巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化機(jī)理研究

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1、第19卷第3期巖石力學(xué)與工程學(xué)報19(3):342～3452000年5月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMay,20003巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化機(jī)理研究侯朝炯勾攀峰(中國礦業(yè)大學(xué)徐州221008)(焦作工學(xué)院資源材料系焦作454159)摘要通過實驗室試驗和理論分析,研究了巷道錨桿支護(hù)對錨固范圍巖體峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的強(qiáng)化作用以及對錨固體峰值強(qiáng)度前后E,c,U值等力學(xué)參數(shù)的改善,分析了錨固體強(qiáng)度強(qiáng)化后對巷道圍巖塑性區(qū)和破碎區(qū)的控制程度。關(guān)鍵詞錨桿支護(hù),圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化,殘余強(qiáng)度分類號TD353.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號100026915(200

2、0)03203422042.1模型設(shè)計1引言模擬試驗的原型相當(dāng)于從巷道一側(cè)或頂板“取出”的,其尺寸的大小應(yīng)能代表錨固體的一般狀態(tài),巷道圍巖的穩(wěn)定性除了支護(hù)的作用外,主要取[4]考慮錨桿布置方式及巖體的尺寸效應(yīng),原型尺寸決于圍巖的強(qiáng)度和應(yīng)力狀況。從提高圍巖的強(qiáng)度出為2.0m×2.0m×2.0m,錨固分離體所處位置、形狀發(fā),近幾年開展了經(jīng)錨桿錨固后圍巖力學(xué)性能改善及尺寸如圖1所示。的研究。這些研究主要是針對淺埋深不受采動影響模型的幾何相似比為1?10,容重相似比為的水利、隧道、邊坡等工程,探討了錨桿加固后巖石0.75,則應(yīng)力相似比為0.075,錨固試體的尺寸為20峰前區(qū)內(nèi)聚力c,內(nèi)摩擦角U,彈性

3、模量E的改善情cm×20cm×20cm。巷道圍巖為中硬巖層,巖石單軸[1～3]況。對于煤礦巷道,由于圍巖松軟,加之埋藏深,抗壓強(qiáng)度為16.50MPa。巖石相似材料由砂、水泥和受采動、構(gòu)造應(yīng)力的影響,地應(yīng)力很大,巷道圍巖破石膏組成,配比號為737,含水量為10%,緩凝劑硼壞嚴(yán)重,因而其周圍存在著破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性砂含量為水量的1%。錨桿相似材料選用15A保險區(qū),錨桿錨固區(qū)域的巖體則處于破碎區(qū)或處于上述絲,粘結(jié)劑采用1÷1的石膏漿。兩個或三個區(qū)域中,相應(yīng)錨固區(qū)域的巖石強(qiáng)度處于試驗采用平面應(yīng)變加載(R1方向),非加載面(R2峰前、峰后或殘余強(qiáng)度階段。因此,只有掌握圍巖峰方向)采用剛性約束,在錨桿

4、軸向留設(shè)一個自由面模后強(qiáng)度和變形的特點(diǎn)以及錨桿對提高圍巖峰值強(qiáng)度擬巷道圍巖表面。按照錨桿布置常用的間排距大小,和殘余強(qiáng)度以及改善巖石力學(xué)性質(zhì)的作用才能從根依次選用錨桿的間排距為1.4,1.2,1.0,0.9,0.8,本上揭示錨桿支護(hù)的作用機(jī)理。0.7m(間、排距相等)進(jìn)行模擬,錨固試件中相應(yīng)的錨桿的根數(shù)分別為2,3,4,5,6,8根,分別測定錨2錨固體強(qiáng)度強(qiáng)化的相似材料模擬試固體的強(qiáng)度。驗為便于分析,又做了無約束情況下錨固試體的單向加載試驗。在巷道周邊取一非錨固或錨固分離體進(jìn)行相似試驗結(jié)果根據(jù)單向加載和平面應(yīng)變加載分別整材料模擬試驗,在平面應(yīng)變情況下,研究無錨桿及錨理,并取每組試件(每組3個

5、試件)測試結(jié)果的平均值桿作用下全長錨固錨桿作用機(jī)理,分析錨固體在不作為標(biāo)準(zhǔn)值,每組試驗的重復(fù)性較好,平均離散系數(shù)同錨桿支護(hù)強(qiáng)度(密度、錨固力)下的強(qiáng)度變化,特別小于8%。對每一種錨桿布置方式,分別繪出其全程是分析錨固體的破壞過程及破壞后錨桿的支護(hù)效果。應(yīng)力2應(yīng)變曲線。限于篇幅,試驗數(shù)據(jù)及這組曲線在試驗中假設(shè)圍巖為均質(zhì)體。此未列出。1999年1月10日收到初稿,1999年3月1日收到修改稿。3國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)(59734090)資助項目。作者侯朝炯簡介:男,66歲,1955年畢業(yè)于北京礦業(yè)學(xué)院,現(xiàn)任教授,博士生導(dǎo)師,主要從事礦山壓力、巖石力學(xué)、巷道支護(hù)、開采方法等方面的研究。第19卷第3期

6、侯朝炯等.巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化機(jī)理研究·343·(a)(b)圖1錨固分離體的形狀及尺寸Fig.1Shapeanddimensionofseparatedrockbodysupportedbybolt2.2錨固體力學(xué)參數(shù)的改善(2)假設(shè)錨固體的破壞服從莫爾2庫侖準(zhǔn)則,則2.2.1彈性模量E及軟化模量M錨固體的單向抗壓強(qiáng)度為從錨固體彈性變形階段的數(shù)據(jù)及曲線可求出E2ccosURc=(5)1-sinU值。聯(lián)立式(4)和(5),可得到不同錨桿布置時錨固軟化模量M反映極限強(qiáng)度后曲線斜率的變化,體破壞以前的c,U值。規(guī)定錨固體峰值強(qiáng)度點(diǎn)到殘余強(qiáng)度點(diǎn)連結(jié)直線的斜(3)從大量抗剪和抗摩擦試驗中知道,巖體

7、強(qiáng)率為錨固體的軟化模量。33度隨變形發(fā)展而衰減主要是由于內(nèi)聚力變化的結(jié)果,2.2.2內(nèi)聚力c,c及內(nèi)摩擦角U,U因此,在錨固體變形破壞后的階段,設(shè)內(nèi)摩擦角U與錨固體破壞前的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別以c,U333U相符。這樣處理是安全的,工程上是允許的。在錨表示,破壞后的殘余強(qiáng)度指標(biāo)則分別以c,U表示。[5]固體變形至殘余強(qiáng)度時仍按莫爾2庫侖準(zhǔn)則考慮,則全長錨固錨桿的現(xiàn)場應(yīng)用表明,錨桿既受到錨固體的殘余強(qiáng)度為軸向力