基于弹性-脱黏模型的全长锚固锚索支护承载性能分析.pdf

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 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 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，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，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（）公式中：犉是锚索拉拔力，；狉是锚索半径，；是锚固界面剪切强度；是系数；犔是锚固长度，；是达到锚固界面剪切强度是对应的剪切变形量；犼是锚固界面剪切变形量。在弹性脱黏阶段，锚索拉拔力与拉拔位移之间的关系如公式（）和公式（）所示：山西煤炭第 卷犉 狉（犔犔）狉 犺（犔）（）犼犈犃犈犃（）狉犔 狉 犺（犔）狆犔狉（犔犔）（）公式中：犔是弹性段长度，；犈是锚索弹性模量；犃是锚索横截面积，；犈是围岩弹性模量；犃是围岩横截面积，；是锚固界面残余剪切强度。在脱黏阶段，锚索拉拔力与拉拔位移之间的关系如公式（）所示：犉 狉犔犈犃犈犃（）狉犔（）本文利用该本构方程计算全长锚固锚索承载性能，并分析各种因素对锚索承载性能的影响。案例分析 工作面位于梅花井煤矿井田北翼二水平 采区，该工作面所采煤层为 煤，平均有益厚度 ，硬度系数犳 ，工作面辅助运输巷走向长 ，标高 （埋深 ）。梅花井煤矿煤直接顶、老顶均为软弱岩层，遇水后易于崩解和膨胀，物性劣化、强度衰减明显。工作面辅助运输巷开口至 段，巷道下帮、两肩窝变形严重，顶板局部有明显鼓包，多处出现锚杆拔断现象，尤其下帮肩窝处锚杆拔断现象较多，可以看出锚杆支护强度已无法满足深部软岩巷道高应力作用。基于此，拟采用全长锚固锚索对巷道进行全面维护。通过分析部分特征力学参数对全长锚固锚索承载性能的影响，选取最优的锚索支护参数，实现全长锚固锚索承载性能最大化。全长锚固锚索承载性能与锚索直径、锚索横截面积、锚固长度、锚索弹性模量、围岩弹性模量、围岩横截面积、锚固界面剪切强度、锚固界面残余剪切强度，达到锚固界面剪切强度时对应的剪切滑移量等因素有关。因此，本论文采用上述本构模型对部分因素对锚索承载性能的影响开展研究。本论文设定锚索长度为，半径为，弹性模量为 ，钻孔直径为，围岩弹性模量为 ，锚固界面剪切强度为 ，锚固界面达到剪切强度时对应的剪切滑移量为，锚固界面残余剪切强度为。利用上述本构方程可以计算得到锚索的承载性能曲线如图所示。下面以默认参数为基本条件，基于控制变量法图默认参数条件下锚索支护承载性能 研究不同参数对锚索支护承载性能的影响。锚索半径为了研究锚索半径对锚索承载性能的影响，本论文设定三种锚索半径，分别是、和，分别计算其承载性能，如图所示。图锚索直径对锚索承载性能的影响 通过该图可以看出，锚索半径或锚索直径对锚索承载性能有重要影响。随锚索半径增加，锚索最大承载能力显著增加。当锚索半径为 时，锚索最大承载能力为 。当锚索半径增大至 时，锚索最大承载力增加至 。当锚索半 径 增 大 至 时，锚 索 最 大 承 载 力 为 。可以看出，锚索最大承载力增加程度明显，说明提高锚索直径有助于改善锚索承载能力。锚固长度锚固长度对锚索支护承载性能具有明显影响，因此本论文采用本构模型计算锚固长度这一参数的影响。共计设定三种锚固长度，分别是、和，如图所示。第期雷学涛：基于弹性脱黏模型的全长锚固锚索支护承载性能分析图锚固长度对锚索承载性能的影响 可以看出，锚固长度对锚索承载性能影响显著。当锚固长度为时，锚索最大承载力为 。当锚固长度增加至时，锚索最大承载力为 。继续增加锚固长度至 时，锚索最大承载力为 。