锚杆钢-木组合托盘极限承载力学性能研究

为降低动压冲击对支护系统的破坏,适应大变形巷道的需要;基于球壳结构理论构建锚杆拱形钢托盘承载力学模型,给出钢托盘最大承载力计算式,分析钢托盘各参数尺寸对其承载力的影响关系,研究木托盘压缩实验特征;通过Abaqus软件对钢托盘与组合托盘开展有限元静态力学强度实验,对比分析钢托盘与组合托盘受压状态下的不同特征,分析让压距离对组合托盘承载性能的影响规律。结果表明:对钢托盘承载力的影响顺序为拱高>拱底圆半径>孔口半径,拱高与承载力服从对数增加关系,拱底圆半径、孔口半径与托盘承载力基本成线性增加关系;钢-木组合托盘中木托盘先受力,并经历了压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段,木托盘被压缩可降低钢托盘30.03%的承载受力,组合托盘的应力-位移曲线右移,组合托盘的极限承载力增加;钢托盘受压破坏从孔口处开始,基本成圆形向四周扩展,托盘底部四边中间区域与四角区域形成的高应力差是导致托盘四角破坏的主要原因。

特厚煤层大巷变形破坏特征及控制技术研究

针对特厚煤层大巷变形破坏特征分析及控制技术难题,以砚北煤矿二水平回风大巷为研究背景,在分析巷道围岩地质力学测试及围岩变形破坏特征与机理的基础上,提出了全断面注浆加固与高预应力支护综合围岩控制技术,制定了煤层大巷修复加固具体实施方案,并确定了相应的技术参数,开展了井下工业试验,试验结果表明:修复加固后35 d左右巷道变形趋于稳定,两帮最大位移量63.5 mm,顶底板最大移近量79.8 mm;注浆后水泥浆液与巷帮煤体裂隙及破碎区充分胶结,围岩裂隙明显减少,钻孔成型效果显著提高。研究表明采用高预应力锚杆支护及全断面注浆加固后,在巷道围岩内形成锚注加固体,提高了巷道围岩稳定性与抗变形能力以及浅部锚杆(索)锚固基础力学性能,巷道围岩变形得到有效控制。

基于总安全系数法的系统锚杆支护承载能力试验研究

鉴于隧道现行规范缺乏系统锚杆支护的承载能力分析方法,总安全系数法提出了锚−岩承载拱的荷载结构模型与承载力计算方法,在理论上实现了锚杆的量化设计,但缺少试验验证。基于此,从结构试验角度研制了大型隧道结构模型试验系统,开展了毛洞与不同间距系统锚杆支护下的锚−岩承载拱结构承载试验。通过监测围岩内部应力−应变、隧道位移与锚杆应变,分析了围岩与锚杆材料的破坏状态与破坏荷载,研究了锚−岩承载拱变形与受力特征、锚杆轴力分布。对比分析了模型试验的结构承载力与总安全系数法理论下锚−岩承载拱的计算承载力。研究结果表明:锚杆能有效地与围岩协同承载,显著增加围岩的侧限力,提高围岩抗压强度与承载能力;试验得到的锚−岩承载拱承载能力与理论计算结果较为吻合,表明了总安全系数法的锚−岩承载拱计算模型是合理的,并具有合适的安全性。

软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与工程实践

软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与装备是煤矿安全高效开采以及智能化建设的迫切需求。以具备膨胀性、节理化等软岩特征的煤矿回采巷道工程为背景,梳理了国内外掘锚一体机快速掘进技术发展现状,剖析了软弱围岩条件下掘锚一体机快速掘进面临3个方面的难题,包括全宽截割对围岩的扰动控制,软弱围岩及时高效永久支护,软弱围岩快速掘进煤帮临时支护。提出了软弱围岩掘锚一体化快速掘进的5项关键技术,包括:(1)低扰动截割技术。主要包括椭型全宽截割滚筒、截齿排布优化、截割动力学优化等。(2)减小空顶空帮距的及时支护技术。该技术是在掘锚一体化技术基础上,研制了集双圆柱导向、多连杆升降、支护油缸撑顶撑底、随动挡矸帘防护于一体的多钻机整体滑移平台,将掘锚一体机作业空顶距由2.5 m降至1 m,作业空帮距由3.5 m降至1 m。(3)软弱围岩多维度协同支护技术。综合考虑锚杆锚索支护参数间的时空协同效应和支护体与围岩的协同效应,掘进工作面采用低密度强力锚杆支护控制顶板,后部同步实施增强永久支护。(4)钻锚一体化技术。主要包括锚杆结构和力学特性、锚固剂材料及泵注技术等。(5)煤帮喷涂临时支护技术。主要包括快反应高延伸率喷涂材料、高比例精度喷涂泵送、不规则煤壁表面自适应轨迹控制、矿用防爆高精度机械臂、喷涂材料配套补给等。基于以上内容,研制了可控作业空顶距掘锚一体机,并进行了井下试验。试验表明,该装备有效缩短了作业空顶距和空帮距,实现了作业空顶距“可控”,适应于软弱围岩巷道快速掘进,掘进效率提高了1倍。

