基于软弱破碎围岩煤巷锚杆-锚索支护互补原理的设计方法研究

添加人：admin 发布时间：2015/11/7 14:54:34 来源：中国破碎机网

　　Sapu钢绞线受力长度上的总应变；在煤巷工程条件下对于常使用1X7结构的1860级钢绞线，以上两条件可写成：Tip一钢绞线协同作用系数。当1至5根时np=l，6至12根时tip=0.99；ti，工程条件影响系数，取tip=0.9；。该最低破断载荷比钢绞线的最低破断载荷（国标为260.7KN降低了延伸率只是钢绞线总延伸率（3.5%）的51%，这表明，锚索支护设计按钢绞线的最低破断载荷和延伸率考虑是很不可靠的，作看篱介：赵庆彪（丨956.丨2），男，辽宁海城人。教授级高工。2004年毕业于中B矿业大学（北京校区）。获工学博士学位，现在河北金牛能源股份有限公司任总工程师，主要从事煤矿采研宄和生产技术管理工作。发表“App丨icdonbo丨ting<ab丨eanchorsupportoffll-scamroadwayinweakerthickcoaisomT等论文50多篇，出版《煤矿采新技术应用与发展》专著一部。
　　围岩变形围岩支护相互作用原理图在软弱破碎围岩条件下，巷道围岩的变形童很大，为了避免采用锚杆-锚索联合加固支护时因锚索延伸量超过极限而破断，在巷道开挖后初期，通过锚杆的加固作用，锚岩支护体具有一定的承载能力，围岩在一定变形范围内可以保持自身的稳定。随着围岩变形的增大，锚岩支护体的承载能力和自稳性降低，同时围岩集中应力移往深部，在锚岩支护体失稳之前，再通过锚索的悬吊作用，保持锚岩支护体和围岩的稳定。
　　为巷道围岩-支护相互作用原理图，曲线ABED为锚岩支护体的特性曲线，锚索的特性曲线为曲线4，锚杆锚索联合支护特性曲线为ABCD曲线，其共同支护作用特性曲线2与曲线1相交，表明联合支护提高了支护体的承载能力，在曲线的交点（C）处，围岩的变形破坏得到控制，保持了围岩的稳定。锚杆和锚索各自发挥了自身的优势。在巷道开挖支护初期，以锚杆的柔性支护为主，后期以锚索的悬吊作用为主，两者主要是相互取长补短，从而大大改蕃了锚杆支护的整体支护性能，达到控制围岩大变形的目的。因此，锚索延伸率或延伸量与锚索安装时的预紧力有关，对于工程常用的，结构，级钢绞线的锚索，因为使用延伸率的指标不直观，通常使用锚索的延伸量指标，由于锚索的延伸童与锚索自由段的长度有关，因而，以锚索可利用的延伸量（或称为锚索工程延伸量）作为指标更便于支护设计使用。
　　由此可以得到预应力锚索的两个工程指标：L――锚索两锚固端之间自由段长度。
　　Fy――锚索安装时的预紧力（kN）；A―锚索钢绞线的刚度系数，根据钢绞线的屈服强度，取A=221.锚杆-锚索支护作用的互补原理为了说明锚杆-锚索联合支护的作用原理，根据锚杆支护的锚固平衡拱原理，将锚杆及其锚固范围内的围岩作为巷道的支护体（锚岩支护体），把锚索作为一种加强支护体（提供支承作用力），这样就可以通过分析围岩与支架（支护体）的相互作用关系，研究锚杆-锚索联合支护的作用原理。
　　1一围岩特性曲线2―锚杆锚索联合支护特性曲线3―锚岩支护体特性曲线4一锚索特性曲线△L-锚索延伸* 1；―围岩表面位移将此支护作用原理称之为锚杆-锚索支护作用的互补原理。
　　在实际工程中，锚杆-销索联合支护是否能实现锚杆与锚索支护作用的互补性取决于采用的支护方法和合理的支护设计，它要求将锚岩支护体的特性与锚索的力学特性有机地结合一起进行总体的支护设计。在支护设计中，应根据巷道围岩条件，采用合理的锚杆支护形式和参数，选择与之相匹配的锚索支护方法，这是锚杆锚索联合支护的关键。
