高应力破裂岩体条件下锚网支护研究

通过研究传统新奥法充分利用和调动巷道围岩强度及其自身承载能力,依靠围岩支护共同作用原理来维护围岩的稳定性。对锚网支护作用机理进行研究,建立预应力锚杆的力学模型,发现高强预应力锚杆的锚固力与围岩性质、锚固方式、锚杆杆体和围岩应力等因素有关;同时分析了锚网支护与围岩共同作用机理,并应用FLAC对锚网支护机理进行研究,发现锚网支护与围岩形成压缩拱,依靠压缩拱来抵抗围岩应力,进而维护巷道围岩的稳定。通过在小官庄铁矿进行试验,在小官庄铁矿41联巷采用高强预应力锚网支护,取消喷射混凝土,巷道围岩变形量比较小,锚网支护能够维护高应力破裂岩体围岩的稳定,在同类矿山中具有推广应用价值。     

深部岩巷分区破裂围岩稳定性控制方法及应用

深部高地应力岩巷开挖后围岩内出现分区破裂现象,采用传统的原设计方案巷道稳定性差。根据巷道围岩变形破坏的现场监测结果,经过理论分析和支护试验,提出了“提高法向约束、锚杆增韧止裂、协调耦合支护、应力内部转移、分区充填注浆、增强围岩强度”的锚注一体化综合控制方法理念。并提出了相对应的综合支护技术,即首先采用高预紧力超强锚杆及时支护围岩,锚杆的长度和数量分别由监测结果和分区支护能量判据确定;其次采用高强锚索让压梁支护巷道顶板,实现锚杆、锚索的协调耦合支护和围岩应力内部转移;最后采用中空分段螺旋式注浆技术进行滞后加固。最后针对监测巷道采用锚注一体化综合控制方法和技术进行了支护优化设计并进行现场支护试验,监测结果表明,优化支护的巷道稳定性良好。     

让压锚杆在大变形隧道支护应用中试验研究

锚杆在支护大变形隧道工程时常因变形过大而发生拉断破坏,为推广可延伸性锚杆在大变形隧道中的应用,提出了恒阻挤压滑移让压锚杆,通过挤压并拉伸锚杆杆体来消耗高地应力引起的围岩形变能量,实现让压功能;通过调整挤压套的位置、握裹力,可以依据具体大变形隧道工程的围岩特性,调节让压锚杆的让压荷载、最大让压量。通过室内试验,证明了恒阻挤压滑移让压锚杆让压装置可靠性,获得了恒阻挤压滑移让压锚杆力学特性。以兰渝线毛羽山隧道为应用工程,试验结果表明：让压锚杆在大变形隧道工程中可以保证可靠的让压效果;在软弱不良大变形隧道工程中,宜采用注浆等手段以保证让压锚杆的有效支护性能;让压锚杆可以有效控制围岩变形,保证大变形隧道中围岩的收敛效果。     

深部破碎软岩巷道围岩稳定性分析及控制

针对深部破碎软岩巷道围岩稳定性控制难题,以邢东矿-980车场巷道为研究对象,采用现场调研、数值模拟、井下试验及现场观测等方法分析围岩变形破坏特征,揭示其破坏机制,针对性地提出了以高强锚杆密集支护、新型喷层结构护表、滞后注浆加固为主体的多层次锚喷网注联合支护系统,详细阐明了具体支护措施的围岩控制机制,并用数值方法分析了锚杆间距、喷层厚度对于围岩应力场和位移场的影响规律。研究表明：（1）随着锚杆间距减小（0.7 m→0.3 m）,锚杆承压拱和喷层结构的承载能力呈幂函数增长趋势,锚固区围岩压应力呈线性增长趋势,围岩变形量明显降低;（2）随着喷层厚度增大,喷层结构承载能力近似线性增长,锚固区围岩压应力亦呈增长趋势,各部位围岩位移量显著降低;（3）当喷层厚度达到200 mm时,非锚固区内围岩大部分处于压应力状态,拉应力区大幅减少。基于上述研究,结合现场地质、生产条件确定试验巷道围岩支护方案,并进行现场应用。工程实践表明,多层次锚喷网注联合支护技术可有效控制深井破碎软岩巷道围岩大变形,实现深井巷道围岩的稳定性控制。     

