第十章煤巷锚杆支护技术.ppt
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第十章煤巷锚杆支护技术第十章煤巷锚杆支护技术第一节第一节煤巷锚杆支护理论煤巷锚杆支护理论传统的锚杆支护理论有悬吊理论、组合梁传统的锚杆支护理论有悬吊理论、组合梁理论和加固拱理论等。
悬吊是最早的锚杆支理论和加固拱理论等。
悬吊是最早的锚杆支护理论,它具有直观、易懂及使用方便等特护理论,它具有直观、易懂及使用方便等特点。
特别是在顶板上部有稳定岩层,而其下点。
特别是在顶板上部有稳定岩层,而其下部存在松散、破碎岩层的条件下,这种支护部存在松散、破碎岩层的条件下,这种支护理论应用比较广泛。
其主要缺陷是仅考虑了理论应用比较广泛。
其主要缺陷是仅考虑了锚杆的抗拉作用,没有涉及其抗剪能力及对锚杆的抗拉作用,没有涉及其抗剪能力及对破碎岩层整体强度的提高。
破碎岩层整体强度的提高。
组合梁理论充分考虑了锚杆对岩层离层与滑动的约组合梁理论充分考虑了锚杆对岩层离层与滑动的约束作用,适用于层状岩层。
该理论认为,锚杆提供的轴束作用,适用于层状岩层。
该理论认为,锚杆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产生相擦力,与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相对滑动。
加固拱理论认为,即使在软弱、松散、破碎的对滑动。
加固拱理论认为,即使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆,也可以形成一个承载结构。
只要锚杆岩层中安装锚杆,也可以形成一个承载结构。
只要锚杆间距足够小,就能在岩体中产生一个均匀压缩带,它可间距足够小,就能在岩体中产生一个均匀压缩带,它可以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。
加固拱理论充分考以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。
加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用,在软岩巷道中得到较为广泛虑了锚杆支护的整体作用,在软岩巷道中得到较为广泛的应用。
的应用。
一、悬吊理论一、悬吊理论悬悬吊吊理理论论认认为为:
锚锚杆杆支支护护的的作作用用就就是是将将巷巷道道顶顶板板较较软软弱弱岩岩层层悬悬吊吊在在上上部部稳稳定定岩岩层层上上,以以增增强强较较软软弱弱岩岩层层的的稳定性。
稳定性。
对对于于回回采采巷巷道道经经常常遇遇到到的的层层状状岩岩体体,当当巷巷道道开开挖挖后后,直直接接顶顶因因弯弯曲曲、变变形形与与老老顶顶分分离离,如如果果锚锚杆杆及及时时将将直直接接顶顶挤挤压压并并悬悬吊吊在在老老顶顶上上,就就能能减减小小和和限限制制直直接接顶顶的的下下沉沉和离层,以达到支护的目的,如图和离层,以达到支护的目的,如图1所示。
所示。
巷巷道道浅浅部部围围岩岩松松软软破破碎碎,或或者者开开掘掘巷巷道道后后应应力力重重新新分分布布,顶顶板板出出现现松松动动破破裂裂区区,这这时时锚锚杆杆的的悬悬吊吊作作用用就就是是将将这这部部分分易易冒冒落落岩岩体体悬悬吊吊在在深深部部未未松松动动岩岩层层上上。
这这是是悬悬吊理论的进一步发展,如吊理论的进一步发展,如2所示。
所示。
图图1锚杆的悬吊作用锚杆的悬吊作用图图2顶板锚杆悬吊松动破裂岩层顶板锚杆悬吊松动破裂岩层根据悬吊岩层的重量就可以进行锚杆支护设计。
根据悬吊岩层的重量就可以进行锚杆支护设计。
悬悬吊吊理理论论直直观观地地揭揭示示了了锚锚杆杆的的悬悬吊吊作作用用,在在分分析析过过程程中中不不考考虑虑围围岩岩的的自自承承能能力力,而而且且将将被被锚锚固固体体与与原原岩岩体体分开,与实际情况有一定差距,计算数据存在误差。
分开,与实际情况有一定差距,计算数据存在误差。
悬悬吊吊理理论论只只适适用用于于巷巷道道顶顶板板,不不适适用用于于巷巷道道帮帮、底底。
