Numerical simulation of the effect of coupling support of bolt-mesh-anchor in deep tunnel

The mechanical effects of bolt-mesh-anchor coupling support in deep tunnels were studied by using a numerical method, based on deep tunnel coupling supporting techniques and non-linear deformation mechanical theory of rock mass at great depths.It is shown that the potential of a rigid bolt support can be efficiently activated through the coupling effect between a bolt-net support and the surrounding rock.It is found that the accumulated plastic energy in the surrounding rock can be sufficiently transformed by the coupling effect of a bolt-mesh-tray support.The strength of the surrounding rock mass can be mobilized to control the deforma-tion of the surrounding rock by a pre-stress and time-space effect of the anchor support.The high stress transformation effect can be realized by the mechanical coupling effect of the bolt-mesh-anchor support, whereby the force of the support and deformation of the surrounding rock tends to become uniform, leading to a sustained stability of the tunnel.

基于Mohr-Coulomb强度准则的锚杆支护效应研究

从围岩与锚杆相互作用的力学特性出发,基于围岩增强理论,采用数值模拟手段,探究锚杆支护作用下隧道开挖后围岩的力学特性,得到围岩特性曲线(GRC曲线)。通过对比各种锚杆支护参数下与未支护状态下围岩特性曲线的差异,建立锚杆密度与围岩收敛降低比例之间的关系。结果表明:锚杆对围岩收敛的限制作用显著,能很好地控制围岩变形,且锚杆密度越大,支护效果越明显,但当锚杆密度大于3时,收敛限制效果开始减弱;锚杆对围岩收敛的约束作用存在极限值,锚杆密度与收敛减低比例之间满足二次函数关系,Ⅳ级围岩限制比例极限为40.9%,Ⅴ级围岩限制比例极限为33.8%;锚杆支护对围岩收敛的约束作用与围岩性质有关,Ⅳ级围岩的约束效果显著优于Ⅴ级围岩。

长锚杆/锚索改善深埋大跨度隧道初支结构受力试验研究

针对深埋大跨度软岩隧道拱脚及拱顶处初支开裂、钢架变形过大问题,提出了局部增设长锚杆或锚索的支护技术,以实现对该类隧道初支结构受力的调节改善。基于课题组自主研发的隧道结构性能测试平台,对比分析了同等围岩荷载作用下系统锚杆支护与多类长锚杆/锚索支护方案的初期支护结构受力变形特征,研究了不同环向间距与布设范围的长锚杆/锚索支护效果。研究结果表明:(1)常规支护时,大跨度隧道初期支护整体呈压扁趋势,拱顶内侧与拱脚外侧承受结构最大弯矩而最先开裂,仰拱内侧拉裂后模型加速变形进而引起结构整体失稳破坏;(2)4种增设长锚杆或锚索支护方案下,初支拱顶处结构安全系数分别为常规支护体系的4.59,2.12,1.96,1.80倍,拱脚处结构安全系数分别为常规支护的5.23,2.80,2.34,2.37倍;(3)在拱部120°范围以2 m环向间距布设长锚杆对初支结构内力改善效果最佳,支护点轴向强拉力产生的局部负弯矩组合效应抵消了拱顶处较大正弯矩;(4)不同位置长锚杆/锚索支护力整体呈从拱顶处至拱肩侧先减小后增大的规律。

基于FLAC^(3D)的不同角度锚杆超前支护模拟及参数优化

锚杆作为一种有效支护措施,被广泛应用于隧道超前支护领域,超前锚杆设计及施作的好坏直接影响着隧道支护效果。基于FLAC^(3D)有限元软件,对0°~<50°不同角度分级锚杆进行了超前支护模拟,在揭露不同角度锚杆超前支护作用下隧道力学效应及其随锚杆角度变化规律的基础上,对支护角度进行了相关优化,最终确定出最佳支护角度。研究结果可为隧道超前支护设计、优化及施工提供理论支撑,具有一定指导意义。

煤矿掘进过程中的巷道锚杆支护技术研究

在煤矿巷道掘进过程中,锚杆支护发挥着至关重要的作用。然而,受复杂地质条件、理论认识不足等因素的影响,当前的锚杆支护存在诸多不足。在深入剖析锚杆支护现状的基础上,从锚杆参数优选、施工质量控制、支护效果评估、智能监测管理等方面入手,提出一系列创新性解决方案,为煤矿掘进巷道锚杆支护技术的智能化发展提供新思路。