　　为了使销索能适应围岩较大的变形而不发生破断，实现锚杆与锚索支护作用的互补性，除了必须了解锚索自身的力学特性（承载能力和延伸量），还要深入研究锚索适应围岩大变形的方法和手段。
　　3锚杆-锚索支护初始设计步骤3.1设计原则应用锚杆-锚索联合支护的围岩条件差，支护难度大，对锚杆-锚索联合支护设计应进循以下原则：（1）必须同现场实际情况和施工技术相结合，遵照“初始设计-工程监测-修正设计”的设计程序；（2）当围岩的变形童大于锚索延伸量时，应将锚杆支护参数设计与锚索支护参数设计综合考虑：（3）按照锚杆-锚索支护作用互补原理，锚索支护参数设计除了需确定锚索的锚固深度和悬吊能力外，必须验算锚索的延伸量是否与围岩变形相适应。
　　3.2初始设计步骤根据锚杆-锚索联合支护作用的互补原理及其对支护工艺的要求，初始支护设计应采用以离散元数值计算方法为主，结合理论计算方法和工程类比法，通过对数值计算模型进行调整和多方案模拟计算，从中选择最优的支护方案作为进行井下工业性试验的初始。结合各种设计方法的优点，提出锚杆-锚索联合支护初始设计的方法和步骤如下：（1）根据支护设计依据，建立数值计算模型：应用工程类比法，参照己有工程或类似条件工程的支护效果（支护参数和围岩变形破坏状态），对数值模型中难以测取的力学参数进行调整，使数值模拟结果基本符合己有工程或类似条件工程的实际状态，由此确定巷道围岩的数值计算模型。
　　（2）改变销杆支护形式和参数，选用支护效果较好的锚梁网支护形式和不同的参数。通过数值模拟计算，可以得到锚杆支护允许顶板变形的最大下沉量，以及围岩趋于稳定时的松动破坏区范围。数值计算结果并不能直接区分出围岩松动破坏区的界线，也不能将计算结果的围岩塑性区作为松动破坏区，因为塑性区内的部分区域，围岩的残余强度仍很高，不属于处于失稳状态的松动破坏区。判断围岩松动破坏区范围的较好方法是同时根据围岩的应力和位移进行划分。如后面所示。
　　（3）根据步骤（2）获得的顶板下沉童和围岩松动破坏区范围，确定锚索加强支护的方法。如果顶板下沉量和松动区范围较大，则在同一断面上布置两根锚索，锚索位于靠巷帮1/4巷道宽度的位置。按围岩松动破坏区范围确定锚索长度，按锚杆支护允许顶板的最大变形童确定锚索的滞后安装距离或时间。
　　（4）判定锚索所需的延伸童、锚索长度和密度。根据锚索所需的延伸量和长度，确定锚索的实际延伸量及其与所需延伸童的差值。据此确定锚索缓冲措施。如果锚索延伸置差值较小，可调整滞后锚索安装时间，减小安装锚索时顶板的下沉倨。
　　（5）采取锚索适应围岩变形措施后，对数值模型进行模拟计算，根据计算结果再调整支护参数，使其在支护效果和经济合理性方面达到最佳。
　　计算结果给出作用于销杆或锚索上的载荷一般为描杆或锚索约束围岩变形的作用载荷，需采用悬吊原理对锚索的承载能力进行检验。这与一般的锚索支护设计中采用悬吊理论进行检验的方法有所不同，因为这一检验步骤是以锚索能适应围岩变形为前提条件的。
　　围岩松动破坏区范围的划分3.3锚索适应围岩变形措施为了达到锚杆和锚索支护作用互补目的，改变支护工艺、支护结构和利用锚杆支护巷道的围岩变形破坏特点，提高锚索的适应性。
　　（1）使用木垫板提高锚索的抗变形能力。在锚索钢托板上放置木垫板，一般可使锚索适应围岩的变形（2）滞后掘进迎头安装锚索。关键问题是顶板失稳前的最大下沉置，这不仅与顶板的岩石性质、节理构造有关，也与锚杆的支护参数，巷道形状与跨度有关。
