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1、华北科技学院采矿工程2011届毕业设计专题锚杆支护理论现状及发展趋势探讨 摘 要:介绍了锚杆支护技术的发展,对国内外锚杆支护作用机理研究的发展与现状进行了探讨研究,提出了锚杆支护理论研究中存在的问题,以促进锚杆支护技术的应用。关键词:锚杆,支护理论,组合梁,受力曲线Reinforcement of wet yellow soil basementin Shi-Tai passenger line by strong-pounding methodCoal mining engineering B07-4, Safety engineering college，North china insti
2、tute of science and technology wang shu mingAdviser ZhangfengyanAbstract:Based on principles of reinforcement by strong-pounding methods, it summarizes the constructing sequence, crafts, quality controland inspecting measures of wet yellow soil basement reinforcement in Shi-Tai passenger line by str
3、ong-pounding methods, which can be refer-ence for familiar geological construction.Key words:strong-pounding methods, principles of reinforcement, constructing crafts, quality control, inspection锚杆支护是一种主动支护形式,代表了巷道支护的发展方向。在锚杆支护设计过程中,锚杆支护理论是设计的基础,是支护设计的关键部分。但是目前国内外主要采用传统的悬吊、组合梁、组合拱三大理论进行锚杆支护参数设计,存在很多
4、的问题。虽然国内最近几年对锚杆支护理论有了一些研究,但还应该进一步完善,对锚杆支护机理还没有统一的认识,还缺乏一种行之有效的理论计算方法。所以应加大对某些理论的研究力度,改善实验装置,发明高精度的监测仪器。1.国外锚杆支护理论目前国外对锚杆支护的机理研究较多,可归纳为以下几种:1.1.悬吊理论1952年路易斯阿帕内科(Louis APanek)等发表了悬吊理论,悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上。见图1。对于回采巷道揭露的层状岩体,直接顶板均有弯曲下沉变形趋势,如果使用锚杆及时将其挤压,并悬吊在老顶上,直接顶板就不会与老顶离层乃至脱落。锚杆的悬吊作用主要取
5、决于所悬吊的岩层的厚度,层数及岩层弯曲时相对的刚度与弹性模量,还受锚杆长度、密度及强度等因素的影响。这一理论提出的较早,满足其前提条件时,有一定的实用价值。但是大量的工程实践证明,即使巷道上部没有稳固的岩层,锚杆亦能发挥支护作用。例如,在全煤巷道中,锚杆就锚固在煤层中也能达到支护的目的,说明这一理论有局限性。图1悬吊理论示意图1.2.组合梁理论组合梁理论认为巷道顶板中存在着若干分层的层状顶板,可看作是由巷道两帮作为支点的一种梁,这种岩梁支承其上部的岩层载荷。见图2。图2组合梁理论示意图使用锚杆将各层“装订”成一个整体的组合梁,防止岩石沿层面滑动,避免各岩层出现离层现象。在上覆岩层荷载作用下,这
