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速堡唐
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1 第 9 卷第期采矿与安全工程学报 Vo.9 No. 年 9 月 Jouna of Mining & Safety Engineeing Se. 文章编号 : ()-67- 锚杆预紧力对煤矿巷道支护效果的响应特征研究常聚才, 谢广祥 ( 安徽理工大学能源与安全学院, 安徽淮南 3) 摘要为从理论上揭示锚杆预紧力对巷道支护效果的作用机理, 针对锚杆支护岩石巷道, 建立了分析巷道围岩力学特征的理想弹塑性应变软化模型, 获得施加预紧力锚杆支护后巷道围岩位移应力分布的解析表达式, 从理论上表明 : 提高锚杆预紧力对控制巷道围岩变形及改善巷道周边围岩的应力状态有积极的作用, 有利于保持巷道围岩的稳定并结合现场实际研究了锚杆预紧力对巷道支护效果的影响关系, 研究成果对分析锚固作用机理及进行锚杆支护设计具有指导意义关键词岩石巷道 ; 锚杆支护 ; 预紧力 ; 支护效果 ; 理论分析中图分类号 TD 33 文献标识码 A Reseah on Resonse Chaateistis of Bot Petension on Suoting Effet of Rok Roadway in Coa Mine CHANG Ju-ai,XIE Guang-xiang (Shoo of Mining and Safety Engineeing,Anhui Univesity of Siene and Tehnoogy,Huainan,Anhui 3,China) Astat In this ae, to theoetiay demonstate the ation mehanism of ot etension on suoting effet of oadway, the idea easto-asti stain-softening mode is estaished to anayze the mehania haateistis of ot suoting in ok oadway. Thus, the anaytia exessions of disaement, stess distiution in oadway suounding ok afte e-stessed ot suoting ae otained. The theoetia anaysis esuts show that imoving the ot etension an imove the stess states of suounding ok aound the oadway and onto the oadway defomation effetivey, whih is enefiia to maintain the oadway staiity. Moeove, the infuene eation of oting etension on oadway suoting effet is futhe studied ased on fied measuements. The eseah esuts an ovide theoetia asis fo anayzing the oting ation mehanism and ot suoting design. ey wods ok oadway;ots suoting;ot etension;suoting effet;theoetia anaysis 目前锚杆支护技术在煤矿中已经得到大面积推广应用, 成为煤矿巷道首选的安全高效的主要支护方式 [-4] 而预紧力作为锚杆支护的一个重要参数之一, 国内外学者对锚杆 ( 索 ) 预紧力的作用机理进行了一定的研究, 从数值分析及现场实践中已基本阐明提高锚杆预紧力有利于保持巷道围岩稳定的作用机理 [-9] 而从理论上研究煤矿巷道中锚杆预紧力的作用机理还不够深入, 没有形成统一的理论体系, 特别是锚杆预紧力对煤矿巷道支护效果的影响特征理论研究较少, 有必要进行深入研究计算模型根据岩石的全应力应变曲线, 其变形可看成是处于弹性区塑性破坏区和破裂区 3 种状态 ( 图收稿日期 :-- 基金项目 : 国家自然科学基金项目 (46); 安徽省杰出青年基金项目 (88J); 安徽理工大学优秀创新学术团队项目 (98) 作者简介 : 常聚才 (979-), 男, 山东省临沂市人, 博士副教授硕士生导师, 从事矿山压力与巷道支护方面的研究 E-mai:jmineoa@63.om Te:

2 68 采矿与安全工程学报第 9 卷 ), 而巷道围岩亦处于破裂区塑性区和弹性区 3 种状态为分析方便, 实际岩石的应力应变曲线用图中折线代替, 即峰值强度前的变形为线弹性变形 ; 岩石达到强度极限后为理想塑性状态, 但发生应变软化现象 [-] O Fig. A 假定模型实际曲线弹性区塑性区破裂区图 B C 岩石应力 - 应变曲线 ε Stess-stain uves of oks 设无限长圆形巷道处于原岩应力为 P 各向等压的均匀应力场中, 围岩为均质各向同性的连续介质 ; 为巷道半径, 为塑性区半径, 为破裂区半径 ( 图 ) 当有锚杆支护时, 假定锚杆在围岩中均匀分布, 将全长锚固锚杆的锚固力简化为围岩中均匀分布的体积力 [3] 则对于开掘在各向等压应力场中的圆形巷道, 考虑锚杆作用时, 可以简化为一个轴对称平面应变问题, 满足弹塑性理论 P III I II P P P I- 破裂区 ;II- 塑性区 ;III- 弹性区图巷道围岩状态分区 Fig. Suzones of the oadway suounding ok 锚杆支护范围外巷道围岩位移及应力分布规律设长度为的锚杆完全处于破裂区内, 锚杆支护范围以外巷道围岩位移及应力分布规律可视为与无支护时相同 [-] 巷道围岩位移表达式为 : e e 弹性区 u B () m B m 塑性区 u B () m m m 破裂区内锚杆支护范围以外 ( ): m B n D u mn n n 式中 : B [ P sin ( sin )] E B( n m) ( )( ) ( m n m D ) B m m (3) 为岩体的单轴抗压强度 ; 为岩体的内摩擦角 ; E, 为岩体的弹性模量及泊松比 ;m 为应变软化阶段的体积膨胀系数 ; sin m ;n 为残余强度 sin 阶段岩石的体积膨胀系数 ; n.3 ~. 巷道围岩径向应力和切向应力为 : 弹性区 e P [ P sin ( sin )] (4) e P [ P sin ( sin )] () 塑性区 MB D m m ( ) MB D m m ( ) ( 6 ) m ( ) m m MB ( ) ( 7 ) m m 破裂区内锚杆支护范围以外 ( ): D D3 D3 D sin 式中 : sin (8) (9) MB D ( P ) ( m)( )

第期常聚才等 : 锚杆预紧力对煤矿巷道支护效果的响应特征研究 69 MB D3 m m 为岩体的残余强度 3 锚杆支护范围内巷道围岩位移及应力分布规律破裂区中锚杆支护范围内 ( ) 其围岩径向应变和切向应变可表示为 : m m m () m m 式中 :, m 分别为锚固范围内径向应变和 m 切向应变的增量根据非关联流动法则,, m 的关系为 : m m m m () n n

破裂区中锚杆支护范围内 ( ), 设对全长锚固锚杆施加的预紧力为, 锚杆的受力如图 3 所示 [4-] P P() 图 3 d τ() q d P() + dp() 锚杆与围岩受力分析图 Fig.

3 第期常聚才等 : 锚杆预紧力对煤矿巷道支护效果的响应特征研究 69 MB D3 m m 为岩体的残余强度 3 锚杆支护范围内巷道围岩位移及应力分布规律破裂区中锚杆支护范围内 ( ) 其围岩径向应变和切向应变可表示为 : m m m () m m 式中 :, m 分别为锚固范围内径向应变和 m 切向应变的增量根据非关联流动法则,, m 的关系为 : m m m m () n n 为锚固体处于残余强度状态时的体积膨胀系数, n n 联立式 () () 及几何方程可得 du d m m u n n () 解微分方程 () 并由位移连续条件, 在处, u m u, 求得破裂区锚固范围内围岩 m 的径向位移 u : m C D u n (3) n m B nn 式中 : C ( ) mn n D n n n m B ( n) D ( ) ( ) ( ) mn n n 破裂区中锚杆支护范围内 ( ), 设对全长锚固锚杆施加的预紧力为, 锚杆的受力如图 3 所示 [4-] P P() 图 3 d τ() q d P() + dp() 锚杆与围岩受力分析图 Fig.3 Mehania mode of ots and suounding ok 取一厚度为 d 的单元体, 它到巷道中心的距离为, 假设锚杆与围岩之间没有产生相对滑动, 即锚杆与围岩有相同的应变和变形, 则, d P( ) da E A d m (4) 式中 : P () 为锚杆轴向力 ; E, A 分别为锚杆杆体的弹性模量和横截面面积单元体的体积力为 : dv etd () 式中 : e, t 分别为锚杆的间排距将全长锚固锚杆的锚固力简化为轴对称的径向体积力, 即 m d P ( ) EA d (6) dv et d 在预紧力不是很大的情况下, 预应力沿锚杆长度大体呈线性分布即 ( ) ( ) (7) 式中 : () 为预紧力引起的锚杆轴力 ; 则, 锚杆的预紧力引起的体积力为 : d d ( ) (8) dv etd et 因此, 施加预紧力时锚固体等效的体积力为 : 在破裂区锚固范围内, 围岩径向应力切 m 向应力及径向体积力满足平衡微分方程 : m d m m (9) d 研究表明 [6], 锚固体残余强度的提高主要是黏聚力增大的结果, 内摩擦角变化不大因此可忽略锚固后参数的改变, 满足摩尔库仑准则, 即式中, m m m m () m 为锚固体的单向抗压残余强度联立式 (7)~(9), 并利用边界条件, 在处, m, 求得 m m 6 ( n) 4 D n m D6 D3 n D D ( n ) D 4 ( ) ( )

