高应力软岩巷道全长锚固预应力锚杆受力特征研究

来源 :武汉科技大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:liangzhenghai
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随着矿山开采深度逐渐增大,许多矿山巷道支护都面临着高地压环境带来的严峻挑战。较大开采深度伴随的高应力环境,使得许多开挖巷道围岩进入大变形软岩状态,造成开挖巷道在服务年限内表现出变形量大、变形速度快和长时间蠕变的特性。高应力软岩巷道围岩发生大变形的特性,增大了锚杆支护难度,出现了较高的锚杆破断失效现象。而锚杆作为巷道支护体系中的重要组成部分,如果发生巷道局部区域锚杆破断失效,则会降低整个锚杆支护巷道的稳定性。因此,研究高应力软岩巷道中支护锚杆受力特征,对保障矿山安全开采具有重要的工程意义。  首先,论文通过理论解析和数值计算的方式分析了高应力软岩巷道应力场分布特征、塑性区扩展形态和围岩变形特点,发现巷道中支护锚杆不仅需要承载轴向拉伸作用,还需要承载横向剪切和弯曲作用。然后,基于Winkler地基梁原理建立了软岩巷道锚杆横向弯曲受力计算模型,并结合现有锚杆轴向承载力学模型,综合分析了高应力软岩巷道中全长锚固预应力锚杆轴向和横向两个方向的受力特征。结果表明:在高应力软岩巷道中锚杆主要承载轴向拉伸和横向弯曲的综合作用力;其中,锚杆轴力在靠近托盘的尾部部分基本保持不变,在深入岩体内部的端头部分锚杆轴力快速降低,而锚杆弯矩沿杆体长度在轴线正负两个方向呈“波浪形”分布,且锚杆受到轴向拉伸和横向弯曲的弯拉综合作用随应力集中程度的增大而增大。  接着,根据金山店铁矿支护条件,利用FLAC3D数值计算软件分析了高应力软岩巷道中全长锚固预应力锚杆的受力特征。结果表明:同断面巷道不同安装位置处锚杆受力具有较大差异,在巷道拱顶和两帮处锚杆主要受轴向拉伸作用,在拱肩和底角处锚杆受到轴向拉伸和横向弯曲共同作用,且巷道拱肩和底角处锚杆弯矩主要集中在靠近托盘位置的锚杆尾部部分;巷道拱肩和底角处锚杆弯矩主要出现在支护初期,而随着支护时间的增加逐渐降低。数值计算结果较好地验证了理论分析结果,表明建立的高应力软岩巷道锚杆受力计算模型能够反映锚杆受力特征。  最后,根据上述研究结果,对金山店铁矿松软破碎矿岩巷道锚杆支护提出了金属-非金属锚杆联合支护、注浆加固的综合巷道支护措施。  论文研究成果为高应力软岩巷道锚杆支护设计及参数优化提供了理论依据,可以有效提高高应力软岩巷道锚杆支护可靠性。
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