如如果果顶顶板板中中没没有有坚坚硬硬稳稳定定岩岩层层或或顶顶板板软软弱弱岩岩层层较较厚厚,围围岩岩破破碎碎区区范范围围较较大大,无无法法将将锚锚杆杆锚锚固固到到上上面面坚坚硬硬岩岩层层或或者未松动岩层上,悬吊理论就不适用。
者未松动岩层上,悬吊理论就不适用。
二、组合梁理论二、组合梁理论组组合合梁梁理理论论认认为为,在在层层状状岩岩体体中中开开挖挖巷巷道道,当当顶顶板板在在一一定定范范围围内内不不存存在在坚坚硬硬稳稳定定岩岩层层时时,锚锚杆杆的的悬悬吊吊作作用用居次要地位。
居次要地位。
如如果果顶顶板板岩岩层层中中存存在在若若干干分分层层,顶顶板板锚锚杆杆的的作作用用,一一方方面面是是依依靠靠锚锚杆杆的的锚锚固固力力增增加加各各岩岩层层间间的的摩摩擦擦力力,防防止止岩岩石石沿沿层层面面滑滑动动,避避免免各各岩岩层层出出现现离离层层现现象象;另另一一方方面面,锚锚杆杆杆杆体体可可增增加加岩岩层层间间的的抗抗剪剪刚刚度度,阻阻止止岩岩层层间间的的水水平平错错动动,从从而而将将巷巷道道顶顶板板锚锚固固范范围围内内的的几几个个薄薄岩岩层层锁锁紧紧成成一一个个较较厚厚的的岩岩层层(组组合合梁梁)。
这这种种组组合合厚厚岩岩层层在在上上覆覆岩岩层层载载荷荷的的作作用用下下,其其最最大大弯弯曲曲应应变变和和应应力力都都将将大大大大减减小小,组组合合梁梁的的挠挠度度亦亦减减小小,而而且且组组合合梁梁越越厚厚,梁梁内内的的最最大应力、应变和梁的挠度也就越小,如图大应力、应变和梁的挠度也就越小,如图3所示。
所示。
根据组合梁的强度大小,可以确定锚杆支护参数。
根据组合梁的强度大小,可以确定锚杆支护参数。
图3顶板锚杆组合梁作用(a)未打锚杆(b)布置顶板锚杆组组合合梁梁理理论论,是是对对锚锚杆杆将将顶顶板板岩岩层层锁锁紧紧成成较较厚厚岩岩层层的的解解释释。
在在分分析析中中,将将锚锚杆杆作作用用与与围围岩岩的的自自稳稳作作用用分分开开,与与实实际际情情况况有有一一定定差差距距,并并且且随随着着围围岩岩条条件件的的变变化化,在在顶顶板板较较破破碎碎、连连续续性性受受到到破破坏坏时时,组组合合梁也就不存在了。
梁也就不存在了。
组组合合梁梁理理论论只只适适合合于于层层状状顶顶板板锚锚杆杆支护的设计,对于巷道的帮、底不适用。
支护的设计,对于巷道的帮、底不适用。
三、组合拱三、组合拱(压缩拱压缩拱)理论理论组组合合拱拱理理论论认认为为:
在在拱拱形形巷巷道道围围岩岩的的破破裂裂区区中中安安装装预预应应力力锚锚杆杆时时,在在杆杆体体两两端端将将形形成成圆圆锥锥形形分分布布的的压压应应力力,如如果果沿沿巷巷道道周周边边布布置置锚锚杆杆群群,只只要要锚锚杆杆间间距距足足够够小小,各各个个锚锚杆杆形形成成的的压压应应力力圆圆锥锥体体将将相相互互交交错错,就就能能在在岩岩体体中中形形成成一一个个均均匀匀的的压压缩缩带带,即即承承压压拱拱(亦亦称称组组合合拱拱或或压压缩缩拱拱),这这个个承承压压拱拱可可以以承承受受其其上上部部破破碎碎岩岩石石施施加加的的径径向向荷荷载载。
在在承承压压拱拱内内的的岩岩石石径径向向及及切切向向均均受受压压,处处于于三三向向应应力力状状态态,其其围围岩岩强强度度得得到到提提高高,支支撑撑能能力力也也相相应应加加大大,如如图图4所所示示。
因因此此,锚锚杆杆支支护护的的关关键键在在于于获获取取较较大大的的承承压压拱拱厚厚度度和和较较高高的的强强度度,其其厚厚度度越越大大,越越有有利利于于围围岩岩的的稳定和支承能力的提高。
稳定和支承能力的提高。
图4锚杆的组合拱原理组组合合拱拱理理论论在在一一定定程程度度上上揭揭示示了了锚锚杆杆支支护护的的作作用用机机理理,但但在在分分析析过过程程中中没没有有深深入入考考虑虑围围岩岩一一支支护护的的相相互互作作用用,只只是是将将各各支支护护结结构构的的最最大大支支护护力力简简单单相相加加,从从而而得得到到复复合合支支护护结结构构总总的的最最大大支支护护力力,缺缺乏乏对对被被加加固固岩岩体体本本身身力力学学行行为为的的进进一一步步分分析析探探讨讨,计计算算也也与与实实际际情情况况存存在在一一定定差差距距,一一般般不不能能作作为为准准确确的的定定量量设设计计,但但可可作作为为锚锚杆杆加加固固设设计计和和施施工工的的重重要参考。
要参考。
