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预应力锚杆支护技术的发展
放大字体  缩小字体 发布日期:2015-04-01  来源:西安科技大学  作者:窦锐  浏览次数:773
预应力锚固技术在工程中应用概况

在土木工程建筑中,利用钢丝或钢绞线具有较高抗拉强度的特性,用于建筑和加固各种工程已经取得良好的效果。在上世纪初,预应力锚杆就作为一种新的支护手段,用于西利西安的矿山开采。1911年美国Aberschlesin的Friedens煤矿首先应用了岩石锚杆支护巷道顶板,1918年美国西利西安矿的开采首次采用了预应力锚索支护,以后锚固技术的应用范围开始扩大。在以后的时间里,先后有印度的坦沙坝、南非的斯登布拉斯坝、英国的亚格尔坝和奥地利的斯布列希斯坝也同样采用了预应力锚杆加固。20世50~70年代是锚固技术应用领域迅速扩展的时期,1958年西德在慕尼黑巴伐利亚广播公司深基坑中使用了土锚杆。20世纪60年代,捷克斯洛伐克的Lipno电站主厂房(宽32m)、西德的W么lbeckll地下电站主厂房宽(33.4m)等大型地下洞室采用了高预应力长锚索和低预应力短锚杆相结合的围岩加固方式。1934年阿尔及利亚的Cheuris大坝的加高工程首次采用10000kN级预应力锚杆作为抗倾覆锚固,这是世界上第一例采用预应力锚杆加固坝体,并获得成功。


     
     在德国的单根预应力最高已达到了16000kN。原联邦德国的Wsldeckll地下电站是世界上最大的硐室之一。该硐室长106m,高54m,宽33m,开挖从顶部向下分阶段进行,开挖后对每一段及时进行锚固,共采用716根长23.5m,承载力为1700kN的预应力锚杆。它同一系列长4~6m的张拉树脂锚杆和200mm厚的配筋喷射混凝土相结合,建立了围岩自承拱,大大减少硐室的开挖量和混凝土衬砌工程量,大大降低了工程费用。印度的坦萨坝采用2400根锚索单根预应力为700kN的预锚工程是目前单项工程的锚索
根数之最。

我国的预应力锚杆的发展和应用也取得了巨大的进步。单根预应力最高已达到了10000kN。1972年306部队、北京市市政工程研宄所、海军后勤部设计研宄局共同研制了600Nk涨壳式预应力锚杆,应用于地下飞机库,获得了良好的效果,首次显示了预应力锚固技术对大跨度地下工程具有的优越支护作用。我国漫湾水电站的预锚根数也高达 2270多根,该项工程的预锚力总吨位居世界前列。

1964年梅山水库大坝右岸的坝基加固工程中,首次成功的使用了预应力锚索加固技术。安装预应力锚杆110根,共施加预应力277140kN。加固后,坝基抗滑稳定安全系数提高到1.05,满足了大坝稳定的要求,同时减少了渗漏量。我国的白山水电站地下厂房采用600kN级预应力锚索,分别对厂房下滑的四面体部位及尾水管间岩体进行锚固,保证了厂房下游边墙的稳定。在小浪底,云南漫湾水电站,锦屏水电站,二滩等重大 水电工程中,大吨位的长锚索以及新型预应力锚索在岩石高边坡稳定性加固中也得到了不断应用。

国内外的大量应用预应力锚杆(索)支护地上地下实例表明,无论在构造极为复杂的不良地质岩层,还是在高陡边坡,水坝电站,还是在地下大跨度硐室的支护中,预应力锚固技术均显示出其显著的优越性。

实践证明,预应力锚固技术是一种先进的岩土加固技术。特别是对围岩软弱、薄弱的部位,围岩深部构造对围岩稳定有较大影响时,或者由于围岩中的构造应力值较大并出现塑性变形时,采用预应力锚杆支护均可以收到良好的效果。但是,由于预应力支护技术在地下工程的应用起步较晚,加之目前对预应力锚杆支护机理还没有完全清楚,国际范围内对其锚固机理并没有统一的认识,因此预应力锚杆支护的应用还带有很大的局限性。