4 66 采矿与安全工程学报第 9 卷 m ne πd B 式中 : D6 ( ) mn et D 4 et nn 4 锚杆支护后巷道围岩塑性区宽度及破裂范围在塑性区和破裂区交界处, 即时,, 则塑性区半径与破裂区宽度间的关系为 m m MB () 在, m Pi, 即可以求得破裂区宽度锚杆预紧力的作用分析望峰岗井轨道大巷埋深 -8 m, 断面形状为直墙半圆拱, 其具体参数为 :., E GPa, MPa,. MPa, m.8 MPa, 4, P 3 MPa, 3, m 3, n.4, n. 3m 由式 ()~(3) 及 (3) 可以获得预紧力对巷道围岩变形的影响规律, 见图 4 围岩变形量 /mm Fig = = 3 kn = kn = 8 kn 图 4 距巷道表面距离 /m 预紧力对巷道围岩变形影响 Infuene of ot etightening foe on defomation 由式 (4)~(9) 及 () 可以得到预紧力对巷道围岩应力的影响特征, 如图所示应力 /MPa 3 3 Fig. 3 3 P τ = = 3 kn 3 = 8 kn 距巷道中心的距离 /m 图预紧力对巷道围岩应力影响 Infuene of ot etightening foe on stess 由图可看出, 施加预紧力与无预紧力相比, 巷道围岩的变形及应力有着很大的区别随着施加预紧力的增加, 巷道围岩的变形大幅度减小, 巷道周边围岩的应力明显增大对望峰岗矿井下多条锚杆支护巷道统计发现 : 锚杆 ( 索 ) 的预紧力对锚杆安装后的受力有着较大的影响, 如图 6,7 所示可以看出, 锚杆安装时, 预紧力越大, 锚杆的受力越大, 且增阻的速度越快预紧力为 4 kn 的锚杆在安装 8 d 后, 受力就增至 kn; 而预紧力为 8 kn 的锚杆, 在安装 d 后以后才逐渐稳定, 且稳定值很小, 仅为 kn 左右预紧力对锚索受力的影响规律与对锚杆的受力影响规律相同, 即预紧力越大, 锚索的受力就越大锚杆受力 /kn Fig.6 锚杆受力 /kn kn kn 36 kn 8 kn 图 6 巷道掘进后天数 /d 预紧力对锚杆受力影响 3 kn Infuene of ot etightening on the foe of ots Fig.7 6 kn 图 7 巷道掘进后天数 /d 4 kn 6 kn 预紧力对锚索受力影响 Infune of ot etightening foe on the foe of anho ae 综上所述, 提高预紧力对控制巷道围岩的变形及改善巷道周边围岩的应力状态有积极的作用, 现场施工中要注意对施加锚杆预紧力的要求, 保证其达到设计要求 6 结论 ) 针对锚杆支护岩石巷道, 将巷道围岩分成

