煤矿锚杆(索)支护理论.ppt

煤矿锚杆 索 支护理论 1 锚杆支护构件的作用 2 3 4 CONTENT 锚杆支护的加固作用 现有锚杆支护理论 锚杆支护作用机理 锚杆支护构件的作用 1 锚杆杆体的作用 如图所示 锚杆杆体提供两方面的作用 抗拉作用和抗剪作用 图1锚杆杆体的作用 以树脂锚杆为例 锚杆支护构件的作用 1 锚杆支护构件的作用 1 锚杆杆体的作用 抗拉作用 锚杆杆体所能承受的拉断载荷 式中P 锚杆拉断载荷 N d 锚杆直径 mm b 锚杆钢材抗拉强度 MPa 抗剪作用 锚杆杆体所能承受的剪切载荷 式中Q 锚杆剪断载荷 N b 锚杆钢材剪切强度 MPa 锚杆支护构件的作用 1 锚杆杆体的作用 表1常用锚杆钢材的抗拉强度 表2常用锚杆钢筋的剪切强度 锚杆支护构件的作用 1 锚杆托板的作用 通过给螺母施加一定的扭矩使托板压紧巷道表面 给锚杆提供预紧力 并使预紧力扩散到锚杆周围的煤岩体中 从而改善围岩应力状态 抑制围岩离层 结构面滑动和节理裂隙的张开 实现锚杆的主动 及时支护作用 围岩变形使载荷作用于托板上 通过托板将载荷传递到锚杆杆体 增大锚杆的工作阻力 充分发挥锚杆控制围岩变形的作用 注 托板力学性能应与锚杆杆体的性能相匹配 才能充分发挥锚杆的支护作用 锚杆支护构件的作用 1 锚杆托板的作用 无托板时锚杆轴力在巷道表面处为0 在一定深度达到最大值 剪力在轴力最大处为0 有托板时 由于锚杆施加的预紧力和围岩通过托板作用在锚杆杆体上的力 使得锚杆轴力在巷道表面处达到一定值 而且使锚杆轴力最大的位置向孔口移动 更接近巷道表面 轴向力 轴向力 剪应力 剪应力 a 无托板 b 有托板 锚杆支护构件的作用 1 锚固剂的作用 黏结作用 假定锚固剂与杆体 锚固剂与钻孔孔壁之间的黏结应力沿锚固长度内均匀分布 锚杆拉拔力为 式中P 锚杆拉拔力 kN l 锚固长度 m 1 锚固剂与杆体之间的黏结强度 MPa 2 锚固剂与孔壁之间的黏结强度 MPa d 锚杆直径 mm D 钻孔直径 mm 实际工作情况下黏结应力的分布与拉拔试验时有较大区别 其影响因素包括锚固剂性能 围岩性质 钻孔直径和粗糙度 锚杆直径与粗糙度 钻孔与锚杆直径差等 锚杆支护构件的作用 1 锚固剂的作用 黏结作用 考虑实际工作状态 杆体锚固段剪应力分布为负指数曲线 轴向力在杆体上呈负指数分布 图3锚固段黏结应力的分布 图4拉拔力在杆体上的分布 锚杆支护构件的作用 1 锚固剂的作用 黏结作用 考虑实际工作状态 杆体锚固段剪应力分布用下式 假设锚固剂破坏到锚固长度中点 拉拔力最大Pmax 残余黏结应力影响系数 l 锚固长度 mm 式中 x 距锚固起始端x处锚固剂作用于杆体表面的黏结应力 MPa d 杆体直径 mm E 杆体弹性模量 MPa c 积分常数 K 剪切刚度 MPa K1 锚固剂的剪切刚度 MPa K2 围岩的剪切刚度 MPa 锚杆支护构件的作用 1 锚固剂的作用 抗拉与抗剪作用 我国树脂锚固剂的抗拉强度和抗剪强度一般分别可取11 5MPa 35MPa 锚固剂可以提供抗拉力和一定的抗剪能力 端部锚固与全长锚固的区别 图5端锚锚杆与全长锚固锚杆支护作用的区别 锚杆支护构件的作用 1 锚固剂的作用 端部锚固与全长锚固的区别 端部锚固 全长锚固 锚固剂的作用在于提供黏结力 使锚杆承受一定的拉力 其除锚固端外 沿长度均匀分布 锚杆抗剪能力只有在岩层发生较大错动后发挥 锚固剂的作用在于将锚杆与孔壁黏结 使锚杆随岩层移动承受拉力 当岩层发生错动时 与杆体共同起抗剪作用 阻止岩层滑动 杆体各部位应力应变相等 在锚固范围内 任何部位岩层的离层均匀的分散到整个杆体的长度上 导致杆体受力对围岩变形和离层不敏感 支护刚度低 全长锚固锚杆应力应变沿锚杆长度方向分布极不均匀 杆体对受力对围岩变形和离层很敏感 