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多锚点锚杆锚固性能研究

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《陕西煤炭杂志》2014年第二期

1物理力学参数确定

一般情况下,煤岩体的性质参数都小于煤岩块的性质参数,其比值都要小于1,就定义这个比值为减小因子。而对于泊松比,煤岩体的取值要比煤岩块大,它们的比值定义为增大因子。本文采用表1所示的煤岩体性质参数减小因子。模型介质的力学参数和煤相符,此处选取回采巷道介质为中等强度的煤体,模型介质的物理力学参数见表2,锚杆选用不同直径的螺纹钢,由于钻孔直径与锚杆直径之差以6~10mm为宜,7~8mm最好,所以钻孔直径选为28mm,采用树脂锚固剂,锚杆用cable单元模拟,其物理力学参数见表3和表4。托盘材料为A3钢,屈服极限240MPa,强度极限400MPa,弹性模量200GPa,泊松比为0.25。

2单根多锚点锚杆数值模拟分析

2.1多锚点锚杆对岩体应力及变形的影响多锚点锚杆对岩体应力的影响:通过对不同工况数值模拟计算结果分析,得到以下结论,①预应力锚杆张拉力在锚杆托盘周边的煤岩体中形成一个压应力集中区,可称为表层压缩区,该应力集中区的范围沿锚杆径向约为1~1.2D左右(D为托盘边长),沿锚杆轴向为0.3~0.4m;在内锚头周边煤岩体为似“杯形”的拉压应力区,除拉应力区外,模型内全为压应力区所覆盖,说明加锚后改善了煤岩体的应力状态;②因为托盘的弹性模量远大于模型介质的弹性模量,所以托盘相对可视为刚体介质,使得托盘下的煤岩体的轴向应力等值线形状为“钟形”;③多锚点锚杆在锚点处形成明显的应力集中区,随着锚点的增加,应力集中区域也随之增多,并呈现出间隔特点,随着锚头端至托盘端延伸,锚点处最大集中应力值也逐渐减小;同时,在预应力值不变的情况下,随着锚点的增多,各锚点的最大集中应力值也随之减小,说明锚杆的预应力分布到了多个锚点上,从而降低了预应力对锚杆作用;④在预应力值相同的情况下,随着锚点的增加,托盘处岩体中的最大应力值逐渐减小,说明多锚点锚杆可以承受更大的预应力值;⑤在相同预应力条件下,随着锚杆直径的增加,锚点处的应力集中轮廓逐渐趋于不明显,且有明显降低趋势,说明多锚点的锚固性能有所增加;⑥在相同预应力条件下,随着锚杆直径的增加,托盘处岩体的最大应力值明显减小,即多锚点的锚固性能明显增加,同时对托盘的作用也明显小于单锚点锚杆。多锚点锚杆对岩体的变形影响:①由不同预应力五锚点锚杆位移特征图可知,五锚点锚杆对岩体变形影响较大的范围处于端头的三个锚点处,且随着锚点向托盘处延伸,锚点对岩体的变形影响逐渐变小;②随着预应力的增大,锚杆对岩体变形的影响程度明显增加,但对锚点变形影响范围变化较小,同时托盘处岩体的变形也明显增加。

2.2多锚点锚杆体的轴力特征从图3~图5中可看出:端头锚固锚杆锚固段的轴力为单调下降曲线。由于端头锚固锚杆存在自由段,在锚杆的张拉过程中,锚固段轴力一般不会受到托盘反向压力的影响,因而锚固段轴力在锚固段始端有最大值,末端有最小值,表现为单调下降衰减很快的曲线。自由段应力值变化较小。预应力相同时:无论是自由段还是锚固段,双锚点锚杆的轴力均明显小于单锚点锚杆,但多锚点情况下,随着锚点的增加,锚杆的轴力变化特征有所不同,特别是在锚杆的自由段区域,其轴力呈增加趋势,其中三锚点与四锚点、五锚点轴力值差距较大,而在锚固段则成相同的特征。在预应力相同的条件下,随直径的增加,多锚点锚杆自由段的轴力曲线变化有降低趋势,在锚杆锚固区域则特征相同。预应力变化:随着预应力的增加,锚杆自由段的轴力曲线变化出现不同的特征,预应力增大使锚杆轴力有明显增大趋势,在锚点区域轴力曲线则表现为变化趋势相同,但该范围的轴力有小幅增加。

2.3锚杆群对岩体力学性态影响通过模拟得出多锚点锚杆加固的轴向应力与位移等值线图(图6)。由结果可看出:①在每根锚杆的外锚头处的压应力集中区有互相叠合而进一步形成压缩带的趋势。压缩带的分布形态与锚杆布置方式、密度(间排距)、托盘的大小以及预应力的大小有关。沿锚杆径向的应力环也相互叠加,出现群锚的压缩加固带,在表面一定深度内近似表现为椭球状区域,并在锚点区域形条形应力叠加区域;②由于预应力群锚的相互作用,使得锚点段末端附近的煤岩体形成压应力区,同时压应力区域的联合也将有助于改善内锚头的拉应力区分布;③锚杆间距较大时,对软弱岩层的锚固只能起到单根独立锚杆锚固,锚固范围小,随着锚杆间距变小,锚杆各个压应力区域出现叠加,形成了锚杆群联合锚固系统,起到了更好的锚固效果;④多锚点较端锚可以更有效地增加锚杆的锚固长度和锚固范围,通过模拟结果可以看出,多锚点锚杆群在其锚固范围内应力叠加效果明显,且叠加长度大,在锚杆长度方向上有效地提高了围岩的强度,而端锚则范围较小,对增加大范围围岩强度效果较差。同样,在托盘处的岩体应力亦可以看出,多锚点锚杆的锚固效果明显好于端锚锚杆。

3结论

(1)预应力相同的情况下,多锚点锚杆在锚点处形成明显的应力集中区,随着锚点的增加,间隔应力集中区域也随之增多,各个应力集中程度也明显减小;随着锚点的增多,各锚点的最大集中应力值也随之减小,说明锚杆的预应力分布到了多个锚点上,从而降低了预应力对锚杆作用;托盘处岩体中的最大应力值也逐渐减小,即多锚点锚杆可以承受更大的预应力值而保证托盘不破坏。随着锚杆直径的增加,锚点处的应力集中轮廓逐渐趋于不明显,说明多锚点的锚固性能有所增加;托盘处岩体的最大应力值明显减小,即多锚点的锚固性能明显增加,同时对托盘的作用也明显小于单锚点锚杆。(2)端头锚固锚杆锚固段的轴力为单调下降曲线;在单锚点与双锚点情况下,无论是自由段还是锚固段,双锚点锚杆的轴力均明显小于单锚点锚杆,但多锚点情况下,随着锚点的增加,在锚杆自由段的锚杆轴力,呈增加趋势,其中三锚点与四锚点、五锚点轴力值差距较大,而在锚固段则成相同的特征;在预应力相同的条件下,随直径的增加,多锚点锚杆自由段的轴力曲线变化有降低趋势,在锚杆锚固区域则特征相同。(3)多锚点锚杆群在其锚固范围内应力叠加效果明显,叠加长度大,有效地提高了围岩的强度,同样,在托盘处的岩体应力亦可以看出,多锚点锚杆的锚固效果明显好于端锚锚杆。

作者:李鹏博解盘石刘挺单位:陕西省煤炭研究所西安科技大学能源学院

陕西煤炭杂志责任编辑:田老师    阅读:人次
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