两帮实体煤矩形巷道围岩变形力学分析及支护研究

煤矿巷道两帮煤体相对顶底板岩层强度低、可变形性大,两帮煤体变形对巷道围岩整体稳定性有着重要的影响。为了控制煤矿巷道帮部变形量,应用结构力学力法相关原理建立矩形巷道两帮端部为固定端的力学模型,依据材料力学相关知识研究两帮围岩的挠度方程,并分析其挠度变化趋势。结合现有研究成果,进一步计算并比较锚杆间排距在1 200 mm×1 200 mm、1 000 mm×1 000 mm、800 mm×800 mm下的帮部挠度。采用FLAC^(3D)数值模拟软件分析帮部在3种不同支护密度的挠度变化趋势,结果显示锚杆间排距在800 mm×800 mm时效果最好,帮部最大挠度比无支护时减小约34.5%。

基于Pile单元改进模型的锚杆锚固角度效应数值模拟研究

为探究锚杆在不同锚固角度下的受力特征和作用机制,采用Pile单元改进模型建立具有不同锚固角度的锚固结构面数值模型,并开展一系列的单轴压缩数值试验,对锚杆的锚固角度效应进行了系统研究。结果表明:当锚固角较大时,锚固结构面试件加载过程分为4个阶段,而当锚固角较小时仅为3个阶段;随着锚固角的增加,峰值应力整体上先恒定后减小,弹性模量呈非线性降低;锚杆与试件力的相互作用主要分布在结构面与锚杆相交处以及锚杆两端;锚杆的显著变形和受力主要分布在结构面附近,大致为锚杆直径的3~4倍;随着锚固角的增大,锚杆轴力的贡献呈非线性减小,锚杆剪力的贡献呈线性增大,锚杆抗剪力呈非线性减小。

管索组合结构支护新技术及其在深部大变形巷道应用研究

随着煤矿开采深度的增加,巷道围岩应力环境恶化,围岩大变形及锚杆锚索破断问题更加突出,严重影响深部矿井生产安全。为了解决此类问题,本文针对锚杆锚索支护的优点及缺陷,基于管索组合结构与围岩相互作用机理,提出了管索组合结构支护新技术。管索组合结构通过改善锚索自由段结构、优化其受力状态,使锚索具备较高轴向承载力,同时能够防止受岩石错动等横向作用而导致的锚索自由段破断,避免围岩失稳。通过室内剪切试验发现,管索组合结构的最大剪切荷载为普通锚索的1.27倍以上,平均最大剪切位移为普通锚索的1.16倍,表明管索组合结构具有良好的抗剪能力和剪切方向延展特性。基于九龙矿巷道的工程案例,通过现场监测和钻孔探测,分析了原支护方案下巷道的变形破坏特征,并将管索组合结构在深部大变形巷道进行了应用,现场监测结果表明,采用管索组合结构支护新技术能够有效控制围岩大变形。研究结果可为类似深部矿井支护提供参考。

新型拉力分散型锚杆支护参数优选数值模拟研究

为解决传统锚杆无法有效适应深部岩巷复杂应力环境的难题,以某巷道为工程背景,针对1种新型拉力分散型锚杆,基于控制变量试验设计方法,对锚杆长度、锚杆间距、锚杆排距、锚杆直径和锚固长度5个主要参数不同组合方案下的巷道支护进行了数值模拟;分析了巷道围岩的变形和垂直应力的变化,给出了锚杆支护的最优参数以及各参数对巷道围岩变形的控制效果的影响主次顺序。结果表明:基于锚杆参数对巷道围岩的控制作用,优选后的锚杆参数为锚杆长度2.5 m、杆体直径22 mm、锚固长度0.5 m、锚杆间排距0.6 m;通过支护参数优选,可以有效控制围岩稳定性和巷道安全。

FRP锚杆在石膏岩隧道中的支护效果研究

当前穿越石膏层的隧道工程越来越多,因石膏岩具有遇水膨胀、腐蚀性等危害,传统钢锚杆支护效果不理想。FRP锚杆具有轻质高强、耐腐蚀、工艺性优良等特点,将其应用于石膏岩隧道中能够克服钢锚杆劣势。以某穿越石膏层公路隧道为依托,重点研究了FRP锚杆与传统锚杆在石膏岩隧道中的支护效果,从围岩变形、锚杆受力情况、塑性区分布、初期支护应力分布、岩体安全度等方面,对其支护效果进行对比。研究结果表明:在遇水膨胀的石膏岩中,FRP锚杆在控制围岩变形、改善塑性区分布、减少应力集中等方面优于传统锚杆,尤其是在长期运营条件下,耐腐蚀的FRP锚杆可代替传统钢锚杆作为新型支护材料应用于石膏层隧洞支护中。

