基于弹性-脱黏模型的全长锚固锚索支护承载性能分析.pdf
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1、第 卷第期 年月山西煤炭 文章编号:()犇 犗 犐:基于弹性脱黏模型的全长锚固锚索支护承载性能分析雷学涛,黄海鹏,刘晓明,张森,黄辉,曾班全(国家能源集团 宁夏煤业有限责任公司,银川 ;中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京 )摘要:全长锚固锚索支护是矿山巷道支护中的一种重要措施,对保障巷道围岩稳定具有重要意义。本论文基于理论分析研究了锚索半径、锚固长度、锚索弹性模量、锚固界面剪切强度等参数对锚索支护承载性能的影响。研究结果表明,锚索半径、锚固长度、锚固界面剪切强度对锚索最大承载性能影响显著;随锚索半径、锚固长度、锚固界面剪切强度增加,锚索最大承载性能显著增加;锚索弹性模量对锚索支护最大承载
2、力影响不显著,但对锚索支护系统刚度有较大影响;随着锚索弹性模量增加,锚索支护系统刚度显著增加,锚索达到最大承载力时对应的拉拔位移显著降低。该研究有助于进一步量化分析锚索支护承载性能,为进一步应用锚索支护技术提供理论依据。关键词:锚索支护;全长锚固;承载性能;本构方程;脱黏行为中图分类号:文献标识码:开放科学(资源服务)标识码(犗 犛 犐 犇):犅 犲 犪 狉 犻 狀 犵犆 犪 狆 犪 犮 犻 狋 狔犃 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊狅 犳犉 狌 犾 犾 犾 犲 狀 犵 狋 犺犃 狀 犮 犺 狅 狉 犪 犵 犲犆 犪 犫 犾 犲 狊犅 犪 狊 犲 犱狅 狀犈 犾 犪 狊 狋 犻 犮 犱 犲 犫 狅
3、狀 犱 犻 狀 犵犕 狅 犱 犲 犾犔 犈 犐犡 狌 犲 狋 犪 狅,犎 犝 犃 犖 犌犎 犪 犻 狆 犲 狀 犵,犔 犐 犝犡 犻 犪 狅 犿 犻 狀 犵,犣 犎 犃 犖 犌犛 犲 狀,犎 犝 犃 犖 犌犎 狌 犻,犣 犈 犖 犌犅 犪 狀 狇 狌 犪 狀(犖 犻 狀 犵 狓 犻 犪犆 狅 犪 犾 犐 狀 犱 狌 狊 狋 狉 狔犆 狅犔 狋 犱,犆 犺 犻 狀 犪犈 狀 犲 狉 犵 狔犐 狀 狏 犲 狊 狋 犿 犲 狀 狋犆 狅 狉 狆 狅 狉 犪 狋 犻 狅 狀,犢 犻 狀 犮 犺 狌 犪 狀 ,犆 犺 犻 狀 犪;犛 犮 犺 狅 狅 犾 狅 犳犈 狀 犲 狉 犵 狔犪 狀 犱犕 犻 狀
4、犻 狀 犵犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵,犆 犺 犻 狀 犪犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔狅 犳犕 犻 狀 犻 狀 犵犪 狀 犱犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔(犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵),犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 ,犆 犺 犻 狀 犪)犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,收稿日期:作者简介:雷学涛(),男,河南郑州人,本科,工程师,主要从事煤矿生产技术管理工作,:引文格式:雷学涛,黄海鹏,刘晓明,等:基于弹性脱黏模型的全长锚固锚索支护承载性能分析山西煤炭,():,():犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊:;锚索支护是矿山巷道围岩控制及加固中常用的支护手段。与锚杆支护相比
5、,锚索支护具有锚固深度较深、支护阻力较大、可靠性较强等优点,对实现巷道围岩稳定具有重要意义。按照锚固方式进行分类,锚索支护可以分为端头锚固和全长锚固。与端头锚固相比,全长锚固能够实现锚索与围岩沿整个锚索长度范围内的力学传递,其支护阻力更高、可靠性更强。因此,全长锚固锚索支护逐渐开始在矿山支护中应用开来。为了研究全长锚固锚索支护承载性能,前人开展了大量的实验研究。研究了不同钻孔直径下锚索承载性能,发现钻孔直径对锚索承载性能无明显影响。研究了澳大利亚 种常用锚索承载性能,发现 改 变 锚 索 结 构 可 以 有 效 提 高 锚 索 支 护 阻 力。研究发现,锚索在达到其最大承载能力后,其支护阻力会
6、呈震荡式下降。分析了恒阻大变形锚索的承载性能,发现在轴向拉力作用下,恒阻大变形锚索可以表现出高恒阻工作特性。张国锋等将恒阻大变形锚索在现场展开了应用,研究结果表明,恒阻大变形锚索能够有效控制巷道围岩变形量,改善巷道围岩工作环境。饶枭宇等基于拉拔实验研究了压花锚索承载性能,发现压花结构能够在锚固体内形成楔形效应,从而可以提高支护阻力。基于参数分析,研究了不同因素对锚索承载性能的影响,发现 锚索承载性能明显优于普通锚索。研究了锚索受载过程中的旋转效应,发现锚索旋转会导致锚索锚固阻力的下降。基于理论分析和数值计算提出了改善锚索锚固阻力的新方法。设计了研究锚索承载性能的实验方法,并利用这种方法研究了不
7、同锚索的承载性能。以上研究有助于揭示锚索的锚固性能,为进一步应用锚索支护提供了理论依据。本论文拟基于理论分析研究全长锚固锚索支护承载性能,从而为进一步开发和应用锚索支护锚固特性提供科学依据。弹性脱黏模型 概况弹性脱黏模型是进行锚杆(索)锚固性能分析时常用的一种理论模型。该模型被广泛应用于锚杆(索)与锚 固 剂 间 锚 固 界 面 剪 切 滑 移 特 性 的 分 析中。该弹性脱黏模型考虑了锚索与锚固剂间锚固界面的弹塑性变形行为。在弹性阶段,锚固界面剪切应力随剪切滑移量增加而线弹性增加至峰值,随后,锚固界面剪切应力直接下降至残余剪切强度,并保持不变,如图所示。将该弹性脱黏模型嵌入锚杆(索)锚固体后
8、,进而可以推导整个锚固体的受力过程。将锚杆(索)锚固体受载过程分为弹性阶段、弹性脱黏阶段、脱黏阶段,从而可以简化整个锚杆(索)锚固体的力学分析过程。对每个过程分别构建锚固力与加载位移之间的关系,从而可以获得锚杆(索)受载过程中的力学性能曲线,利用该曲线便可以探究锚杆(索)在不同工况下的锚固性能。图弹性脱黏模型 本构方程将弹性脱黏模型嵌入锚索支护系统内便可以对锚索支护承载性能开展分析。将锚索支护承载性能曲线分为弹性阶段、弹性脱黏阶段和完全脱黏三个阶段,并分别构建了这三个阶段中的拉拔力关于拉拔位移之间的公式化关系。在弹性阶段,锚索拉拔力与拉拔位移之间的关系如公式()所示:犉 狉 犺(犔)犼()公式
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