支护刚度高 锚杆支护构件的作用 1 钢带的作用 锚杆预紧力和工作阻力扩散作用 支护巷道表面和改善围岩应力状态作用 均衡锚杆受力和提高整体支护作用 锚杆支护构件的作用 1 钢带的作用 假设钢带受均布荷载q 受力与变形公式如下 式中Mmax 钢带中点处最大弯矩 kN m q 均布载荷 kN m a 锚杆间距 m f 钢带挠度 mm E 钢带弹性模量 MPa I 钢带惯性矩 m4 分析钢带受力的简化模型是将两根锚杆之间的钢带段作为简支梁 图6钢带受力简化模型 锚杆支护构件的作用 1 网的作用 维护锚杆之间的围岩 防止破碎岩块垮落 紧贴巷道表面 提供一定的支护力 一定程度上改善岩层受力 同时 将锚杆之间岩层的载荷传递给锚杆 形成整体支护系统 既能有效控制巷道浅部围岩变形与破坏 又能对深部围岩有良好的支护作用 图7金属网作用示意图 锚杆支护的加固作用 2 锚杆提供的支护强度 锚杆加固作用引起的锚固体变形模量的增加值 式中Em 锚固体变形模量的增加值 MPa Eb 钢材的弹性模量 MPa a1 a2 锚杆的间 排距 m 对于变形模量大于1000MPa的岩石来说 杆体提高变形模量的效应不明显 锚杆支护的加固作用 2 锚杆提供的支护强度 锚杆提供的支护强度 m 下表3为锚杆间 排距0 8m 0 8m条件下 不同材质 不同直径杆体的支护强度 表3锚杆的支护强度 锚杆支护的加固作用 2 锚杆提供的支护强度 由摩尔强度理论可知 岩石强度与其所受的围压关系如下 式中 1 岩石强度 MPa 3 围压 MPa 岩石内摩擦角 c 岩石黏聚力 MPa 围压越高 岩石强度越大 对于中等强度岩石 单轴抗压强度大于30MPa 锚杆支护在岩石破坏前后对其强度影响不大 对煤体影响较明显 锚杆支护的加固作用 2 锚杆提供的支护强度 如图8所示 锚杆显著增加了岩石屈服后的强度 使岩石破坏变的平缓 图8锚固前后岩体强度曲线 锚杆支护的加固作用 2 锚杆对不连续面的加固作用 如图9所示 假定被平面节理切割的2块分离岩块中 安装1根锚杆 当岩块发生相对位移时 杆体承受载荷 图9锚杆加固节理面模型 锚杆支护的加固作用 2 锚杆对不连续面的加固作用 位移u的分量 式中un 法向位移量 mm ut 切向位移量 mm 位移向量与节理面之间的夹角 在杆体与节理交点 位移引起杆体所受力为P 杆体受力分量 式中PN 杆体轴向分量 kN PT 杆体切向分量 kN 锚杆支护的加固作用 2 锚杆对不连续面的加固作用 杆体提供的节理切向抗力 式中 杆体轴向与节理法向的夹角 节理面的内摩擦角 锚杆支护的加固作用 2 锚杆对不连续面的加固作用 在非常坚硬岩石中 破坏由节理 杆体相交处的剪应力和拉应力所致 图 a 在较软岩石中 杆体中有两个塑性弯折对称地出现在节理两侧 在弯折之间 倾斜度增大 破坏主要由拉应力所致 图 b 此时 由 替代 图10锚杆加固节理面破坏类型 锚杆支护的加固作用 2 锚杆对不连续面的加固作用 经理论分析 杆体作用可表示为 式中FT 杆体提供的节理切向抗力 kN P0 杆体的拉伸屈服力 kN a b 取决于 岩石抗压强度等的系数 根据大量实验结果 F Pellet得出如下经验公式 本质 通过锚杆提供的轴向力和切向力 提高不连续面的抗剪强度 阻止不连续面移动与滑动 通过提高结构面的强度提高节理岩体的整体强度 完整性和稳定性 现有锚杆支护理论评述 3 悬吊理论 锚杆支护的作用是将顶板下部不稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层中 以增强软弱岩层的稳定性 图11锚杆支护的悬吊作用 现有锚杆支护理论评述 3 悬吊理论 存在问题 锚杆受力只有当松散岩层或不稳定岩层完全与稳定岩层脱离的情况下等于破碎岩层的重量 