6、种较厚的组合梁比单纯的迭加梁,其最大弯曲应变和应力将大大减小,挠度亦减小。而且各层间摩擦阻力愈大,整体强度愈大,补强效果愈好。但是,这种理论在处理岩层沿巷道纵向有裂缝时梁的连续性问题和梁的抗弯强度问题时有一定的局限性。1.3.组合拱理论组合拱理论是由兰氏(T A Lang)和彭德(Pender)通过光弹试验提出来的。组合拱原理认为,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的锚杆间距足够小,各个锚杆的压应力维体相互交错,这样使巷道周围的岩层形成一种连续的组合带(拱)见图3。图3组合拱理论示意图这个组合拱可承受上部岩石的径向载荷,如同碹体起
7、到岩层补强的作用,承载外围的压力。组合拱理论的不足是缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步探讨,与实际情况有一定差距,在分析过程中没深入探索围岩支护的相互作用。1.4.最大水平应力理论澳大利亚学者盖尔(W J Gale)在20世纪90年代初提出了最大水平应力理论。该理论认为:矿井岩层的水平应力一般是垂直应力1.32.0倍。而且水平应力具有方向性,最大水平应力一般为最小水平应力的1.52.5倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力影响,且有三个特点:与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小,顶底板稳定性最好;与最大水平应力呈锐角相交的巷道。其顶板变形破坏偏向巷道某一帮;与最大水平应力垂直的巷道,顶底
8、板稳定性最差,如图4所示。图4不同巷道布置方向的应力效应最大水平应力理论,论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所起的作用。在最大水平应力作用下,巷道顶底板岩层发生剪切破坏,因而会出现错动与松动引起层间膨胀,造成围岩变形。锚杆所起的作用是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动,因此要求具备有强度大、刚度大、抗剪阻力大的高强锚杆支护系统。2.国内锚杆支护理论研究发展概况近十几年来,国内很多学者对锚杆作用机理做了大量的深入研究与探讨,进一步揭示了锚杆支护的实质,促进了锚杆支护理论研究的发展,扩大了锚杆支护技术应用的范围。主要观点如下:2.1.全长锚固中性点理论全长锚固中性点理
9、论由东北大学王明恕教授等提出了。该理论认为在靠近岩石壁面部分(锚杆尾部),锚杆阻止围岩向壁面变形,剪力指向壁面。在围岩深处(锚杆头部),围岩阻止锚杆向壁面方向移动。锚杆上的剪力指向相背的分界点,称为中性点,该点处剪应力为零,轴向拉应力为最大。由中性点向锚杆两端剪应力逐渐增大,轴向拉应力逐渐减少(如图5)。图5锚杆受力曲线该理论近年在国内理论分析中其“中性点”观点被普遍接受,但其理论形式还存在着一定的争议,因为它难以解释锚杆尾部的断裂机理,有人认为该理论假设未设托盘之故。2.2.松动圈理论围岩松动圈巷道支护理论是由中国矿业大学董方庭教授提出,该理论是在对巷道围岩状态进行深入研究后提出的。研究发现
10、围岩松动圈的存在是巷道固有的特性,它的范围大小(厚度值L)目前可以用声波仪或者多点位移计等手段进行测定。巷道支护的主要对象是围岩松动圈产生、发展过程中产生的碎胀变形力,锚杆承受拉力的来源在于松动圈的发生、发展;并根据围岩松动圈厚度值的大小,将其分为小、中、大三类。2.2.1.小松动圈围岩状态当Lp=040 cm时为小松动圈,围岩碎胀变形和松动圈围岩自重均较小,不需用锚杆支护,为防止围岩风化和局部危石掉落,只需单一喷射混凝土支护即可。2.2.2.中松动圈围岩状态当Lp=40150 cm时为中松动圈,其碎胀变形比较明显,必须进行锚网或锚喷支护,支护的主体是锚杆,锚杆支护参数采用悬吊理论设计。在这里
11、需要说明几个问题:(1)松动圈理论所指的悬吊理论己赋予新的含义,即锚杆悬吊点为松动圈外的岩(煤)体,并不需要悬吊在坚硬的顶板岩层,悬吊对象是松动圈形成过程中的碎胀变形力,但在目前碎胀力研究不充分的情况下,可简化为重力计算。(2)对中松动圈围岩状态,从理论上讲可采用组合拱理论设计锚杆支护参数,但由于松动圈厚度值较小,用组合拱设计的锚杆长度较短,在实际地下工程支护中存在着两方面的不安全因素:巷道壁表面施工质量问题。由于围岩客观情况的变化及施工管理上的难度,目前尚很难严格达到光面爆破标准,不可避免的存在着超(欠)挖问题;锚杆施工质量问题。由于围岩松动圈厚度值较小,采用组合拱理论设计时,其锚杆的长度一
