预应力锚杆支护应力场演化规律研究_曹俊才.pdf
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1、工作研究与理论探讨预应力锚杆支护应力场演化规律研究曹俊才1,熬成杭*2,安铁梁1,罗卫东1(1 贵州盘江煤电集团技术研究院有限公司,贵州贵阳550081;2 贵州盘江煤电集团那罗寨煤矿,贵州六盘水553000)摘要:随着时间的变化,预应力锚杆的支护工况会发生变化。预应力锚杆的工况决定了围岩的实时支护强度,支护强度的变化(减弱)严重影响了围岩稳定性,威胁生命财产安全。支护锚杆渐进脱黏和预应力衰减是影响锚杆支护工况的主要因素。锚杆锚固端具备隐蔽性,现场难以监测和管控锚杆脱黏过程,本文以理论计算和数值分析为手段,试图揭示锚杆渐进脱黏围岩与支护耦合应力变化过程,分析脱黏过程对预应力衰减产生的影响,提取
2、易于监测的特征指标,用于现场指导和安全管控。关键词:煤矿;预应力;锚杆;过程分析;巷道支护中图分类号:F4063;TD353文献标识码:A文章编号:10080155(2023)020001031 引言贵州地区的煤巷地质条件复杂多变,断层、构造、溶洞、地应力、岩体力学参数及矿井生产系统设计千差万别,致使煤巷支护面临着围岩支护难度大、成本高、安全性差等诸多问题。煤矿巷道围岩具有极强的复杂性和不确定性,支护参数是否合理难以有绝对的标准。煤矿巷道支护以锚杆索支护为主,锚杆的支护工况决定了围岩支护强度,威胁着生命、财产安全。围岩应力、围岩强度、围岩环境是确定锚杆支护参数的三要素,支护参数的选择还与巷道的
3、服务周期、支护构件本身及支护时变属性相关。三要素是客观存在的,难以改变,可操作性差,支护构件和支护的时变属性可以通过研究设计优化。为保证巷道围岩在服务期内的稳定,国内外领域专家对煤巷支护进行深入研究,取得了诸多成果,形成了相关的围岩控制技术,推动了海内外采矿工程技术的发展。国内预应力锚杆从 20 世纪 90年代开始现场应用。到今天,施工设计技术已经非常成熟,在各种复杂的地质条件下获得了成功应用。近些年,科技工作者把锚杆支护的焦点转移到了时间参数。由于时间的变化,预应力锚杆的支护工况随之时刻变化,引发了较多的安全事故。随着时间的推移,施工合格的支护锚杆的预应力、托盘形变、锚固长度都会发生变化,导
4、致产品不合格,影响巷道安全。本文首先分析了预应力锚杆脱黏失效后的支护应力变化规律;其次探讨了托盘形变与预应力之间的时效关系;最后分析总结了预应力锚杆支护的时变规律。该研究工作旨在为预应力锚杆量化支护提供参考。2 预应力锚杆时变指标现状探讨煤矿预应力锚杆现场支护情况复杂多变,托盘会大变形 图 1(a)、锚杆会破断 图 1(b)、浅表岩体会松动脱落 图 1(c)、图 1(d),致使锚杆支护应力衰减为零。计算机运算能力有限制,这些情况难以用理论方法再现全过程,存在理论计算滞后于现场应用的窘境,尤其是锚杆支护的时变理论,目前以工程现场监测为主1。(a)托盘大变形(b)锚杆破断(c)漏网破碎岩体(d)托
5、盘压覆岩块松脱图 1预应力锚杆现场应用场景锚杆轴力变化、托盘变形和锚固段脱黏具有一定关系。如果锚杆轴力逐渐增大,可能导致锚杆破断,使托盘发生大变形,也可能使锚固界面发生脱黏。如果托盘发生大变形或锚固界面脱黏,就会导致锚杆积聚1DOI:10.13487/ki.imce.023177的能量释放,有利于保护锚杆,防止破断。同时,该自适应过程有助于优化自由段长度和预应力之间的匹配度。如果锚杆强度足够大,托盘抗变形能力和锚固抗脱黏能力就决定了锚杆的极限支护能力。托盘的抗变形能力主要由三个参数决定:托盘的材料、托盘的结构和托盘的尺寸。其中,托盘的材料以钢材为主,不再讨论。托盘的结构是优化托盘受力最重要的方
6、式,目前市场上出现了很多异形托盘产品,能较好地提高托盘的抗变形能力。托盘的尺寸包括托盘的长宽和厚度,大托盘的优点是护表面积大,缺点是需要增加托盘厚度才能保证抗弯,在现场应用过程中,300mm300mm大托盘的厚度多为 16mm,属于相对优化的尺寸参数,但也时常出现图 1(a)中的大变形。锚固抗脱黏能力由围岩强度、锚固剂材料和施工质量决定,其中围岩强度是客观存在的,难以改变,锚固剂材料的选择和施工质量是确保锚固效果的关键24。目前,预应力锚杆的支护应力场演化规律有一些现场监测手段。锚杆轴力可以通过锚杆压力计进行实时监测,可以实现定量分析;托盘的变形以直观观测为主,难以量化,缺乏量化分析指标;而锚
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