節(jié)理巖體錨固應(yīng)力分布規(guī)律與作用機理研究

節(jié)理巖體錨固應(yīng)力分布規(guī)律與作用機理研究

節(jié)利巖石常被用作中國的巖體工程。基于以上研究成果,本文進一步對節(jié)理巖層錨桿支護技術(shù)下不同錨固方式的錨固機理進行研究.以陽煤一礦81303工作面回風巷錨桿索范圍內(nèi)頂板節(jié)理發(fā)育、兩幫垂向裂隙發(fā)育為工程背景,根據(jù)錨桿自由段、錨固段、節(jié)理(或裂隙)的空間位置關(guān)系,對節(jié)理(或裂隙)變形時端錨、加長錨、全長錨方式下錨桿應(yīng)力分布規(guī)律及桿體承載特性、錨桿-錨固劑-圍巖相互作用機理進行研究,得出一系列的結(jié)論,為節(jié)理圍巖錨桿支護設(shè)計提供一定的參考.1項目背景1.1直接底黑色泥巖主采煤層為8號煤,平均埋深540m,平均厚7.1m,平均傾角為4°,為近水平煤層,頂板為典型的層狀巖層,直接頂為黑色泥巖,厚1.03m;老頂為深灰色石灰?guī)r,厚2.25m;直接底為黑色泥巖,厚1.23m;老底為深灰色細砂巖,厚2.18m.工作面布置見圖1,81303回風巷沿頂板掘進,斷面大小為5.2m×3.8m.頂錨桿使用Φ22mm×2000mm螺紋鋼錨桿,間排距為960mm×800mm,每隔一排交錯布置2根Φ21.6mm×5200mm錨索加強支護.兩幫各布置4根Φ22mm×2000mm螺紋鋼錨桿與2根Φ15.24mm×5200mm錨索,原支護方案錨桿全部采用MSK23/60樹脂錨固劑端頭錨固,錨索使用MS雙速23/120樹脂錨固劑端頭錨固方式,見圖2.1.28原支護方案下頂板節(jié)理分布由巷道頂板鉆孔窺視結(jié)果(如圖3所示)得出錨桿索錨固范圍內(nèi)出現(xiàn)不同層狀的巖性,在頂板約0.9～1.2m范圍多發(fā)育水平節(jié)理裂隙.使用CT-2型礦用超聲波圍巖裂隙探測儀對巷道圍巖破壞情況進行測試(結(jié)果如圖4所示),發(fā)現(xiàn)波速在幫部0.8～1.2m深度時發(fā)生突變,證明此范圍內(nèi)存在較多垂向裂隙.而原支護針對性較差,無法適應(yīng)巷道頂板錨桿錨索穿層及幫部錨桿索穿裂隙區(qū)域的情況.原支護方案下,頂板節(jié)理面及兩幫裂隙受力變形,錨桿索受力增高破壞,頂板離層嚴重,煤柱裂隙擴展加劇,掘進期間巷道頂?shù)装迤骄平繛?87mm,兩幫平均移近量為463mm,巷道圍巖整體變形較大.在考慮支護強度的原因后,首先進行了支護參數(shù)的調(diào)整,即在巷道頂及兩幫增加一根錨桿提高其支護強度,但錨固方式仍采用端錨方式,在進行一段巷道試驗后發(fā)現(xiàn),錨桿索受力仍處于較高水平,頂板節(jié)理依舊出現(xiàn)離層現(xiàn)象,此時巷道頂?shù)装迤骄鄬σ平枯^原始方案下減小了約40mm,兩幫變形量減小了約50～60mm,節(jié)理圍巖變形未得到較好的控制.2在節(jié)理變形期間，對錨桿壓力的分析2.1節(jié)理面巷道的錨桿抗拉受力分析節(jié)理沿錨桿軸向發(fā)生張開變形,力學模型如圖5所示,根據(jù)節(jié)理與錨固段的相對位置可分為2種情況:1)節(jié)理面位于錨固段.在外力作用下節(jié)理發(fā)生張開變形,節(jié)理面附近的錨固劑最先感知變形并通過與鉆孔壁的黏錨力阻止節(jié)理張開,此黏錨力又通過錨固劑-錨桿的摩擦力使錨桿產(chǎn)生軸向拉力,此過程力的傳遞路徑為:節(jié)理張開→錨固劑→錨桿.2)節(jié)理面位于自由段.此時錨固劑無法直接抑制節(jié)理擴張,節(jié)理張開后在巷道表面將巖體變形力由托盤作用于錨桿自由段,再傳遞到位于穩(wěn)定巖體的錨固區(qū)域,并通過錨桿-錨固劑-圍巖的相互作用將力傳遞到穩(wěn)定巖體中,此過程力的傳遞路徑為:節(jié)理張開→托盤→錨桿自由段→錨固區(qū)域→穩(wěn)定巖體.2.2節(jié)?。