錨桿-錨索作用互補(bǔ)原理及隧道錨索工程特性研究

錨桿-錨索作用互補(bǔ)原理及隧道錨索工程特性研究

由于兩口井的圍巖很脆弱，當(dāng)采用錨桿和錨索聯(lián)合保護(hù)時(shí)，由于對(duì)其功能機(jī)制的理解不明確，監(jiān)管設(shè)計(jì)缺乏可靠依據(jù)，因此，襯砌臂膀的可靠性無(wú)法得到保證。例如，邢臺(tái)礦區(qū)的一些胡同發(fā)生了錨索坍塌，從而確保了礦山道路頂部的安全。為了保證礦山道路頂部的安全，有必要研究穿刺針的相互預(yù)防原則及其設(shè)計(jì)方法。1靜載錨固性能由圖1曲線1可見,巷道支護(hù)體載荷與圍巖變形量近似呈雙曲線關(guān)系,即在巷道變形初期,阻止巷道變形、支護(hù)體載荷將急劇增大,因此,巷道支護(hù)體必須同時(shí)具備較大的承載能力和一定的可縮量,以滿足巷道圍巖-支護(hù)的特性.對(duì)于煤巷預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù),上述兩個(gè)重要指標(biāo)是錨索的承載能力及延伸量.當(dāng)前普遍應(yīng)用懸吊理論進(jìn)行錨索支護(hù)設(shè)計(jì)或檢驗(yàn),而且一般僅考慮錨索承載能力這一指標(biāo),忽視了錨索延伸量指標(biāo).如果錨索的延伸量不能適應(yīng)巷道圍巖變形,錨索將被拉斷.文獻(xiàn)要求預(yù)應(yīng)筋鋼絞線與錨具組裝件的靜載錨固性能應(yīng)同時(shí)滿足下列兩項(xiàng)要求ηa≥0.95,εapu≥2.0%,式中:ηa為鋼絞線-錨具組裝件靜載試驗(yàn)的錨固效率系數(shù)(即鋼絞線-錨具組裝件靜載試驗(yàn)的實(shí)際平均極限拉力與鋼絞線的實(shí)際平均極限拉力之比);εapu為受力長(zhǎng)度鋼絞線的總應(yīng)變.以上兩條件可寫成Fms≥0.95ηpηsFpm=221kN,(1)εms≥2.0%ηs=1.8%,(2)式中:Fms為錨索的實(shí)際平均極限拉力,kN;Fpm為按鋼絞線實(shí)測(cè)破斷荷載平均值計(jì)算的實(shí)際平均極限拉力(煤礦采用的1×7結(jié)構(gòu)的1860級(jí)鋼絞線的Fpm為260.7kN),kN;ηp為鋼絞線協(xié)同作用系數(shù),當(dāng)1至5根時(shí)取ηp=1,6至12根時(shí)ηp=0.99;ηs為工程條件影響系數(shù),取ηs=0.9;εms為錨索的延伸率;εm為鋼絞線自由段的延伸率.可見,錨索的實(shí)際平均極限拉力僅是鋼絞線平均極限破斷載荷的84.8%;鋼絞線的延伸率是3.5%,而錨索的延伸率是鋼絞線延伸率的51%,表明錨索支護(hù)設(shè)計(jì)按鋼絞線的破斷載荷和延伸率考慮是不可靠的.現(xiàn)場(chǎng)錨索使用延伸量指標(biāo)較直觀,錨索的延伸量或延伸率與預(yù)緊力及錨索自由段的長(zhǎng)度有關(guān),因而,以錨索可利用的延伸量(或稱為錨索工程延伸量)作為指標(biāo)更便于支護(hù)設(shè)計(jì)使用.由此,得到預(yù)應(yīng)力錨索延伸量的工程指標(biāo)為Δl≥(1.8?FyFms)%×LΔl≥(1.8-FyFms)%×L,(3)式中:Δl為錨索工程延伸量;L為錨索兩錨固端之間自由段長(zhǎng)度;Fy為錨索安裝時(shí)的預(yù)緊力,kN.2安裝錨桿,支護(hù)作用互補(bǔ)性為了說(shuō)明錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)的作用,根據(jù)錨桿支護(hù)的錨固平衡拱原理,將錨桿及其錨固范圍內(nèi)的圍巖作為巷道的支護(hù)體(錨巖支護(hù)體),把錨索作為加強(qiáng)支護(hù),通過(guò)分析圍巖與支護(hù)體的相互作用關(guān)系,研究錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)的作用原理.圖1為巷道圍巖-支護(hù)相互作用原理圖.由圖1可見,在軟弱破碎圍巖條件下,巷道圍巖的變形量很大,巷道開挖后立即采用錨索支護(hù)會(huì)因錨索延伸量超過(guò)極限而破斷.因此在巷道開挖初期只安裝錨桿,通過(guò)錨桿的加固作用,錨巖支護(hù)體具有一定的承載能力,允許圍巖發(fā)生較大變形,釋放圍巖變形能,圍巖在一定變形范圍內(nèi)可以保持自身穩(wěn)定.