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(完好版)锚杆支护理论
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锚杆支护理论
锚杆支护理论研究的目的是弄清楚锚杆、锚索与围岩之间的互相作用关系,从而为锚杆支护设计供给理论基础。
第一节锚杆支护构件的作用
锚杆支护由锚杆杆体、托板和螺母、锚固剂、钢带及金属网等构件构成,锚杆支护的作用是
由这些构件共同完成的。
一、锚杆杆体的作用
关于锚杆杆体自己来说,因为杆体长度方向的尺寸远大于其余两个方向的尺寸,所以力学上
属于杆体。这类构件主要可以供给双方面的作用,一是抗拉,二是抗剪。至于杆体的抗弯能力和抗压能力是特别小,可忽视不计。
1、锚杆的抗拉作用
锚杆杆体所能承受的拉断载荷计算:
式中P—锚杆拉断载荷,N;
d—锚杆直径,mm;
—锚杆钢材抗拉强度。
2、锚杆的抗剪作用
锚杆杆体所能承受的剪切载荷计算:
式中Q—锚杆剪切载荷,N;
d—锚杆直径,mm;
—锚杆钢材剪切强度。
二、锚杆托板的作用
一是经过给螺母施加必定的扭矩使托板压紧巷道表面,给锚杆供给预紧力,并使预紧力扩散到锚杆四周的煤岩体中,从而改进围岩应力状态,克制围岩离层、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;
二是围岩变形使载荷作用于托板上,经过托板将载荷传达到锚杆杆体,增大锚杆的工作阻力,
充发散挥锚杆控制围岩变形的作用。
托板力学性能应与锚杆杆体的性能般配,才能充发散挥锚杆的支护作用。托板强度不足、安
装质量差、受较大偏载都会明显降低锚杆的作用。
关于端部锚固锚杆,托板是锚杆尾部接触围岩的构件,经过托板给锚杆施加预紧力,传达围
岩载荷至锚杆杆体,托板自己无效,以及托板下方的围岩松懈零落,以致托板与表面不紧贴,
都会使锚杆失掉支护作用。
托板对全长锚固锚杆的受力分布有明显的影响。无托板时锚杆轴力在巷道表面处为零,在一
定深度达到最大值,剪力在轴力最大处为零;有托板时,因为锚杆施加的预紧力和围岩经过
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必定值,并且使锚杆轴力最大
的地址向孔口挪动,更凑近巷道表面。
三、锚固剂的作用
锚固剂的作用是将钻孔孔壁岩石与杆体粘结在一起,使锚杆发挥支护作用。同时锚固剂也具
有必定的抗剪与抗拉能力,与锚杆共同加固围岩。
1、锚固剂的粘结作用
在拉拔作用下,杆体锚固段剪应力分布为负指数曲线。
2、锚固剂的抗拉与抗剪作用
,抗剪强度一般可取35MPa。
3、端部锚固与全长锚固的差异
关于端部锚固锚杆,锚固剂的作用在于供给粘结力,使锚杆能承受必定的拉力。关于全长锚
固锚杆,锚固剂的作用比较复杂,主要有双方面:将锚杆杆体与钻孔孔壁粘结在一起,使锚
杆跟着岩层挪动承受拉力。当岩层发生错动时,与杆体共同起抗剪作用,阻挡岩层发生滑动。
关于端部锚固锚杆,杆体各部位的应力和应变相等。
在锚固范围内,任何部位岩层的离层都
均匀地分别到整个杆体的长度上,
以致杆体受力对围岩变形和离层不敏感,
支护强度低。对
于全长锚固锚杆,这类分别是不行能的,
以致应力、应变沿锚杆长度方向分布极不均匀,离
层和滑动大的部位锚杆受力很大,
杆体受力对围岩变形和离层很敏感,
能及时克制围岩离层
滑动,支护强度高。这是端部锚固锚杆与全长锚固锚杆的根本差异。
四、钢带的作用
钢带是锚杆支护系统中的重要构件,
对提升锚杆支护整体支护成效、
保持围岩的完好性起着
重点作用。其作用主要表此刻以下
3方面:
1、锚杆预紧力和工作阻力扩散作用。
