巷道錨桿支護圍巖強度強化機理研究

1、第19卷第3期巖石力學與工程學報19(3:342345 2000年5月Ch inese J ou rnal of R ock M echanics and E ng ineering M ay,2000巷道錨桿支護圍巖強度強化機理研究3侯朝炯勾攀峰(中國礦業(yè)大學徐州221008(焦作工學院資源材料系焦作454159摘要通過實驗室試驗和理論分析,研究了巷道錨桿支護對錨固范圍巖體峰值強度和殘余強度的強化作用以及對錨固體峰值強度前后E,c,值等力學參數的改善,分析了錨固體強度強化后對巷道圍巖塑性區(qū)和破碎區(qū)的控制程度。關鍵詞錨桿支護,圍巖強度強化,殘余強度分類號TD353.6文獻標識碼A文章編號100

2、026915(200003203422041引言巷道圍巖的穩(wěn)定性除了支護的作用外,主要取決于圍巖的強度和應力狀況。從提高圍巖的強度出發(fā),近幾年開展了經錨桿錨固后圍巖力學性能改善的研究。這些研究主要是針對淺埋深不受采動影響的水利、隧道、邊坡等工程,探討了錨桿加固后巖石峰前區(qū)內聚力c,內摩擦角,彈性模量E的改善情況13。對于煤礦巷道,由于圍巖松軟,加之埋藏深,受采動、構造應力的影響,地應力很大,巷道圍巖破壞嚴重,因而其周圍存在著破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū),錨桿錨固區(qū)域的巖體則處于破碎區(qū)或處于上述兩個或三個區(qū)域中,相應錨固區(qū)域的巖石強度處于峰前、峰后或殘余強度階段。因此,只有掌握圍巖峰后強度和變形的特點

3、以及錨桿對提高圍巖峰值強度和殘余強度以及改善巖石力學性質的作用才能從根本上揭示錨桿支護的作用機理。2錨固體強度強化的相似材料模擬試驗在巷道周邊取一非錨固或錨固分離體進行相似材料模擬試驗,在平面應變情況下,研究無錨桿及錨桿作用下全長錨固錨桿作用機理,分析錨固體在不同錨桿支護強度(密度、錨固力下的強度變化,特別是分析錨固體的破壞過程及破壞后錨桿的支護效果。試驗中假設圍巖為均質體。2.1模型設計模擬試驗的原型相當于從巷道一側或頂板“取出”的,其尺寸的大小應能代表錨固體的一般狀態(tài),考慮錨桿布置方式及巖體的尺寸效應4,原型尺寸為2.0m×2.0m×2.0m,錨固分離體所處位置、形狀及

4、尺寸如圖1所示。模型的幾何相似比為1 10,容重相似比為0.75,則應力相似比為0.075,錨固試體的尺寸為20c m×20c m×20c m。巷道圍巖為中硬巖層,巖石單軸抗壓強度為16.50M Pa。巖石相似材料由砂、水泥和石膏組成,配比號為737,含水量為10%,緩凝劑硼砂含量為水量的1%。錨桿相似材料選用15A保險絲,粘結劑采用1 1的石膏漿。試驗采用平面應變加載(1方向,非加載面(2方向采用剛性約束,在錨桿軸向留設一個自由面模擬巷道圍巖表面。按照錨桿布置常用的間排距大小,依次選用錨桿的間排距為1.4,1.2,1.0,0.9,0.8, 0.7m(間、排距相等進行模擬,

5、錨固試件中相應的錨桿的根數分別為2,3,4,5,6,8根,分別測定錨固體的強度。為便于分析,又做了無約束情況下錨固試體的單向加載試驗。試驗結果根據單向加載和平面應變加載分別整理,并取每組試件(每組3個試件測試結果的平均值作為標準值,每組試驗的重復性較好,平均離散系數小于8%。對每一種錨桿布置方式,分別繪出其全程應力2應變曲線。限于篇幅,試驗數據及這組曲線在此未列出。1999年1月10日收到初稿,1999年3月1日收到修改稿。3國家自然科學基金重點(59734090資助項目。作者侯朝炯簡介:男,66歲,1955年畢業(yè)于北京礦業(yè)學院,現任教授,博士生導師,主要從事礦山壓力、巖石力學、巷道支護、開采

6、方法等方面的研究。 (a(b圖1錨固分離體的形狀及尺寸F ig.1Shape and di m ensi on of separated rock body supported by bolt2.2錨固體力學參數的改善2.2.1彈性模量E及軟化模量M從錨固體彈性變形階段的數據及曲線可求出E值。軟化模量M反映極限強度后曲線斜率的變化,規(guī)定錨固體峰值強度點到殘余強度點連結直線的斜率為錨固體的軟化模量。2.2.2內聚力c,c3及內摩擦角,3錨固體破壞前的內聚力和內摩擦角分別以c,表示,破壞后的殘余強度指標則分別以c3,3表示。全長錨固錨桿的現場應用表明5,錨桿既受到軸向力的影響,又受到剪力作用,所以