预应力锚杆支护技术在煤矿中的应用概况

尽管预应力锚固技术已广泛应用于地下工程的围岩加固以及各种边坡、建筑物基础和不稳定土体的加固等多个领域,由于煤矿面临的地质条件复杂多变、工作空间小、环境恶劣,使得预应力锚杆在煤矿中的应用还很不成熟。尽管现在只在少数煤矿中采用了预应力锚杆来加固围岩巷道,但其良好的支护效果已被国内外的矿山支护实践所证实。

预应力锚固技术早在20世纪50年代中期已经开始在煤矿井巷锚喷支护中应用,如胀壳锚杆、倒楔锚杆、树脂锚杆、水泥卷粘结锚杆,均为端头锚固的预应力锚杆。但这些锚杆由于受长度,强度等条件的限制,所能施加于围岩的预应力很小,也没有充分认识到一个合理的预应力值在巷道安全和支护围岩稳定性的重要作用,因而早期的这些地预应力锚杆支护在巷道围岩构造复杂的不良地质条件中,难以达到理想的效果,预应力锚固技术的发展也比较缓慢。美国最先重视高预应力锚杆支护技术,1994、1997年 美国J.Stankus和1997年、1998年Song Guo (郭颂)系统地研宄了水平应力对巷道稳定性的影响。认为水平应力是造成巷道顶板离层垮冒、底板鼓起的主要原因,但是可以通过提高巷道顶板的锚杆预应力,将水平应力的消极影响转变为积极的作用,从而极大 地提高巷道围岩的稳定性。

近年来,澳大利亚、美国、英国等国家的锚杆支护技术比较先进,澳大利亚的锚杆支护技术己经形成比较完整的体系,煤矿巷道几乎全部采用树脂锚固组合锚杆支护,处于国际领先水平。特别是澳大利亚尽管其巷道断面比较大,但是支护效果非常好。对于复合顶板、破碎顶板,以及巷道交叉点、大断面炯室等难维护的条件,还采用锚索注浆 进行补强加固,控制了围岩的强烈变形。美国最先重视高预应力锚杆支护技术。1992 年美国ahabair观测了高水平地应力对巷道顶板产生的离层及剪切破坏,并提出采用预应力析架控制巷道顶板的措施。美国锚杆消耗量大,锚杆种类多,有涨壳式锚杆、树脂锚杆、复合符合锚杆。具体应用时,根据岩层条件选择不同的支护方式和参数。英国 的锚杆支护技术是从澳大利亚引进的,在近十年实践的基础上又做了改进和提高。到 目前为止,锚杆支护巷道的长度占90%以上。德国是U型钢支架使用最早、技术上最为成熟的国家,自1932年发明U型钢支架以来,发展迅速,支护比重很快达到了90% 以上。但是自20世纪80年代以来,随着矿井开采深度的日益增加,维护日益困难,于是寻求成本低、运输和施工简单方便、控制围岩变形效果好的锚杆支护。到20世纪年 80代初期,锚杆支护在鲁尔矿区实验成功后获得推广,现己应用到千米的深井巷道中,取得了许多有益的经验。法国煤巷锚杆支护的发展也很迅速,到1986年其比重已达50%。在采区巷道支护中同时发展金属支架、锚杆支护、混凝土支架的俄罗斯,锚杆支护的发展也引人瞩目。他们研制了多种类型的锚杆,在俄罗斯第一大矿区库兹巴斯矿区巷道支护所占比重己达50%。随着巷道支护技术的发展,巷道断面发生了一些变化。煤矿生产中广泛应用大断面巷道,满足了煤矿生产的运输和通风的需要,使高产高效的工作面成为现实,给煤炭企业带来了巨大的经济效益。但也存在一些不足,例如:巷道成型和支护比较困难,容易出现冒顶、片帮等维护困难。随着煤巷锚杆支护技术的不断发展,上述困难己有一定的改善。

20世纪70年代末,美国将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用,使得锚杆能承受预应力得到大幅度的提升,同时锚杆的直径和强度有了进一步的提高(直径达到22mm和25mm,强度达到517MPa),锚杆的高预应力可以达到杆体本身强度的50%~70%。现在美国煤矿巷道锚杆的预应力一般为100kN左右,很好地控制了巷道层状顶板的离层,在巷道稳定性支护中起到了决定性的作用。由于高预应力锚杆能够有效控制顶板的离层,因而巷道的顶板变形就能得到有效控制,安全状况得到改善。采用预应力锚杆可以加大杆的间排距,减少锚杆的用量,提高掘进速度,降低掘进成本,具有巨大的发展空间和良好的发展前景。