隨著圍巖變形量增大,錨巖支護(hù)體的承載能力和自穩(wěn)性降低,當(dāng)錨巖支護(hù)體的自穩(wěn)性達(dá)到極限之前、圍巖剩余變形小于錨索工程延伸量時(shí),安裝錨索即在圖1中點(diǎn)B安裝錨索,減少了圍巖對(duì)錨索延伸量的要求,保持錨巖支護(hù)體和圍巖穩(wěn)定.圖1中,曲線1與曲線2交于點(diǎn)G,與曲線3交于點(diǎn)H,表明錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)提高了支護(hù)阻力,減小了巷道圍巖變形.錨桿和錨索各自發(fā)揮了自身的優(yōu)勢(shì).在巷道開挖支護(hù)初期,以錨桿的柔性支護(hù)為主,后期以錨索的懸吊作用為主,從而大大改善了錨桿支護(hù)的整體支護(hù)性能,達(dá)到控制圍巖大變形的目的.因此,將此支護(hù)作用原理稱之為錨桿-錨索支護(hù)作用的互補(bǔ)原理.在實(shí)際工程中,錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)是否能實(shí)現(xiàn)錨桿與錨索支護(hù)作用的互補(bǔ)性取決于采用的支護(hù)方法和合理的支護(hù)設(shè)計(jì),它要求將錨巖支護(hù)體的特性與錨索的力學(xué)特性有機(jī)地結(jié)合起來(lái)進(jìn)行總體支護(hù)設(shè)計(jì).在支護(hù)設(shè)計(jì)中,應(yīng)根據(jù)巷道圍巖條件,采用合理的錨桿支護(hù)形式和參數(shù),選擇與之相匹配的錨索支護(hù)參數(shù),這是錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)的關(guān)鍵.為了使錨索能適應(yīng)圍巖較大的變形而不發(fā)生破斷,實(shí)現(xiàn)錨桿與錨索支護(hù)作用的互補(bǔ)性,除了必須了解錨索自身的力學(xué)特性(承載能力和延伸量),還要深入研究錨索適應(yīng)圍巖大變形的技術(shù).3錨桿連接方案3.1數(shù)值模擬計(jì)算方法按照初始設(shè)計(jì)-工程監(jiān)測(cè)-修正設(shè)計(jì)的過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì).初始設(shè)計(jì)采用以離散元數(shù)值計(jì)算方法為主,結(jié)合理論計(jì)算和工程類比法,通過(guò)多方案選優(yōu)作為井下施工方案.按照錨桿-錨索支護(hù)作用互補(bǔ)原理,錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)除了需確定錨索的錨固深度和懸吊能力外,必須驗(yàn)算錨索的延伸量是否與圍巖變形相適應(yīng),當(dāng)圍巖變形量大于錨索延伸量時(shí),應(yīng)將錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)與錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)綜合考慮.具體設(shè)計(jì)方法和步驟如下:1)建立數(shù)值計(jì)算模型.應(yīng)用工程類比法,參照已有工程或類似條件工程的支護(hù)效果(支護(hù)參數(shù)和圍巖變形破壞狀態(tài)),對(duì)數(shù)值模型中難以測(cè)取的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,使數(shù)值模擬結(jié)果基本符合已有工程或類似條件工程的實(shí)際狀態(tài).2)改變錨桿支護(hù)形式和參數(shù),選用支護(hù)效果較好的錨桿支護(hù)方案和參數(shù).通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算,得到錨桿支護(hù)允許的頂板最大下沉量.因?yàn)樗蓜?dòng)破壞區(qū)只是塑性區(qū)的一部分,不能將數(shù)值計(jì)算得到的圍巖塑性區(qū)作為松動(dòng)破壞區(qū),結(jié)合圍巖應(yīng)力和位移判斷圍巖松動(dòng)破壞區(qū)范圍,如圖2所示.3)根據(jù)上述頂板下沉量和圍巖松動(dòng)破壞區(qū)范圍,確定錨索支護(hù)參數(shù).