地震力作用下基坑抗震极限分析

为揭示塑性极限状态下考虑地震力影响的基坑抗震破坏乘数变化规律,文章以某基坑工程为例,运用极限分析原理,对其抗震性能进行分析。结果表明:极限分析解较传统有限元解小且二者相差不大;基坑对各方向的地震加速度的承受能力不同,其中对竖直向的地震加速度承受能力最强;在地震力作用下,钻孔灌注桩和碳素钢锚杆会发生弯折破坏;随着锚杆数量和钻孔灌注桩深度增大,基坑抗震破坏乘数也逐渐增大。

软土地层隧道围岩分区初期支护技术研究

软土地层通常具有较低的承载力和较高的压缩性,隧道开挖过程中极易发生变形和坍塌。为了控制围岩的变形和破坏,确保施工安全,提出软土地层隧道围岩分区初期支护技术。通过合理规划围岩压力监测点,采集压力数据;利用简化的锚杆、钢架及岩体结构面,构建初期支护本构模型;计算锚杆与钢架的最佳间距和长度,并以此为依据设计复合支护结构,实现围岩分区初期支护。结果表明:所提方法隧道沉降位移较小、塑性区分布面积较小。体现了支护技术的有效性,具有较好的应用价值。

既有隧道不同扩挖宽度下锚杆参数的优化

以黄山洞隧道工程为依托,通过对现场数据的监测和利用有限元分析软件Midas GTS NX进行数值模拟,分析了不同扩挖宽度下隧道拱顶沉降值、周边收敛值和围岩有效应力变化的规律,并改变锚杆的长度和锚杆间距,分析在不同锚杆长度下围岩有效应力、衬砌应力以及锚杆应力的变化规律,确定了不同扩挖宽度下最优的锚杆长度和锚杆间距.研究结果表明:随着扩挖宽度的增加,围岩有效应力由大至小依次为拱脚处压应力、拱腰处压应力、拱顶处压应力和仰拱处拉应力;拱顶处压应力随扩挖宽度的增大而减小,拱腰处压应力随扩挖宽度的增大而增大,但增大趋势不明显;受单侧扩挖方式的影响,扩挖侧的应力大于非扩挖侧;拱脚处受到应力集中的影响,其压应力随着扩挖宽度的增大而增大;扩挖宽度为1.5~2.5 m时的最优锚杆长度和间距分别为2.5 m和1.7 m,扩挖宽度为3.5~4.5 m时二者分别为3.0 m和1.2 m.

巷帮煤体整体滑脱型冲击地压锚杆防冲支护原理及工程实践

冲击地压是目前严重影响煤炭安全有效开采的灾害之一,研究锚杆防冲支护原理和技术对防治巷道冲击地压灾害具有重要意义和价值。通过对巷帮煤体整体冲入型冲击地压发生的地质条件以及破坏特征进行总结分析,认为坚硬顶板与坚硬煤层是此类型冲击地压的重要地质特征,而巷帮煤体整体滑脱是其主要冲击破坏特征。在此基础上,以巷帮滑脱煤体为研究对象,建立了顶板-巷道-底板复合结构体力学模型,建立了巷帮煤体发生水平滑移的极限平衡方程,并对各个参数进行分析。结果表明:由于顶板反弹使巷帮煤体竖直方向压力降低,巷帮煤体被构造应力推入巷道发生冲击地压。基于该发生机制模型,认为目前的锚杆支护设计体系在防治巷帮煤体冲入型冲击地压存在不足,并基于其发生和破坏特征,建立了针对巷帮煤体整体滑脱型冲击地压的锚杆防冲支护设计原则,即将顶和底帮锚杆锚固端分别穿层打入稳定的顶底板内,并使用长锚索取代中部帮锚杆,提供锚杆支护的防冲作用。基于新建立的锚杆防冲支护设计方法,以大屯矿区孔庄煤矿7305工作面防冲支护为工程背景,在宽煤柱段巷帮锚杆支护采取了防冲设计,帮顶、底部锚杆及补强锚索均锚固于顶底板内部,能够有效吸收煤体滑动动能,提高安全性。