高强锚杆在深部煤矿巷道支护中的应用

根据深部软岩条件下煤矿巷道锚杆支护效果不理想的情况，分析认为调整锚杆预紧力的大小是改善支护效果的有效方法。通过在具体支护中对螺纹钢锚杆、淮北预紧力锚杆、高预紧力锚杆进行对比试验，采用高预紧力锚杆支护有效地控制住了深部巷道围岩的变形，同时具有较好的经济效益。     

分段锚预应力锚杆加固围岩力学分析

基于端锚锚杆支护的优越性和围岩破坏分区及破坏深度逐步向深部发展的规律,针对煤矿深部巷道采用加长或全长锚固锚杆支护时,锚杆的锚固段整体受力不均,抗剪切承载能力低,而端锚锚杆无法适应其大变形缺点的问题,建立了两段锚预应力锚杆支护模型。运用理论计算和数值模拟的手段研究了两段锚预应力锚杆锚固段的受力特征和承载能力,并进行了算例对比分析。结果表明:两段锚分区锚固的支护方式明显改变了加长或全长锚固锚杆锚固段的剪应力曲线变化趋势,使原本呈负指数变化趋势的剪应力曲线变得平缓,提高了锚杆锚固段的剪切承载能力;在相同预紧力作用下,与端锚锚杆相比,明显降低了锚杆锚固段的荷载和剪切应力;在不同预紧力下,两段锚预应力锚杆的两锚固段可分别起到围岩不同变形时期端锚锚杆的支护作用,继续发挥端锚支护的优越性。     

大兴煤矿软岩巷道锚索带网支护技术应用研究

针对大兴煤矿3 208材料巷顶板岩石特征和煤层赋存条件,结合现代煤巷支护技术理论,提出了该巷道锚杆锚索挂网支护参数,并对其顶板离层、巷道收敛变形、锚杆（索）锚固力等日常巷道矿压与支护合理性进行了长期的监测。试用和监测结果表明,大兴煤矿较软弱顶板煤巷应用锚索带网支护技术是成功的、可行的。此外还对层理、节理和裂隙发育的破碎厚伪顶软弱围岩巷道的支护方式提出了建议。     

煤矿巷道锚杆支护的参数优化

目前煤矿巷道锚杆支护设计尚存在不足,造成锚杆锚固能力未能充分发挥,支护材料浪费和支护成本偏高。基于围岩与锚杆共同作用原理,通过锚杆受力监测,对锚杆支护参数进行设计,有助于充分发挥锚杆支护的优越性。针对陕西某煤矿巷道条件,通过计算和锚杆受力监测,调整锚杆参数的方法,进行锚杆支护参数设计,实现锚杆支护的参数优化。应用结果表明利用这一方法能够准确、快速地得到锚杆的支护参数,充分发挥了支护锚杆的承载能力,实现了支护优化。本文工作对改进煤矿巷道支护设计具有一定的实际意义和工程价值。     

巷道围岩塑性状态判定分析方法

本文依照莫尔-库仑屈服条件和非关联流动准则, 从地应力场及地下巷道开挖工程特点出发, 提出对围岩塑性屈服状态进行判定的方法。对无支护巷道和水泥锚杆支护巷道围岩进行有限元分析表明, 巷道开挖以后及时支设锚杆, 对出现塑性屈服的围岩起到了等效提高其刚度和强度的作用, 从而增加了围岩稳定性。与现场实测结果对比说明, 非关联流动准则比关联流动准则更符合实际。     

煤矿沿空留巷围岩控制研究

论述了沿空留巷围岩破断前后支护体对顶板的控制作用。指出巷道旁支护可有效改变围岩后期粘性位移，它和围岩强度是保证采空区侧顶板空间结构平衡和巷道稳定的关键，锚杆加固可作为沿空留巷巷内基本支护。     