预应力锚杆支护应力场叠加效应试验研究

基于相似模拟原理,建立了锚杆支护应力场三维形态分布测试试验台,测试了单根锚杆在不同预紧力条件下的支护应力二维和空间分布情况,以及2根锚杆和4根锚杆共同作用时支护应力叠加分布情况。试验测试结果表明,锚杆支护应力在围岩内部形成了压应力区和拉应力区,随着预紧力的增加,压应力区的分布范围显著增大,拉应力区的分布范围相对固定;应力峰值集中在锚杆轴线附近,沿水平方向迅速衰减,导致应力等值面也由密集变稀疏;2根锚杆共同作用时,应力在2根锚杆中间区域叠加明显,10~200 kPa应力等值面的分布面积均有不同程度的增加,但不同应力等值面的分布面积增量差异显著,20~60 kPa应力等值面的增量占比均超过30%,其中40~50 kPa应力等值面的增量占比更是超过40%;当4根锚杆共同作用时,在适宜预紧力的条件下,部分应力等值面以非闭合面的形式分布在锚杆自由段两端,形成一个具有一定厚度的压缩带。

软弱围岩隧道开挖中预应力及全长粘结锚杆的支护效果研究

为了探究锚固支护中全长粘结式和预应力式两种常用的锚杆类型发挥的锚固效果差异,该文结合工程实际,采用数值分析软件开展了隧道开挖支护过程中围岩变形、应力分布特征以及塑性区变化规律的研究。结果表明:预应力锚杆相较于全长粘结式锚杆,可减小20%的围岩变形量;在改善围岩应力状态方面有10%左右的提升,最终对围岩开挖后的塑性区发展可起到有效控制作用。

基于岩层运动并行计算系统的锚杆单元原理、实现及巷道支护效果分析

在自主开发的适于模拟连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化的岩层运动并行计算系统(基于拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法)中,引入了一种能反映轴向和剪切变形的锚杆单元,形成了锚杆模块。2个锚杆节点与之间的构件组成锚杆单元,其本质是在任一种覆盖(将1个四边形单元离散成2个三角形子单元,离散方式有2种,即2种覆盖)中,锚杆节点相对于子单元的位置保持不变。控制循环由CPU执行,密集的计算任务由GPU执行,锚杆模块与其他模块同时执行以获得较高的计算效率。考察了拉拔试验中不同位置锚杆单元轴力的演化规律。随着拉拔的进行,距离拉拔端一定距离内的锚杆单元轴力呈振荡上升趋势,从围岩对锚杆作用的角度对此进行了解释。通过将目前的锚杆轴力分布与基于Mindlin问题的位移解推导出的理论结果进行对比,验证了锚杆单元的正确性。为了研究锚杆单元对巷道的支护效果,以巨野矿区某轨道大巷为背景建立力学模型,得到了有无锚杆支护条件下巷道围岩的变形—开裂—运动过程。研究发现,锚杆单元对于阻碍巷道围岩变形、控制裂纹发展和改善应力分布具有良好的效果,这是由于锚杆长度范围内围岩围压增大导致了围岩承载力提高。目前的锚杆支护条件下的结果(巷道附近破坏区内岩石单元之间的明显裂纹使围岩发生了较大膨胀)比传统连续方法的结果更符合实际。

煤巷锚杆支护效果的多层次模糊综合评价

为合理评价煤巷锚杆支护效果,通过采用层次分析法对影响煤巷锚杆支护效果的地质条件、支护参数、支护工艺、采动影响、掘进速度、经济效益等多种因素进行分析,从而确定各影响因素权重值,建立煤巷锚杆支护效果的多层次模糊综合评价模型,进而对支护效果作出好、较好、一般、差的定量评价,提高对煤巷锚杆支护效果评价的准确性和科学性。利用该评价方法对王家沟煤矿402巷道锚杆支护效果进行评价,分析结果表明其评价结果与实测数据一致。

深埋长隧锚杆对围岩支护效应的模型试验研究

采用新研制的环氧-硅胶系的相似模型材料,在解决一系列制作、安装、测试技术问题基础上,通过在大型真三轴模型试验机上形成相同的边界条件,从而对毛洞和锚杆加固模型、不同锚杆加固深度模型进行对比,得出锚杆加固后对围岩影响的规律,即锚杆加固区的应力较毛洞相应区内的应力均有所提高,而在锚杆加固区外围岩应力渐趋于此处毛洞的应力值;锚杆加固区中的最大应力一般也成了整个隧道围岩应力的最大值或接近最大值;锚杆的锚固作用还使毛洞中出现的拉应力状态转化为加固区内岩体的压应力状态。随着支护深度的加大,洞壁处的径向及切向压应力也在不断提高,从而利于增大岩体稳定性;同时,锚杆支护模型在不同加载级下应力分布趋势相同,也说明一定埋深范围内、不同埋深的软岩洞室中锚杆支护对围岩的影响是相同的;通过支护前后模型的应变差对比看出,在拱顶和拱腰分别形成了曲线和近似直线的径向应变差分布,对比结果为研究锚杆机制中的锚杆剪应力分布提供了试验基础。