2、支护巷道表面,改进围岩应力状态作用。
3、均衡锚杆受力,提升整体支护作用。
五、网的作用
1、保护锚杆之间的围岩,防范破碎岩块垮落。
2、紧贴巷道表面,供给必定的支护力,必定程度上改进巷道表面岩层受力状态。同时,将
锚杆之间岩层的载荷传达给锚杆,形成整体支护系统。
3、网不但能有效控制巷道浅部围岩的变形和破坏,并且对深部围岩也有优异的支护作用。
有的巷道固然表面围岩已破坏,
但没有松懈、垮落,网作为传力介质,使巷道深部围岩仍处
于三向应力状态,提升岩体的节余强度,
明显减小围岩松懈、
破碎区范围,同时保证了锚杆
的锚固成效。
第二节
锚杆支护理论
锚杆支护是一种主动支护形式,
它是经过锚杆及其辅助构件与锚固范围的围岩形成锚固结构
体,利用锚杆的横向作用提升锚固范围岩体的强度参数,
锚杆的轴向作用改变锚固范围岩体
的应力状态,从而达到提升巷道稳固性的目的。
跟着锚杆支护工程实践的不停丰富,
锚杆支护的理论计算模型已有好多有价值的成就。
这些
理论都是以必定的假说为基础的,
各自从不一样的角度、不一样的条件论述锚杆支护的作用机理,
并且力学模型简单,计算方法简略易懂,
适用于不一样的围岩条件,获取了国内外的认可和应
用。
目前,较成熟的理论主要可归纳为三大类:
一、基于锚杆的悬吊作用而提出的悬吊理论、减跨理论。
1、悬吊理论
锚杆上端锚固在围岩内部较坚硬的岩石中,把一层或几层稳固
(或不稳固)且比较平而薄的直
接顶板经过锚杆下端的托板及螺栓,
锚固在比较坚硬的岩层上,
从而起到了悬吊作用。
锚杆
的悬吊作用理论能很好地解说锚杆长度范围内存在稳固岩层的状况,
但不可以说明柔软岩层高
度超出锚固范围状况下的锚杆作用机理。
只适用于巷道顶板,
不适用于帮、底。且挖掘巷道
的顶板在必定范围内,一定有坚硬稳固的岩层。当跨度较大的软岩巷道中普氏拱高常常超出
锚杆长度,或顶板柔弱岩层较厚,
围岩破碎区范围较大时,
没法将锚杆锚固到上边坚硬岩层
也许未松动岩层上,悬吊理论就不适用了。
2、减跨理论
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包含双方面的内容:一是基于松懈介质的自然冒落拱理论提出的锚杆作用原理,其依照是冒落拱高度与跨度成正比关系,以为利用锚杆的悬吊作用可增添顶板岩层的支点,从而减小支
点间的跨距,从而达到降低冒落拱高度、减小所需支护强度的目的;二是基于梁的理论而提出的锚杆作用原理,即当巷道顶板为层状岩层时,其变形特征近似于梁的性质,此时锚杆的
作用是缩短梁的跨距,以减小此中的横向应力产生的弯矩及弯矩产生的曲折应力,特别是弯
曲拉应力,从而提升顶板的稳固性。从以上两种状况可以看出,减跨理论中的锚杆作用机理以及适用条件与悬吊理论等同,即需要以稳固岩层或稳固岩层结构为依赖。
二、基于锚杆的挤压加固作用而提出的组合梁理论、加固拱理论以及楔固理论。
1、组合梁理论
经过锚杆的轴向作用力将顶板各分层压紧,以增强各分层间的摩擦作用,并借助锚杆自己的
横向承载能力提升顶板各分层间的抗剪切强度以及层间粘结程度,使各分层在弯矩作用下发生整体曲折变形,表现出组合梁的曲折变形特色,从而提升了顶板的抗弯强度。适用于顶板由多层厚度小的连续性岩层构成的巷道支护。巷道帮、底不可以应用。
2、加固拱理论(挤压加固理论)
经过系统的部署锚杆,使巷道拱顶节剪发育的岩体串通在一起,
沿巷道的断面形成一个连续
的拥有自承受能力的拱形压缩带,
使岩层获取补强,成为一个整体结构,
支承其自己重量和
上部的顶板压力。关于平顶巷道的层状连续性顶板而言,挤压加固理论等同于组合梁理论,
此时,锚杆的挤压加固作用既可使层状顶板形成组合梁结构,
从而提升了其抗弯强度,又可
