煤矿锚杆索支护理论

煤矿锚杆（索）支护理论1锚杆支护构件的作用234CONTENT锚杆支护的加固作用现有锚杆支护理论锚杆支护作用机理锚杆支护构件的作用1锚杆杆体的作用如图所示，锚杆杆体提供两方面的作用（抗拉作用和抗剪作用）图1锚杆杆体的作用（以树脂锚杆为例）锚杆支护构件的作用1锚杆支护构件的作用1锚杆杆体的作用抗拉作用锚杆杆体所能承受的拉断载荷：bdP42式中P-锚杆拉断载荷，N；d-锚杆直径，mm；σb-锚杆钢材抗拉强度，MPa。抗剪作用锚杆杆体所能承受的剪切载荷：bd4Q2式中Q-锚杆剪断载荷，N；τb-锚杆钢材剪切强度，MPa。锚杆支护构件的作用1锚杆杆体的作用牌号屈服强度/MPa抗拉强度/MPa拉断荷载/kNφ16mmφ18mmφ20mmφ22mmφ25mmQ23524038076.496.7119.4144.5186.5BHRB33533549098.5124.7153.9186.3240.5BHRB400400570114.6145.0179.1216.7279.8BHRB500500670134.7170.5210.5254.7328.9BHRB600600800160.8203.6251.3304.1392.7表1常用锚杆钢材的抗拉强度牌号剪切强度/MPa剪断荷载/kNφ16mmφ18mmφ20mmφ22mmφ25mmQ23526653.567.783.6101.1130.6BHRB33534369.087.7107.8130.4168.4BHRB40039980.2101.5125.3151.7195.9BHRB50046994.3119.3147.3178.3230.2BHRB600560112.6142.5175.9212.9274.9表2常用锚杆钢筋的剪切强度锚杆支护构件的作用1锚杆托板的作用①通过给螺母施加一定的扭矩使托板压紧巷道表面，给锚杆提供预紧力，并使预紧力扩散到锚杆周围的煤岩体中，从而改善围岩应力状态，抑制围岩离层、结构面滑动和节理裂隙的张开，实现锚杆的主动、及时支护作用。②围岩变形使载荷作用于托板上，通过托板将载荷传递到锚杆杆体，增大锚杆的工作阻力，充分发挥锚杆控制围岩变形的作用。注：托板力学性能应与锚杆杆体的性能相匹配，才能充分发挥锚杆的支护作用。锚杆支护构件的作用1锚杆托板的作用无托板时锚杆轴力在巷道表面处为0，在一定深度达到最大值，剪力在轴力最大处为0；有托板时，由于锚杆施加的预紧力和围岩通过托板作用在锚杆杆体上的力，使得锚杆轴力在巷道表面处达到一定值，而且使锚杆轴力最大的位置向孔口移动，更接近巷道表面。轴向力轴向力剪应力剪应力（a）无托板（b）有托板图2托板对全长锚固锚杆受力分布的影响锚杆长度锚杆长度轴向力轴向力剪应力剪应力锚杆支护构件的作用1锚固剂的作用黏结作用假定锚固剂与杆体、锚固剂与钻孔孔壁之间的黏结应力沿锚固长度内均匀分布。锚杆拉拔力为：孔壁之间）（破坏发生在锚固剂与锚杆之间）（破坏发生在锚固剂与lDld21PP式中P-锚杆拉拔力，kN；l-锚固长度，m；τ1-锚固剂与杆体之间的黏结强度，MPa；τ2-锚固剂与孔壁之间的黏结强度，MPa；d-锚杆直径，mm；D-钻孔直径，mm。实际工作情况下黏结应力的分布与拉拔试验时有较大区别，其影响因素包括锚固剂性能、围岩性质、钻孔直径和粗糙度、锚杆直径与粗糙度、钻孔与锚杆直径差等。锚杆支护构件的作用1锚固剂的作用黏结作用考虑实际工作状态，杆体锚固段剪应力分布为负指数曲线：轴向力在杆体上呈负指数分布：图3锚固段黏结应力的分布图4拉拔力在杆体上的分布距锚固起始点距离黏结力τ（x）距锚固起始点的距离/mm锚杆轴向力/kN锚杆支护构件的作用1锚固剂的作用黏结作用考虑实际工作状态，杆体锚固段剪应力分布用下式：E/K8dx-cex）（假设锚固剂破坏到锚固长度中点，拉拔力最大Pmax)1(8/EdP/822maxEKdleKα-残余黏结应力影响系数；l-锚固长度，mm。