（采矿工程专业论文）基于特征锚杆工作载荷无损检测的巷道围岩稳定性评估.pdf

太原舡大学硕士学位论文 y 6 2 0 1 3 1 基于特征锚杆工作载荷无损检测的巷道 围岩稳定性评估 摘要 根据前人对巷围岩稳定性的研究与实践，在基于特 征锚杆工作载荷无损检测的基础上，提出了一种新型的 巷道围岩稳定性评估方法利用特征锚杆工作载荷的 无损检测来实时评估巷道围岩的稳定性。 本文从锚杆和巷道围岩的相互作用机理出发，建立 了巷道围岩峰后剪胀变形模型和锚杆锚固机理力学模 型，围岩峰后剪胀变形模型弥补了弹塑性理论只能分析 计算围岩弹塑性变形的缺陷，两者相结合可以对围岩变 形的全过程以及围岩与支护的相互作用进行理论分析。 本文根据前人对锚杆无损检测技术的研究成果，从 理论上推导出锚杆的工作载荷与振动频率( 基频) 呈幂 函数关系，并通过现场实测和实验室标定的方法验证了 锚杆工作载荷和振动频率的这一关系，这样我们就可以 通过地下结构中特征锚杆的实测标定，建立锚杆支护体 系的振动频率( 基频) 与工作载荷的关系，实时测定类 似工作条件下锚杆的工作载荷。现场评估支护结构及其 围岩的稳定性。 本文以两渡煤矿河奚沟并为模拟实体，进行了相似 模拟实验，研究巷道围岩在不同地应力作用下，围岩应 力和变形的分布规律，在不同稳定性围岩环境条件下， 特征锚杆的工作载荷与围岩应力和变形之间的关系，揭 示特征锚杆工作范围内围岩压力的活动规律。研究巷道 围岩变形、失稳、破坏各过度阶段临界状态与各关键点 太原理工大学硕士学位论文 处特征锚杆动态响应之间的对应关系。 总之，无论从理论分析还是从实验测试，本方法是 一种快速，实时的巷道围岩稳定性评估方法，对于巷道 的及时加固补强有着重要意义，具有推广使用价值。 关键词；锚固力，工作载荷，无损检测，相似模拟，锚 杆，围岩稳定性 太原理工大学硕士学位论文 眦u i n go nt h es t a b i l l t yo fl a n e 恰y b a s e do nt h en o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g0 fb o i 卫w o r k i n gl o a d a b s t r a c t w i t ht h ep a s ts t u d ya n d p r a c t i c e so fs u r r o u n d i n gr o c k s t a b i l i t y , o n t h eb a s i so ft h en o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g t e c h n o l o g yo fw o r k i n gl o a do fb o l t s ，an e wm e t h o do f t e s t i n gt h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ki sp u tf o r w a r di n t h i sp a p e r , t h es t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c kc a l lb ev a l u e d b ym a k i n g u s eo ft h ew o r k i n gl o a do fb o l t sw h i c hc a l lb e t e s t e d n o n d e s t r u c t i v e l y t h em e c h a n i c sm o d e la n dd i s t o r t i o nm o d e la r em a d e f r o mt h e r e c i p r o c i t y m e c h a n i s mo fl a n e w a ys u r r o u n d i n g r o c ka n db o l t s ，t h ed i s t o r t i o nm o d e lc a l l f e t c hu pt h ed e f e c t o f t h e o r yo fe l a s t i c i t ya n dr h e o l o g y w h i c h o n l y c a na n a l y s e t h ee l a s t i ca n dr h e o l o g yd i s t o r t i o n ，t h ee n t i r e l yp r o c e s so f s u r r o u n d i n g r o c kd i s t o r t i o na n dt h e r e c i p r o c i t y o f s u r r o u n d i n gr o c ka n db o l t s c a nb ea n a l y s e db yt h et w o m o d e l sc o m b i n e d w i t ht h e p a s ts t u d y o fn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g o f b o l t ，t h ep o w