5 第期常聚才等 : 锚杆预紧力对煤矿巷道支护效果的响应特征研究 66 破裂区塑性区和弹性区, 建立了分析锚杆支护巷道围岩力学特征的理想弹塑性应变软化模型, 采用 Moh-Couom 准则, 进行非关联弹塑性分析, 获得了施加预紧力锚杆支护后巷道围岩位移应力分布的解析表达式, 研究了锚杆预紧力对巷道支护效果的影响关系 ) 提高预紧力对控制巷道围岩变形及改善巷道周边围岩的应力状态有积极的作用随施加预紧力的增加, 巷道围岩变形大幅度减小, 巷道周边围岩的应力明显增大参考文献 : [] 康红普, 王金华, 林健. 高预应力强力支护系统及其在深部巷道中应用 [J]. 煤炭学报,7,3(): ANG Hong-u, WANG Jin-hua, LIN Jian. High etensioned stess and intensive oting system and its aiation in dee oadways[j].jouna of China Coa Soiety,7,3(): [] 张农, 高明仕. 煤巷高强预应力锚杆支护技术与应用 [J]. 中国矿业大学学报,4,3():4-7. ZHANG Nong, GAO Ming-shi. High-stength and etension oting suot of oa oadway and its aiation[j].jouna of China Univesity of Mining & Tehnoogy,4,3():4-7. [3] 柏建彪, 侯朝炯. 深部巷道围岩控制原理与应用研究 [J]. 中国矿业大学学报,6,3():4-48. BAI Jian-iao,HOU Chao-jiong.Conto Pinie of suounding oks in dee oadway and its aiation [J].Jouna of China Univesity of Mining & Tehnoogy,6,3():4-48. [4] 肖亚宁, 马占国, 赵国贞, 等. 沿空巷道三维锚索支护围岩变形规律研究 [J]. 采矿与安全工程学报,, 8():87-9. XIAO Ya-ning,MA Zhan-guo,ZHAO Guo-zhen,et a. Defomation aw of suounding ok of go-side enty suoted y 3-d anho-ae suot[j].jouna of Mining & Safety Engineein,,8():87-9. [] 翟英达. 锚杆预紧力在巷道围岩中的力学效应 [J]. 煤炭学报,8,33(8): ZHAI Ying-da.The mehanis effet of ot etension in oadway suounding ok[j].jouna of China Coa Soiety,8,33(8): [6] 李元, 刘刚, 龙景奎. 深部巷道预应力协同支护数值分析 [J]. 采矿与安全工程学报,,8():4-8. LI Yuan,LIU Gang,LONG Jing-kui.Numeia anaysis of theoy of e-stess synegeti suot in dee mine oadway[j].jouna of Mining & Safety Engineein,,8():4-8. [7] 张镇, 康红普, 王金华. 煤巷锚杆 - 锚索支护的预应力协调作用分析 [J]. 煤炭学报,,3(6): ZHANG Zhen,ANG Hong-u,WANG Jin-hua. Pe-tensioned stess oodination funtion anaysis of ot-ae anho suot in oa oadway[j].jouna of China Coa Soiety,,3(6): [8] 康红普, 姜铁明, 高富强. 预应力在锚杆支护中的作用 [J]. 煤炭学报,7,3(7): ANG Hong-u,JIANG Tie-ming,GAO Fu-qiang. Effet of etensioned stess to ok oting[j].jouna of China Coa Soiety,7,3(7): [9] 贾金青, 郑卫锋, 陈国周. 预应力锚杆柔性支护技术的数值分析 [J]. 岩石力学与工程学报,,4(): JIA Jin-qing,Zheng Wei-feng,Chen Guo-zhou. Numeia anaysis of e-stessed anho fexie etaining method[j].chinese Jouna of Rok Mehanis and Engineeing,,4(): [] 付国彬. 巷道围岩破裂范围与位移的新研究 [J]. 煤炭学报,99,(3):34-3. FU Guo-in.New eseah on suounding ok eakage ange and disaement of oadway[j].jouna of China Coa Soiety,99,(3):34-3. [] 蒋斌松, 张强, 贺永年, 等. 深部圆形巷道破裂围岩的弹塑性分析 [J]. 岩石力学与工程学报,7,6(): JIANG Bin-song,ZHANG Qiang,HE Yong-nian,et a.eastoasti anaysis of aked suounding oks in dee iua oenings[j].chinese Jouna of Rok Mehanis and Engineeing,7,6(): [] SHARAN S.Anaytia soutions fo stesses and disaements aound a iua oening in a geneaized Hoek-Bown ok[j]. Intenationa Jouna of Rok Mehanis and Mining Sienes,8,4():78-8. [3] 汤伯森. 弹塑性围岩砂浆锚杆支护问题的估算法 [J]. 岩土工程学报,99,3(6):4-. TANG Bo-sen.The estimation of gouting od suot stength in Easto-asti suounding ok[j].chinese Jouna of Rok Mehanis and Engineeing,99, 3(6):4-. [4] LI C,STILLBORG B.Anaytia modes fo ok ots[j].intenationa Jouna of Mehanis and Mining Sienes,999,36:3-9 [] YUE CAI,TETSURO ESAI,YU Jing-Jiang.A ok ot and ok mass inteation mode[j].intenationa Jouna of Mehanis and Mining Sienes,4,4: -67 [6] 侯朝炯, 勾攀峰. 巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究 [J]. 岩石力学与工程学报,,9(3): HOU Chao-jiong,Gou Pan-feng.Mehanism study on stength enhanement fo the oks suounding oadway suoted y ot[j].chinese Jouna of Rok Mehanis and Engineeing,,9(3):34-34.

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