矩形巷道全长锚固锚杆力学模型分析及设计

煤矿开拓大量采用矩形巷道,传统锚杆设计方法通过将矩形巷道等效为圆形巷道对围岩变形进行分析进而确定支护参数,但圆形巷道围岩变形规律与矩形巷道不同,使得锚杆支护设计产生较大误差。依据陕西神木柠条塔煤矿S12001工作面运输巷顶板变形监测结果,建立顶板梁模型,根据弹塑性理论,推导出矩形巷道顶板下沉变形计算式,进一步对全长锚杆进行受力分析并提出其设计方法。研究结果表明:巷道顶板表面跨中部位竖向变形最大,向岩体内部以及巷道两帮逐渐减小;锚杆上剪应力以中性点为界,锚杆两端剪应力方向相反,最大剪应力在靠近巷道一端,锚杆轴向拉应力在中性点处最大,锚杆两端为0。通过对S12001工作面运输巷顶板进行支护设计,经计算发现各支护参数均符合生产要求,将理论计算的顶板围岩变形量与现场监测结果进行对比,对模型可靠性进行了验证。

基于软岩巷道围岩峰后变形的全长锚固锚杆力学特征分析

采用全长锚固锚杆对巷道支护时,高应力软岩的连续变形引起锚杆内力分布产生复杂变化。为探究全长锚固锚杆承载特征,特别是杆体由正常承载到临界及脱黏承载时的力学特性演化规律,以巷道开挖面空间效应下的围岩二次释放位移为基础,考虑围岩塑性阶段的强度软化和体积扩容特征,建立锚杆-围岩在正常支护、临界支护和滑移脱黏3种典型工况下的相互作用模型,推导出锚杆轴力与锚固界面剪应力沿杆长分布的解析解,并系统地分析滞后支护距离(支护时机)、扩容系数、锚杆长度、残余剪切强度、托盘反力等对杆体内力分布规律的影响。研究结果表明:(1)在正常支护工况下,锚杆内力分布符合中性点理论。锚杆轴力由孔口沿杆体快速上升,在中性点处达到峰值后向着孔底呈现指数衰减特征,锚固界面剪应力在孔口至中性点部分由最大值快速衰减至0,之后沿杆体先增大后减小,中性点两侧的剪应力方向相反。锚杆轴力和锚固界面剪应力均随着滞后支护距离的增加而减小,随着扩容系数、锚杆长度的增加而增大。(2)在支护临界工况下,锚杆中性点移动至孔口,轴力在孔口处达到最大,并沿杆体向孔底方向快速衰减为0;锚固界面剪应力呈“拱形”分布,杆体两端剪应力为0,方向指向孔底,对围岩产生明显的压应力作用。在较软弱围岩条件下,较早支护时机和较大锚杆长度均有利于快速提高锚杆锚固力,但杆体易在孔口附近发生破断。(3)在滑移脱黏工况下,锚杆孔口处的脱黏范围与扩容系数、锚杆长度呈正相关,与残余剪切强度呈负相关。随着滑移脱黏范围增加,中性点向孔底侧偏移,锚固界面剪应力分布演化为“双峰”曲线,轴力集中程度显著降低,对围岩的有效压应力作用减小;锚固界面滑移脱黏导致杆体的载荷传递能力极大减弱,锚杆锚固能力难以有效发挥,通过施加托盘可使锚固界面上产生开裂的应力及时转移至托盘上,从而有效抑制滑移脱黏现象。