节理发育区巷道锚杆支护参数优化研究

在节理发育区的地下硐室和巷道开挖过程中,锚杆支护会对巷道围岩应力分布有显著影响。为研究锚杆对巷道围岩主应力状态的影响,采用FLAC3D软件对锚杆支护下的巷道围岩稳定性进行了模拟研究。基于HYPERWORKS软件开发了一种分析应力重分布结果的处理方法,以克服在应力分布图中难以直接观察锚杆支护影响的问题。结果表明:锚杆支护作用能提高最小主应力,围岩承载性能明显增加;对于在硐室顶板、底板和四周侧墙安装的3种支护形式,最大主应力增量分别为3.61、6.28、6.88 MPa;锚杆预应力、长度和数量均会对围岩应力重分布造成影响。根据数值模拟结果对巷道锚杆支护参数进行了优化,优化后的锚杆预应力、长度和数量分别为60 kN、2.0 m和5根,优化后的锚杆支护设计能够有效提高巷道围岩稳定性。

浅埋大跨岩质隧道主动支护作用机制研究与应用

预应力锚杆主动支护技术在隧道工程的应用日益增多,但其对浅埋大跨岩质隧道的适用性及作用机制尚未明确。以青岛地铁暗挖车站为依托工程,开展调研分析、数值计算和模型试验,对比分析预应力锚杆与非预应力锚杆对块状围岩的支护作用,从围岩应力补偿、块体围岩挤压成拱和危险块体控制3个方面研究浅埋大跨岩质隧道主动支护作用机制及理论模型,并进一步开展现场应用。结果表明:原支护方案主要沿用了土质隧道支护理念,对岩质围岩自承能力的认识和利用不充分;锚杆预应力(100 kN)使围岩拉应力区消失、塑性区大幅度减小,并使围岩结构面的法向挤压接触应力提高约0.2~0.3 MPa,有效控制结构面两侧岩体的滑移错动,提升了隧道围岩整体稳定性;建立的主动支护理论模型将传统主动支护应力补偿对象由开挖面聚焦至岩体结构面;主动支护新方案较原支护方案的支护材料减量约30%,工期缩短约17%,隧道沉降量减小约50%。

土-岩组合地基变截面锚杆承载性能与机制研究

以山区输电线路工程为背景,针对实践中广泛遇到的上土下岩二元层状地基,提出了一种变截面锚杆技术,其原理为通过增大上覆土层中锚杆的截面积,达到充分利用上覆土层和下部岩层承载力的目的。为检验变截面锚杆的性能,采用现场真型试验和数值模拟相结合的手段,探讨了其承载力提升机制,分析了不同因素对承载特性的影响规律。研究表明,较等截面锚杆,变截面锚杆的上拔、下压以及水平承载力均有所提升。其中,水平承载性能提升效果最显著。场地覆土层厚度对锚杆上拔承载力影响较大,对下压和水平承载性能影响较小。场地地形坡度对锚杆水平承载性能有较大影响,二者呈负相关。此外,“上拔荷载+水平荷载”模式下,变截面群锚基础的承载性能优于等截面群锚基础和传统复合基础,且具有土方开挖量小以及更适用于斜坡地形的优点。研究成果可为该新型基础的推广应用提供技术支撑。

锚杆锚固区承载层范围影响因素研究

针对锚杆支护中锚固区承载层范围与其影响因素之间的关系问题,采用理论分析与数值模拟开展了相关研究。首先,采用理论分析明确了锚杆锚固区承载层厚度b与锚固承载层边界的支护强度P ib呈正比关系,即锚固承载层越厚巷道围岩越稳定;其次,采用FLAC^(3D)数值模拟软件分析了预紧力分别为50、100、150、200 kN,锚杆间距分别为0.8、1.0、1.2、1.5 m时锚固区承载层厚度和体积的变化规律。研究结果表明,随着锚杆预紧力的增加、锚杆间距的减小,锚固区承载层的厚度和体积也随着增大;锚杆预紧力与锚固区体积呈指数关系;锚杆间距存在临界值,当间距大于该临界值时锚固区体积急剧下降。研究成果可为锚杆支护参数设计及工程技术开发提供理论依据与参考。

