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中國煤炭學(xué)會(huì)

康紅普――預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用
發(fā)布時(shí)間: 2015年6月2日
來源: 中國煤炭學(xué)會(huì)

  目的

  隨著煤礦開采強(qiáng)度的大幅度增加,對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)也提出了更高的要求。我國煤礦對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力的認(rèn)識(shí)還不夠,往往通過增加錨桿密度提高支護(hù)效果,導(dǎo)致錨桿支護(hù)密度過大,支護(hù)系統(tǒng)的作用不能充分發(fā)揮,影響巷道施工速度。此外,國內(nèi)現(xiàn)有錨桿螺紋加工精度低、施工機(jī)具扭矩小,不能實(shí)現(xiàn)高預(yù)應(yīng)力也是一個(gè)重要原因。因此,有必要從理論上進(jìn)一步深入研究高預(yù)應(yīng)力支護(hù)體系的作用機(jī)理,為支護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù),使錨桿支護(hù)真正實(shí)現(xiàn)主動(dòng)、及時(shí)支護(hù),實(shí)現(xiàn)從低強(qiáng)度、高強(qiáng)度到高剛度、高預(yù)應(yīng)力支護(hù)的跨越。

  方法

  在不考慮原巖應(yīng)力場(chǎng)的條件下,采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D分析出不同預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)分布特征,以及鋼帶對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散的作用。同時(shí)提出錨桿主動(dòng)支護(hù)系數(shù)、錨桿強(qiáng)度利用系數(shù)、錨桿預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)度系數(shù)、有效壓應(yīng)力區(qū)、預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散系數(shù)、有效壓應(yīng)力區(qū)骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及臨界支護(hù)剛度等概念。最后,介紹新汶、潞安、晉城等礦區(qū)高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)的井下應(yīng)用情況。

  結(jié)果

  (1) 當(dāng)錨桿預(yù)緊力較小時(shí),錨桿之間有效壓應(yīng)力區(qū)較小且相互獨(dú)立,未連成整體。近零應(yīng)力區(qū)范圍大,錨桿支護(hù)在近零應(yīng)力區(qū)幾乎沒有加固圍巖的作用。當(dāng)預(yù)緊力較大時(shí),錨桿之間形成了整體的有效壓應(yīng)力區(qū),近零應(yīng)力區(qū)基本消失,錨桿對(duì)錨桿之間的圍巖起到有效的支護(hù)作用。(2) 無鋼帶時(shí),錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)都是彼此獨(dú)立的,錨桿不能有效支護(hù)錨桿之間的圍巖。有鋼帶時(shí),在頂板表面附近,形成連續(xù)的有效壓應(yīng)力帶,預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍大,錨桿能有效支護(hù)錨桿之間的圍巖。(3) 當(dāng)錨索施加較小的預(yù)緊力時(shí),有效壓應(yīng)力區(qū)小,分布孤立。預(yù)緊力較大時(shí),錨索之間的有效壓應(yīng)力區(qū)重疊,對(duì)錨索之間的圍巖有較明顯的主動(dòng)支護(hù)作用。(4) 由于錨桿與錨索的聯(lián)合支護(hù)作用,顯著提高了錨桿錨固區(qū)內(nèi)的壓應(yīng)力值,疊加成一個(gè)范圍很大的主動(dòng)支護(hù)區(qū)。由于錨索的預(yù)緊力較大,使得錨桿端部的拉應(yīng)力區(qū)消失,轉(zhuǎn)換成有一定壓應(yīng)力值的壓縮區(qū)。在錨桿與錨索之間,有效壓應(yīng)力區(qū)相互重疊,形成以錨索為骨架、錨桿為連續(xù)帶的骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),對(duì)其間圍巖主動(dòng)支護(hù)相當(dāng)明顯。(5) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,預(yù)應(yīng)力對(duì)錨桿支護(hù)控制圍巖變形的能力起決定性作用,鋼帶在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中的作用非常重要,預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)存在臨界支護(hù)剛度。

  結(jié)論

  提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度對(duì)支護(hù)效果非常重要,錨桿預(yù)應(yīng)力起決定性作用。錨桿預(yù)應(yīng)力越高,錨桿的主動(dòng)支護(hù)作用越大。鋼帶實(shí)現(xiàn)了錨桿預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散,顯著提高了對(duì)錨桿之間圍巖的支護(hù)作用。錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)形成一個(gè)范圍很大的主動(dòng)支護(hù)區(qū),以錨索為骨架、錨桿為連續(xù)帶的骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),對(duì)其間圍巖主動(dòng)支護(hù)效果明顯。錨桿主動(dòng)支護(hù)系數(shù)、錨桿強(qiáng)度利用系數(shù)、錨桿預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)度系數(shù)、有效壓應(yīng)力區(qū)、預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散系數(shù)及臨界支護(hù)剛度等概念和參數(shù),可用于描述預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)作用及支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)分布特征。提高錨桿預(yù)應(yīng)力可顯著減小巷道圍巖變形,控制頂板離層,錨桿預(yù)應(yīng)力存在臨界值,達(dá)到或超過臨界值后錨桿支護(hù)可有效控制圍巖變形與破壞。