e r f u n c t i o nn e x u so fw o r k i n gl o a da n d l i b r a t i o nf r e q u e n c yw h i c hw a sv a l i d a t e db yl o c a l et e s t i n g a n de x p e r i m e n ti se d u c e d ，t h en e x u so fw o r k i n gl o a da n d 奎星墨三查堂堡圭堂垡堕塞 l i b r a t i o n f r e q u e n c y c a n h e l p u sv a l u e dt h e s t a b i l i t y o f l a n e w a yi nt i m eb yt e s t i n gt h ew o r k i n gl o a do fb o l ti nt h e s i m i l a r s u r r o u n d i n g t h i sp a p e r st a k e sl i a n g d uc o a lm i n e h e x i g o uw e l la s s i m u l i t o ne n t i t y , t h r o u g ht h e e x p e r i m e n t , t h ed i s t r i b u t i n g d i s c i p l i n a r i a no fs u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sa n ds u r r o u n d i n g r o c kd i s t o r t i o ni nt h ed i f f e r e n tt e r r as t r e s sw e r es t u d i e d ，s o t h ek e yp o i n ti n f l e c t i n gt h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k c a nb ea s c e r t a i n e da n dt h eb o k sw h i c hc a nt e s tt h es t r e s s w e r el a y e dc o r r e c t l y t h er e l a t i o no f w o r k i n gl o a do f b o l t s a n dt h es t r e s sa n dd i s t o r t i o no f s u r r o u n d i n g r o c ki n d i f f e r e n ts u r r o u n d i n gr o c ki ss t u d i e di no r d e rt oo p e no u t t h e d i s c i p l i n a r i a n o fs u r r o u n d i n gs t r e s s a c t i n g w h e nt h e b o l t sw o r kc o r r e c t l y t h ec o r r e l a t i o no fw o r k i n gl o a do f b o l t sa n dt h ed i f f e r e n tc r i t i c a ls t a t e so fs u r r o u n d i n gr o c k s w a ss t u d i e d i n b r i e f , n o m a t t e rf r o m t h e o r ya n a l y z i n g a n d e x p e r i m e n tt e s t i n g ，t h em e t h o dc a nv a l u e dt h es t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n g r o c k i m m e d i a t e l yd u l y i t h a s i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e f o r l a n e w a yr e i n f o r c i n gi m m e d i a t e l y i th a s g r e a t v a l u eo f s p r e a d i n gu s a g e k e yw o r d s ：a n c h o r - h o l d ，w o r k i n gl o a d ，n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ，s i m u l a t i o n ，b o l t ，s u r r o u n d i n g r o c ks t a b i l i t y 太原理工大学硕士研究生学位论文 第章概述 1 1 问题的提出 早在原始社会，人类为了居住，便开始使用了地下洞穴。此 后几千年来，劳动人民在生活和生产中逐渐积累了若干使围岩稳 定的经验。