随着煤矿开采深度的增加以及巷道断面的增大,预应力锚杆的优势将得到进一步的体现,具有良好的应用前景。采用预应力锚杆支护可以实现机械化作业,掘进速度快,工人劳动强度低,减少了运输工作量,能够取得明显的经济效益。

由于我国煤矿的地质条件相对较复杂,含煤地层的围岩比较软弱且破碎,而且多种锚固机具的配套设备不够完善,因此预应力锚杆在煤矿中的应用和发展受到了很大的限制,现在还很不成熟、不完善。尽管现在己有少数煤矿采用了预应力锚杆来加固巷道围岩,但由于预应力锚固技术的作用机理比较复杂,没有统一的认识,主要采用工程类比法进行设计,存在很大的不确定因素,预应力锚固技术的优越性得不到充分体现。因此,对于预应力锚杆锚固机理的进一步研宄显得尤为重要。

我国煤矿于1956年开始在岩巷中使用锚杆支护,至今己有53年的历史。从锚杆支护形式的发展过程看,我国最早采用的主要是机械锚固锚杆和钢丝绳砂浆锚杆;1974年开始研制和试验树脂锚杆,并于1976年在淮南、鸡西、徐州等矿务局进行了井下试验,取得较好效果;我国还引进和应用了管缝式锚杆、胀管式锚杆等,开发研制了廉价 的快硬水泥锚杆;从澳大利亚引进高强度树脂锚杆,并针对我国煤矿的条件进行了大量二次开发和完善提高。可以说,国外使用过的锚杆支护形式国内基本上都使用过,但是国外没有的地质和生产条件国内基本上都有。

我国煤矿锚杆支护技术首先在岩巷中应用成功,并在岩巷中大力推广应用了以“三小”为代表的锚喷支护技术。20世纪60年代锚杆支护开始应用于采区巷道,但由于煤层巷道围岩相对比较松软破碎,又受到采动影响,巷道围岩变形大,对支护技术要求高,加之锚杆支护理论、设计方法、支护材料、施工机具、监测仪器等还不成熟,导致煤巷锚杆支护技术发展缓慢。1990年,我国国有重点煤矿煤巷锚杆支护仅占3-5%,煤巷支 护主要以棚式支护为主。在“八五”期间,原煤炭工业部把煤巷锚杆支护技术作为重点项 目进行了攻关,取得了一大批水平较高的科研成果,并应用于新汉、铁法、充州、蜂峰、 淮南等多个矿区,基本上解决了一般条件下巷道支护问题。1995年,国有重点煤矿当年 新掘的巷道中,锚杆支护所占比重为28.19%,其中岩巷占57.2%。但是对于困难条件, 如复合顶板、破碎顶板、煤层顶板巷道,以及沿空掘巷等,锚杆支护的可行性和适应性 还没有得到深入细致的研宄,煤巷锚杆支护技术发展的潜力还很大。在“九五”期间,原 煤炭部又把煤巷锚杆支护技术作为重点课题,展开深入、细致的研宄试验工作。特别是19%~1997年我国引进了澳大利亚锚杆支护技术,在邢台矿务局进行了现场演示。同时经过科研院所、大专院校和煤炭企业的联合攻关,使我国煤巷锚杆支护技术有较大提高。 全煤巷道、冲击地压巷道、复合顶板、破碎顶板等困难条件下锚杆与锚索联合支护技术逐步得到了应用,并取得了令人满意的支护效果和经济效益。到目前为止,国有重点煤矿新掘进的煤及半煤岩巷,锚杆支护所占的比重达到60%左右,一些矿区煤巷锚杆支护率己超过90%。锚杆支护的大面积推广应用,解决了大量巷道支护难题,取得了巨大的技术经济效益和社会效益。

