锚杆不同护表构件支护应力场分布规律试验研究

针对煤矿井下锚杆支护系统中各护表构件与围岩相互作用关系缺乏定量性研究等问题,测试了100 kN预紧力时2根锚杆共同作用下,6种常用护表构件在围岩表面以及内部的支护应力的分布规律,并从应力扩散角度,给出了护表构件选型建议。研究结果表明:在围岩表面,锚杆尾部附近各会形成一个压应力集中区,压应力集中区又可分为核心区和边缘区,压应力核心区应力值大于200 kPa,边缘区压应力值介于10~200 kPa之间,相比于应力核心区,边缘区应力分布范围更易受构件类型影响;W钢护板、W形钢带、M形钢带和π形钢梁产生的10 kPa应力可以将锚杆尾部附近的2个独立应力集中区连接起来,并形成一个具有一定宽度的连续条带,产生群锚效应;护表构件对10~200 kPa的压应力在围岩表面和围岩内部的分布范围具有明显影响,但对大于200 kPa的压应力和拉应力的分布范围影响较小;在距离围岩表面1 m范围内,W形钢带、M形钢带、π形钢梁可以明显增加20~60 kPa的应力分布面积,但当距离超过1 m时,20~60 kPa的应力分布面积又要比托盘时有所降低;最后从支护应力扩散角度,对护表构件的应力扩散效果从优到劣进行了排序。

基于支护预应力场的松软围岩锚杆支护护表构件优选

针对石窟煤业松软围岩锚杆支护效果差的问题,采用实验室仿真试验对钢筋托梁、W钢护板2种护表构件的支护预应力场进行监测,得出各护表构件在支护围岩各区域的应力分布差异。试验结果显示,锚杆支护预应力场沿杆体由上至下形成“拉—压—压”的应力集中区分布格局,因表面接触方式不同,2种构件支护预应力场主要在围岩浅部压应力作用区域产生差异;在100 kN预紧力下,钢筋托梁、W钢护板的支护预应力在围岩表面峰值分别为0.8、0.6 MPa,W钢护板产生的0.15、0.05 MPa压应力区域面积较钢筋托梁分别增加41.67%、21.69%。W钢护板支护预应力在围岩表面分布更为平均,预应力整体扩散范围更高,可有效适应于松软围岩。将试验结论在现场进行了工业性试验,获得了较好的支护效果。

冲击载荷下锚杆护表构件力学响应规律研究

为了揭示锚杆护表构件的抗冲击力学性能,从而为冲击地压巷道锚杆支护中护表构件的选择提供设计依据,采用落锤冲击试验装置开展煤矿常用托盘及其组合构件力学响应试验研究,分析护表构件的冲击力及变形特征。托盘冲击力时程曲线呈现急剧震荡加载、震荡稳载和迅速卸载3个阶段,冲击力以波动的形式围绕冲击力均值上下浮动;冲击力峰值随托盘面积增大而降低、随高度增加而增大。随着冲击能量增加,托盘冲击力峰值和均值均呈增大趋势,明显高于静载下托盘承载力,而锚索和锚杆托盘作用时长变化呈相反趋势,单次落锤冲击下托盘作用时长均不超过8 ms。低能量循环冲击下,托盘承载力趋于稳定,最终承载力随单次循环能量增加而增大,拱位移随循环次数呈线性增加。总冲击能量恒定时,低能量循环冲击下托盘最终承载力低,总变形量小。锚杆托盘与W钢护板组合构件冲击力时程曲线对称性好、作用时程长、震荡幅度弱,且总变形量小,抗冲性能优于单一托盘,表明W钢护板能够起到降低冲击震荡幅度、改善组合构件承载特性的作用。试验获得煤矿常用托盘抗冲能量值,抗冲能量高低与托盘拱部结构有关,由其拱厚度、拱高和面积决定。