层状顶板锚拉支架试验研究与应用

层状顶板锚拉支架试验研究与应用【收藏本页】【打印】2009-8-26来源：中国煤炭论坛摘要对锚拉支架支护层状顶板进行了模拟试验和参数优化研究;量测了锚杆拉剪横向变形的规律，表明锚杆横向抗力对维护破裂顶板起重要作用;从理论上对锚拉支架拉杆拉力设计进行了探讨和工程实例验证。关键词锚拉支架层状破裂顶板模型试验应用锚拉支架[1],目前正成为支护破裂顶板有效的技术手段，因结构简单(2根锚杆，1根拉杆及联结装置)，节约成本，便于快速掘进而得到推广应用。锚拉支架中的锚杆，其横向抗力对加固围岩所起作用至关重要，确保拉杆必要的拉力成为支架体系成败的关键[1～3]，这也是锚拉支架系统设计尚需研究的难点。本文将对锚拉支架支护层状顶板进行模型试验与应用研究。1试验分析1.1试验系统和参数为研究破裂顶板中锚杆横向作用问题，模拟煤矿层状顶板的巷道支护。根据相似模拟理论，进行二分层梁加锚拉支架的模拟试验[1]，试验简图如图1所示。选用1/10的几何相似比，采用760mm×200mm×200mm的模拟梁。相似材料配比为水泥∶砾石∶砂∶水=1∶1.5∶3∶0.6，分层厚度各为100mm，浇注时，预留φ16mm锚杆孔。等厚分层梁按30°、45°、60°、75°、90°安装角分别各制备不少于2台模型，养护28d进行试验。图1等厚二分层梁加锚拉支架试验简图模拟试验中，锚拉支架选用8mm×8mm钢杆，外套φ12mm，φ16mm塑料管插入预留锚杆孔，采用环氧树脂等保证紧密接触的措施。锚杆长度按图1不同安装角确定，在交界面部位锚杆中心布设0°、45°、90°应变花，拉杆轴向中心贴片以便量测拉杆变形。拉杆长度300mm，支架排距100mm，每台模型布设两架支架，锚头用张紧装置实现预紧。采用WE-10B型液压万能试验机加载，用7V07数据自动采集记录仪连续采集锚杆及拉杆应变等。1.2试验结果分析不同安装角系统的平均承载力比较如图2所示，初次断裂荷载较小，锚拉支架与裂隙梁成拱作用导致系统的承载力继续增加。图2表明锚杆倾角为45°时初次断裂及最终破坏荷载均较大，而30°、60°和75°最终破坏荷载无明显差异。90°时初次断裂及最终荷载均较小，这是因为初次断裂位于锚拉支架的捆绑范围以外，支架所起作用甚小，锚杆难以发挥横向抗力，与现场锚杆垂直顶板安装造成的整体冒落类似。图2不同倾角承载力比较由图3可知，在相同荷载条件下，锚杆安装角不同时，拉杆拉应变并不相同，以45～75°时拉杆变形较小。试验表明拉杆拉力对锚杆的横向及轴向力的发挥起重要作用。从发挥锚拉支架与围岩的共同作用来看，并从控制拉杆变形看以45～75°安装角为优。图3等荷载下不同倾角时拉杆应变比较1—载荷为4kN;2—载荷为15kN;图4为锚杆应变的部分试验结果。在初次断裂时，锚杆的拉伸、剪切及压缩应变会出现明显的突然变化，而后支架实现内力均衡化调整过程，继续承受较大的荷载。在相同荷载条件下，随安装角增加，由30～90°锚杆变形显著增加，且剪应变增加速率最明显，总体上讲锚杆变形呈现出拉剪变形的特性。图4交界面位置锚杆应变试验结果试验结果表明，对煤矿普遍应用的小锚固力短锚杆，有效的锚拉支架支护设计参数应避免锚杆垂直安装;并确保合理地发挥锚杆横向及轴向综合抗力，对层状顶板锚杆支护不能忽略锚杆的受剪特性;锚拉支架的最优参数应使体系承载力最大而支架中锚杆内力较小，综合考虑支架内力、体系承载力以及打眼方便，以45～60°安装角为宜。2锚拉支架拉杆拉力设计锚拉支架拉杆拉力设计对体系稳定性具有重要意义，以往无理论依据可循。基于锚杆横向效应分[FS:PAGE]析，将锚杆视为“柔性”杆，考虑锚拉支架与破裂岩石的成拱作用，推导出了拉杆拉力的设计公式[2](1)式中Ht——拉杆拉力a——施锚部位围岩塑性区厚度;s——矩形巷道跨度;q——节理梁上均布荷载，若计及自重，q=q0+γbt，q0为初始荷载，γ为岩石容重，b为支架排距，t为节理梁高度;Fs——顶板抗滑安全系数;α——锚杆安装角(与水平方向夹角成锐角);e——水平推力力臂，e值可实测或按对角线长为直径的等效圆形巷道计算(2)式中f——巷道两帮的高度;h——巷道埋深;φ，c——破碎区中岩石的内摩擦角及粘聚强度。因此确定了巷道断面尺寸，原岩应力及c，φ值，给定安全系数Fs，即可由确定预拉力，设计和校验锚拉支架系统内力等[2]。3工程应用山西某煤矿3号煤层平均厚度6.13m，倾角6°，伪顶0～0.3m，为泥质及炭质泥岩，随采随冒。直接顶砂质泥岩，厚度1.2～1.3m，根据实测其抗压强度Sc=17.3MPa，c=5.1MPa，φ=30°，直接顶容重γ=2700kg/m3。老顶为较厚的细粒砂岩，试验巷道处原岩应力约15MPa，巷道跨度3.4m，上下帮边墙2.6m及2.3m，巷道沿顶板布置开采上分层。计算与现场经验分析，等效破碎圈厚度a=0.58m。参考文献[4]及现场经验，确定q0=30kN/m是适宜的，若给定抗滑安全系数Fs=2.5，易求得拉杆拉力Ht=20.8kN。据理论与模拟试验分析，在50m试验巷道中，设计采用长1.8m管缝式锚杆(采用了预处理措施提高锚固力)，直径B=30mm，安装角α=60°，锚拉支架排距b=0.7m，拉杆为长3.2m，φ18mm的钢筋，设计了联接头及拉杆紧贴岩面的安设技术，能确保提供必要的水平拉力，并用菱形金属网护顶。在井下采用钢弦拉力计实测了拉杆拉力变化情况，其变化曲线如图5所示，试验实测拉力较大，均大于20.8kN，表明均满足安全系数大于2.5的要求。实测锚杆锚固力，初锚力大于30kN，后期为49～70kN，从1995年7月至1996年6月成巷到回采动压影响期间巷道均安全通过。图5拉杆拉力实测变化曲线作者简介刘波1970年生，1998年毕业于中国矿业大学北京校区，获博士学位。现在该校土木工程研究室从事建筑材料和岩土工程的教学和科研工作。在《岩土工程学报》、《中国矿业大学学报》等刊物发表论文10余篇。地址：北京市学院路丁11号，邮码：100083。作者单位：中国矿业大学北京校区参考文献1李先炜，陶龙光，侯公羽等.锚拉支架.矿山压力与顶板管理，1995(1)2刘波，李先炜，陶龙光.锚拉支架锚杆横向效应分析.岩土工程学报，1998(4)3刘波.锚杆横向效应及综合抗力研究:[博士学位论文].中国矿业大学北京校区，19984朱浮声，郑雨天.全长锚固式锚杆桁架的成拱理论.岩石力学与工程学报，1993(3)