安全监测研究现状

由于岩石的生成条件和地质作用的复杂性,岩石的产状和结构的复杂多变,并且在采矿过程中,回采方法、支护类型、支护时机和支护参数等都对采场稳定性产生影响,因而寻求正确反映岩体状态的物理力学模型是非常困难的。多年来国内外一直通过地下工程的监测来监视巷道围岩变形和支护的稳定性,并己取得了重要的理论研宄成果,但由于采矿工程中岩体力学行为复杂多变,加之管理者的非科学化管理和对施工指导认识不足,安全事故仍然频繁发生。大量实践证明,通过现场监测并配以良好的设计和高质量的施工,能使工程达到理想的效果,安全得到有效保障。现场监测既是优化结构、降低材耗的重要手段,又是施工安全的措施保障。通过监测可以掌握采场和支护系统的力学动态,便于日常施工管理;通过对监测数据的分析处理和信息反馈,可以评价已掘进支护段的力学状态,调整施工参数,补救以施工工段,保证施工信息化。

监测仪器设备精度高低、自动化程度、环境适应能力、可操作性等性能决定了安全监测在施工过程中的受欢迎程度。位移监测主要设备有收敛计、塔尺、钢尺、水准仪、经玮仪、百分表等,其中,塔尺和水准仪主要用于下沉监测。压力、应力监测设备分为电测式和机械式(钢弦式)两大类,其中电测式又有电阻式、电感式、电容式以及压电式和压磁式之分。锚杆轴力、抗拔力监测:锚杆轴力监测主要采用监测锚杆进行,其监测原理与压力、应力监测无本质区别,同样存在相同的弱点。近年来,现场监测已广泛应用 于支护时间设置、信息化设计和施工、地质体改造效果检验、介质力学参数反演、施工地质超前预报等方面,并且应用范围在进一步扩大。从目前的情况看来,现场监测需要改进的有以下三个方面:

(1) 监测时效性局限。由于采场施工回采断面一般都不大,开挖、爆破、喷浆、打锚等工序连接比较紧密,加上一些人为的因素,现场监测往往滞后于施工开挖。不能及时快速地获取到相关信息,有时甚至采集不到或未等采集到信息,灾害事故己经发生,导致采场监测失去了意义。

(2) 监测仪器的保护。采场的监测是与采场掘进开挖同时进行的,围岩的卸载回弹也是有时效性的。要及时获得最准确的变形参数,就要在施工采场内进行量测。而施工的工人时常忽视对监测仪器的保护,造成监测仪器经常被损坏。如何保护监测仪器是个重要的问题。

(3) 变形监测信息的反馈问题。采场的监测一个重要的作用是通过已经开挖的采场的变形情况对设计一进行修正和对未开采部分进行预测。如何快速及时获取监测信息并进行综合分析,快速反馈信息并有效的加以利用,是目前要从施工、管理体制上急需解决的问题。

计算机数值模拟状况

在岩体地下工程中,为获取相关参数和岩体力学状态,常用的有工程类比法、理论解析法、现场监测和数值模拟法等。工程类比法对历史经验较少的现场,不能得到可靠的结论,甚至结论是错误的;理论解析法只能给出一些简化问题的简单解,而对复杂问题无能为力;现场检测只能在小范围内进行,而不能代表复杂的大范围工程岩体情况。因此,数值模拟方法的出现和发展是一种必然。随着计算机技术的飞速发展,数值模拟越来越多的应用于岩体地下工程问题。

目前常用的数值模拟方法主要有:有限单元法(FEM)、离散单元法(DEM)、边界元法(BEM)、有限差分法(FDM)、界面单元法(又称为刚体弹簧元(RBSM)或刚体元(RFEM))、无单元法(EFM)、非连续变形分析(DDA),流形元法困MM等,以及由以上各种方法相组合而得到的混合数值计算方法。以下就几种常用的数值模拟方法作简要介绍:

