【正文】 泛應(yīng)用于采礦業(yè)中，取得了顯著的支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)效果。錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)體是由錨 桿及圍巖共同作用形成的一個結(jié)構(gòu)整體。 破壞形式 (2):錨固結(jié)構(gòu)體整體塌落 這種現(xiàn)象近年來已造成多起事故，并且一般發(fā)生在錨桿支護(hù)后期。避免此類破壞產(chǎn) 生的方法主要是在支護(hù)后對頂板加網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，對與極其破碎的頂板，有條件的礦可以采用內(nèi)注漿法加強(qiáng)巖塊之 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 間的粘結(jié)力和自身強(qiáng)度或者采用表面噴漿法來防止事故發(fā)生。采用錨桿支護(hù)的主 要目的是提高圍巖的自身殘余強(qiáng)度，形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)體，從而有效控制圍巖的變形量，使圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)體的最大變形量控制在所允許的許用變形量范圍之內(nèi)，從而保證圍巖的整體穩(wěn)定性。 (2)圍巖變形特征 對于離散性破碎圍巖來講，巷道開挖后圍巖在地層應(yīng)力作用下由原來的彈性變形狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性變形狀態(tài)，而塑性變形在地層應(yīng)力繼續(xù)作用下轉(zhuǎn)化為離散破碎變形狀態(tài)，圍巖形成塊體嚙合結(jié)構(gòu)，其本身的殘余強(qiáng)度僅靠塊體 之間的嚙合摩擦形成。從實(shí)驗(yàn)室模擬和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬來看，支護(hù)結(jié)構(gòu)體的變形主要分以下三個階段 : 第一階段為初期變形階段。 第二階段為限制變形階段。如果支護(hù)結(jié)構(gòu)體圍巖塊體相對位移趨于穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)體不發(fā)生破壞，那么說明支護(hù)效果較好，支護(hù)結(jié)構(gòu)體處于穩(wěn)定階段。例如，擠壓加固理論在于定性描述支護(hù)結(jié)構(gòu)體形成具有足夠強(qiáng)度的能夠抵抗外部載荷的支護(hù)體 。 在工程監(jiān)測實(shí)踐中很難或無法測定出支護(hù)結(jié)構(gòu)體的本身實(shí)際強(qiáng)度，故此在確定支護(hù)結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性指標(biāo)上無法給出一個實(shí)用的測定值，給錨桿支護(hù)監(jiān)測帶來了極大不便。 (2)支護(hù)結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性受地層壓力大小和結(jié)構(gòu)體本身強(qiáng)度影響，而地層壓力和支護(hù)結(jié)構(gòu)體強(qiáng) 度在現(xiàn)場監(jiān)測中很難或無法測定其準(zhǔn)確值。被拉斷，支護(hù)結(jié)構(gòu)體破壞，這個階段稱為支護(hù)結(jié)構(gòu)體的破壞階段 。 支護(hù)結(jié)構(gòu)體的變形失穩(wěn)是以錨桿破壞為前提，當(dāng)錨桿在支護(hù)結(jié)構(gòu)體中與圍巖一起承受外部載荷，并處于良好的受力狀態(tài)時，支護(hù)結(jié)構(gòu)體是穩(wěn)定的，只有當(dāng)錨桿處于危險警戒狀態(tài)時，支護(hù)結(jié)構(gòu)才可能處于危險警戒狀態(tài)，那么如何來判定錨桿處于良好狀態(tài) 或危險警戒狀態(tài)呢 ?我們還是從錨桿應(yīng)力一應(yīng)變曲線來分析。 (2)錨桿處于塑性變形階段，達(dá)到極限破壞點(diǎn)時，錨桿變形量為 : △ L2=10% L(4 一 2) 式中 :△ L2— 錨桿破壞變形量 。在錨桿受力變形過程中一定存在著一個使錨桿受力狀態(tài)良好的變形值，且這個變形值即為所找的許用變形值，這個變形值一定在 10%伸長率之內(nèi)。 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 表 2 一 1 冷拉控制應(yīng)力及最大冷拉率 (GBJ10 一 89) 鋼筋級別 直徑（ mm） 冷拉控制應(yīng)力（ MP） 最大冷拉率（ %） 備注 Ⅰ 6~12 280 10 直徑小不予考慮 Ⅱ 8~25 450 28~40 430 Ⅲ 8~40 500 5 錨桿長用材料 Ⅳ 10~28 700 4 一般目前所用錨桿材質(zhì)有兩種。 L— 錨桿桿體有效長度。 (3)支護(hù)結(jié)構(gòu)體的變形特征分三個階段，其變形特征受錨桿變形特征的影響，錨桿在支護(hù)結(jié)構(gòu)體中的作用至關(guān)重要。 (7)錨桿的變形狀態(tài)受支護(hù)結(jié)構(gòu)體變形的影響和約束，兩者相互作用，最后達(dá)到協(xié)調(diào)一致，保持良好的錨桿受力狀態(tài)也就保持了支護(hù)結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性。 有限單元法的基本原理 應(yīng)用有限單元法求解任意的連續(xù)體時，應(yīng)把連續(xù)的求解區(qū)域分割成有限個單元，并在每個單元上指定有限個節(jié)點(diǎn)，一般可以認(rèn)為相鄰單元在節(jié)點(diǎn)上連結(jié)構(gòu)成一組單元的集合體，用于模擬或?qū)Ρ平蠼鈪^(qū)域進(jìn)行分析，同時選定場函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值，例如取節(jié)點(diǎn)位移 作為基本未知量，并對于每個單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個簡單的函數(shù) (稱為插值函數(shù) )，近似地表示其位移的分布規(guī)律 。 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 有限單元法具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中主要有 : ()l概念淺顯，容易 掌握，可以在不同水平上建立對該法的理解 。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)行，從 CP 機(jī)到工作站直至巨型計(jì)算機(jī)， ANSYS 文件在所有的產(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容。巖石的力學(xué)屬性是確定巖體性質(zhì)的基礎(chǔ)，但巖體具有特定的結(jié)構(gòu)，加之巖體性質(zhì)各向異性及結(jié)構(gòu)各向異性的影響而使其復(fù)雜化。 成莊礦屬于離散破碎圍巖，以該礦的地質(zhì)條件為背景 進(jìn)行數(shù)值模擬 。 老底 :粉砂巖，厚 2 米，深灰色，夾細(xì)砂巖薄層，水平層狀，波狀層理。二是煤巖的錨固強(qiáng)度及錨固性能。模型的選取應(yīng)注意以下幾點(diǎn) : (1)整個模型應(yīng)該反映研究對象的實(shí)際力學(xué)行為，符合基本的力學(xué)規(guī)律 。模型的上表面施加均布的壓應(yīng)力 (按280m巖體自重應(yīng)力計(jì)算 )，并考慮 計(jì)算范圍內(nèi)巖體的自重。 (3)模型范圍相對于研究區(qū)域盡可能保 持對稱，以避免由于模型不對稱而對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響 : (4)對于有限元計(jì)算的邊界效應(yīng)要給以足夠重視，研究區(qū)域應(yīng)遠(yuǎn)離模 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 型邊界，整個模型范圍的選擇要符合圣維南原理。 表 32 錨桿支護(hù)原始資料數(shù)據(jù) 序號 原始資料名稱 測試數(shù)據(jù) 1 頂板巖層層數(shù)與厚度 2() 2 各層節(jié)理裂隙間距 3 巖層的分層厚度 4 巖層單向抗壓強(qiáng)度 5 煤層厚度 6 煤層傾角 6176。） 1 細(xì)砂巖 58 2 粉砂質(zhì)泥巖 27 3 巷道 4 煤 0 5 泥巖 12 6 2 粉砂巖 44 錨桿支護(hù)重在設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)的優(yōu)劣及合理性重在可靠真實(shí)全面的設(shè)計(jì)原始資料數(shù)據(jù)。 直接頂 :粉砂質(zhì)泥巖，厚 米，灰黑色，層理較發(fā)育，且層理上有較多云母片。數(shù)值模擬時，將巖體看作是連續(xù)介質(zhì) 。 巷道錨桿支護(hù)數(shù)值模擬分析 數(shù)值模擬是一種評價支護(hù)效果的定性或準(zhǔn)定量方法，為了實(shí)際操作，應(yīng)該對巖體介質(zhì)性質(zhì)及計(jì)算模型等做必要的假定。 (3)該法采用矩陣形式表達(dá)，便于編制計(jì)算機(jī)程序，可以充分利用高速電子計(jì)算計(jì)提供的方便。一經(jīng)解出，就可以利用插值函數(shù)確定單元集合體上的場函數(shù)。相似模擬實(shí)驗(yàn)由 于測點(diǎn)布置的有限性及其費(fèi)工需時的缺點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果具有一定的局限性，為進(jìn)一步摸清 離散圍巖 的應(yīng)力分布和巖層移動規(guī)律，并與相似模擬實(shí)驗(yàn)相對比、映證，作為重要的研究手段之一，本文采用數(shù)值模擬方法予以研究。 (5)支護(hù)結(jié)構(gòu)體的破壞以錨桿破壞為前提 ，也就是說錨桿破壞是支護(hù)結(jié)構(gòu)體破壞的前提條件和必要條件。 小結(jié) (1)錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)體的 破壞形式主要表現(xiàn)為錨固區(qū)內(nèi)圍巖冒落、錨固結(jié)構(gòu)體整體塌落和頂板表面局部危石冒落。通過上表分析并考慮一定安全系數(shù)，可得出當(dāng)采用無縱筋螺紋鋼錨桿時，所需變形警戒值對應(yīng)的伸長率取 5%。我們可以就以許用變形值作為變形警戒值。 若以長度為 錨桿計(jì) 算，錨桿破壞變形量最大為 250mm，此時錨桿處于極限最大受力狀態(tài)隨時產(chǎn)生破壞，也就是說支護(hù)結(jié)構(gòu)體也將隨時產(chǎn)生破壞。L L— 錨桿長度。 從上述錨桿、圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)體變形特 性分析可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)體為錨桿和圍巖構(gòu)成的復(fù)合承載體，支護(hù)結(jié)構(gòu)體圍巖為塊狀嚙合體，其強(qiáng)度為殘余強(qiáng)度，錨桿在支護(hù)結(jié)構(gòu)體中起主要的承載作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)體的變形破壞受錨桿變形破壞的影響。 (4)錨桿支護(hù)監(jiān)測技術(shù)完全能夠準(zhǔn)確地測出或描繪出支護(hù)結(jié)構(gòu)體的變形特征。當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)體的變形達(dá)到某一警戒變形值時，支護(hù)結(jié)構(gòu)體即產(chǎn)生破壞。最大拉應(yīng)力理論在于能夠形成足以抵抗外部荷載并引起圍巖結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生拉應(yīng)力的強(qiáng) 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 度結(jié)構(gòu)體，只有懸吊理論、圍巖松動圈理論是從圍巖失穩(wěn)和變形方面來考慮的。而錨桿的最終破壞原因可總結(jié)為錨桿本身的變形量超出了許用變 形值而產(chǎn)生拉斷失效。 第三階段為破壞階段或者穩(wěn)定階段。這個階段變形量較小，一般不超過 10mm，此時錨桿受力較小，錨桿的支護(hù)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)體中起次 要作用。若不對圍巖進(jìn)行支護(hù)，隨著圍巖變形量的增大，其殘余強(qiáng)度必將不斷減小，最后失穩(wěn)冒落。 (1)錨桿桿體變形特征 現(xiàn)在常用金 屬錨桿桿體一般為低碳高強(qiáng)螺紋鋼，錨桿處于彈性受力狀態(tài)時，伸長率較小，僅為 %左右。錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)體是由錨桿和圍巖共同作用形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)體，這個結(jié)構(gòu)體是一個復(fù)合結(jié)構(gòu)體，由錨桿和圍 巖共同承擔(dān)外部荷載。這種破壞形式應(yīng)采用錨索補(bǔ)強(qiáng)的方式來避免，并且需要在支護(hù)后加強(qiáng)錨桿支護(hù)監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)問題及時補(bǔ)救。這種破壞形式主要是由于錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理造成。 錨桿錨固失效的原因主要是有以下幾種 :錨固劑破裂失效、錨桿與錨固劑的粘結(jié)面破裂失效、錨固劑與巖石的粘結(jié)面破裂失效、錨桿拉斷等。 (7)錨桿的間 排距應(yīng)等于或小于塊體長度和寬度，但當(dāng)組合巖塊能形成自穩(wěn)多鉸拱結(jié)構(gòu)時，錨桿間排距可以放寬，但必須掛金屬網(wǎng)輔助支護(hù)。 (3)支護(hù)后所形成的巖梁是塊狀圍巖通過錨桿支護(hù)而構(gòu)成的鉸接梁，梁的支護(hù)力與塊體的鉸結(jié)形成、塊體強(qiáng)度、塊體運(yùn)動方向、懸梁的厚度等參數(shù)有關(guān)。在小斷面巷道中，可在臨空面跨度的兩端，將錨桿穿過滑動棱柱體，使其與母巖相連，因?yàn)榇颂幓瑒永庵w的高度較低，要求錨桿長度不大，只要兩端基本塊體穩(wěn)定不動，就相當(dāng)于減少臨空面跨度，或者說減小可動塊體的體積。 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 15懸吊式錨桿 (3)L3a 假如巷道跨度或臨空面跨度 L大于基本塊體長度 a的三倍時，依靠塊體本身很難形成多鉸拱結(jié)構(gòu)。如果巖塊 鉸結(jié)構(gòu)不能自身平衡，則必須