但是对围岩稳定和围岩压力理论的提出和深入研究， 还是随着科学和大工业的发展开始的松散地层( 主要是土层) 围 岩稳定和围岩压力理论的研究，至今已有百余年的历史，它与土 力学的发展密切相关。随着采矿事业的发展，坚硬岩层围岩稳定 和围岩压力理论的研究也有七十余年历史而岩石力学作为- - i 学科提出，则是本世纪五十年代的事。特别是最近二十年来这门 学科发展极其迅速。岩石力学的发展。一方面是由于采矿、交通、 水利水电、战备及其他民用地下工程开发发展的需要，另一方面 也与量测技术及其他学科的发展是分不开的，尤其是弹性、塑性 和流变理论等基础理论，以及有限单元法、电子计算技术的应用， 使岩石力学的理论分析与计算，获得了有效的手段。 近年来，随着采掘业和地下工程的发展，地下工程的稳定性 日益引起人们的关心和关注，对地下结构围岩稳定性的研究也发 展到一个新的阶段，关于巷道围岩稳定性的研究，国内外已有大 量的报道和不少成熟的技术，诸如巷道表面收敛位移、深基点位 移量测、围岩松动圈理论及监涸，已在地下结构工程和煤矿巷道 围岩稳定性控制方面得到广泛应用数值模拟及神经网络技术也 在许多重点工程的大型地下硐室、边坡及巷道围岩稳定性分析与 控制过程中发挥重要作用但这些对地下结构围岩稳定性的研究 主要以固体力学中的静力学为主要手段，以围岩变形为主要研究 对象，所采用的观察手段和仪器设备均以静态和准静态测试为主， 这就导致了所获取的反映围岩稳定性信息的滞后性，从而也就决 太原理工大学硕士研究生学位论文 定了由此做出的围岩稳定性控制措施和手段的被动性。现代检测 技术的发展，使我们能够直接实时遗掌握围岩稳定性控制的核心 矿山压力( 围岩应力) 的活动规律。从而有可能在围岩及其支 护结构失稳之前采取有效的加固措施，达到主动控制其稳定性的 目的。围岩应力( 矿山压力) 的动态、实时监控理论可为我们超 前获取围岩的活动信息，主动采取必要的控制措施提供有效可靠 技术手段。 目前，对地下结构围岩稳定性的研究已有大量的现有成果， 锚杆的动态无损检测技术也有一定研究基础。为此，在现有研究 成果的基础上，我们提出了利用特征锚杆工作载荷( 工况点) 的 动态、实时检测来实现硐群及巷道稳定性监测。所谓特征锚杆， 就是在地下结构的受力关键点处，垂直结构表面，深入到围岩深 部的端锚或全长锚固锚杆。它与结构一起承受围岩压力和变形作 用，其受力特点和变形特征能够反映支护结构及围岩的变形和破 坏情况。近年来，随着锚杆支护理论研究的不断深入，更深层次 地揭示了围岩和锚杆相互作用机制，使锝利用特征锚杆工作载苟 检测围岩稳定性更具合理性和科学性。 通过对地下结构( 硐群和巷道) 特征锚杆在激发载荷作用下 动态响应( 速度和加速度) 的实时检测和分析，获取特征锚杆工 作载荷的变化信息。随时掌握采场和巷道围岩压力的活动规律。 根据围岩变形特征及结构的支护强度，对地下结构( 硐群和巷道) 围岩稳定性作出实时判断，为采场和巷道支护的设计优化。加固 补强提供切实可靠的依据【l j 。 1 2 地下结构稳定性及锚杆无损检测研究现状 一、地下结构稳定性研究现状 岩体是地质体的组成部分，是漫长地质发展史的产物，工程 岩体是指开挖有各类工程( 包括建筑、水利、矿山、交通等领域 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 的工程) 的岩体。工程岩体的稳定性研究，主要研究包括边坡、 基础和硐室等工程周边岩体的变形、破坏以及如何控制其变形发 展等问题。因这种工程所处的地质环境复杂，与其它结构工程相 比，具有两个明显的特点：首先岩体中存在各种结构面，使岩体 形成特定的结构，不同结构的岩体不仅具有不同的稳定特性，而 且具有不同的应力传播及分布特性，另一个明显的特点是岩体始 终处于一定的地应力和渗流作用过程中。工程岩体的稳定性主要 受这些作用的影响和控制。 地下工程稳定性研究历史悠久、发展迅速。早在二十世纪以 前，岩体工程技术仅凭肉眼观察和直观感觉为依据，凭实践经验 解决问题。随着工程规模的扩大，开挖条件更加复杂，凭经验己 不能很好地解决生产中不断出现的问题，追切需要研究地下空间 周围岩体的变形与破坏的过程，确定这些过程在时间和空间上的 变化规律。 随着科学技术的发展，二十世纪三十年代至五十年代期间， 采用当时已成熟的弹性理论、材料力学和结构力学理论解决岩体 力学问题。将土力学应用于岩石松散体理论，视岩体为松散的介 质，如普罗多吉雅可诺夫的自然平衡拱理论，是以结构力学中压 力曲线理论为基础，认为巷道开挖后，顶板将冒落成拱形，且只 有冒落部分作用于支架。斯列萨列夫将极限跨度理论应用于空场 的地下工程跨度分析，其理论基础是材料力学中梁和板的理论。 随着研究范围的扩大和日益深入，五十年代逐渐形成了岩石力学 这一新的学科。五、六十年代，引入弹塑性理论，将岩体视为弹 塑性介质，摒弃一些过于粗糙的简化假定，力学模型更加精确， 扩大了解决实际问题的范围。六十年代以来，有限元法和大型电 子计算机的应用给岩石力学的发展创造了有利的条件，对于复杂 的非线性问题开始采用数值方法求解，解决了理论解不易求出的 难题。t u r n e r 等首先对大挠度问题进行研究，m e n d e l s o n 、 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 g a l l a g h c r 、m a r c a l 和m a l l e h 等进行初应变法的研究。