因此，锚固长度越大，锚索最大承载力越高。同时，可以看出，锚固长度对锚索支护弹性段的承载性能没有影响，仅对锚索弹性脱黏阶段的承载性能产生影响。锚固界面剪切强度锚固界面剪切强度反映的是锚索与锚固剂间锚固界面剪切性能，该参数对锚固界面抗剪能力有重要影响。因此，本论文采用上述本构模型计算了锚固界面剪切强度对锚索承载性能的影响。在计算过程中，共计使用了种不同的锚固界面剪切强度，分别是、，对应的锚索支护承载性能曲线如图所示。图锚固界面剪切强度对锚索承载性能的影响 可以看出，锚固界面剪切强度对锚索支护整体承载性能影响显著。当锚固界面剪切强度为 时，锚索支护最大承载力为 。当锚固界面剪切强度增加至 时，锚索支护最大承载力提高至 。继续增加锚固界面剪切强度至，锚索支护最大承载力提高至 。因此，可以看出，提高锚索与锚固剂间锚固界面剪切强度有助于提高锚索支护承载性能。通过分析锚索半径、锚固长度和锚固界面剪切强度对全长锚固锚索支护承载性能的影响，不难看出，采用增大锚索半径、增加锚固长度以及提高锚固界面剪切强度等参数的方法可以提高锚索支护承载性能，进而解决 工作面辅助运输巷开口至 段的巷道支护难题。锚索弹性模量锚索弹性模量是锚索基本力学性质中的重要因素，对锚索承载性能也会产生影响。因此，本论文采用上述本构方程计算锚索弹性模量对锚索承载性能的影响。分别使用了种锚索弹性模量，分别是 、以及 ，对应的锚索承载性能曲线如图所示。图锚索弹性模量对锚索承载性能的影响 可以看出，锚索弹性模量对锚索支护最大承载力影响不大。在种不同的锚索弹性模量状态下，锚索的最大承载力均为 左右。但锚索弹性模量达到最大承载力时的拉拔位移有重要影响。当锚索弹性模量为 时，锚索达到最大承载力时对应的拉拔位移为 。当锚索弹性模量为 时，锚索达到最大承载力时对应的拉拔位移为。当锚索弹性模量为 时，锚索达到最大承载力时对应的拉拔位移为。可以看出，锚索弹性模量越大，锚索支护系统刚度越大，达到锚索支护最大承载性能时对应的拉拔位移越小。经过观测，工作面辅助运输巷开口至 段离层量分别为 处浅部下沉、山西煤炭第 卷 处深部下沉，浅部下沉、处深部下沉，浅部下沉。表明巷道的变形量较大。因此，为了严格控制辅助运输巷变形，应选取弹性模量较大的锚索。结论本文基于理论分析研究了全长锚固锚索支护承载性能。在研究过程中将锚索支护受载过程分为弹性、弹性脱黏、脱黏这个阶段。基于上述个研究，本论文研究锚索半径、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。因此，采用增大锚索半径、增加锚固长度以及提高锚固界面剪切强度等参数的方法解决 工作面辅助运输巷开口至 段的巷道支护难题。锚索弹性模量对锚索支护最大承载力影响不显著，但对锚索支护系统刚度有较大影响。随锚索弹性模量增加，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。由于 工作面辅助运输巷开口至 段变形量较大，为了严格控制辅助运输巷变形，应选取弹性模量较大的锚索。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。参考文献：陶志刚，王璇，郭爱鹏，等地震作用下 锚索固坡效应振动台试验研究煤炭学报，（）：，（）：，：孙利辉，张海洋，张小建，等极软煤层动压巷道围岩大变形特征及全锚索支护技术研究采矿与安全工程学报，（）：，（）：，：，：，?，：，（）：，：张国锋，王二雨，许丽莹煤矿高恒阻大变形锚索受力特性、规律及应用研究岩石力学与工程学报，（）：，（）：饶枭宇，熊小林岩土压花锚抗拔试验研究重庆交通大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，：，（）：，：，：，（）：，：（编辑：单婕）第期雷学涛：基于弹性脱黏模型的全长锚固锚索支护承载性能分析