浩胶饣破陂g框架桿的抗剪刀分析力學模型如圖6所示,節(jié)理面處錨桿受到橫向剪切力3錨固結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型3.1數(shù)值模型的建立根據(jù)試驗巷道實際生產(chǎn)地質(zhì)條件,建立數(shù)值模型如圖7所示.錨桿直徑為20mm,藥卷厚6mm,托盤尺寸為150mm×150mm×20mm.本次數(shù)值計算模型忽略相鄰錨固結(jié)構(gòu)間的相互影響,選取的模型幾何尺寸為2m×1m×3m,共26472個單元,32180個節(jié)點.為便于得到不同錨固形式下的樹脂錨固體力學行為,更好地理解錨桿加固節(jié)理巖體的力學機理,實現(xiàn)錨固劑較大的黏結(jié)力,本文采用實體單元和接觸面單元(interfaceelement)相結(jié)合的方法進行模擬.節(jié)理面位于3.2數(shù)值模型選取參數(shù)對錨桿、圍巖、樹脂錨固劑、托盤賦予不同的本構(gòu)模型,錨桿和托盤采用理想彈性材料,圍巖和樹脂錨固劑采用莫爾-庫侖模型.模型中錨桿-樹脂錨固劑-圍巖之間采用接觸面命令實現(xiàn),托盤-圍巖之間也布置接觸面,托盤與錨桿剛性連接來模擬煤礦現(xiàn)場螺紋鋼錨桿與托盤、螺母之間的連接.根據(jù)MZ-Ⅱ型錨桿安裝裝置與LW-1000臥式拉力試驗機進行多組錨桿拉拔試驗,選取參數(shù)見表1.3.3開變形過程與節(jié)理剪切滑移過程模擬根據(jù)前文節(jié)理變形過程中的受力特點分析,對節(jié)理張開變形過程與節(jié)理剪切滑移過程中端頭錨固、加長錨固和全長錨固方式的錨固機理進行分別模擬.節(jié)理受力張開過程中,通過在節(jié)理面位置給上方巖體施加垂直荷載4節(jié)省開孔時支架的張力特性4.1錨固劑與圍巖的塑性區(qū)分析由圖8可知,1)對于全長錨固,桿體周圍的塑性區(qū)分布在節(jié)理面較遠的兩側(cè),且在錨桿軸向上塑性區(qū)范圍最大,錨固劑大部分已發(fā)生破壞,但錨桿周圍巖體的塑性破壞半徑較小,這主要是因為節(jié)理張開時,巖體變形最先作用在錨固劑上,而全長錨固下錨桿桿體延伸受限,因此造成了節(jié)理兩側(cè)較大范圍內(nèi)的錨固劑發(fā)生塑性破壞;2)對于加長錨固,錨固劑與圍巖的塑性區(qū)破壞主要分布在節(jié)理面附近,桿體周圍巖體塑性區(qū)半徑相比全長錨固增大,這主要是因為節(jié)理處錨桿存在一定的預緊力,巖體張開變形時需要克服錨固劑的黏結(jié)力與錨桿桿體主動約束力,因此引起較大范圍巖體的塑性破壞;3)對于端頭錨固,錨固劑與附近圍巖的塑性破壞范圍最小,只分布在錨桿自由段的末端附近,這主要由于節(jié)理張開變形時,錨桿自由段會先發(fā)生較大拉伸變形,最終錨固劑產(chǎn)生的變形破壞較小.根據(jù)前文受力分析,上述塑性區(qū)分布規(guī)律是由于全長錨固時錨固劑限制了錨桿延伸,在節(jié)理張開時錨固劑產(chǎn)生的黏錨力可立即作用于圍巖,限制節(jié)理發(fā)生位移;而端頭錨固下錨桿自由段較長,延伸率較大,節(jié)理巖層受力張開時,錨桿會同步變形,無法立即約束圍巖;對于加長錨固,節(jié)理位于1.2m長的錨固區(qū)域,在節(jié)理變形時可立即發(fā)揮黏錨力阻止圍巖變形,且又有0.8m的自由段利用預應(yīng)力從外部抑制節(jié)理變形.4.2端頭錨固錨桿索受力過3種錨固形式下桿體軸力分布曲線如圖9所示.由圖9可知,1)端頭錨固時,節(jié)理位于錨桿自由段.節(jié)理未發(fā)生變形時,錨桿軸力保持所施加預應(yīng)力大小,當巖層節(jié)理受力張開時通過托盤對錨桿端部施加拉力,自由段的軸向應(yīng)力升高至260MPa并保持不變,此值相對于加長錨固與全長錨固較大,這正是造成原支護方案中端頭錨固錨桿索受力過大的原因,在錨固段軸向應(yīng)力快速減小,直至減小為0.2)加長錨固時,節(jié)理位于錨桿錨固段.