与此同时， p o p e 、s w c d l o w 提出了切线模量法。m a r c a l 在推导出塑性应力一 应变增量关系的基础上，编制了计算机程序对实际工程问题进行 分析计算。在此期间，在对非线性静力问题研究的基础上，非线 性动力问题也得到相应的重视和发展，t u m e r 、g i l b e r t 、c o s t a n t i n o 等进行了几何非线性问题和物理非线性问题的研究。六、七十年 代。在经典弹性和塑性理论的基础上，流变学、粘弹塑性理论、 断裂力学、非连续介质力学都引入到岩体工程研究中，c u n d a l l ( 1 9 7 | ) 提出离散单元法，将含结构面的岩体假定是由若干刚体 组合起来的，并以单个剐体运动方程为基础，而且建立能描述整 体破坏状态的联立方程式实践证明，该方法是研究巷道周围不 连续性岩体结构数值解的有效方法之一。特别是中国科学院提出 的岩体结构理论和岩体工程地质力学方法，开创了以岩体结构理 论为基础和将工程调查与力学分析相结合的研究方法。八十年代 至今，岩石力学发展迅速。随着岩石力学性质研究的不断深入和 计算软、硬件水平的迅速提高，各种复杂的数值计算方法和数值 模拟技术广泛应用于工程岩体的稳定性研究。相近学科相互渗透 和融合。从广度和深度进一步推进了工程岩体的稳定性研究的不 断发展。归纳起来，主要研究进展如下： ( 1 ) 岩石力学基本性质的研究 重点解决岩体不均匀性、不连续性和随时间变化的特性带来 的问题。岩石力学试验的对象从岩块到岩体、从常规的岩石力学 参数试验到研究岩体的应力应变关系和变形一破坏机理a 如利 用各向等压或各向不等压的高精度伺服控制的刚性试验机来进行 三轴试验，以研究岩石的强度和应力应变全过程：野外利用承 压板变形试验、水压法变形试验；利用统计学的方法来研究岩体 的几何特性；岩石在长期载荷作用下以及反复载荷作用下的强度 和变形性质，大范围岩体及天然结构面的几何特性及本构方程； 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 岩体强度变形等尺度效应的试验；声波样探测技术和声发射技术 测定力学参数和地应力等方面的研究。 ( 2 ) 数值模拟技术 有限元法( f e m ) 、边界元法( b e m ) 、离散元法( d e m ) 、 流形元( m e m ) 、界面照力元( i e m ) 、块体理论及其耦合等数值 分析方法得到很大的发展。运用数值分析方法可以考虑岩体的非 均质性、各向异性、非线性、粘性、弹性、塑性及流变性。考虑 到旋工程序的动态旖工力学及围岩与支护体系联合作用的研究进 展很快。岩石介质及与岩体工程结构力学行为的耦合问题引起极 大的重视。主要研究三方面的间题：裂隙岩体中结构体与结构面 力学行为的耦合作用；岩体所赋存的物理环境效应中，地应力、 地下水渗流与地热三者的耦合作用；岩石与岩体结构的耦合作用。 近年来，块体理论与其它方法的结合更有效地模拟工程实际。如 概率关键块模型( c h a n ，1 9 8 4 ；石根华等，1 9 8 5 ；c h a n g r o d l l l a n ，1 9 8 7 ) ；m o n t e c a r l o 法模拟关键块的分布( 任放，1 9 8 9 s h a p i r o ，1 9 9 1 ) ；有限元法与关键块结合，( d a v i d ，1 9 9 1 ) ；弹粘 塑性与渗流场耦合的块体理论( 陈胜宏等，1 9 9 1 ) ；分形块体理解 析法( 张子新和华安增，1 9 9 1 ，1 9 9 4 ) ；随机块体理论( 黄由玲等， 1 9 9 3 ) ；代数拓朴学中协同论块体解析法( 林德漳，1 9 8 7 ) 以及不 连续变形分析法d d a ( 石根毕，1 9 8 4 ) 等。这些综合方法解决了 块体理论的局限性。 ( 3 ) 勘测及稳定性监测技求 工程岩体性状勘测、监测是确保工程安全、进行失稳预测和 了解岩体失稳机理最重要的手段之一，随着光学、电子学、计算 机科学等领域的发展，测试水平有很大提高。如遥感技术应用于 地震地质、岩溶、物理地质现象调查，遥感图像与计算机联合应 用：浅层反射波地震勘探；地震波c t 技术、地质雷达岩溶探测 及隐伏地质构造探测：大地定位系统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 和遥感( r s ) 已成为地面沉降、滑坡监测、地层变形等方面研究 的重要量测手段之一。监测数据处理技术和监铡设计优化等新方 法确保监测和预测的可靠性和精确性。 根据监测数据( 位移、应力等) 来分析弹塑性岩体力学参数 及地应力等信息，可以减少一些费工、费时的力学测试。如地下 厂房时间和空间双系列反馈分析，获得了较准确的资料。 ( 4 ) 节理岩体损伤力学理论和方法 损伤力学( 包括宏观损伤力学、细观损伤力学) 着重研究各 种荷载条件下，材料中的各类损伤随变形而发展并最终导致破坏 的机理和规律。在岩石力学中将节理岩体的损伤作为一种劣化因 素结合到弹性、塑性和粘性等诸介质的力学性质中一并考虑分析， 形成岩体的初始损伤、弹塑性损伤、疲劳损伤、瞬交时效损伤和 动力损伤等损伤力学理论在处理宏观缺陷时，以节理裂隙的几 何统计特征为基础，通过损伤增量来反映裂隙的各向异性效应， 并将损伤模型引入平面或空间非线性有限元程序，用以求解节理 岩体因开挖而卸载作用的变形与稳定性问题。 