而这种条件在井下巷道并不多见 锚杆安设后 由于岩层变形和离层 会使锚杆受力很大 而远非破碎岩层的重量 未考虑围岩的自承能力 当围岩松软 巷道宽度较大时 锚杆很难锚固到上部稳定的岩层或自然平衡拱上 悬吊理论不适用 现有锚杆支护理论评述 3 组合梁理论 组合梁理论适用于层状岩层 对于端部锚固锚杆 其提供的轴向力将对岩层离层产生约束 并且增大了各岩层间的摩擦力 与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间相对滑动 对于全长锚固锚杆 锚杆和锚固剂共同作用 明显改善锚杆受力状况 增加了控制顶板离层和水平错动的能力 支护效果优于端部锚固锚杆 图12锚杆支护的组合梁作用 现有锚杆支护理论评述 3 组合梁理论 组合梁所受最大拉应力与叠合梁所受最大拉应力比值 式中 max c max l 组合梁与叠合梁所受的最大拉应力 MPa hi 各层岩梁厚度 m n 岩层总数 组合梁的最大弯曲应变 式中W 组合梁自重 MN m2 B 巷道跨度 m t 组合梁高度 m E 岩石弹性模量 MPa 现有锚杆支护理论评述 3 组合梁理论 存在问题 组合梁有效组合厚度很难确定 未考虑水平应力对组合梁强度 稳定性及锚杆载荷的作用 只适用于层状顶板 而且仅考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用 没有涉及锚杆对岩体强度变形模量及应力分布的影响 现有锚杆支护理论评述 3 加固拱理论 即使在软弱 松散 破碎的岩层中安装锚杆 只要间距足够小 各根锚杆形成的压应力圆锥体将相互重叠 就能产生一个均匀的压缩带 可以承受上部破碎岩石的载荷 锚杆支护的作用是形成较大厚度较大强度的加固拱 图13锚杆支护的加固拱作用 现有锚杆支护理论评述 3 加固拱理论 存在问题 只是将各锚杆的支护作用简单相加 得出支护系统的整体承载结构 缺乏对固岩体力学特性及影响因素的深入研究 加固拱厚度涉及的影响因素很多 很难较准确估计 现有锚杆支护理论评述 3 最大水平应力理论 岩层中的水平应力在很多情况下大于垂直应力 而且水平应力具有明显的方向性 最大水平主应力明显高于最小水平主应力 澳大利亚学者W J Gale提出 巷道顶底板变形与稳定性主要受水平应力的影响 其特点是 当巷道轴线与最大水平主应力平行 巷道受水平应力的影响最小 有利于顶底板稳定 当巷道轴线与最大水平主应力垂直 巷道受水平应力的影响最大 顶底板稳定性最差 当两者呈一定夹角时 巷道一侧会出现水平应力集中 顶底板的变形与破坏会偏向巷道的某一帮 现有锚杆支护理论评述 3 最大水平应力理论 图14水平应力方向对巷道变形与破坏的影响 现有锚杆支护理论评述 3 围岩松动圈支护理论 围岩松动圈 巷道开挖后 当围岩应力超过围岩强度时将在围岩中产生新的裂纹 其分布区域类似圆形或椭圆形 根据围岩松动圈理论 将锚喷支护机理分为 小松动圈 松动圈厚度小于400mm 锚杆支护不明显 只需进行喷射混凝土支护 中松动圈 厚度在400 1500mm之间 支护比较容易 采用悬吊理论设计锚杆参数 悬吊点在松动圈之外 大松动圈 厚度大于1500mm 锚杆的作用是给松动圈内破裂围岩提供约束力 使其恢复到接近原岩的强度并具有可缩性 采用加固拱理论设计锚杆支护参数 现有锚杆支护理论评述 3 围岩强度强化理论 由我国著名矿压专家侯朝炯提出 要点锚杆支护的实质是锚杆与锚固区域的岩体相互作用组成锚固体 形成统一的承载结构 锚杆支护可以提高锚固体的力学参数 改善被锚固体的力学性能 巷道围岩存在破碎区 塑性区 弹性区 锚杆锚固区域岩体的峰值强度 峰后强度及残余强度均得到强化 锚杆可改变围岩的应力状态 增加围压 提高围岩自承能力 改善巷道支护状态 