锚杆支护理论现状及发展趋势探讨毕业论文.doc

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 institute 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 strong-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,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明显的效果,但在围岩产生塑性破坏后,对提高围岩的残余强度及承载能力有显著作用。在巷道周围,锚杆与其锚固范围内的岩石构成一种锚固支护体,当这个锚固体中的岩石在围岩集中应力作用下发生破坏时,其承载能力降低并产生变形,同时围岩的集中应力向深部转移,使锚固体卸载。在此过程中,锚固体通过锚杆的约束作用和抗剪作用,使塑性破坏后易于松动的岩石构成具有一定承载能力和适应自身变形卸载的锚固平衡拱。3 我国锚杆支护技术发展中出现的问题3.1 对锚杆支护机理的认识亟待提高 目前，沿用锚杆的设计方法，采用悬吊、组合梁、加固拱等理论进行计算，均是针对一般巷道提出的，还没有能针对煤巷的特定条件建立符合其特点的支护原理及设计方法，尤其是全煤及软岩条件下巷道围岩支护设计的要求。因此，目前的技术标准主要是经验性的，设计和施工中还有许多盲目性。所以有必要在进一步深入研究巷道围岩矿压显现规律的基础上，探索锚杆支护理论。3.2 锚杆与锚固剂的产品质量不过关，锚杆机具不配套 锚杆的材质、结构与其力学性能紧密相关，锚固剂的质量指标更是决定支护可靠性的关键。我国煤矿井下使用的锚杆型式很多，但其强度、延伸率均偏低，在不能为巷道围岩提供较大的支护阻力的同时，也不能适应巷道围岩的变形，易使巷道顶板产生离层或错动。此外，因使用低性能的锚杆，不可避免地使每米巷道安装的锚杆数量偏多，而影响巷道的掘进进尺。锚杆制作时另一常见问题是锚杆配件强度低,表现在高应力巷道,锚杆受力后出现螺母从托盘穿透、锚杆出现滑丝、螺母被压裂等现象,因此锚杆制作时要特别注意提高配件强度。合格的锚杆应该满足:杆体等强,不存在弱面;锚杆配件强度高于杆体强度。3.3 锚杆机具不配套 锚杆机具性能是决定锚杆安装质量与施工速度的关键。澳大利亚不仅重视研制各种具体用途的锚杆结构型式，而且极为重视锚杆钻装机的不断研制更新。我国目前虽然电动、风动和液压锚杆钻机都有，但性能结构不尽合理，零部件质量和整机性能都急需进一步完善与提高，至于掘锚联合机组，更有待进一加紧研制与试验，以实现掘支平行作业，提高成巷速度。3.4 锚杆监测仪器与监测技术需要提高 监测是监督施工质量、保证锚杆支护安全可靠的重要手段。我国十分重视锚杆支护的监测工作，先后研制出了一些监测与监测仪器(锚固力测定仪、超声波围岩裂缝探测仪等)，但性能不高、功能不全，还未形成系列配套的综合检测技术。另外尽管监测工作已有所开展，但其所起的反馈和指导作用却难以发挥。这主要是施工和管理人员的理论水平偏低，对监测的认识不足，且缺少正确的指导方法。3.5锚杆检测标准需要修改和完善随着对锚杆支护认识的深入和锚杆制作工艺水平的提高,锚杆检测标准需要修改和完善:合格锚杆必须综合考虑锚杆各部位、部件后综合做结论,不能分割开来,否则检测时将出现各分项都合格,而实际却不能满足工程需要;检测标准中锚杆配件需要从不低于屈服强度提高到不低于杆体实际的破断强度。如果不能同时满足以上两方面要求,在高应力大变形围岩条件下,锚杆支护则不能发挥应有的作用,起不到让压、卸压,满足不了工程需要将存在极大隐患。因此在高应力条件必须使用等强锚杆,高度重视锚杆制作质量。3.6.锚杆支护设计的片面性由于悬吊理论简单、直观、容易量化,而其它支护理论不易定量化,因此锚杆支护设计时,一般采用悬吊理论,这种设计理论过去已被广泛应用,做出了巨大贡献。悬吊理论在指导矿压小、围岩稳定完整、围岩运动方向与锚杆平行时非常适用,而在高应力、围岩运动方向与锚杆方向不一致时受到限制。悬吊理论设计出的锚杆支护方案过于片面,锚杆直径偏低。例如在一些高应力巷道整修时,经常能看到部分锚杆由原来的直线型,被挤压变形成为汽车摇把形状“ ”,平行于锚杆的观测钻孔发生错位等。这些现象说明:从宏观方面看锚杆受力也是非常复杂的,既有沿锚杆轴向的力,也有与锚杆方向垂直或成一定角度的剪切应力,因此锚杆支护设计时必须综合各方面因素,不仅要考虑锚杆拉伸破坏,还要考虑剪切破坏,特别是高应力条件下,如果按锚杆拉伸破坏形式选取的锚杆直径必然偏小、支护强度偏低,造成支护失败。根据多年锚杆支护实践经验和对锚杆支护机理的研究分析,获得锚杆支护设计理念为:、类围岩巷道条件,压力小时,应用悬吊理论指导设计施工;、类围岩巷道条件,压力中等时,应用组合梁、组合拱理论指导设计施工;类围岩巷道条件,压力大时,应用围岩强化理论指导设计施工。