　　（3）合理布置锚索位置。根据煤巷多数情况下顶板中部下沉量大，两侧下沉置小的特点，每排布置两根锚索，并用槽钢梁连接，两根锚索位于距巷帮1/4巷宽处，该处的顶板下沉置一般为中部顶板下沉量的4工程应用实例4.1锚索适应围岩变形量计算方法邢东矿井1122回风巷大部分为软弱破碎围岩条件，为了使锚索最大限度地适应围岩的大变形，同时采用加木垫板、滞后安装和侧边安装锚索的三种方法进行锚索加强支护。由数值模拟计算分析可知，当顶板使用长2.4m、直径为22mm嫘纹钢锚杆，采用0.7x0.7m锚杆间、排距进行全长锚固锚梁网支护时，锚岩支护体可自稳时的最大变形量（顶板下沉童）可达100~110nun.所以，锚索可在顶板下沉1：达到90mm时滞后安装锚索木垫板可使用厚50mm的松木板，预计压缩礞可达30mm.将锚索安装在距煤帮1/4巷道跨度的位置，该处顶板的下沉量与巷道中部顶板下沉童的比值按3/5计算，则采用以上三种方法时，锚索适应围岩变形量计算如下：锚索滞后安装时，在锚索位置顶板的下沉童：90x3/5=54mm；木垫板压缩置：30mm；如使用7m长的锚索，其自由段长5500mm，安装时施加预紧力80kN，锚索的工程延伸量：所以，在锚索安装位置允许顶板下沉童为：换算到巷道中部的顶板下沉置为：计算结果表明，锚索允许巷道中部顶部的下沉倨达到272mm而不破断，这是锚索工程延伸量的设计值，锚索的实际延伸量应大于该值。锚索承载能力每排两根锚索，排距0.7m，其承载能力为：该承载能力可悬吊的岩柱高度为：根据数值模拟结果，当顶板下沉量达到500mm时，顶板松动区的高度才达到4.5m，如所示，所以，当顶板下沉置达到锚索极限破断延伸童（280mm）时，松动区的篼度显然小于5.6tn.因此，锚索的承载能力可满足要求。
　　4.2支护效果试验巷道按新的设计方法指导设计和施工，取得了良好的支护效果，其主要表现在以下几个方面：（1）回风巷顶板稳定，没有出现严重破碎兜网现象，顶板下沉量控制在90mm以内，顶板暴露30天时的下沉量平均在60mm.巷道两帮变形控制在500mm以内，平均两帮移近童在320mm左右。
　　（2）回风巷围岩稳定时期一般在25天左右，在正常掘进情况下，围岩基本稳定时距迎头的距离为300m左右，围岩基本稳定后，两帮移近速度一般为丨2mm/天，顶板下沉度为0.2~0.5mm/天，（3）使用高强度锚杆和在锚索托板上加木垫板、滞后安装锚索等方法有效地提高了锚索适应围岩变形能力，防止了锚索破断引起的冒顶事故，使锚杆的加固作用和锚杆-锚索联合支护的互补性作用得到充分的发挥。
　　5结束语（1）科学地提出了煤巷预应力小孔径锚索工程特性的两个重要指标，推导出了锚索的承载能力（破断力）及锚索延伸量的经验公式，为锚索支护设计提供了重要依据。
　　（2）锚杆一锚索支护作用的互补原理。在软弱破碎围岩条件下，由于巷道围岩的变形量很大，在巷道开挖初期，以锚杆柔性支护为主，后期以锚索悬吊作用为主，两者不是简单的联合加强支护作用，而是相互取长补短，将锚岩支护体的特性与锚索的力学特性有机地结合一起，达到控制围岩大变形的目的。数值计算结果也表明了锚索的破断是由于在围岩强大的变形压力作用下，使锚索变形超过其允许的延伸量所致。
　　（3）根据锚杆一错索联合支护互补作用原理及工艺要求，提出了初始支护设计应采用的数值计算方法为主，结合理论计算方法和工程类比法，对数值计算模型进行多方案模拟计算，从中选择最优的结论。并且给出了锚杆一锚索联合支护初始设计具体步骒和适应围岩变形方法。