有限单元法从20世纪60年代开始就应用于岩土工程问题的分析中。目前比较成熟的商业软件有ANsys、NAsTRON、MARc和ABAQuEs等,功能己由连续介质分析发展到非连续岩体问题分析。有限单元法具有理论完全可靠、物理意义直观明确、解题效能强等优点。但在模拟非连续岩体时,只能考虑少量大的结构面,当模拟的结构面数目很多时,建立数值模型非常困难。离散单元法是美国学者Cundall.P.A教授于本世纪70年代提出来的,并于80年代中期由王泳嘉教授引入国内。该方法以介质受结构面切割成为离散块体为出发点,假定岩体是由大量裂隙分割开的岩块沿各裂隙面堆砌而成, 所有变形均发生在块体的表面,块体之间的相互作用是块体的角和面或面与面之间的接 触作用,以牛顿运动定律描述各块体的运动过程。离散单元法能够反映岩块间接触面上的滑移、分离与倾翻等非连续大变形情况,特别适用于节理化岩体的应力分析,但其数据结构复杂,要求计算机有较大的容量,并且计算结果的图形显示较为困难。

有限差分法于20世纪70年代引入岩土工程中,是将微分方法用差分方程近似的一种数值方法。它有隐式差分和显式差分两种,常用的是显式差分法。目前ftasca公司根据显式差分原理开发出了具有强大功能的FLAC和FLAC3D数值分析软件,并在国内外岩土工程界得到了广泛地应用。FLAC使用“混合离散化”技术和“显式”差分求解法,在某种程度上克服了有限元和离散元不能统一的矛盾,是目前世界上公认的较为合理的计算方法之一。数值模拟分析可以对很多复杂问题进行有效的研宄,Midas/GTS是针对岩土工程而开发的有限元软件,该软件具有简洁的界面、前后处理功能强大的岩土材料模型库,能满足大部分岩土体的破坏模式,因此用此软件对边坡工程的建立二维,三维数值分析模型,比较接近真实情况,且计算结果相对安全。相比FLAC模拟软件,Midas/GTS岩土数值模拟软件具有简洁的界面。二围平面内的建模可以直接利用CAD软件作图后以DXF格式导入GTS之中,三维模型可以通过简单的扩展等命令实现,方便快捷,计算分析结果接近真实情况。

随着计算机的更新和岩土本构模型研宄的发展,岩土工程中的数值模拟方法得到了蓬勃发展。与解析理论相比,数值模拟有如下特点:

通过离散求解域,将复杂的宏观层次模型离散成可求解的若干简单的 细观层次模型;

利用计算机计算速度快和精确度高的特点,可以进行问题的快速求解;

可以设计更复杂的计算模型,多种工况情况;

可以得到全场应力、应变信息,更适合于工程问题的分析。论文在分析目前几种常用的数值模拟方法的基础上,选用midas GTS软件对预应力锚杆支护进行模拟,实践表明该软件能够很好模拟解决采矿工程支护问题。

预应力锚杆的支护机理研究

巷道围岩变形破坏特征

预应力锚固是一种先进的岩土加固技术,特别是对围岩软弱、薄弱的部位,或围岩深部的构造对围岩稳定有影响时,或者由于围岩中的构造应力值较大,出现塑性变形时,采用预应力锚杆支护可以收到良好的效果,但是预应力锚杆支护机理还没有完全弄清,因此预应力锚杆支护的设计目前在很大程度上仍依赖于工程经验,为此,国内外大量学者通过理论分析和数值模拟方法进行了积极有益的探索,为预应力锚杆支护的可行性提过了科学的理论依据。

地下洞室开挖前,岩体处于三向应力平衡状态。开挖后由于洞周卸载,破坏了这种平衡,洞室周围各点的应力状态发生变化,各点产生位移,应力重新调整,以寻求达到新的平衡。如果围岩的应力处处小于岩体强度,这时岩体的物性状态不变,围岩仍处于弹性状态。反之,当围岩局部区域的应力超过岩体强度则岩体的物性状态改变,围岩进入塑性或破坏状态,进入塑性状态的围岩,塑性区应力和强度明显降低,出现明显的塑性滑移,这时没有足够的支护抗力就不能使围岩维持平衡状态。

煤矿巷道特别是煤巷,由于围岩松软、埋深较大、地应力较高,同时受采动影响比较严重,在巷道开挖后,围岩会出现一定程度的变形与破坏。根据巷道围岩破坏程度和继续变形的能力,可将巷道周围岩体划分为四个区域


 围岩破碎区:该区域围岩完全丧失了承载能力,成为破碎的岩块,无法承受继续变形,且因重力作用会随时发生冒落;