基于锚杆系统横向振动频率响应特征的轴力检测方法

基于锚杆系统自由段横向振动特性的检测方法可实现对锚杆的大范围快速有效检测。为提升锚杆轴力检测精度,建立锚杆系统横向振动力学模型,测试了全尺寸锚杆系统轴向加载过程中的频率响应。结果表明:锚杆系统横向振动固有频率对转动刚度及锚杆自由段长度比较敏感;通过试验校准理论模型的转动刚度,所得理论预计轴力与试验结果的吻合度较好,频率阶次越低,轴力检测误差越小;轴力较低时,基频轴力检测的平均相对误差为5.8%,轴力较高时,平均相对误差仅为0.6%;当锚杆杆体进入塑性或界面脱粘滑移后,锚杆自由段长度变化较大,通过实时修正锚杆自由段长度,可实现锚杆系统损伤阶段的轴力检测,基频轴力检测的平均相对误差在4.1%以内。锚杆轴力的快速、无损检测方法对于支护系统及围岩稳定性评估具有重要意义。

锚网−围岩接触面注浆充填预应力施加技术

针对松软煤体巷道护表构件主动支护效应差、局部裸露围岩破碎范围持续扩大导致的锚杆、锚索失效问题,开发了网后注浆面型预应力施加技术并进行了实验室试验及现场验证。首先分析了锚网支护围岩变形破坏方式及控制方法,阐述了网后注浆技术原理;其次开展了不同规格型号金属网的网后注浆实验室试验,分别得到了主动面型预应力施加过程中锚杆受力、注浆压力、护表构件变形量及面应力演化规律;最后开展了现场工况下的顶板及两帮网后注浆试验,得到了护表构件在一定变形量前提下的面型预应力施加值,验证了网后注浆技术的适用性。研究结果表明:①金属网与煤壁之间存在间隙是导致支护系统主动支护能力差和锚杆、锚索支护失效的主控因素,围绕金属网与煤壁接触面凹凸不平的结构间隙进行注浆填充、全面封闭围岩是完善锚网支护系统的技术手段;②在金属网与围岩之间进行注浆充填可实现面型主动预应力的施加,面应力变化趋势主要分为:初始面应力恒定阶段、面应力上升阶段、面应力降低至稳定阶段;③网后注浆过程中,面应力变化趋势与注浆压力、金属网变形量紧密相关,面应力上升过程中,注浆压力、金属网变形量也随之升高;④网后注浆可缓解锚杆托盘应力集中程度,面应力上升过程中可使得应力集中的锚杆预紧力呈现出小幅度降低趋势,受力较为均匀的锚杆预紧力呈现出同步上升趋势。所得研究成果有望成为锚杆支护配套技术,为复杂困难巷道治理提供技术储备与理论参考。

基于声发射的含锚固缺陷节理试样单轴压缩破裂机制研究

锚固缺陷会弱化锚杆对节理岩体的支护效果,为探究锚固缺陷对锚固节理试样的锚固效应,对含不同锚固缺陷的锚固节理试样开展了单轴压缩试验,结合声发射、分布式光纤和DIC监测技术,分析了试样在不同破裂演化阶段时的声发射信息,得到了其破裂前兆特征。研究结果表明:锚固缺陷的存在降低了锚固节理试样的单轴抗压强度、峰值应变和声发射能量释放;在加载后期全长锚固节理试样声发射主频的高、低频信号都出现了增长,锚固缺陷试样主要是声发射主频的高频信号增长,且中间缺陷较端部缺陷会出现更高频段的声发射主频;全长锚固节理试样沿节理发生宏观剪切破坏;中间锚固缺陷试样的锚杆对裂纹控制作用较为迟缓,沿着节理发生宏观拉伸破坏;当锚固缺陷在试样一侧时该侧锚杆的变形大于对称侧,节理尖端的反翼裂纹向锚固缺陷一侧发生偏转并与锚固缺陷贯通,最终导致试样发生失稳破坏。持续高能的声发射能量释放,声发射峰值频率分布主频段增加,峰值频率呈降低趋势,声发射b值整体呈波动降低趋势,可作为试样发生失稳破裂的前兆特征。研究成果可为锚杆在节理裂隙岩体中的支护加固提供参考。