近年来，节理岩体损伤力学理论的研究日益受到国内外岩石 力学学者的重视，主要原因是通过引入损伤增量，不仅可以建立 岩体结构面的几何特性与岩体力学特性问的关系，给出岩体各向 异性的力学关系，还可以根据岩体的损伤预测岩体的后期强度， 解决岩体力学参数取值时的尺寸效应问题 在岩石强度和变形方面，损伤力学将岩体中的不连续面与完 整岩块的强度和变形特性分开考虑，计算求得岩体在不连续面与 完整岩块的共同作用下所具有的强度与变形参数。它与以往的直 接试验法、龟裂系数法、r q d 法等方法相比具有一定的优点。概 括起来，节理岩体损伤力学当前有代表性的进展主要有； 1 ) 建立岩体裂隙及其分布的概率统计或其概化模型： 2 ) 建立节理岩体的损伤本构关系及其损伤扩展的演化方程： 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ) 用平面或三维有限元法计算并预测岩体的强度与变形，以 损伤因子来衡量岩体的破坏程度： 4 ) 以现代灾变理论为基础，运用损伤统计理论，在理论和实 验方面研究岩石破裂过程中的灾变现象，提出一些新的观点并应 用干地震预测及冲击地压等方面的研究。 ( 5 ) 非线性科学方法 与非线性复杂现象有关的非线性科学( 包括耗散结构理论 d i s s i p a t i v es t r u c t u r et h e o r y ) 、协同论( s y n e r g e t i c st h e o r y ) 、突变 论c a t a s t r o p h et h e o r y ) 、混沌学( c h a o s ) 、分形几何( f r a c t a l g e o m e t r y 等) 己不同程度地渗入到岩石力学领域。这些新理论、 新观点、新方法用来研究岩石材料的非线性性质和非平衡体系。 如巷遭围岩非线性变形破坏机理研究。突变理论( r t h o r n ，1 9 7 2 ) 作为研究不连续、突变的事件，己应用于模拟室内岩石破裂过程、 矿山岩石爆破和采空区顶板塌落等方面。协同学理论( h h a k e n ， 1 9 7 4 ) ，以描述宏观的唯象学动力学方程和描述微观子系统随机涨 落的随机理论为基础；耗散结构论考虑大量子系统和宏观一微观 联系机制；混沌理论采用现代非线性动力学理论。 ( 6 ) 人工智能及专家系统 人工智能是研究机器智能和智能机器的新兴学科，近期目标 是研究如何使计算机去做目前只有大脑才能做的事情，诸如推理、 思考、分析、决策、预测、理解、规划、设计和学习等各种高级 思维活动。专家系统是基于知识的智能系统，它拥有领域权威专 家的知识和经验，借助于推理方法解决那些需要专家才能解决的 难题，并试图达到专家的水平。目前岩体工程解决特定问题的专 家系统很多，如围岩分类，围岩稳定与巷道支护选型优化、边坡 稳定性评估、采矿方法选择、顶板稳定性控制等。这些专家系统 将专家经验、工程经验、理论分析和现场实测资料结合起来，从 而变革了若干找不到合适的数学模型而不得不采用简化模型来代 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 替的传统方法。人工神经网络技术( a n v ) 在九十年代得到迅 速发展，进入了空前活跃的时期，在世界范围内形成了信息科学、 脑神经科学和数理科学的研究热潮。它以多个非常简单的处理单 元彼此按某种方式相互连接，依系统本身的状态对外部输入信息 的动态响应来处理信息。具有自组织、自学习和非线性动态处理 等特征。目前，神经网络技术已用于岩体力学参数的选择、巷道 围岩位移量预测、支护参数选择和矿山篮力顶板、地下采矿方法 选择等方面的研究。 ( 7 ) 不确定分析方法 由于工程岩体所处的环境极其复杂，受天然和人为的影响因 素多，使得岩体工程问题具有随机性、模糊性和不确定性。八十 年代后，由于各学科的交叉渗透，模糊数学方法、灰色系统、随 机过程方法和概率论与数据统计分析等方法已广泛地应用于工程 岩体稳定性研究。如多目标准模糊决策选择采矿方法、岩体稳定 性分类、危岩滑动趋势预测等。 ( 8 ) 岩体加固 对待不稳定岩体工程一般有两种做法：一是将不良的岩体挖 除，用混凝土或其它人工材料代替；二是采取工程措施加固坚固 性不够、稳定性不足的岩体。对地下工程而言，巷道、硐室开挖 后，围岩本身的承载能力有所降低，应采取一定的措施予以补强 和加固，提高其承载能力。目前加固的途径有对岩体灌浆和锚固 两大措施，八十年代以来，在注浆材料研制和注浆工艺改进等方 面取得了显著的成绩。采用预应力锚杆、锚索和喷射混凝土支护 技术得到进一步推广应用【2 j 。 二、锚杆无损检测技术的研究现状 当前，锚固技术已在世界范围内的矿业采掘和岩土工程界中 广泛应用，并且发展迅速。由于锚杆锚固技术可以合理地增强围 岩的自身强度和自稳能力，具有施工简便，成本低廉，安全迅速 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 等显著优点，引起矿业和岩土工程界的广泛关注，并且十分迅速 地得到大范围的推广应用。锚杆的锚固质量直接关系到所锚固的 围岩或巷道的稳定性，对锚杆锚固质量及锚杆工作载荷的检测是 评估巷道或围岩稳定性的前提和基础，过去对锚杆锚固质量的检 测多为破坏性的抽查实验，如检测锚杆极限承载力的拉拔实验， 半破坏性的锚杆扭矩的检测，不能全面评估锚杆的锚固质量，而 现代锚杆无损检测技术的发展，为全面评估锚杆的锚固质量和围 岩稳定性打下一定的基础。