锚喷支护及小导管注浆在隧道塌方段中的应用

锚喷支护和小导管注浆辅助支护是隧道新奥法施工中的重要组成部分。通过对锚喷支护和小导管注浆的机理、参数设计进行研究,并以环山坪隧道塌方段为例,对塌方段原设计支护参数进行了优化,并深入分析围岩内空收敛变形监测数据。研究表明:合理的锚喷支护和小导管注浆方案能改善围岩的受力状态,起到加固围岩的作用,为安全的度过隧道塌方段提供保障,同时,也说明了隧道监控量测能反映围岩的变形情况,可以作为一种有效的支护方案效果评价手段。

基于有效锚固层厚度的煤系巷道顶板叠加梁支护理论及应用

通过对巷道顶板岩梁的变形及破坏特征分析,确定了顶板岩层失稳的宏观过程;针对煤系巷道顶板沉积岩层的分层特征,建立了煤系巷道顶板叠加梁力学模型,基于其协调变形及共同承载特性,求解出了叠加梁中各分层岩梁等效承载应力、层间作用力以及锚杆(索)支护强化参数,揭示了锚杆(索)对叠加梁结构的支护作用机理,即优化不同抗弯刚度的各层顶板的承载应力分配,充分发挥各岩层力学承载性能,控制顶板岩层的整体下沉,同时提高叠加梁的黏聚力及变形模量,间接强化整体锚固结构的承载强度。针对顶板叠加梁支护结构在巷道不同服务阶段的失稳条件,提出了煤系巷道顶板支护的“有效锚固”状态以及有效锚固层厚度理念,用于评价巷道支护中锚杆(索)对顶板实际的锚固能力,形成了煤系巷道顶板叠加梁支护理论。基于该支护理论,以皖北煤电集团任楼煤矿Ⅱ7_(3)24S工作面回风巷为工程背景,对其在近距离煤层、采空区下伏成巷条件下进行了顶板支护设计,根据层间距在>6,4~6以及2~4 m的3种不同范围,将该巷道进行了分区,通过对顶板叠加梁结构进行分析与有效锚固层厚度计算,分别确定了在不同巷道区域内采用锚杆与注浆锚索为主的支护技术参数,并结合现场工业性试验验证了该支护方案的合理性与有效性。

强震区软弱破碎千枚岩隧道系统锚杆支护作用效果分析

以在建的穿越5.12强震区发震断裂带的广甘高速公路杜家山隧道为工程依托,选取20 m典型围岩区段为试验段,对有、无系统锚杆时的洞周位移、锚杆轴力、钢拱架内力、围岩与初支接触压力、及其二衬内力进行实测对比分析,探讨锚杆支护作用效果不明显的成因,提出了在强震区软弱破碎千枚岩隧道围岩中采用"钢喷"初期支护的支护方案。研究结果表明:设置锚杆的断面,其锚杆轴力值较小,最终洞周变形值及围岩与初支的接触压力值相对偏大,钢拱架和二衬的安全储备相对不足;锚杆的施工不仅在某种程度上加剧了对深部围岩的扰动,而且还延误了喷射混凝土和钢支撑支护对暴露围岩及时封闭的最佳时机;震后深部围岩的震裂损伤和震裂岩体地下水的渗透性增强,致使围岩松弛区域超过了锚杆设置范围,且锚杆与围岩间的黏结力被削弱。

锚杆支护金属网力学性能与支护效果实验室研究

针对煤矿锚网喷支护巷道金属网选择及联网方式随意性大,严重影响支护质量的问题,采用实验室试验的方法对锚杆支护常用金属网的受力状态、变形状况及支护作用进行了研究。制作了专门的金属网变形破坏试验台和测力金属网,测试了3种金属网在不同支护下提供的最大护表力和挠度,分析了不同联网方式对金属网强度利用率的影响,得出3种金属网的极限承载能力和在不同支护方式下的强度利用率。指出钢筋网的强度利用率极低,联网强度是制约钢筋网充分发挥护表作用的薄弱环节。提出大幅度提高金属网的预张力是提高锚杆支护效果的重要方法和途径。

玻璃钢锚杆在大冶铁矿的应用分析

针对大冶铁矿矿岩接触带和粉矿地带管缝锚杆因腐蚀,易出现孔径变大、端部受力、孔口破坏而失效等问题,从锚固机理、受力特征、力学性能、经济成本4个方面对玻璃钢锚杆能否取代管缝锚杆支护等问题进行了分析论证,并结合现场工业试验进行验证,试验结果表明,玻璃钢锚杆支护效果良好,更适合大冶铁矿的矿岩支护条件,可为类似矿山提供借鉴。