4.锚杆支护理论发展趋势通过对国内外锚杆支护理论研究,目前锚杆支护理论实质上是对三大支护理论的进一步补充和完善。而且各种作用机理都有它的适用条件,应根据具体条件研究选择支护机理。现有的情况下,对锚杆支护机理还没有统一的认识,缺乏行之有效的、合理的计算方法,理论分析和数值计算与实际支护情况存在很大的差别。所以应从以下几方面研究支护作用机理。(1)深入研究围岩松动圈理论。该方法含有专家系统设计法和现场实测设计法的内涵,简单直观,易为现场工程技术人员所接受,且对岩巷有着良好的适应性,但对煤巷尤其是动压煤巷的适应性仍有待深入研究,故围岩松动圈支护理论与设计方法也是今后发展的方向之一。(2)开发优秀的岩土工程数值模拟软件。数值模拟方法的实质是,利用计算机对通过支护结构系统构造的数学模型、模拟可能遇到的应力场范围内岩层矿压显现与锚杆支护过程中特性分析,评价所选择的各种锚杆支护系统或支护结构的可行性与可靠程度。有限差分程序模拟岩土工程问题有很大的优越性,它不但可以处理一般的大变形问题,而且可以模拟岩体沿某一弱面产生的滑动变形;还能针对不同材料特性,使用相应的本构方程来比较真实地反映实际材料的动态行为。它还可考虑锚杆等支护结构与围岩的相互作用。所以开发适合的有限差分程序可以比较方便的研究锚杆与围岩相互作用机理,从中发现新的锚杆围岩作用关系。(3)改进实验设备和支护效果监测仪器。目前进行锚杆与围岩相互作用机理的研究过程中,实验装置存在一定的缺陷,不能够使模型得到真实的边界条件,数据采集仪器与模型的耦合也存在一定的问题。对于支护效果的监测,仪器的精确度不够,不能够准确的反映支护效果,所以支护的效果不能验证支护机理的正确性。所以改进实验装置和发明高精度的监测仪器,是研究支护机理的前提。5 对我国锚杆支护技术发展的展望5.1进一步完善锚杆支护理论和技术 锚杆支护有诸多种理论，但这些理论与实际应用技术的发展适应性较差。所以有必要在进一步深入研究巷道围岩矿压显现规律的基础上，探索锚杆支护理论。完善煤巷锚杆支护理论，提高煤巷锚杆形式和参数选择的科学性、实用性是促进采准巷道锚杆技术发展的一个重要因素。为此，我们要学习先进国家的煤巷锚杆支护的工程监控设计方法，消化吸收国外先进的锚杆支护理论和设计方法，结合我国具体情况，建立适合我国由地质调查初始设计工程监测修改设计的设计方法，从而提高煤巷锚杆支护设计方法的科学性、实用性。5.2 发展掘锚新机具 就目前的施工工艺而言，影响快速掘进的主要因素有两方面:一是掘进机割煤速度；二是锚杆机打眼及安装速度。当前煤巷快速掘进的施工方法为:掘进机割煤桥式胶带转载机和固定皮带机运煤敲帮问顶顶锚杆机打顶眼并安装、帮锚杆机打帮眼并安装，实现一次成巷，及时支护。这种方法的主要矛盾是掘进工作面的开机率较低，一般在30% 以下，支护时间过长，跟不上机掘速度，影响单进水平的提高。因此发展掘锚联合机组，实现“掘支锚一体化”平行作业，将是加快煤巷锚杆支护单进速度的必要手段。它将是我国煤巷快速掘进的又一发展方向。5.3 锚杆支护监测技术及设计方法的研究 锚杆支护实施于井下后，要进行综合监测，以验证初始设计的合理性和可靠性，并为修正初始设计提供依据。目前锚杆支护的综合监测内容有：采用十字布点法监测表面位移、采用顶板离层指示仪测试顶板岩层锚固范围内外位移值、锚杆测力计测量锚杆(索)锚固端部和全长的工作阻力。日常监测的内容有：锚杆锚固力抽检、顶板离层、锚杆预紧力矩检测。但在日常生产中，一些必要的监测工作没有很好开展，使其应有的作用没有得到很好的发挥。因此，应在大力宣传的基础上，进行必要的强制约束，进一步加强这方面的研究工作，以保证安全生产。5.4 矿使用锚杆的经错杆支护人员培训 人是一切工作计划的制定者和执行者，无论从结构合理、质量上乘的锚杆到性能优良的锚固剂，还是从灵活高效的锚杆钻装机具到灵敏精密的监测仪器仪表，都需要人来操作。我国煤矿施工队伍人员素质偏低，加上监督管理不到位，往往施工质量难以保证。因此，重视和加强锚杆支护技术人员和施工工人的技术培训和岗位训练，必然有助于我国煤矿锚杆支护技术的发展和锚杆支护的普及。6 结束语我国煤矿锚杆支护经历了 50 年的努力探索，锚杆支护应用范围已扩展到受动压影响的回采巷道、软岩巷道、破碎或复合顶板巷道及工作面开切眼和大断面铜室锚杆支护。锚杆支护技术是一项貌似简单，实则复杂的系统工程，影响支护效果与成败的因素很多。所以我们应积极开展地应力测量工作完善我国煤巷锚杆支护理论，形成科学的实用设计方法，根据不同的巷道围岩类别，采用不同的锚杆支护形式完善锚杆监测技术，经济实用的锚杆钻机，提高锚杆支护的安全可靠性。只要我们认真对待，注重研究，锚杆支护将会迎来更加迅速发展的时期。参考文献【1】段瑞才 锚杆支护理论浅析【2】刘玉泉 韩宝东 韩德军 锚杆支护理论浅析【3】李克龙 赵武 锚杆支护理论浅析【4】陈玉