国内外至八十年代以来投入了大量的 资金和人力对锚杆无损检测技术进行了深入的研究，先后研制出 多种检测锚杆锚固质量和受力状态的专用仪器，如8 0 年代瑞典研 制的用以检测砂浆锚杆砂浆灌注质量的锚杆检测仪：b o l t m e t e r v e r s i o n0 0 2 ，美国矿业局研制的用以检测顶板树脂锚杆粘接力的 测定仪，以及利用声频脉冲反射原理研制锚杆受力检测仪：b o l t m i k e s 法国研制的用以监测锚杆状况的测力锚杆等测量仪器，我 国许多岩土科研单位已推广使用。我国铁科院铁建所从八十年代 开始致力于沙浆灌注饱满程度的检测研究，并于近期与湘潭无线 电厂共同推出m - i o a 型锚杆测试仪。九十年代中期淮南矿院等单 位合作进行了锚杆锚固状态与锚固力检测方法和仪器设备的研 究，并于9 6 年推出了m t 一1 型锚秆检测仪。 上述研究工作的开展和相关仪器的研制，极大的推动了我国岩 土锚固工程和工程质量无损检测技术的发展。但这些研究和仪器 设备大多针对沙浆锚杆灌注质量进行的，丽锚杆受力随机检积4 仪 仍无法摆脱拉拔这一传统测试方法，而后者对围岩的扰动和稳定 性影响是相当严重的。近期国内有关单位相继开展了支架及预应 力加固时效动态检测方法的研究，但用动态方法直接检测锚杼工 作荷载及围岩稳定性的研究国内外尚未见到相关报道。我们于九 七年承担了原煤炭部在山西的科技招标项目，山西潞安矿物局的 “锚杆锚固质量动态新技术研究”课题的研究工作。在国内外研 q 太原理工大学硕士研究生学位论文 究现状的基础上，经过模拟实验和现场测试，得到了与锚杆锚固 质量及受力状态相关的行波参数。通过对在锚杆端头设置的加速 度传感器所接受的到的激发应力波响应曲线的时域和频谱分析， 可精确测定锚杆、锚固介质和围岩三者之间密实粘结的有效长度， 了解锚杆锚固端与围岩的支撑连接特性和锚固介质对锚杼及围岩 的固结程度。特别值得提出的是我们在对锚杆无损检测技术的研 究中，从理论推导和实验研究中都得到锚杆工作载荷与振动频率 ( 基频) 之间呈幂函数关系。锚杆工作载荷是锚杆锚固质量的重 要参数，也是评估围岩稳定性的重要参数，这也正是我们利用特 征锚杆工作载荷评价围岩稳定性的依据之所在。 在上述课题的实验研究过程中，同时也发现了一些值得进一 步研究和探索的问题，现列举如下： 1 )锚杆端部的频响特性随锚杆受力不同有很大差异，锚固 体系在激发载荷作用下的基频和动刚度随载荷的增加而增加，而 且在其响应曲线中有底端反射增强而匠端反射逐渐减弱之趋势。 这就有可能通过锚固的振动特性研究，建立锚杆在激发载荷作用 下的动态响应与锚杆工作载荷之间的关系，实时检测锚杆在各种 围岩压力条件下的工作载荷，进而了解围岩压力的活动规律。 2 )若在锚固段内出现离层或空洞现象，其位置在响应曲线 中有明显的显现。这样，离层位置和锚杆工作载荷的实时测定， 可为地下结构围岩稳定性的观测与研究提供新的方法和手段。进 而为其动态实时监控理论的建立提供必要的技术基础。 相信上述问题的发现将有助于地下结构围岩稳定性动态实时 监控理论的建立和岩土锚同技术研究的进一步展开。这些问题的 解决需要结构动力学及现代测控理论和大量现场实测数据的支 持。最终解决锚杆支护检测中的三个关键参数，即有效锚固长度、 极限承载力和工作载荷的快速、实时、无损检测，为硐群及巷道 稳定性动态实时监控提供必要前提和技术准备。而这一问题的最 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 终解决将进一步提高岩土及地下加固工程设计施工质量安全管理 的有效性和科学性，为地下结构稳定性研究提供一种方便快捷的 观测手段。为改变我国多数岩土加固工程的被动局面，提高我国 岩土及地下工程的设计、施工质量做出应有的贡献。 1 3 本文要解决的问题和研究方法 本文所研究的是基于特征锚杆工作载荷动态检测的巷道围岩 稳定性评价，它是判断围岩稳定性的一种新方法的尝试，通过硐 室和巷道内的特征锚杆，监控相对缓慢的压力活动过程，结合围 岩及结构稳定性研究，对围岩及支护结构的稳定性做实时判断。 变信息滞后为超前获取，被动支护为主动加固。周而复始，防患 于未然。 本文的主要任务是从理论、实验室相似模拟实验以及对实验 数据的分析处理三个方面研究所提出此方法的可行性。即此方法 能否达到预想的动态监测围岩稳定性的效果；如果有效果，与其 它方法比较起来有什么优点和缺点；其理论依据是什么：有无推 广应用的可能性。以上是本论文最关心的问题。 本文的主要研究内容如下： 1 ) 总结、研究地下结构( 硐群和巷道) 在不同地应力作用下， 围岩应力和变形的分布规律。 2 ) 研究地下结构( 硐群和巷道) 在不同稳定性围岩环境条件 下，特征锚杆的工作荷载与围岩应力和变形之间的关系。 3 ) 研究地下结构变形、失稳、破坏各过渡阶段临界状态与 特征锚杆动态响应之间的对应关系，初步建立地下结构围岩稳定 性动态、实时监控的判别准则。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章锚杆和围岩的相互作用机理 2 1 锚固力的作用机理 锚杆对围岩的锚固作用体现为径向、切向锚固力的作用，围岩 变形特别是锚杆两锚固端产生位移差使锚杆受力，所以锚固力特 别是工作锚固力( 工作载荷) 的变化能直接反映围岩的变形破坏 过程。