式中τ（x）-距锚固起始端x处锚固剂作用于杆体表面的黏结应力，MPa；d-杆体直径，mm；E-杆体弹性模量，MPa；c-积分常数；K-剪切刚度，MPa；K1-锚固剂的剪切刚度，MPa；K2-围岩的剪切刚度，MPa。2121KKKKK锚杆支护构件的作用1锚固剂的作用抗拉与抗剪作用我国树脂锚固剂的抗拉强度和抗剪强度一般分别可取11.5MPa，35MPa。锚固剂可以提供抗拉力和一定的抗剪能力。端部锚固与全长锚固的区别图5端锚锚杆与全长锚固锚杆支护作用的区别锚杆支护构件的作用1锚固剂的作用端部锚固与全长锚固的区别端部锚固全长锚固锚固剂的作用在于提供黏结力，使锚杆承受一定的拉力，其除锚固端外，沿长度均匀分布；锚杆抗剪能力只有在岩层发生较大错动后发挥。锚固剂的作用在于将锚杆与孔壁黏结，使锚杆随岩层移动承受拉力；当岩层发生错动时，与杆体共同起抗剪作用，阻止岩层滑动。杆体各部位应力应变相等；在锚固范围内，任何部位岩层的离层均匀的分散到整个杆体的长度上，导致杆体受力对围岩变形和离层不敏感，支护刚度低。全长锚固锚杆应力应变沿锚杆长度方向分布极不均匀，杆体对受力对围岩变形和离层很敏感，支护刚度高。锚杆支护构件的作用1钢带的作用①锚杆预紧力和工作阻力扩散作用②支护巷道表面和改善围岩应力状态作用③均衡锚杆受力和提高整体支护作用锚杆支护构件的作用1钢带的作用假设钢带受均布荷载q，受力与变形公式如下：EI384qa5f8qaM42max式中Mmax-钢带中点处最大弯矩，kN·m；q-均布载荷，kN/m；a-锚杆间距，m；f-钢带挠度，mm；E-钢带弹性模量，MPa；I-钢带惯性矩，m4分析钢带受力的简化模型是将两根锚杆之间的钢带段作为简支梁。图6钢带受力简化模型锚杆支护构件的作用1网的作用①维护锚杆之间的围岩，防止破碎岩块垮落。②紧贴巷道表面，提供一定的支护力，一定程度上改善岩层受力；同时，将锚杆之间岩层的载荷传递给锚杆，形成整体支护系统。③既能有效控制巷道浅部围岩变形与破坏，又能对深部围岩有良好的支护作用。图7金属网作用示意图锚杆支护的加固作用2锚杆提供的支护强度锚杆加固作用引起的锚固体变形模量的增加值：21bmaa4EdE2式中Em-锚固体变形模量的增加值，MPa；Eb-钢材的弹性模量，MPa；a1、a2-锚杆的间、排距，m。对于变形模量大于1000MPa的岩石来说，杆体提高变形模量的效应不明显锚杆支护的加固作用2锚杆提供的支护强度锚杆提供的支护强度σm：21bmaa4d2下表3为锚杆间、排距0.8m×0.8m条件下，不同材质、不同直径杆体的支护强度。表3锚杆的支护强度牌号抗拉强度/Mpa支护强度/Mpaφ16mmφ18mmφ20mmφ22mmφ25mmQ2353800.120.150.190.230.29BHRB3354900.150.190.240.290.38BHRB4005700.180.230.280.340.44BHRB5006700210.270.330.400.51BHRB6008000.250.320.390.480.61锚杆支护的加固作用2锚杆提供的支护强度由摩尔强度理论可知，岩石强度与其所受的围压关系如下：sin-1Ccos2sin-1sin131式中σ1-岩石强度，MPa；σ3-围压，MPa；φ-岩石内摩擦角，（˚）；c-岩石黏聚力，MPa。围压越高，岩石强度越大。对于中等强度岩石（单轴抗压强度大于30MPa），锚杆支护在岩石破坏前后对其强度影响不大；对煤体影响较明显。锚杆支护的加固作用2锚杆提供的支护强度如图8所示，锚杆显著增加了岩石屈服后的强度，使岩石破坏变的平缓。图8锚固前后岩体强度曲线锚杆支护的加固作用2锚杆对不连续面的加固作用如图9所示，假定被平面节理切割的2块分离岩块中，安装1根锚杆。当岩块发生相对位移时，杆体承受载荷。图9锚杆加固节理面模型锚杆支护的加固作用2锚杆对不连续面的加固作用位移u的分量：ucosuusinutn式中un-法向位移量，mm；ut-切向位移量，mm；α-位移向量与节理面之间的夹角（˚）。在杆体与节理交点，位移引起杆体所受力为P。