岩石吸能锚杆本构关系理论研究现状与展望

岩石吸能锚杆有效解决了工程领域中软岩大变形和高冲击荷载的问题,在深部软岩工程中发挥着重要的作用,分别从材料和结构方面归纳和阐述了国内外典型岩石吸能锚杆的发展历程,根据岩石吸能锚杆组成方式和吸能机理,将岩石吸能锚杆分为材料型和结构型两类,总结了两类锚杆中典型岩石吸能锚杆的结构组成元件与杆体本构关系。另外还引入微型阻尼器装置,设计了一种具有高强、高韧、高吸能效率的新型阻尼器式(DTEA)岩石吸能锚杆,完成了DETA岩石吸能锚杆在静力、临界静力及高冲击3种状态下杆体本构关系理论的推导。

吸能锚杆数值模拟研究现状与展望

随着地下工程建设深度的不断增加,围岩大变形、岩爆等动力灾害发生的频率不断增大。为解决这一问题,各国学者研发了吸能锚杆,在对其进行力学性能试验测试后,进一步采用有限元方法进行建模分析,以期获得更全面的结论。研究从吸能锚杆的分类、数值模拟研究现状和现场应用出发,概述了当前有关吸能锚杆力学性能和支护性能的数值模拟研究现状和现场应用情况,以期为类似工程提供参考。

高延伸率锚索动态力学特性及工程应用

传统锚索延伸率低、抗冲击能力差,在强冲击载荷作用下易出现脆性破断失效,导致巷道出现冒顶、冲击地压事故等问题。基于此,自主开发了具有高强度、高延伸率及高抗冲击等特性的锚索,采用实验室试验、理论分析及现场试验等综合手段,分析了高延伸率锚索的静、动载力学性能,研究了高延伸率锚索化学成分、金相组织和夹杂物与普通锚索的差异,提出了高延伸率锚索支护吸能原理,并将高延伸率锚索在现场进行了应用。研究结果表明:静载作用下,高延伸率锚索抗拉强度为1790 MPa,最大力总延伸率8.1%,是普通锚索的1.61~2.25倍;动载作用下,高延伸率锚索钢丝不易散开,破断载荷与普通锚索基本相同,断后伸长率分别是锚索A、B、C的1.82倍、1.68倍和1.52倍,单位长度吸能量分别是锚索A、B、C的2.54倍、1.99倍和1.70倍,高延伸率锚索塑性变形能力更强,吸能能力更高。高延伸率锚索通过在冶炼和轧制工艺过程中控制有害化学元素和有益化学元素含量、细化金相组织及减少夹杂物尺寸和数量等方式提高了钢丝的塑性变形能力,进而提高锚索整体的抗冲击性能。高延伸率锚索在现场应用过程中经受了多次大能量冲击后,巷道支护效果良好,高延伸率锚索未出现破断,有效控制了巷道冲击破坏。

四川省大渡河金川水电站地下厂房岩壁吊车梁岩台超挖处理措施及锚杆注浆时机研究

为了解决金川水电站地下厂房岩壁吊车梁岩台超挖严重问题,综合考虑现场地质状况、开挖现状、施工条件以及后续开挖可能进一步加剧围岩劣化等因素,对岩台超挖部分实施混凝土回填,并与岩壁吊车梁同期施工。通过建立岩壁吊车梁和回填混凝土及围岩三维有限元数值模型,计算分析了洞室下部开挖过程中的洞壁应力释放和桥机轮压、受拉锚杆注浆时机对岩壁吊车梁受拉锚杆应力以及壁吊车梁应力影响。结果表明:岩壁吊车梁锚固锚杆应力主要受洞壁应力释放影响,轴向拉应力最大值位于岩体中,桥机轮压影响幅度仅为0.32~3.15 MPa;岩壁梁锚固锚杆不宜与系统锚杆同时注浆。岩壁吊车梁运行状态良好,满足稳定要求。

超长外露锚杆无损检测方法的研究与应用

锚杆无损检测技术是利用声波反射原理检测注浆锚杆的注浆饱满度及其埋设长度的一种方法,目前已在各类支护工程中广泛应用。但当锚杆外露长度过长时,其取得的检测结果误差较大,不能准确地反映锚杆的锚固质量。硬梁包水电站地下厂房岩壁吊车梁锚杆外露长度均超过1 m,其锚杆数量多,对钻孔注浆质量要求高,阐述了对如何准确快捷地实施检测,并进行了研究分析与探讨,所取得的经验可供类似工程借鉴。