按圍巖松動(dòng)破壞區(qū)范圍確定錨索長(zhǎng)度,按頂板的最大下沉量及錨索所需的延伸量和長(zhǎng)度,確定錨索的實(shí)際延伸量及其與所需延伸量的差值,如果錨索延伸量差值較小,可調(diào)整滯后錨索安裝時(shí)間,減小安裝錨索時(shí)頂板的下沉量,如果延伸量差值較大,需要采取其它技術(shù).4)采取錨索適應(yīng)圍巖變形技術(shù)后,再進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷支護(hù)參數(shù)是否在支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)合理性方面達(dá)到最佳.計(jì)算結(jié)果給出作用于錨桿或錨索上的載荷一般為錨桿或錨索約束圍巖變形的作用載荷,需采用懸吊理論對(duì)錨索的承載能力進(jìn)行檢驗(yàn).這一檢驗(yàn)是以錨索能適應(yīng)圍巖變形為前提條件的.3.2安裝錨索及位置為了達(dá)到錨桿和錨索支護(hù)作用互補(bǔ),可改變錨索支護(hù)工藝、支護(hù)結(jié)構(gòu)和利用錨桿支護(hù)巷道的圍巖變形特點(diǎn),提高錨索的適應(yīng)性.1)采用木墊板提高錨索的抗變形能力.一般木墊板可增加錨索適應(yīng)圍巖變形量30～50mm.雖然使用木墊板減小了錨索支護(hù)初期的剛度,但是,木墊板的抗壓強(qiáng)度大,在錨索較大的支護(hù)阻力下,錨巖支護(hù)體有控制的發(fā)生變形,釋放圍巖變形能,減小錨索載荷,增加錨索的延伸量.2)滯后掘進(jìn)迎頭安裝錨索.在頂板達(dá)到最大下沉量之前安裝錨索,關(guān)鍵是掌握頂板失穩(wěn)前的最大下沉量,這不僅與頂板的巖石性質(zhì)、節(jié)理構(gòu)造有關(guān),也與錨桿的支護(hù)參數(shù),巷道形狀與跨度有關(guān).3)合理布置錨索位置.根據(jù)煤巷頂板呈現(xiàn)彎曲下沉即沿巷道寬度方向中間下沉量最大、兩幫下沉量小的特點(diǎn)及防止兩頂角頂板發(fā)生剪切破壞,錨索不布置在巷道中間,將錨索布置在距兩幫較近的位置,減小對(duì)錨索延伸量的要求.4工程應(yīng)用的例子4.1錨索安裝位置邢東礦井1122回風(fēng)巷寬3.8m,高3.5m,埋深800m,兩幫及底板為松散煤層,煤的f值為0.6～1.0,頂板2～4m范圍賦存軟弱的炭質(zhì)泥巖或煤線,為了保證錨索適應(yīng)圍巖大變形,采用加木墊板、滯后安裝和側(cè)邊安裝錨索的3種技術(shù).由數(shù)值模擬計(jì)算可知,當(dāng)頂板使用長(zhǎng)2.4m,直徑為22mm螺紋鋼錨桿,采用0.7m×0.7m間、排距進(jìn)行全長(zhǎng)錨固錨梁網(wǎng)支護(hù)時(shí),錨巖支護(hù)體自穩(wěn)的頂板最大下沉量達(dá)100～110mm.所以,錨索可在頂板下沉量達(dá)到90mm時(shí)安裝.錨索木墊板使用厚50mm的松木板,壓縮量可達(dá)30mm.將錨索安裝在距煤幫1/4巷道跨度的位置.采用以上3種方法時(shí),錨索適應(yīng)圍巖變形量計(jì)算如下:錨索滯后安裝時(shí),在錨索位置頂板的下沉量:90×1/2=45mm(巷道中間下沉量90mm,錨索位于巷道寬度的1/4位置,所以,錨索位置頂板下沉量是巷道中間下沉量的1/2);木墊板壓縮量30mm;7m長(zhǎng)錨索的自由段長(zhǎng)度5.5m,安裝時(shí)施加預(yù)緊力80kN,錨索的工程延伸量Δl≥(1.8?FyFms)%×L=(1.8?80221)%×5500=79mm.Δl≥(1.8-FyFms)%×L=(1.8-80221)%×5500=79mm.錨索位置允許頂板下沉量為45+30+79=154mm換算到巷道中部允許的頂板下沉量為154×2=308mm.計(jì)算表明,錨索允許巷道頂板中間的下沉量達(dá)到308mm而不破斷.錨索排距0.7m,每排兩根錨索其承載能力為2×221=442kN.該承載能力可懸吊的巖柱高度為h=442kN/(0.7m×3.8m×25kN/m3)=6.6m.根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,當(dāng)頂板下沉量達(dá)到500mm時(shí),頂板松動(dòng)區(qū)的高度僅為4.5m,如圖2所示.所以,當(dāng)錨索達(dá)到極限破斷延伸量、允許頂板下沉量為308mm時(shí),松動(dòng)區(qū)的高度顯然小于6.6m.因此,錨索的承載能力、延伸量均滿足要求.4.2錨索支護(hù)效果1)回風(fēng)巷頂板及兩幫穩(wěn)定,頂板下沉量小于90mm,巷道兩幫平均移近量320mm,巷道掘進(jìn)影響期一般少于25d.2)提高了錨索適應(yīng)圍巖變形能力,未發(fā)生錨索破斷現(xiàn)象.5數(shù)值模擬錨索支護(hù)作用1)提