7、錨桿對圍巖強度的強化,一方面通過軸向受力改變圍巖的受力狀態(tài),使錨固體由二向應力狀態(tài)轉變?yōu)槿驊顟B(tài),提高錨固體的強度;另一方面,通過與錨固體的橫向聯結,承受剪力及彎距,提高錨固體的力學參數6,達到提高錨固體強度的目的。(1錨桿對錨固體的橫向作用可以看作提高了破裂面上錨固體的抗剪強度,亦即增加了錨固體的等效內聚力c,c=c0+nc m(1式中:c0為無錨桿時巖體的內聚力 M Pa;n為錨固體中錨桿布置根數;c m為單根錨桿提供的附加內聚力 M Pa。c m=F bm ax S cos(45°- 2(2式中:F bm ax為在純剪切條件下,錨桿可以承受的最大剪力,應用米賽斯準則,有下式

8、:F bm ax=sd243(3式中:s為錨桿屈服強度 M Pa;d為錨桿直徑 m;S 為試體自由面積 m2。c=c0+nc m=c0+n sd243S co s(45°- 2(4(2假設錨固體的破壞服從莫爾2庫侖準則,則錨固體的單向抗壓強度為c=2c cos1-sin(5聯立式(4和(5,可得到不同錨桿布置時錨固體破壞以前的c,值。(3從大量抗剪和抗摩擦試驗中知道,巖體強度隨變形發(fā)展而衰減主要是由于內聚力變化的結果,因此,在錨固體變形破壞后的階段,設內摩擦角與3相符。這樣處理是安全的,工程上是允許的。在錨固體變形至殘余強度時仍按莫爾2庫侖準則考慮,則錨固體的殘余強度為3c=2c3c

9、o s31-sin3(6由式(6,可求得錨固體殘余強度時的c3,3。2.2.3錨固體力學性能改善匯總將上述計算結果匯總于表1。表1錨固體力學性能改善匯總Table1I m prove m en t of m echan i ca l properti es ofbolted rock body錨桿密度根(400c m2-1彈性模量EM Pa軟化模量MM Pa錨固體破壞前cM Pa(°錨固體破壞后c3M Paa3(° 0280.832.00.3531.50.01731.52282.632.60.3631.50.01831.53284.735.20.3633.50.01833.

10、54288.239.30.3735.60.01835.65294.041.90.3737.10.01937.16299.743.20.3838.80.01938.88310.046.30.3940.40.02140.4由表1看出,隨著錨桿布置密度的增加,E,M, c,c3,3均有提高,錨固體的力學性能有了明顯改善;且c3,3增加的幅度較大,這對提高巷道周圍淺部破裂圍巖的穩(wěn)定性有重要意義。343第19卷第3期侯朝炯等.巷道錨桿支護圍巖強度強化機理研究表2錨固體的強度及強化系數Table 2Strength and enhance m en t coeff i c i en t of bolted

11、 rock body錨桿密度 根 (400c m 2-1單向加載極限強度 M Pa 殘余強度 M PaK jK c平面應變加載極限強度 M Pa 殘余強度 M Pa K j K c01.2380.0601.001.001.650.5251.001.0021.2750.0651.031.081.7250.5881.041.1231.350.0681.091.131.8320.6251.111.1941.430.0721.161.191.9280.6681.171.2751.500.0751.211.252.0750.71.261.3361.5750.0811.271.352.170.751.32

12、1.4381.6750.0891.351.482.2750.821.381.562.3巷道圍巖強度的強化系數將布置錨桿后錨固體的強度與未布置錨桿的巖體強度之比定義為錨固體的強化系數。則錨固體極限強度強化系數K j =1 c ,錨固體殘余強度強化系數K c =313c 。表2給出不同錨桿布置時K j ,K c 的試驗結果。從表2看出,安裝錨桿后,錨固體的強度總比無錨時提高,并且隨著錨桿布置密度的增加,錨固體的強化系數增加。在錨桿錨固強度一定時,錨桿對殘余強度的強化大于對極限強度的強化,這對于提高巷道圍巖破碎區(qū)的穩(wěn)定性有重要作用。由以上分析可知,巷道錨桿支護作用的實質就是改善錨固區(qū)巖體力學參數,強