四、最大水平应力理论四、最大水平应力理论最最大大水水平平应应力力理理论论由由澳澳大大利利亚亚学学者者盖盖尔尔(WJGale)提提出出。
该该理理论论认认为为:
矿矿井井岩岩层层的的水水平平应应力力通通常常大大于于垂垂直直应应力力,水水平平应应力力具具有有明明显显的的方方向向性性,最最大大水水平平应应力力一一般般为为最最小小水水平平应应力力的的L525倍倍。
巷巷道道顶顶底底板板的的稳稳定定性性主主要要受受水水平平应应力力的的影影响响,且且有有三三个个特特点点:
(1)与与最最大大水水平平应应力力平平行行的的巷巷道道受受水水平平应应力力影影响响最最小小,顶顶底底板板稳稳定定性性最最好好;
(2)与与最最大大水水平平应应力力呈呈锐锐角角相相交交的的巷巷道道,其其顶顶底底板板变变形形破破坏坏偏偏向向巷巷道道某某一一帮帮;(3)与与最最大大水水平平应应力力垂垂直直的的巷巷道道,顶顶底底板板稳稳定定性性最差,如图最差,如图5所示。
所示。
图图5应力场效应应力场效应(a)巷巷道道平平行行于于主主应应力力(最最佳佳方方向向);(b)巷巷道道与与主主应应力力呈呈45夹夹角角;(c)巷道与主应力呈巷道与主应力呈90夹角夹角(最劣方向最劣方向)在在最最大大水水平平应应力力作作用用下下,顶顶底底板板岩岩层层易易于于发发生生剪剪切切破破坏坏,出出现现错错动动与与松松动动而而膨膨胀胀造造成成围围岩岩变变形形,锚锚杆杆的的作作用用即即是是约约束束其其沿沿轴轴向向岩岩层层膨膨胀胀和和垂垂直直于于轴轴向向的的岩岩层层剪剪切切错错动动(图图6),因因此此要要求求锚锚杆杆必必须须具具备备强强度度大大、刚刚度度大大、抗抗剪剪阻阻力力大大,才才能能起起约约束束围围岩岩变变形形的的作用。
作用。
最最大大水水平平应应力力理理论论,论论述述了了巷巷道道围围岩岩水水平平应应力力对对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所起的作用。
巷道稳定性的影响以及锚杆支护所起的作用。
在在设设计计方方法法上上,借借助助于于计计算算机机数数值值模模拟拟不不同同支支护护情情况况下下锚锚杆杆对对围围岩岩的的控控制制效效果果,进进行行优优化化设设计计,在在使使用用中中强强调调监监测测的的重重要要性性,并并根根据据监监测测结结果果修修改改完完善初始设计。
善初始设计。
(a)约束岩层膨胀;(b)约束岩层错动图图6锚杆加固作用示意图五、巷道锚杆支护围岩强度强化理论综述五、巷道锚杆支护围岩强度强化理论综述v该该理理论论的的要要点点是是:
(1)巷巷道道锚锚杆杆支支护护的的实实质质是是锚锚杆杆和和锚锚固固区区域域的的岩岩体体相相互互作作用用而而组组成成锚锚固固体体,形形成成统统一一的的承承载载结结构构;
(2)巷巷道道锚锚杆杆支支护护可可以以提提高高锚锚固固体体的的力力学学参参数数,包包括括锚锚固固体体破破坏坏前前和和破破坏坏后后的的力力学学参参数数(E、C、),改改善善被被锚锚固固岩岩体体的的力力学学性性能能;(3)巷巷道道围围岩岩存存在在破破碎碎区区、塑塑性性区区、弹弹性性区区,锚锚杆杆锚锚固固区区域域内内岩岩体体的的峰峰值值强强度度或或峰峰后后强强度度、残残余余强强度度均均能能得得到到强强化化;(4)巷巷道道锚锚杆杆支支护护可可改改变变围围岩岩的的应应力力状状态态、增增加加围围压压,从从而而提提高高围围岩岩的的承承载载能能力力、改改善善巷巷道道的的支支护护状状况况;(5)巷巷道道围围岩岩锚锚固固体体强强度度提提高高以以后后,可可减减小小巷巷道道周周围围破破碎碎区区、塑塑性性区区的的范范围围和和巷巷道道的的表表面面位位移移,控控制制围围岩岩破破碎碎区区、塑塑性性区区的的发发展展,从从而有利于保持巷道围岩的稳定。
而有利于保持巷道围岩的稳定。
这这这这些些些些研研研研究究究究成成成成果果果果,在在在在一一一一定定定定程程程程度度度度上上上上定定定定性性性性或或或或定定定定量量量量地地地地弄弄弄弄清清清清了了了了一一一一些些些些重重重重要要要要问问问问题题题题,例例例例如如如如锚锚锚锚固固固固体体体体的的的的极极极极限限限限强强强强度度度度和和和和EE、CC、的的的
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