塑性区:该区域围岩处于塑性状态且具有一定程度的破坏,但仍具有一定的变形能力,可承受部分外载,在围岩的维护期限内不会转变为第I区的塑性区;

弹性区:围岩仅出现弹性变形的弹性区域,它具有较大的变形能力,可以承受 较大的荷载;

原岩应力区:未受巷道开挖影响的区域。

巷道周围锚杆锚固区的岩体处于破碎区或者处于上述两个或三个区域之中,相应地锚固区域内的岩石强度处于峰后强度或者残余强度。锚杆支护的实质就是锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成锚固体,形成统一的承载结构。巷道围岩锚固体强度提高以后,可以减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移,控制围岩破碎区、塑性区的发展,从而有利于保持巷道围岩的稳定。

岩土工程理论不论以什么力学判据判断围岩破坏,其原理都是以围岩体进入塑性不可逆定岩状态为条件的。然而,在长期的地下工程实践中,我们发现地下工程中围岩体产生塑性破坏后,还可以保持巷道的长期稳定。尤其是回采巷道和切眼,使用期较短,这类地下工程的围岩稳定更要重视围岩塑性区的稳定性。

自稳隐形拱理论认为对于围岩体产生塑性破坏甚至产生断裂破坏,如果其处于挤压状态下仍具有一定的承载能力。这种承载能力往往能满足围岩稳定的要求。因此,在分析巷道支护重点时,没有把注意力放在巷道应力最为集中的两顶角或塑性变形区,而是将注意力放在顶底板的拉应力区。因此,其观点中心含义为:

巷道顶部潜在的危险是那些单元体在地下结构开挖后的稳定过程中曾经出现拉应力的岩体。处于挤压状态的破坏岩体在一定条件下具有稳定性。

根据这样的观点,巷道顶板中单元体中拉应力大于零的单元体所组成岩体为潜在危害岩体。如图2-4所示。这种顶板内拉应力为零的应力单元的连线在巷道的平面应变问题中为一椭圆形曲线。这一椭圆形曲线称之为自稳隐形拱。其近似曲线方程如下:


 

自稳隐形拱理论的基本观点中第一次将岩体的承载能力的界限划进了破坏岩体,该理论认为岩体的承载能力并不在于其是否达到塑性,并认为达到塑性破坏后既是松散的围岩都具有支承能力,而那些受拉应力的岩体没有进到塑性破坏却被列入护防对象。

传统的锚杆预应力支护围岩理论

传统的锚杆支护理论但在工程界得到普遍认同的有悬吊作用、组合梁作用、挤压拱作用和均匀压缩拱作用。

悬吊理论认为在层状岩层中,锚杆将下部不稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层上。锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。

这种支护理论应用比较广泛,但存在以下缺陷:(1)锚杆受力只有当松散岩层或不稳定岩块完全与稳定岩层脱离的情况下等于破碎岩层的重量,而这种条件在巷道中并不多见,悬吊理论则认为锚杆受力就等于其加固区围岩的重量,这与锚杆实际受力情况存在很大偏差。(2)没有考虑锚杆安设后对破碎岩层变形和离层的控制作用。特别是当水平应力较大时,顶板离层很大。为了减小破碎岩层的离层,保持顶板的稳定性,应加大锚杆预应力。(3)当锚杆穿过破碎岩层时,锚杆提供的径向和切向约束会不同程度的提高破碎层的整体强度,使其具有一定的承载能力,从而减小锚杆受力。

总之,悬吊理论在分析过程中不考虑围岩的自承能力,而是将锚固体与原岩体分开,与实际情况有一定差距。悬吊理论只适用于巷道顶板。

组合梁理论认为:如果顶板岩层中存在若干分层,顶板锚杆的作用,一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力,防止岩石沿层面滑动,避免各岩层出现离层现象; 另一方面,锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度,防止岩层间的水平错动,从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层。

组合梁理论充分考虑了锚杆对层状顶板离层及滑动的约束作用,原理上对锚杆作用分析的比较全面,但它存在以下缺陷:

(1) 组合梁有效厚度很难确定。它受顶板的岩层分布等众多因素,目前还没有比较准确的理论方法来确定有效组合梁的厚度;