12、般均小于常用锚杆的长度,即1.11.5 m,一旦某根锚杆因角度、间排距或者锚固力等问题施工质量不合格,则由于锚杆较短形成的组合拱太薄而导致组合拱失效。因此,在中松动圈围岩状态下,为达到安全、经济的目的,应该采用悬吊理论设计锚杆支护参数。(3)对中松动圈一般稳定围岩,采用其它类型普通支护形式,如砌碹或棚式支架(可缩或不可缩)等,可行但不经济。对于中松动圈,只要支护阻力大于松动圈围岩破裂过程中产生的碎胀变形力,均可成功。但最为经济合理的支护形式为锚喷支护,因为锚杆支护特点是深入围岩内部,通过其安装方向与岩体重力方向或者位移方向一致而受拉力,以杆体的抗拉刚度与强度抑制岩体的位移,而且在同样的支护效果
13、下,锚杆的用钢量只有U型钢支架的1/121/15。2.2.3.大松动圈围岩状态当L150 cm时为大松动圈,属软岩支护范畴。围岩变形量大,变形时间长,矿压显现剧烈,支护困难。如果采用悬吊理论设计锚杆,则将会因其过长而失去普遍应用的价值。因此,重点研究了锚杆的组合拱理论。组合拱理论的实质是利用锚杆的锚固力对破裂围岩进行锚固,提高其残余强度,从而在破裂围岩中形成一个具有相当强度和可缩性的“组合拱”结构体。相似模型试验证实了组合拱的存在及其强度和可缩性该理论的优点是简单直观,对中小松动圈有很重要的价值,但对大松动圈尤其是高应力软岩的采准巷道,实践表明,该理论有一定的局限性。目前,该理论己达到用理论方
14、法确定煤矿巷道、硐室支护参数阶段,经过煤炭系统10多个矿区,如鸡西矿务局东海矿皮带机头大断面硐室工程:淮南矿务局潘三煤矿、淮北矿务局张庄矿、石台矿的大松动圈软岩工程:开滦矿务局赵各庄矿千米深埋巷道工程及跨采巷道;平顶山矿务局八矿软岩工程、十二矿复合顶板煤巷工程:潞安矿务局王庄、章村煤矿、兖州矿务局南屯煤矿的综放顺槽全煤巷道;辽源矿务局梅河矿“三软”煤巷工程;邯郸矿务局云驾岭煤矿、义马矿务局常村煤矿软岩返修巷道工程;山东七五煤矿沿空掘巷等5万余米的典型工业性试验巷道的推广应用表明:用该理论设计的巷道、硐室支护有理有据,既解决了工程难题,又降低了工程造价,加快了施工速度,与用工程类比法所作支护设计
15、相比,在稳定围岩中,可节省工程成本10%20%;在不稳定围岩(软岩)中,可降低支护成本25%30%以上,施工速度提高30%60%,取得了巨大的经济效益。2.3.围岩强度强化理论该理论的要点是:(1)岩体经锚杆锚固后,其峰值强度和残余强度均得到提高,随着锚杆布置密度的增加,强度强化系数逐渐增大,锚杆布置密度一定时,锚杆对岩体残余强度的强化程度大于对岩体的峰值强度的强化程度。(2)锚杆可有效改善原岩体的力学参数,随着锚杆布置密度的增加,锚固体峰值前的E,C,与峰值后的E,C,均有不同程度的提高。(3)利用锚杆支护,可以提高锚固区域岩体的强度,可以有效的减小巷道围岩塑性区,破碎区半径及巷道表面位移,
16、保持巷道围岩稳定。该理论的分析方法是将锚杆的作用简化为对锚固围岩从锚杆的两端施加径向约束力,由实验室锚固块体试验确定围岩塑性应变软化本构关系,再利用弹塑性理论定量分析锚杆的支护效果。2.4.锚固力与围岩变形量关系理论该理论对锚杆锚固力的内涵及作用进行了深入研究,认为锚杆对围岩的锚固作用是通过锚固力来实现的,而锚固力是依赖围岩变形而产生和发展的。锚杆支护一般在巷道开挖完成后实施,此时围岩的弹塑性变形已经完成,使锚杆产生锚固力的是围岩峰后的剪胀变形,随着剪胀变形的渐进发展,锚杆从径向和切向两个方向上产生限制剪胀变形的力br、b。剪胀变形越大,锚杆的径向和切向的锚固力越高。锚杆的锚固作用使得围岩在较高的应力状态(能量状态)下获得稳定平衡。2.5.锚固平衡拱理论该理论认为,锚杆加固对于提高围岩自身的最大承载能力没有
