高强预应力锚杆的锚固机理及时效性分析

由于几十年来的大规模开采,浅部资源已走向枯竭,煤炭开采逐渐向深部延伸。随着开采深度的增加,地质条件恶化,导致深部巷道围岩稳定性控制与支护的难度加大。基于浅部常应力场的普通非预应力锚杆支护已不能满足此类工程的安全性要求,以树脂药卷作锚固剂的高强、超高强预应力锚杆支护应属于目前最能符合此类深部地下工程的支护形式。而现有的高强预应力锚杆锚固技术只是在少数国家部分煤矿中得到了应用,且主要采用的是工程类比法,没有统一的理论指导和科学依据,存在明显的盲目性,因此对高强预应力锚杆锚固技术的作用机理及时间效应进行研究具有重要的现实意义。 本文以淮南矿区深部岩巷支护对策项目为依托,通过理论分析、数值模拟、现场试验进行了高强预应力锚杆的锚固机理及锚固的时间效应分析,具体研究内容如下: 1、通过弹塑性理论分析和数值模拟研究高强预应力锚杆支护的轴向作用机理即改善围岩的应力状态、提高围岩体的力学参数。 (1)将高强预应力锚杆支护简化为作用于洞室周围径向的压应力和锚固区围岩体力学参数的提高,利用弹塑性理论分析高强预应力锚杆支护对于围岩体应力状态的改善。 (2)利用FLAC3D建立三维计算模型模拟深埋地下洞室,研究围岩应力状态改善与各锚固参数(锚杆直径φ、锚杆长度L、锚杆间排距D、预应力T)之间的变化关系,得出各锚固参数对于围岩应力状态的影响程度。 (3)利用FLAC3D模拟加锚岩体在平面应变加载条件下的压缩试验,研究在不同锚杆间排距和预应力T情形下,对于围岩体力学参数值(抗压强度、弹性模量E、泊松比μ、内聚力c、摩擦角? )的提高,得出各锚固参数与围岩体力学参数提高之间的定量关系。 2、利用FLAC3D模拟加锚节理岩体的剪切试验,研究高强预应力锚杆支护的横向作用机理即提高节理面的变形能力和抗剪强度,得到节理面在各锚固参数(锚杆直径φ、锚杆预应力T、锚杆间排距D、锚杆安装角α)下抗剪强度的变化值,从而得出各锚固参数对于节理面或潜在滑移面的变形能力和抗剪强度的影响。 3、通过粘弹性理论、数值模拟及高强预应力锚杆支护的现场试验,研究锚固体的时间效应即锚固体的长期稳定性。 (1)将高强预应力锚杆支护简化为作用于洞室周围径向的压应力和锚固区围岩体力学参数的提高,通过粘弹性理论分析锚固岩体的时间效应。 (2)通过高强预应力锚杆支护的现场试验及FLAC3D数值模拟的蠕变分析,研究锚固试件及锚固岩体的时间效应。