(2) 没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆荷载的影响。在水平应力较大的巷道中,水平应力是顶板破坏失稳的主要原因。

决定组合粱稳定性的主要因素是锚杆的预拉应力、杆体强度和岩层性质。

在没有稳定岩层的薄层状岩层中,通过锚杆的预拉应力,将视为叠合梁的各薄岩层挤紧,提高其自撑能力。决定组合梁稳定性的主要因素是锚杆的预拉应力及杆体强度和岩层性质。



由上述公式可知,当巷道顶板锚杆加固范围内各岩层厚度相同时,组合的最大拉应力及挠度分别是叠合梁应力及挠度的1/n与1/n2 。

由此可以看出预应力锚杆锚固形成的组合梁能大大降低岩石中的应力和减小顶板下沉量。

组合拱理论认为:在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆,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锚杆群,只要锚杆间距足够小,各个锚杆形 成的压应力圆锥体将相互交错,就能在岩体中形成一个均匀的压缩带,即承压拱,这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压,处于三向应力状态,其围岩强度得到提高,支撑能力也相应加大。

兰格(T.A.Lang)通过光弹试验证实了锚索的挤压加固作用。在弹性体上安装具有预应力的锚索时,发现在弹性体内形成以锚索两头为顶点的锥形体压缩区,若将锚索以适当间距排列,使相邻锚索的锥形压缩区相重叠,便形成一定厚度的连续压缩带,如图2-4所示。


由图可见,由于锚杆预应力的加固作用,使得围岩体内形成了连续压缩,如图所示,锥形压缩区的存在表明围岩上部能够紧凑同向处于压缩状态,形成具有一定承压能力的承压拱,从而有效地改善了洞室围岩的应力状态,抑制顶板冒顶塌落。

锚杆预应力对层状顶板的作用机理

在煤矿巷道支护工程中,锚固区整体下沉垮冒,但锚杆实际受力却很小的现象经常发生。锚杆加固围岩、改善巷道围岩应力场的作用并没有完全发挥出来,支护效果受到很大的限制。宄其原因主要是由于锚杆在安装时没有及时施加适当的预应力,从而没有在巷道围岩中形成层状顶板预应力支护承载结构。所谓层状顶板预应力支护承载结构是指:在施工过程中,通过大扭矩钻机或专用张拉机具安装锚杆,及时给锚杆或其它支护构件以很高的张拉力,并传递到层状顶板,使顶板岩层在水平应力作用下处于横向压缩 状态,形成压力自撑结构,从而阻止高水平应力对顶板围岩体的破坏,消除或大大减缓弱面的离层现象,同时减弱两帮围岩的应力集中程度和岩体破坏现象,使锚固区载荷趋于均匀并实现连续传递,从根本上维持围岩的稳定。顶板预应力承载结构作用机理:

(1)锚杆轴向预应力的大小对顶板稳定性具有决定作用。当预应力大到一定程度时,可以使顶板岩层处于横向压缩状态,形成预应力承载结构,提高巷道顶板整体的抗剪强度,使其破坏不向顶板纵深方向发展,从而克服水平应力的破坏。根据锚杆预应力与顶板离层的关系曲线可以看出,巷道顶板的离层随锚杆预应力的减小而大幅度增大。

(2)锚杆参数和预应力的合理配置能够使锚杆长度范围内和锚杆长度范围之外的上覆顶板岩层减少或不存在离层破坏。当锚杆预应力达到一定值后,顶板岩层在不同层位上会出现一定的正应变和负应变,其累计值不足以造成明显的顶板下沉,即预应力结构可以使顶板岩层不出现横向弯曲变形,而只有纵向微小的膨胀和压缩变形。

(1) 当锚杆轴向预应力达到一定程度后,将使巷道顶板垂直压力均化到巷道两侧纵深范围内,预应力顶板垂直压力的应力集中系数也将降低。同时巷道两侧的应力集中现象减小,片帮现象得到缓和,对于巷道两帮的维护将变得相对简单。与无预应力被动锚杆支护的“先护帮,后控顶”原则相对照,高预应力锚杆主动支护的原则是“先控顶,后护帮”,遵循“帮顶同治”的原则。

