井巷锚杆支护稳定性分析

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  中图分类号:TD353 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)13-0234-01
  1 回采巷道两帮破坏形式分析
  地下工程的稳定可以分为两类:一是巷道围岩的自稳,即当巷道围岩的应力小于围岩强度时巷道围岩能够长期保持稳定;二是人工稳定,即巷道开掘后,围岩出现破碎区和塑性区,巷道出现片帮、塌落或无休止的变形,此时必须进行支护才能保持巷道围岩的稳定。井工开采的大部分巷道,特别是回采巷道,属于人工稳定,采用锚杆支护是保持巷道围岩稳定的有效途径之一。
  2 巷道两帮锚固体的变形破坏特征
  (1)在锚固体屈服以前,主要是加载方向的弹性变形。尽管不同锚杆布置时锚固体的弹性模量各不相同,但其总的变形量都较小,并且锚固体在锚杆轴向方向上没有变形产生,此时锚固体的体积变形主要是压缩变形。
  (2)当锚固体屈服以后,在锚杆轴向方向上锚固体开始变形,在峰值前的弹塑性区域,锚固体的变形主要是其材料本身的变形,以试体内部的微裂隙发展汇集,主控面逐渐形成为其主要变形机理,此时锚固试体的体积较弹性段有所膨胀,但其主体仍是以锚固体的压缩变形为主。
  (3)在锚固体的峰值点,尽管锚杆数目不同,但锚固体的极限体积应变近似等于零。可见,在峰前,锚固体不存在扩容特性。
  (4)在峰后,锚固体处于应变软化阶段,其变形有两大特点:一是自由面的变形量大于锚固体的纵向压缩量,二是变形量逐渐增加,其量级较大。锚固体主要是以体积膨胀为主,至残余强度时,不同锚杆支护的体积膨胀应变可达3%—8%,所以,在峰后锚固体产生显著的体积膨胀效应。由于岩石材料及试验所用的相似材料本身的压缩性或膨胀性较小,所以锚固体的体积膨胀主要是一种结构效应。在锚固体的纵截面上,锚固体内部存在两条贯穿的主破裂面,至残余强度时发生胀裂,锚固体的变形主要以剪切面的胀裂为主。
  综上所述,锚固体的变形破坏过程首先是在外载作用下发生剪切变形,形成两个剪切面,而后继续加载,锚固体在受到压缩的同时,沿剪切面胀裂,由于锚杆的存在,胀开的距离比无锚杆时减小,而在靠近自由面的地方出现一三角形破碎区,在自由面的表面多出现张性破坏。
  3 巷道锚杆支护两帮稳定性分析判据
  根据应力分析及实际应用情况建立巷道两帮稳定性分析模型。在煤壁处,由于锚杆作用而提供的沿锚杆轴向的等效应力σm3σ2(沿巷道轴向方向的应力)相比仍较小,所以煤壁常出现一些张性破裂,即出现一些垂直于煤壁的裂缝,这类裂缝能引起局部掉块,但不会造成围岩大面积的塌落。煤壁出现大面积滑落的原因是锚固体内锚杆被拉断或剪断,使临近自由面的部分煤体失去了σm3的作用,结果出现煤壁片帮以及大面积滑落。
  4 应用实例
  5 结论
  (1)根据围岩的受力特点,结合锚固体变形的相似材料模拟试验,指出巷道锚杆支护两帮围岩的破坏形式,即两帮表面发生张性破坏,其内部发生剪切破坏。
  (2)建立了两帮稳定的判别准则,即锚固体中锚杆的拉应变小于锚杆的允许拉应变εm<[εL],对于变形量大的巷道还必须满足ua≤us。
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