改进岩层的应力状态,使岩层沿平行于岩层层理方向的抗压强度获取提升。
本理论适用性较
强,几乎适用于全部的围岩条件。
3、楔固理论
主若是针对巷道围岩中的围岩有时会沿此中的弱面滑移而提出的围岩加固理论。
当巷道围岩
中的部分岩体被此中的弱面切割为块体时,
其稳固性状况必定程度大将取决于对重点块体的
保护状况,因为这类条件下围岩的失稳大多因因为重点块体的失稳。
对此可将锚杆沿与弱面
订交的方向部署,并借助锚杆的抗拉、抗剪、抗弯等作用防范围岩发生滑动甚至离开岩层而
冒落,从而保持巷道围岩的整体稳固性。
三、综合锚杆的各种作用或基于特别条件而提出的最大水平应力理论、
围岩松动圈理论、围
岩强度增强理论、锚杆桁架支护理论、锚固均衡拱支护理论、锚注支护理论。
1、最大水平应力理论
巷道围岩的水平应力有时会大于垂直应力,
此时,巷道顶、底板的稳固性主要受水平应力的
影响;水平应力拥有明显的方向性,
巷道轴向与最大水平应力之间的夹角不一样,
水平应力对
顶、底板稳固性的影响程度也会有所差异:
①与最大水平应力方向平行的巷道受其影响最小,顶、底板稳固性最好;
②与最大水平应力方向成锐角的巷道的顶、底板变形破坏倾向巷道的某一帮;
③与最大水平应力方向垂直的巷道受其影响最大,顶、底板稳固性最差。
基于该理论,英国学者研究发现,在深部开采的高应力环境下,最大水平应力的作用使顶、
底板岩层发生剪切破坏而出现错动和膨胀,
造成围岩变形,跟着变形的发展,顶板对支护的
载荷迅速增添,并使支护系统发生破坏。
在这类作用下,锚杆的作用应当是在顶板变形的早
期阶段提升其稳固性,
以控制顶板后期变形的严重程度。
即锚杆的加固应在顶板岩层发生松
动膨胀变形从行进行,
而不是等顶板已经松动破坏、
几乎丧失自承能力后才被动地承受围岩
压力。同时,应充分重视垂直应力对两帮的影响:
顶板锚固后,两帮垂直应力集中区更凑近
巷帮表面,控制两帮破坏,防范顶板有效跨度超出顶板锚杆的有效支护范围,
对围岩稳固极
为重要。
2、围岩松动圈支护理论
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基于巷道围岩状态特色的研究,董方庭教授等提出了松动圈支护理沦,并提出了关于锚杆作用机理的动向解说。以为在矩形巷道围岩中,锚杆除了可以发挥悬吊作用之外,形成组合拱是其主要的支护作用,即破碎顶板在锚杆锚固力作用下可以形成拥有必定强度和厚度的锚固
层,跟着顶板的下沉变形,锚固层将达到新的均衡状态,形成压力拱或称之为裂隙体梁式的均衡结构。
3、围岩强度增强理论
经过对处于不一样物性状态岩体加锚前后的力学性质的研究,侯朝炯教授等提出了巷道锚杆支
护围岩强度增强理论。巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固地域岩体互相作用,并形成一致的承载结构;锚杆支护可以提升锚固体强度破坏前、后的力学参数,改进锚固体的力学性能;
锚杆作用可以提升围岩各状态下的强度值,使巷道围岩强度获取增强。经过对巷道底臌机理的深入研究,侯朝炯教授提出了加固巷道帮、角控制底臌的理论及方法,为巷道底臌的防治供给了一条有效、适用的门路。
4、锚杆桁架支护理论
出现于20世纪60年代,人们经过对其支护机理的研究以为桁架锚杆的作用原理属于挤压加固一类,锚杆桁架对巷道围岩的加固作用主要表此刻以下三个方面:
①改变巷道顶板的应力状态。即跟着锚杆桁架预紧力的增添,顶板中部的拉应力将减小,甚至出现压应力,使顶板不受拉应力,从而填充岩体抗拉强度较小的短处;②促进顶板裂隙体梁的形成。当巷道开挖在层状岩体中时,顶板的破坏和变形可以用“岩梁”理论来解析,它的稳固性取决于裂隙体梁的成拱作用;