在0.8m的自由段,錨桿軸力保持129MPa不變,基本與施加的預應(yīng)力大小相同;在錨固段,桿體軸力在節(jié)理面兩側(cè)的0.2m范圍內(nèi)近似呈開口向下的拋物線對稱分布,軸力在節(jié)理面處達最大值252MPa,對于錨固區(qū)域深處,軸力變化規(guī)律與端頭錨固一致.3)全長錨固時,錨桿軸力在節(jié)理面兩側(cè)0.5m范圍內(nèi)呈開口向下的拋物線對稱分布,軸力在節(jié)理面位置達到最大值約235MPa,而在錨桿尾部0.5m距離內(nèi)的軸力上升是因為全長錨固時施加的預應(yīng)力無法傳遞到錨固區(qū)域深處,只引起錨桿尾部緊固構(gòu)件一定范圍內(nèi)的錨桿軸力發(fā)生上升,此結(jié)果與文獻由此,對于錨固段的節(jié)理,由錨固劑內(nèi)部黏聚力及通過錨固劑引起錨桿軸力的共同作用來控制節(jié)理張開.而位于自由段的節(jié)理,是由預應(yīng)力從外部提供約束力,以抵消較大的圍巖變形應(yīng)力來控制節(jié)理張開.4.3感知節(jié)理開口的靈敏度分析由圖10可知,平衡時刻端頭錨固、加長錨固、全長錨固的節(jié)理附近巖體的變形量分別為12.4,4.2,6.3mm.為分析不同錨固方式對巖體受力變形的控制效果,對產(chǎn)生不同節(jié)理張開度時引起節(jié)理處錨桿軸力變化的規(guī)律進行研究,提出不同錨固方式感知節(jié)理張開的靈敏度指標,該指標可由軸力與節(jié)理張開度曲線的斜率衡量.由圖10可知,1)端錨錨桿的斜率最小,其靈敏度最低,節(jié)理的張開變形只能間接通過錨桿托盤起作用.而其較長的自由段具有較大的延伸率,導致軸力增阻緩慢;2)全長錨固錨桿的斜率明顯增大,其靈敏度較高這是由于錨桿全長都存在黏錨力,在節(jié)理發(fā)生張開變形時,節(jié)理面兩側(cè)的錨固劑立即發(fā)揮作用,阻止節(jié)理變形,而后引起錨桿快速增阻;3)加長錨固時控制效果更好,曲線斜率最大,說明其對節(jié)理張開的控制更為敏感,一是因為節(jié)理位于錨固區(qū)域存在黏錨力第一時間阻止節(jié)理張開,二是節(jié)理處錨桿雖處于錨固區(qū),但仍存在約39MPa的預緊力,對于錨固劑所傳遞的黏錨力—摩擦力—錨桿軸力,可實現(xiàn)初始高阻,三是自由段的預應(yīng)力可以從外部提供有效壓應(yīng)力,約束圍巖變形.5節(jié)省時根系的抗修剪特性5.1端前錨固方式下的錨桿錨固方式從塑性區(qū)分布圖(圖11)可以看出,1)端頭錨固時,圍巖的塑性區(qū)發(fā)生在錨桿產(chǎn)生“S”變形的兩個拐角彎曲變形區(qū)域以及錨桿的錨固—自由交界區(qū)域;2)加長錨固與全長錨固時,圍巖的塑性區(qū)只分布在節(jié)理面附近,發(fā)育高度相對端頭錨固時增大.端頭錨固方式下,節(jié)理發(fā)生剪切滑移,上部圍巖產(chǎn)生的水平應(yīng)力直接作用于桿體,在錨桿發(fā)生拉彎變形后,巖體沿錨桿水平彎曲方向的滑移阻力只有桿體的抗剪力提供,巖體變形破壞較為嚴重;而加長錨固與全長錨固時,節(jié)理發(fā)生剪切滑移,圍巖直接受錨固劑約束,后通過錨桿-錨固劑-圍巖的相互作用,控制節(jié)理滑移,有效緩解了圍巖中錨桿彎曲變形拐角處的應(yīng)力集中,降低了圍巖的破壞程度,提高了錨固體的抗剪能力.5.2節(jié)理面區(qū)域應(yīng)力分析平衡時刻桿體軸向應(yīng)力、水平應(yīng)力分布曲線如圖12所示.由圖12可知:1)端頭錨固時,在距錨固起始點0.6m范圍內(nèi)軸力增高至215MPa,而后迅速下降,并在節(jié)理面處降至最低值90MPa,由前文受力分析可得,此突變是由于節(jié)理面處一定長度的錨桿彎曲變形形成了類似于桁架的結(jié)構(gòu),此處錨桿內(nèi)力不完全沿著桿體的方向,造成軸力發(fā)生突然減小;在節(jié)理面附近發(fā)生突變后又迅速恢復至軸力最大值310MPa,后下降為175MPa并保持不變,此數(shù)值也相比于加長錨固與全長錨固方式較大,因而造成了原支護方案下錨桿索受力過大.