一致性越好。     

马路坪矿深部红页岩巷道的稳定性分析

通过对开磷集团矿业总公司马路坪矿红页岩巷道建立力学计算模型的数值计算结果分析,得到了巷道开挖后未支护、原有支护方式、新型支护方式下的水平应力、垂直应力与塑性区特征,红页岩巷道采用新型支护方式时,侧帮应力集中强度下降,巷道顶板应力集中强度显著降低,巷道底板应力集中强度无明显变化,巷道的剪切破坏情况显著减少,从而确定新型支护方式的合理性。     

冲击地压矿井淋水构造高应力区煤巷支护体系优化研究

星村煤矿七采区三号探巷为淋水、构造、高应力区煤巷掘进巷道,巷道施工初期采用锚杆+锚索+金属菱形网的方式出现多次支护失效问题,通过采取锚杆加长锚固、提高锚杆预紧力、全长预应力锚固锚索、柔性网片代替金属菱形网的方式解决了淋水构造高应力区巷道支护失效问题,提高支护强度的同时减少了支护失效频次,有效的保证了该类巷道的支护安全。     

大倾角破碎煤层巷道冲击破坏特征与支护方法

大倾角煤层巷道冲击地压破坏表现出非对称特征,支护控制方法也特殊.以古山煤矿为工程背景,揭示锚杆锚固体脱落及巷道围岩非对称破坏的原理,提出全断面锚索、网、喷联合非对称支护方法,并进行现场试验.结果表明:随着巷道围岩塑性区域的发育以及外露破碎煤体风化等作用,锚杆轴力衰减严重,锚固体近似处于零压力区,在冲击载荷作用下整体脱落;巷道两帮存在较大的垂直应力,顶底板存在较高的水平应力,在煤层倾角参与作用下,巷道结构出现大致垂直于煤层倾斜方向的主作用力,导致与煤层倾角垂直方向,巷道一侧肩窝和对应的底角变形剧烈;基于巷道破坏原理,提出以帮锚索取代帮锚杆,并进行锚网支护煤体喷浆,解决锚杆轴力降低、锚固体整体脱落问题;针对巷道结构主作用力方向进行非对称加强支护,以控制肩部与底角围岩剧烈对称破坏.工程试验表明,该方法不仅提高了巷道围岩抵抗冲击地压破坏的能力,而且大大减小了巷道围岩变形量.     

采动影响下巷道围岩变形破坏特征

为了确保采动影响下巷道的稳定性，利用Rhinoceros软件构建三维地质模型，采用FLAC^3D数值模拟了煤巷开挖围岩应力变化全过程，围岩应力、变形分布情况，工作面回采后垂直应力分布，不同预应力锚杆支护裂隙煤体中的传递特征以及不同支护强度时煤体破坏特征。研究可为类似地质条件巷道支护参数设计提供借鉴。     

预应力在锚杆支护中的作用

在分析目前复杂困难条件下锚杆支护存在问题的基础上，论述锚杆支护系统刚度，特别是预应力对支护效果的重要性.采用有限差分数值计算软件分析了不同预应力下锚杆、锚索产生的应力场分布特征，以及钢带对锚杆预应力扩散的作用.提出锚杆主动支护系数、强度利用系数、预应力长度系数、有效压应力区、预应力扩散系数、有效压应力区骨架网状结构及临界支护刚度等概念.井下试验表明，大幅度提高锚杆预应力可显著减小巷道围岩变形，有效控制顶板离层；钢带在预应力支护系统中起非常重要的作用；锚杆预应力存在临界值，达到或超过临界值后锚杆支护可有效控制围岩变形与破坏.     

深部煤层轨道巷新型锚杆支护与参数初始设计

根据锚杆作用于巷道表面的力为一集中点载荷的特点,合理地进行锚杆参数设计,优选M型钢带作为新型锚杆支护系统的关键部件,它是“预应力梁”顶板形成的基础。采用新型左旋螺纹钢等强高性能预拉力锚杆和M4型、Π2型钢带及菱形金属网联合支护,以扩大锚杆的支护范围,减少巷道表面由于顶板弯曲下沉造成的拉伸破坏,使巷道顶板形成一个整体,增强了锚杆间的整体支护能力。     

低强度软岩巷道大变形围岩稳定控制试验研究

通过在低强度软岩巷道进行的大变形围岩稳定控制试验及计算，分析了各种支护方式的试验效果，得出一次锚网喷、二次大刚度、高强度支护控制低强度软岩巷道围岩稳定是科学合理的。低强度软岩巷道大变形围岩稳定控制的机理为：一次支护让压，围岩体受力达到较低变形速率下的力学平衡，充分发挥围岩承载力；二次大刚度高强度支护，减少巷道岩体偏应力，使巷道围岩切向应力相对降低，径向应力相对升高，应力状态优化，促进围岩应力向稳定应力状态转化。