③提升顶板裂隙体梁拱座处的抗滑动性能。依据静力均衡原理,当岩梁拱座处的抗剪切能力过低时,顶板将发生整体剪切滑动。桁架预紧力引起的主动作用将与拱座处的水平推力叠加,
增大了该危险部位岩石或不连续面的摩擦阻力,从而提升顶板裂隙体梁在拱座处的剪切强度。
5、锚固均衡拱支护理论
依据困难条件下锚杆支护成拱的重要作用,煤炭科学院北京开采研究所的林崇德高工提出了
锚固均衡拱支护理论。其主要内容包含:①煤巷柔弱顶板岩层在矿山压力作用下经历压缩变
形的过程;②锚固岩层没有整体达到塑性破坏从前,顶板岩层仍可视为岩梁;③锚固岩层整
体进入破坏阶段后,岩层已经不是一个连续体;④锚固支架能否拥有较大的承载能力和变形
能力,取决于顶板岩层的力学性质和锚杆的成拱作用大小;⑤锚固支架形成锚固均衡拱的重点是经过锚杆的作用保持锚固岩层的整体性。
6、锚注支护理论
经过对软岩巷道围岩控制方法的研究,
陆士良教授提出了外锚内注式的支护方法。
以为软岩
巷道围岩的破碎范围及变形量都很大,
传统的刚性支护难以适应,
而单纯的锚杆支护或组合
锚杆支护欲使破碎岩体处于挤紧状态,
从而形成均衡拱也难以实现。
关于节理裂隙发育的软
岩,采纳注浆的方法可以改变其松懈结构,
提升粘结力和内摩擦角,
提升围岩的整体性和强
度系数,从而形成一个注浆加固圈,为锚杆供给靠谱的着力基础,使其可以充发散挥悬吊、
组合等基本功能,对注浆加固圈以下的松碎岩石起到支护的作用。
这类支护方式的提出极大
地拓宽了锚杆支护技术的应用范围。
第三节
锚杆支护机理重点
1、锚杆支护的主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等
扩容变形与破坏,使围岩处于受压状态,
克制围岩曲折变形、
拉伸与剪切破坏的出现,
最大
限度地保持锚固区围岩的完好性,
减小锚固区围岩强度的降低,
使围岩成为承载的主体。
在
锚固区内形成刚度较大的预应力承载结构,
阻挡锚固区外岩层产生离层,同时改变围岩深部
的应力分布状态。锚杆支护对岩石的弹性变形、峰值强度从前的塑性变形控制作用不明显,
要求支护系统应拥有必定的延伸性,
使围岩的弹性变形、产生明显扩容变形从前的塑性变形
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得以开释。
2、锚杆支护系统的刚度十分重要,锚杆预紧力及其扩散起着决定性作用。依据巷道条件确
定合理的预紧力,并使预紧力实现有效扩散是支护设计的重点。单根锚索预紧力的作用范围是很有限的,一定经过托板、刚度和金属网等构件将锚杆预紧力扩散到离锚杆更远的围岩中。
特别是关于巷道表面,即使施加很小的支护力,也会明显克制围岩的变形与破坏,保持顶板的完好。护表构件在预应力支护系统中发挥极其重要的作用。
3、锚杆支护系统存在临界支护刚度,即使锚固区不产生明显离层和拉应力区所需要支护系
统供给的刚度。支护系统刚度小于临界支护刚度,围岩将长远处于变形和不稳固状态;相反,支护系统的刚度达到或超出临界支护刚度,围岩变形获取有效克制,巷道处于长远稳固状态。
支护刚度的重点影响要素是锚杆锚杆预紧力,所以存在锚杆临界预紧力值。当锚杆预紧力达到必定数值后,可以有效控制围岩变形和离层,并且锚杆受力变化不大。
4、锚索的作用主要有双方面:其一是将锚杆支护形成的预应力承载结构与深部围岩相连,
提升预应力承载结构的稳固性,同时充分调动深部围岩的承载能力,使更大范围内的岩体共同承载;其二是锚索施加较大的预紧力,给围岩供给压力,使锚杆形成才压力区组合成骨架网状结构,主动支护围岩,保持其完好性。
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