锚固力作用机理是锚杆和围岩相互作用的本质体现。锚杆 安设在岩体内部，它的受力以及它作用于围岩的力同框式支架相 比要复杂得多。从锚杆安设到失效，在锚杆起作用的整个过程中， 根据锚固力的发展，可分为初锚力、工作锚固力、残余锚固力三 个作用阶段。初锚力：安设锚杆时，人为地对锚杆进行张拉雨使 锚杆具有的作用于围岩的力称为初锚力。初锚力类似液压支柱的 初撑力。工作锚固力( 工作载荷) ：锚杆安设以后，围岩变形，锚 固剂开始发挥其粘结作用。这时锚杆对围岩的作用力称为工作锚 固力。工作锚固力类似液压支柱的上工作阻力。残余锚固力；当 围岩的表面和深部的相对变形量超过锚固剂的极限变形量以后， 锚固剂破坏，工作锚固力丧失。但由于破坏的粘结剂仍具有残余 粘结强度，此外，钻孔围岩破坏的粘结剂锚杆杆体之间存在 摩接力，因此这时锚杆对围岩仍具有约束力，称为残余锚圊力。 对锚固力的分析可从径向和切向两个方面进行。 一、径向锚同力的作用机理 对于径向锚固力，如图2 一l 所示，图中a 为完全失去粘结力 的岩体，仅以岩块之间的挤压形成拱的作用，维持原来的形状而 没有冒落；d 为保持原来的强度和弹性模量的岩体；b 为岩石强度 已显著降低，处于围岩峰后特性区域的岩体；c 为介于b 与d 之 间的岩体，其状态可能发展为b ，也可能保持为d 。在岩层内开掘 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 巷道以后，围岩会出现如图2 一l 的强度分布。强度分布将随时间 而变化，如图2 - _ 2 所示。如能及时支护，不仅能保持d 的状态， 防止巷道表面岩石剥落，还可做到b 那样良好的状态，防止内部 围岩强度的恶化。所以要发挥锚杆的作用，必须掌握围岩强度恶 图2 - 1 巷道围岩破裂状况 图2 - 2 巷道强度变化过程 f i 9 2 1b r e a c ho f s u r r o u n d i n g r o c k f i 醇- 2c h a n g i n go f l a n e w a y i n t e n s i o n 化的发展，及正确选择阻止强度恶化发展的支护方式和支护阻力。 实践表明，只要及时安装锚杆，即使锚固力不大，也能大幅度降 低围岩强度的恶化。 如图2 3 所示在软岩或煤层巷道中，围岩深处大都会发生 显著位移，通常锚杆锚固范围内( o _ _ 2 m ) 的围岩都会发生松动， 处于低围压状态。在低围压下岩石普遍呈现脆性应变软化现象， l i 谣 斟 鄱 置 捌 肆 一捌 7 一 ，矿 ， ， 留， ，r 一 哆【3 ， f r ， 厂 ， ，蓼r 一 一 ，f 1 善道出时霸( d ) 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 异 e 一 婪 捌 抑 墨 镥 神 l f 、 目l y 广 】 一 桫序 _ 口，- r | 乃 一r d 移矿 d 峪瞪一 一 咒趟p 。 叠譬- 一i 巷道鲁出时闻( d 矗 图巷道围岩体内部位移 a 一侧帮；b 一顶部；l 、4 一距巷道表面分别为 、1 、5 m 、 深的变形曲线 即随着塑性应变的增加，岩石强度逐渐减小，最终达到某一强度， 即残余强度。 如图2 4 所示，当围压为零时，残余强度接近干零。当围压 为时，残余强度约为。随着围压的增高，岩石的应 变软化程度逐步降低，残余强度逐步增大。尤其是当围压在零到 范围内变化时，残余强度表现出对围压很强的敏感性即 围压稍微增大，残余强度增长很快。低围压下，残余强度所以对 围压具有强敏感性，是由于岩石的破裂面比较粗糙，破裂后岩石 继续承载时，岩石变形主要表现为沿破裂面滑动和将破裂面的凸 起啃断两种形式，当围压为零时，岩石变形完全表现为沿破裂面 的滑动，当围压由零逐渐增长时，岩石变形形式由沿破裂面滑动 逐渐转变为将破裂面的凸起啃断，岩石的残余强度迅速增高。围 岩峰后的这种特性对于研究巷道支护具有重要意义1 3 j 。 一 查堕堡三查堂堡主堑塞圭堂焦鲨塞 对于具有护表构件( 如钢筋网、钢带等) 的锚杆支护，径向锚 固力可以均布到锚固区域的单位面积岩体，若锚杆锚固力p 为 l o o k n ，则锚固岩体中单位面积岩体的围压增量o r 为： a 仃，：一p e t 式中c 、卜锚秆布置间排距，取e = t = 0 7 m 。 则盯，“0 2 a ，在低围压的情况下，0 2 m p a 的围压增量约可 ? 莹 i | _ b t c ) 图2 - 4 残余强度与围压的关系 f i 9 2 - 4r e l a t i o no f s u r v i v a li n t e n s i o na n ds 们o f s u r r o u n d i n gr o c k 使围岩的残余强度提高1 - - 4 m p a 。 二、径向锚固力的增阻特点 如图2 5 所示，围岩顶板中有一节理面，为了阻止顶板的离 层安设长为2 o m 、直径为2 0 m m 的锚杆。当顶板在该节理面发生 离层时时锚杆受到张拉，同时对围岩产生作用力，以防止离层的 发展。如果安装端锚锚杆( 图2 5 a ) ，则离层时杆体均匀抗伸。若 采用沿全长锚固的树脂锚杆( 图2 5 b ) 。则顶板离层时杆体的变形 主要集中在节理面附近处。