對于水平應(yīng)力,錨桿在節(jié)理面兩側(cè)的0.1m范圍內(nèi)受力較大,對稱受到21.3MPa的拉應(yīng)力和29.5MPa壓應(yīng)力,而其他區(qū)域應(yīng)力基本保持為0;2)加長錨固和全長錨固時,錨桿仍處于受壓狀態(tài),在節(jié)理面上方0.1m處達到最大值分別為230,205MPa.唯一不同的是加長錨固由于0.8m的自由段,使其在距錨固端頭1.2～2.0m范圍內(nèi)軸力保持129MPa不變.對于水平應(yīng)力,加長錨固和全長錨固時桿體水平應(yīng)力分布曲線基本類似,于節(jié)理面呈對稱分布,峰值分別為22.7,20.2MPa,主要受壓應(yīng)力作用.5.3“s”形變形期錨桿應(yīng)力和滑移節(jié)理面處巖體水平位移與錨桿水平應(yīng)力曲線如圖13所示:1)端頭錨固時,由于錨桿與孔壁存在6mm的空區(qū),因此桿體受力滯后巖層滑移6mm.錨桿受外載剪切后,發(fā)生拉彎變形,錨桿跟隨上方巖體滑移,直到抵緊下部巖體孔壁后桿體開始發(fā)生“S”形變形,之后錨桿應(yīng)力依次會經(jīng)歷急增阻、緩增阻、急降阻階段,巖體滑移變形量最大達34mm;2)而對于加長錨固和全長錨固,節(jié)理滑移時巖體首先與錨固劑接觸,藥卷強度雖相對錨桿較低,但很大程度上提高了感知剪切位移的敏感性,隨著剪切位移增加,桿體應(yīng)力經(jīng)歷急增阻階段與高阻穩(wěn)定階段,以及時、高工作阻力的優(yōu)勢抑制節(jié)理發(fā)生剪切滑移,巖體最大滑移量分別為8.73mm,12.1mm.根據(jù)受力分析,加長錨固時,節(jié)理處錨桿抗剪力由黏錨力與預應(yīng)力共同提供,及時高阻抑制了錨桿發(fā)生“S”變形,進而減弱了巖體發(fā)生沿非連續(xù)面分離的“導軌”作用6工程應(yīng)用和效果分析6.1樹脂錨固劑加固錨固.上述數(shù)值模擬研究結(jié)果與文獻最終提出節(jié)理圍巖巷道支護參數(shù)如圖14所示,頂板支護:錨桿間排距800mm×800mm,兩支MSCK23/60樹脂錨固劑加長錨固;錨索間排距為2000mm×1600mm,采用1支MSCK23/60+2支MSZ23/80樹脂錨固劑錨固.兩幫支護:錨桿間排距為800mm×800mm,使用2支MSCK23/60樹脂錨固劑加長錨固;實體煤幫、煤柱幫錨索間排距為1500mm×1600mm,采用1支MSCK23/60+2支MSZ23/80樹脂錨固劑加長錨固.施工工程中加強管理,保證錨桿預緊力在40kN以上.6.2頂?shù)准皟蓭妥冃谓Y(jié)合81303回風巷具體地質(zhì)生產(chǎn)條件,將上述支護方案進行應(yīng)用.在巷道掘進期間對試驗巷道表面位移進行現(xiàn)場實測,監(jiān)測結(jié)果如圖15a,在掘進初期巷道頂?shù)准皟蓭妥冃卧龃筝^快,在巷道掘出30d左右逐漸穩(wěn)定,其中頂?shù)装逑鄬σ平糠€(wěn)定在168mm,相對于原支護方案下減小了56.6%,煤柱幫變形量量穩(wěn)定在109mm,實煤體幫變形量穩(wěn)定在98mm,相對于原支護方案減小了55.3%;在回采期間,試驗巷道表面位移量如圖15b,隨工作面推進,在距離工作面80m左右時,巷道表面位移明顯增大,頂?shù)装?、兩幫最大變形量?73,347mm,可以滿足巷道正常使用.7節(jié)理巖錨桿1)節(jié)理巖層張開時:加長錨固錨桿對節(jié)理巖層的離層最敏感,能通過預應(yīng)力與黏錨力共同作用快速增阻抑制節(jié)理離層;而全長錨固錨桿預應(yīng)力難以傳遞到節(jié)理面位置,使其增阻靈敏性比加長錨錨桿略差;端頭錨固錨桿只依靠預應(yīng)力提供約束力,其對節(jié)理離層的控制效果最差.2)節(jié)理巖層滑移