杆体受力分量：PsinPPcosPTN式中PN-杆体轴向分量，kN；PT-杆体切向分量，kN。锚杆支护的加固作用2锚杆对不连续面的加固作用杆体提供的节理切向抗力：等于节理的剪胀角）（）（）（大于节理的剪胀角））（（tanPcosPsinFPsinFTT式中θ-杆体轴向与节理法向的夹角（˚）；φ-节理面的内摩擦角（˚）。锚杆支护的加固作用2锚杆对不连续面的加固作用①在非常坚硬岩石中，破坏由节理、杆体相交处的剪应力和拉应力所致（图（a)）；②在较软岩石中，杆体中有两个塑性弯折对称地出现在节理两侧。在弯折之间，倾斜度增大。破坏主要由拉应力所致（图（b)）。此时，θ由θ+Δθ替代。图10锚杆加固节理面破坏类型锚杆支护的加固作用2锚杆对不连续面的加固作用①经理论分析，杆体作用可表示为：btanaPF0T式中FT-杆体提供的节理切向抗力，kN；P0-杆体的拉伸屈服力，kN；a、b-取决于θ、α、岩石抗压强度等的系数。②根据大量实验结果，F.Pellet得出如下经验公式：）（）（tan15.085.0sin0011.055.1PF14.0cc0T207.1本质：通过锚杆提供的轴向力和切向力，提高不连续面的抗剪强度，阻止不连续面移动与滑动；通过提高结构面的强度提高节理岩体的整体强度、完整性和稳定性。现有锚杆支护理论评述3悬吊理论锚杆支护的作用是将顶板下部不稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层中，以增强软弱岩层的稳定性。图11锚杆支护的悬吊作用现有锚杆支护理论评述3悬吊理论存在问题①锚杆受力只有当松散岩层或不稳定岩层完全与稳定岩层脱离的情况下等于破碎岩层的重量，而这种条件在井下巷道并不多见。②锚杆安设后，由于岩层变形和离层，会使锚杆受力很大，而远非破碎岩层的重量。③未考虑围岩的自承能力。④当围岩松软，巷道宽度较大时，锚杆很难锚固到上部稳定的岩层或自然平衡拱上，悬吊理论不适用。现有锚杆支护理论评述3组合梁理论组合梁理论适用于层状岩层。对于端部锚固锚杆，其提供的轴向力将对岩层离层产生约束，并且增大了各岩层间的摩擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间相对滑动；对于全长锚固锚杆，锚杆和锚固剂共同作用，明显改善锚杆受力状况，增加了控制顶板离层和水平错动的能力，支护效果优于端部锚固锚杆。图12锚杆支护的组合梁作用现有锚杆支护理论评述3组合梁理论组合梁所受最大拉应力与叠合梁所受最大拉应力比值：n1hh2i2ilmaxcmax）（，，式中σmax，c，σmax，l-组合梁与叠合梁所受的最大拉应力，MPa；hi-各层岩梁厚度，m；n-岩层总数。组合梁的最大弯曲应变：22Et2WBmax式中W-组合梁自重，MN/m2;B-巷道跨度，m；t-组合梁高度，m；E-岩石弹性模量，MPa。现有锚杆支护理论评述3组合梁理论存在问题①组合梁有效组合厚度很难确定；②未考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆载荷的作用；③只适用于层状顶板，而且仅考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用，没有涉及锚杆对岩体强度变形模量及应力分布的影响。现有锚杆支护理论评述3加固拱理论即使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，只要间距足够小，各根锚杆形成的压应力圆锥体将相互重叠。就能产生一个均匀的压缩带，可以承受上部破碎岩石的载荷。锚杆支护的作用是形成较大厚度较大强度的加固拱。图13锚杆支护的加固拱作用现有锚杆支护理论评述3加固拱理论存在问题①只是将各锚杆的支护作用简单相加，得出支护系统的整体承载结构，缺乏对固岩体力学特性及影响因素的深入研究。②加固拱厚度涉及的影响因素很多，很难较准确估计。现有锚杆支护理论评述3最大水平应力理论岩层中的水平应力在很多情况下大于垂直应力，而且水平应力具