(2) 水平应力的存在并不一定会影响巷道顶板的稳定,相反在一定条件下水平应力的存在有利于巷道顶板的稳定。当围岩最大水平应力与巷道轴向垂直时,巷道不一定就难以维护,通过对锚杆施加较大的轴向预应力可以充分利用水平应力来维护顶板稳定性;当围岩最大水平应力与巷道轴向平行时,巷道也不一定就容易维护,关键是巷道围岩本身的强度与水平应力的比值以及锚杆预应力的大小。在水平应力大的条件下,高预应力的短锚杆比无预应力的长锚杆会起到更好的支护效果。

通常情况下,人们常常根据巷道围岩的表面位移来判断巷道围岩的稳定性。但是,由于不同的围岩性质和支护条件下,所允许的巷道围岩变形量差别很大,仅以巷道围岩 变形量的大小作为准确判断巷道稳定性的标准是不合适的。层状岩体在水平地应力的作用下,顶底板岩层易于发生剪切破坏,出现离层现象。当巷道顶板围岩产生离层以后,顶板的承载能力将大幅度下降,这不仅影响到支护效果,更直接影响到巷道的安全状况。因此,可以将巷道顶板的离层情况作为判断巷道稳定性所要考虑的指标之一。离层与否是顶板预应力结构形成的基本要素。由于巷道顶板离层情况与顶板预应力承载结构的厚度和承载力具有直接的关系,因而可以将二者统一起来,把合理的锚杆预应力纳入到巷道锚杆支护参数设计之中,以顶板离层情况作为巷道稳定性分析的原则和依据。顶板预应力结构能否形成是判断支护形式合理性的标准,预应力结构的厚度和承载能力是控制巷道变形的关键。工程实践中仅通过调整锚杆预应力的大小,就可以大大改善巷道的支护状况。因此,提高锚杆的预应力是保证巷道稳定性、控制层状顶板岩体软弱面离层最有效、最经济的手段。该手段可以充分发挥高强度支护材料的能力,形成有效的支护强度,为解决层状顶板地下工程的支护难题探索了新的途径。

围岩关键层理论

在巷道顶板上方,存在着厚度不同,强度不同的各类岩层,实践表明,在顶板上方有一层或数层厚硬岩层在整个围岩顶板活动中起着关键控制作用。而它们的破断直接影响巷道围岩矿压、巷道直接顶的变形,以及直接顶上覆岩层离层现象。这种在岩层活动中起主要控制作用的岩层称为关键层。

无论是采厂上还是回采巷道顶板,其上关键层都有如下特征:相对于其他同类岩层单层厚度要厚;相对其他岩层较为坚硬,弹性模量大,强度高;关键层下沉变形时,其上覆岩层同步协调变形;关键层破断将导致上覆全部或局部同时破断,引起较大范围的顶板活动;关键层破断前以板或梁的结构形态承载上覆顶板的主体,破断后则成为砌体 粱结构,继续成为结构主体。

关键层理论的出现提出实现了矿山压力,岩层活动,地表沉陷的有机统一,为更全面的了解顶板活动规律奠定了基础,为巷道顶板的支护研宄提供了新的平台。

锚杆预应力对围岩体的支护特征性

地下洞室开挖后,围岩由原来的三向应力状态迅速转变为二向甚至单向应力状态,稳定下急剧下降,围岩的塑性区和破坏区迅速发展,锚杆预应力在支护围岩体系中起着决定性作用,若围岩得不到及时的主动支护,则稳定性会持续降低,甚至会发生坍塌冒顶等事故。 

经实验研宄测定,锚杆有无预应力对锚,网,喷的支护特征曲线如下:

由图中可以看出,在锚杆无预应力条件下,锚,网,喷在初始位移阶段没有支护力,围岩的承载主要依靠洞室围岩自身的自载能力,锚杆在围岩体中的作用很小,当给锚杆施加预应力之后,可以明显地看出,锚杆的支护特征曲线发生迀移,这就使得,在围岩体支护系统中,锚杆能与围岩体共同协调作用。从理论上讲,施加预应力使得围岩的应力状态改善,由于锚杆预紧力的存在,同时也改变了围岩的各项力学参数,进而使得锚,网,喷,围岩能形成统一的承载体。

 
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