深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断机制及控制

针对深部构造应力作用下煤巷“肩角锚杆破断”问题,建立肩角锚杆力学分析模型,分析煤帮沿顶板滑移对锚杆的作用,得到肩角锚杆的受力、变形特征,揭示深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断机制,即在煤帮沿顶板的滑移剪切力作用下,杆体发生弯曲变形,且构造应力越大,弯曲变形越严重;肩角锚杆在煤岩层交界面处受到的剪力最大,而使得锚杆在交界面处易被剪断。针对深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断问题,提出“控让耦合支护”围岩控制技术,并成功应用于工程实践。     

The effect of surface profile, rock strength and pretension load on bending behaviour of fully grouted bolts

Fully encapsulated rock bolting has, in recent years, become a universally accepted system of ground reinforcement in mining and tunnel construction. The application of bolting systems extends both to rebar as well as cable bolting. The effectiveness of the bolt application has been studied in shear, both by laboratory tests as well as by numerical modeling. A specially constructed double shearing apparatus (DSA) was used to examine the shearing behaviour of a bolt installed perpendicularly across two joints. The experimental study was complemented with three-dimensional numerical analysis. Parameters examined include, the effect of reinforced material on tension/compression zones along the sheared bolt, shear resistance, shear displacement and induced strains and stresses during bolt bending process. The study was undertaken at both free load and pretension conditions. The conclusions drawn from the study were the level of bolt resistance to shear was influenced by bolt profile configuration, the strength of the rock or medium influenced the level of load generated on the bolt and the increased bolt pretension contributed to increased shearing load of the bolted medium. The numerical simulation of the bolt/medium interaction and deformational behaviour were found to be in close agreement with the experimental test results.     

Discrete element analysis of the influence of bolt pattern and spacing on the force-displacement response of bolted steel mesh

Steel wire mesh held by a pattern of bolts can be used to stabilize a rock slope. Knowledge of the force-displacement response of steel mesh is essential in the design of this support system. Laboratory tests have been used to test mesh that is held to rigid steel frames. These testing conditions differ from how steel mesh is held in the field by bolts. The existing laboratory test data may underestimate the deformation and overestimate the load-bearing capacity of the steel mesh. This paper focuses on the response of the high tensile strength steel mesh held by commonly used bolt patterns. Discrete element models were used to study the force-displacement response of the steel mesh pinned by bolts. The influences of different bolt patterns and varying ratios of bolt spacing on the effectiveness of steel wire mesh were analyzed. Relationships between the resistance force of steel mesh and bolt density at various mesh deformations were developed. These relationships can help engineers choose the bolt spacing and provide an estimate of the resistance force that a steel mesh can mobilize at a desired deformation limit for a given bolt pattern.     

高应力大断面煤巷锚杆索桁架系统试验研究

高应力构造区大断面煤巷围岩控制技术是煤矿巷道工程中亟需研究的问题之一。以峰峰集团新三矿废矸充填复杂困难煤巷为典型研究对象,综合现场调研和数值模拟分析结果得出高应力作用下大断面煤巷变形破坏特征,提出一种基于“索-拱”结构为核心的高应力煤巷围岩控制系统-锚杆索桁架,分析该支护系统基本结构,设计流程及支护预应力场分布特征,在新三矿某一置换煤巷开展工业性试验,研究结果表明,新型支护系统结构稳定,巷道围岩控制效果良好,对类似困难巷道支护具有一定的理论和实用参考价值。     

节理岩体锚杆的综合变形分析

在总结国内外对节理岩体中锚杆加固机制的试验研究和理论探讨基础上,综合考虑锚杆的切向和轴向变形能力,建立节理锚固锚杆在剪切荷载作用下的变形模型,将节理锚固锚杆的变形区划分为弹性变形段和挤压破坏段,引入表征挤压破坏段长度的变量,对锚杆与岩体的相互作用机制进行理论分析,推导了剪切荷载与剪切位移和轴向荷载与轴向位移的关系。通过分析锚杆的屈服破坏形式,得到了确定挤压破坏段长度的方法。最后,通过算例分析了挤压破坏段长度与锚杆直径、岩体强度、锚固角度等参数的关系,得到了以下结论：（1）节理锚固锚杆抗剪作用的实质是锚杆调动岩体的抗压强度抵抗节理切向荷载。在抗压强度较高的硬岩中,挤压破坏段局限于节理面附近,锚杆影响范围小;而在抗压强度较低的软岩中,挤压破坏段较大,而且会产生较大的剪切变形,锚杆影响范围较大。（2）锚杆屈服破坏形式与岩质和锚杆直径有关。硬质岩体发生剪切屈服,而较软岩体中容易发生弯曲屈服;小直径锚杆一般直接剪切屈服,而大直径锚杆可能发生弯曲屈服。锚杆屈服破坏后出现塑性铰,挤压破坏段范围在节理一侧约为直径的1～2倍,继续增加剪切荷载,挤压破坏段长度不再增大。（3）随岩质的不同,锚杆锚固节理的最优锚固角变化较大。岩质较硬时,最优锚固角度较小,反之则较大。     