该处由于离层时杆体的拉伸，有一部 分树脂粘结剂被破坏。假定树脂粘结剂被破坏的长度a 为2 5 m m 。 杆体上产生对围岩的作用力可由图2 5 c 表示，国2 5 c 表明全 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 6 6 n 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 0 d 5 0 q 茧4 0 0 柱 搭3 0 0 生 犟 2 0 0 1 0 0 芦 r 全锚朝l 杆 r ， -端 慧笺 c 一 ) o 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 中锚杆的“压缩拱”功能等，但尚存在诸如锚固力对围岩成“粱”、 成“拱”的作用，“梁”与“拱”自身的承载能力等难题。锚杆的 锚固作用体现为径向、切向锚固力的作用。径向锚固力对围岩施 加围压将围岩由单向、双向受力状态转化为双向、三向受力状 态，提高围岩的稳定性。锚杆贯穿围岩中的弱面，切向锚固力改善 了弱面的力学性质，从而改善了围岩的力学性质。因此锚杆是兼 有支护和加固两种作用的较完美的支护形式。径向锚固力主要起 着支护作用，切向锚固力主要起着加固作用 5 1 。 2 2 锚杆与围岩的相互作用关系 支架与围岩关系，即围岩压力( 支护阻力) 与围岩变形( 支 架变形) 的相互作用关系，是巷道围岩控制的主要内容。它是支架 和锚杆选型和设计的重要根据。锚杆与围岩的相互作用关系与框 式支架不同，径向锚圃力发挥锚杆的支护作用。切向锚固力发挥 锚杆的加固作用。 图2 - 6 为锚杆和围岩作用曲线，曲线1 为无支护巷道的围岩 压力与位移关系曲线；曲线2 为由于切向锚固力的作用，使围岩 得到加固后的围岩压力与位移关系益线；曲线3 为锚杆径向锚固 力与围岩位移关系曲线；曲线4 为径向锚固力丧失后，仅切向锚 固力作用时的围岩压力与位移关系曲线；u 。为锚杆安设之前的围 岩变形量；b 为锚固围岩的平衡点；s 为围岩松动坍塌点；p r 为 围岩压力；p 为支护阻力，即锚杆的径向锚固力；u 为围岩交形量； p 。为原岩内力。锚杆的支护和加固作用分别由曲线2 、3 表达。2 是切向锚固力的作用曲线，切向锚固力对围岩性质韵加固作用只 有在围岩受载变形时才出现。3 是径向锚固力的作用曲线，它随 着围岩变形而逐渐增大，最终与曲线2 相交于b 点，这时锚固围 岩便达到平衡。若径向锚固力未到b 点就丧失，那么曲线2 就转 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 圉2 6锚杆和围岩相互作用曲线 f 够1 6r e c i p r o c i t yc u r v eo f b o l t sa n ds u r r o u n d i n gr o c k 变为曲线l ，可能在s 点圈岩失稳，或在c 点稳定。曲线1 与曲 线2 在a 点分离，在a 点前未安设锚杆， 点后锚杆的切向锚固 力随围岩变形而逐渐发挥作用。 对于端锚和全锚，虽然同属锚杆支护，但在支护过程中和围 岩的作用有一定差别。我国常用锚杆的直径为m1 4 一l g m m ，而 锚杆钻孔为3 2 4 2 m m ，端锚锚杆的杆体与钻孔壁之间的空隙 使锚杆切向锚固力无法或不能及时发挥。 在图2 1 中，曲线l 为无支护巷道的围岩压力与变形的关系 曲线；曲线2 为全锚锚杆与围岩相互作用关系曲线；曲线3 为端 锚锚杆与围岩相互作用关系曲线。如图2 7 所示当围岩变形发展 到a 点时，端锚锚杆的切向锚出力才开始作用。全锚锚杆的杆体 与钻孔壁之间的空隙为锚固剂所充满，如图2 7 中a 点所示， 锚杆安设后，随围岩变形切向锚固力立即起作用。全长锚固锚杆 比端锚锚杆对围岩性质的加固作用要大得多。全长锚固锚杆的径 向锚固刚度比端锚锚杆大，所以随围岩变形全锚锚杆径向锚固力 增长较快( 曲线2 ) ，且可沿锚杆全长对围岩产生锚固作用。端锚锚 杆只能在杆体两端挤压围岩，其径向锚同力增长得慢( 曲线3 ) a 因 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 7 端锚、全锚锚杆围岩关系曲线 f i 9 2 - 7r e l a t i o nc l i r v eo f s u r r o u n d i n gr o c ka n dd i f f e r e n ta n c h o r i n gb o l t s 此全锚锚杆与围岩变形比较协调，有利于围岩在b 点获得平衡。 应用锚杆的支架围岩关系曲线还可分析预应力锚杆、冷拔锚杆等 的锚固特点【6 j 。 2 3 巷道围岩峰后剪胀变形模型 一、巷道围岩变形机理 巷道围岩峰后剪胀变形模型建立的目的是分析巷道围岩的变 形和支护阻力的关系。巷道围岩变形包括弹塑性变形和剪胀变形 两个阶段。 对于巷道围岩的弹塑性变形，地下巷道在开挖之前，围岩处 于三向压缩状态，围岩承受的压力是原岩应力，远远大于巷道的 支护力。由于岩体的泊松比小于0 5 ，在三向压缩状态下，岩体的 体积被压缩了。巷道开挖以后，围岩的应力状态转化为双向或单 向应力状杰，应力水平也大幅度降低。被压缩的围岩体积逐渐恢 复造成围岩向巷道内空间移动。岩体的变形模量比岩体应力高 出3 个数量级，使得围岩的弹塑性变形量只有几毫米到几十毫米。 太原理工大学硕士研究生学位论文 对于