13、化錨固區(qū)圍巖強度,特別是強化圍巖破裂后的強度,從而保持巷道圍巖的穩(wěn)定。3錨固體強度強化后的力學行為分析3.1分析計算模型根據相似材料模擬試驗結果,得到錨固體的全程應力2 應變曲線(圖2,曲線上的彈性區(qū)、峰后應變軟化區(qū)以及殘余強度區(qū)分別與巷道周圍的彈性區(qū)、塑性區(qū)以及破碎區(qū)相對應,為了不使所建立的模型和求解過程過于繁冗,簡化為圖3所示的理想殘余塑 性模型。假設無限長圓形巷道處于原巖應力為P 0的均勻應力場中,側壓系數=1,圍巖各向同性,平面應變假設,暫不考慮時間因素影響,錨桿安裝后,與圍巖體一起變形至最終狀態(tài)。巷道圍巖錨固體處于以下3種不同的應力狀態(tài):(1完全處于破碎區(qū);(2存在塑性區(qū)和破碎區(qū);(

14、3存在彈性區(qū)、塑性區(qū)和破碎區(qū)。根據建立的錨固體線性弱化理想殘余塑性模型,通過力學計算,可求出巷道圍巖塑性區(qū)半徑、破碎區(qū)半徑和巷道表面的位移5。限于篇幅,計算公式從略。圖2巖體變形曲線F ig .2D efor m ati on curve of rock s圖3線性弱化理想殘余塑性模型F ig .3Ideal residual and p lastic model3.2計算實例新汶礦務局孫村礦2#煤層回采巷道頂板泥質膠結中粒砂巖與煤層的強度近似相等。為便于分析,假設巷道為圓形,半徑a =1.5m ,圍巖為均質體,處于靜水壓力狀態(tài),P 0=15M Pa,巖體的有關參數為:c =1.5M Pa,=

15、30°,=0.5,E =2110M Pa,M =168.8M Pa (無錨桿時,c 3=0.05M Pa 。錨桿采用<18mm 的建筑螺紋鋼,長1.8m ,全長錨固,井下實測錨桿的最大工作阻力為80kN 。根據錨桿對錨固體的強化作用知道,巖體經錨固后,錨固體破壞前的E ,c ,和峰值后的M ,c ,均有不同443巖石力學與工程學報2000年程度的提高。選擇錨桿間排距依次為1.4, 1.2,1.0,0.9,0.8,0.7m 進行計算,借助相似模擬試驗的結果分析,并考慮到實驗室試驗和現場的地質條件差別,錨桿對圍巖體的強度強化按試驗的50%考慮,將錨固體的有關參數代入有關公式中,得到

16、巷道圍巖塑性區(qū)半徑、破碎區(qū)半徑及巷道表面位移的計算數據(表3。表3巷道圍巖塑性區(qū)和破碎區(qū)寬度、表面位移計算數據Table 3Ca lcula ted surface displace m en t ,w i dth of pla sti c area and broken area of surroundi n g rocks 間、排距 m錨桿軸向應力 M Pa塑性區(qū)寬度 m破碎區(qū)寬度 m巷道表面位移 mm005.852.15739.101.40.045.151.80472.851.20.064.821.69451.451.00.084.301.46345.700.90.103.621.142

17、55.000.80.133.020.84175.810.70.162.200.42101.82從計算結果可以看出:安裝錨桿使錨固區(qū)巖體強度強化后可以有效地減小巷道圍巖塑性區(qū)、破碎區(qū)半徑及巷道表面位移。4主要結論(1巖體經錨固后,其峰值強度和殘余強度均得到提高,隨著錨桿布置密度的增加,強度強化系數逐漸增大,錨桿布置密度一定時,錨桿對巖體殘余強度的強化程度大于對巖體峰值強度的強化程度。(2安裝錨桿,可有效地改善原巖體的力學參數,隨著錨桿布置密度的增加,錨固體峰值前的E ,c ,與峰值后的M ,c 3,3均有不同程度的提高。在峰前,錨固體的c 提高較小,而增加較大。在峰后,錨固體的c 3提高較大,3

18、與峰前的變化相同。(3安裝錨桿,提高錨固區(qū)域巖體的強度,可以有效地減小巷道圍巖塑性區(qū)、破碎區(qū)半徑及巷道表面位移,保持巷道圍巖穩(wěn)定。參考文獻1麥倜曾,張玉軍.錨固巖體力學性質的研究J .工程力學,1987,(1:1061162鄒志暉,汪志林.錨桿在不同巖體中的工作機理J .巖土工程學報,1993,15(6:71793朱敬民,王林.巖石和錨桿組合材料力學性能的模擬研究J .重慶建筑工程學院學報,1988,(2:11184李世平,吳振業(yè),賀永年等.巖石力學簡明教程M .北京:煤炭工業(yè)出版社,19965勾攀峰.巷道錨桿支護提高圍巖強度和穩(wěn)定性的研究博士學位論文D .徐州:中國礦業(yè)大學,19986朱浮聲,鄭雨天.全長粘結式錨桿的加固作用機理分析J .巖石力學與工程學報,1996,15(4:333337M ECHAN I S M STUDY ON STRENGTH ENHANCE M ENT F OR THE ROCKSSURROUND I NG ROADW AY SUPPORTE D B Y B OL THou Chaoji ong 1,Gou Panfeng2(1China U niver