围岩锚固体强度提高后 可减小巷道周围的破碎区 塑性区范围和巷道表面位移 控制围岩破碎区 塑性区发展 现有锚杆支护理论评述 3 围岩强度强化理论 为描述锚杆对岩体的强化作用 引入强化系数 锚固体的强度与未锚固岩体强度的比值 锚固体极限强度强化系数Kj 锚固体残余强度强化系数Kc 式中 1 锚固体的极限抗压强度 MPa c 未锚岩体的极限抗压强度 MPa 式中 1 锚固体的残余抗压强度 MPa c 未锚岩体的残余抗压强度 MPa 锚固体的强度总比无锚杆时提高 而且随锚杆密度增加锚固体的强化系数也不断增加 在锚杆强度一定时 锚杆对残余强度的强化作用大于对极限强度的强化 这对控制破碎区围岩变形 保持其稳定性具有重要作用 锚杆支护作用机理分析 4 锚杆支护对围岩强度 围岩结构和围岩应力的作用 锚杆支护对围岩强度的影响 改善发生塑性变形和破碎煤岩的力学性质 显著提高屈服后的强度 改变屈服后煤岩变形特性 锚杆支护对围岩结构的影响 通过锚杆提供的轴向力与切向力 提高不连续面的抗剪强度 阻止不连续面产生移动与滑动 通过提高结构面的强度 提高节理煤岩体的整体强度 完整性与稳定性 锚杆支护对围岩应力分布的影响 通过锚杆给围岩施加一定的压应力 改善围岩受力状态 对于受拉区域 抵消部分拉应力 提高围岩抗拉能力 对受剪区域 通过压应力产生的摩擦力 提高围岩的抗剪能力 锚杆支护作用机理分析 4 影响锚杆支护效果的关键因素分析 提高支护刚度的途径分为 及时给锚杆施加较大的预紧力 并通过托板 钢带等构件实现预紧力扩散 采用加长锚固或全长锚固 使杆体对围岩离层 错动非常敏感 能及时抑制离层与错动的产生 提高巷道支护效果的关键是提高锚杆支护系统的刚度 锚杆支护作用机理分析 4 锚杆支护作用机理分析 锚杆预紧力作用理论分析 以层状顶板为例 分析锚杆预紧力的作用 图15层状顶板锚杆预紧力的作用 锚杆支护作用机理分析 4 锚杆支护作用机理分析 锚杆预紧力作用理论分析 锚杆给h1与h2层之间提供的约束离层的抗力为 锚杆给h1与h2层之间增加的抗剪力为 式中P0 锚杆预紧力 MN ar 锚杆排距 m d 锚杆直径 m f 岩层间的摩擦系数 锚杆抗剪强度 MPa B 巷道宽度 n 每排锚杆数 锚杆支护作用机理分析 4 锚杆支护作用机理分析 锚杆预紧力作用理论分析 锚杆预紧力越大 锚杆越粗 提供的约束离层的抗力和抗剪力越大 岩层间越不容易发生离层与错动 相反 如果没有预紧力 则只有当岩层产生一定变形时锚杆才有载荷 不能控制在此之前顶板岩层的离层和错动 导致顶板从浅部向深部逐渐离层 破坏 失去完整性与稳定性 预紧力太小也不能起到有效约束顶板离层的作用 如果锚杆安装不及时 较大范围内的岩层已产生离层 滑动 岩层承载能力丧失很大 再安装锚杆 支护效果不明显 锚杆支护作用机理分析 4 锚杆支护作用机理分析 锚杆支护预应力场分布 锚杆预紧力的作用 锚杆支护作用机理分析 4 锚杆支护作用机理分析 锚杆支护预应力场分布 锚杆预紧力的作用 锚杆预紧力为20kN 锚杆预紧力为100kN 锚杆预应力低 导致锚杆支护产生的预应力场应力值小 形成的有效压应力区范围小 孤立分布 没有连成整体 近零应力区范围大 锚杆支护在近零应力区几乎没有加固围岩的作用 锚杆之间形成了连成一片的 整体的有效压应力区 近零应力区基本消失 锚杆对锚杆之间的围岩起到有效支护作用 锚杆支护作用机理分析 4 锚杆支护作用机理分析 锚杆支护预应力场分布 钢带的作用 锚杆支护作用机理分析 4 锚杆支护作用机理分析 锚杆支护预应力场分布 锚带的作用 无钢带 有钢带 锚杆形成的有效压应力区无论在锚杆尾部还是中部 都是彼此独立的 锚杆形成的有效压应力区在沿钢带长度方向上显著扩大 钢带实现了锚杆预紧力的有效扩散 显著提高了对锚杆之间围岩的支护作