高频应力波检测锚固密实状况的试验研究

针对煤矿井下常用锚杆的类型及其锚固结构状况,设计制作了相似物理模型;并自制了一种弹射式加速度检波器,以便在锚杆端头激发并接收高频应力波。试验表明利用高频应力波无损检测技术可以判定锚杆锚固长度,评价锚杆施工质量。现场快速普查与抽样拉拔检验相结合,即能找出一个矿区内同类锚杆的分析判别规律。实际应用进一步证明了该方法的经济适用性。     

动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性

深部岩体工程中,锚杆在围岩变形后处于高承载应力状态,受到爆破振动、矿震等动载荷作用后极易失效,因此,亟待研究动力扰动下锚杆的力学响应机制。基于SHPB试验平台,自行研发了一套研究锚杆动力响应的试验装置,开展动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性研究。结果表明：初始动载荷作用下锚杆滑移量随着入射能的增加而增加,锚杆中应力波的波峰值随着传播距离的增加而逐渐减小,当应力波传播至锚杆最里端时,应力波峰值衰减较大;第2次动载荷后锚杆SG1处与SG2处应力波峰值差明显比第1次减小,表明动载荷下锚固界面从锚杆外端开始损伤;锚杆失效与锚固界面损伤有关,锚杆承载后初次受到动载荷的影响导致锚固界面产生损伤,损伤锚固段又受到外部载荷（如二次冲击、岩体挤压）作用时会进一步劣化,其不能抵抗围岩的变形而失效。研究结果为揭示锚杆支护失效行为,采取合理的设计与施工提供新的思路。     

锚杆在节理中的加固作用

提出了定量评价锚杆对节理加固作用的理论公式,并利用提出的公司研究了影响锚杆加固作用的一些重要因素,探讨了提高锚杆加固作用的有效途径,弥补了以往研究中存在的不足之处。     

压力型锚杆力学性能模型试验研究

为了研究在软质沉积岩条件下压力型锚杆的力学性能,进行了缩尺模型试验。设计的试验锚杆构造良好,模拟的承载体和无黏结形式简单可靠。通过设计不同的锚固段长度,试验获得了岩石条件下压力型锚杆的荷载-位移全曲线。与相同条件的普通拉力型锚索对比,压力型锚杆体现出优秀的抗拔极限承载力、良好的位移延性特征和残余强度;在归纳压力型锚杆破坏模式的基础上提出最佳锚固长度的基本范围,并按理论解进行了算例验证,计算结果与试验结果吻合良好。模型试验对压力型锚杆的力学性能进行了较深入探索,可供相关理论研究、科学试验和工程实践参考。     

锚杆支护圆形隧洞的等效强度参数及可靠性分析

通过采用均匀化方法,研究了圆形隧洞的锚杆支护特性,将高密度支护模式下的岩石和锚杆复合体考虑成均匀、连续、强度参数增强的等效材料,简化了岩石和锚杆间复杂的力学耦合问题。通过定义锚杆密度参数来反映不同支护模式的特性,建立锚杆密度参数与Mohr-Coulomb屈服准则中主要参数之间的关系,推导出等效弹性模量、等效黏聚力和等效内摩擦角的表达式,并分析比较了隧洞在支护前后的位移情况。结合可靠性理论,采用容许极限位移量作为失稳判据,分析了隧洞在支护前后的可靠性指标与破坏概率,结果表明,文中提出的方法简单可靠,锚杆支护对隧洞的位移限制效果明显,可显著提高隧洞的可靠性。