采矿工程中锚杆变形的塑性分析.doc

采矿工程中锚杆变形的塑性分析摘要：锚杆支护是将一种将受拉杆件埋入岩土体，使结构物与地层紧紧连锁在一起，从而使围岩由被动承载变为主动承载，调动和提高岩土的自身强度和自稳能力。这种受拉杆件工程上称之为锚杆。在各类巷道支护中，锚杆支护因具有施工工序简单，安装快捷，操作方便，机械化程度高以及安全性好等优点，而成为了各地下工程如矿山、隧道等的主要支护形式之一。伴随着锚杆支护在岩土工程中的广泛应用，树脂材料和高分子材料也被大量应用到锚杆的生产加工中。锚杆的塑性力学性质在采矿工程锚杆运用尤其广泛，不仅可以更加有效、充分的发挥材料的强度和刚度，而且对于采矿工程中巷道及围岩的支护问题有了更好的解决和应用。但是对于但是各类锚杆都有其各自的适用范围，其固有缺点严重地限制着锚杆锚固的应用范围和条件。本文将以由中科院宋振骐院士和山东大学王威强教授等人发明的一种新型锚杆柔性注压锚杆作为研究对象，它的工程应用很大程度上改善了锚杆支护对工作条件适应性并且提高了其经济性。采用高弹性高分子材料作为锚杆主体材料，将锚杆体做成中空结构，空心部分为锚杆腔体，其端部一端封闭，一端紧密安装注射单向阀；锚杆体用钢丝或纤维材料与高弹性高分子材料强化复合而成。注射单向阀用刚性材料或弹性材料制成。施工时，向锚杆腔体注入设定压力的高压液体或气体，锚杆体产生径向膨胀力，将锚杆与锚孔牢固地锚固在一起。本实用新型施工安装方便，能自动补偿岩层位移引起的锚孔变化、锚固可靠；并能在线监控锚杆体内的压力变化，及时补充压力；锚杆体易于回收利用。关键字：锚杆、ANSYS、塑性行为前言：早在20 世纪40 年代，美国、前苏联就已在井下巷道使用了锚杆支护，以后在煤矿、金属山水利、隧道以及其他地下工程中迅速得到了发展。西欧、中欧一些主要产煤国家，过去巷中主要采用金属支架支护，随着巷道维护日益困难和支护成本的增加，各国均在积极发展锚杆支护。几十年来，世界锚杆支护得到了很大的发展。就目前而言，国外锚杆支护技术以澳大利亚、美国发展最为迅速，两国锚杆支护比重已接近100%，其技术水平居于世界前列。我国锚杆支护技术的发展现状我国从1956 年起，在煤矿围岩中使用锚杆支护，至今已有50 余年的历史。20 世纪60 年代锚杆支护开始进入采区。在“九五”期间，我国锚杆技术发展进入了高强度预应力锚杆体系新阶段，锚杆技术被列为重大科技攻关项目之一，在锚杆中采用高强度超长杆，桁架锚杆支护，锚杆支护监测仪器，锚杆材质，液压锚杆钻机等多项新技术，并且引进了澳大利亚锚杆支护技术，取得了明显的支护效果。经过几十年研究与发展，我国现有楔缝、涨壳、倒楔锚杆、钢丝绳或钢筋砂浆锚杆、木锚杆、竹锚杆、内涨锚杆、管缝锚杆、树脂锚杆、水泥锚杆、爆扩锚杆、预应力注浆大锚索等十几个系列品种。锚杆支护可充分利用围岩的自承能力将载荷体变为承载体, 它有利于改善巷道的维护状况, 保持巷道围岩的稳定性。在巷道支护中, 锚杆已成为煤矿井下巷道及其他地下工程支护的一种主要形式。正确地设计和应用锚杆支护, 必须对锚杆支护的机理有正确的认识。传统的锚杆支护理论有,悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论。近年来, 锚杆支护理论研究有了近一步发展, 提出了锚杆支护围岩强度强化理论。围岩强度强化理论提出锚杆与围岩相互作用组成锚固体, 可改善锚固体力学参数, 提高锚固体的强度,使岩体强度( C, U) , 特别是峰后强度和残余强度( C* , U* ) 得到强化, 形成共同承载结构, 充分发挥围岩自承能力。锚固体C, U, C* , U* 随锚杆支护强度的增加而提高, 锚固体强度得到强化, 达到一定程度就可保持围岩稳定。锚杆的工作阻力及其对围岩的支护效果采用粘结力C, C* 和内摩擦角U, U* 的提高值来计算确定。悬吊理论悬吊理论是最早的锚杆支护理论，前提是必须要有稳定的岩层，锚杆将下部不稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层上，阻止岩层或岩块的脱落。它认为：锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，如图1-3所示，以增强较弱岩层的稳定性。这一理论直观、易懂且使用方便。应用这里理论，在利用锚杆加固时，锚杆长度可根据坚硬岩层的高度或平衡拱的高度来确定，锚杆所受到的锚固力等于下部被悬吊的岩层的重量。虽然这一理论直观易懂，但存在很多缺陷。通常计算时认为锚杆所受锚固力等于下部悬吊岩层重量，但这种现象只存在于松散岩层或不稳定岩层完全与稳定岩层脱离时，而这些情况并不多见。虽然悬吊理论可以解释在坚硬岩层存在于锚杆锚固范围内的情况下锚杆的支护作用，但在软岩巷道中，尤其当软岩巷道跨度较大时，围岩的普氏拱高一般都会大于整个锚杆的长度，在这种情况下，对于锚杆能够成功对围岩进行支护加固的原因，悬吊理论难以对其进行合理解释。总之，悬吊理论只考虑到锚杆的抗拉作用，对于锚杆增强岩层的抗剪能力，提高整体岩层的强度等方面没有涉及，因此利用该理论计算出的锚杆载荷会与实际数值相差较大。组合梁作用理论当所开掘的巷道位于层状岩体中，而顶板在一定范围内不存在坚硬稳定的岩层时，悬吊理论不再适用。组合梁作用理论应运而生。组合梁作用理论是被较早提出的理论，也是一般公认的支护作用原理之一。这一理论把薄层状岩体看成一种梁(简支梁或悬臂梁)，在没有锚固时，它们只是简单地叠合在一起。由于层间抗剪力不足，在载荷作用下，每层梁都会产生各自的弯曲变形，上边缘受压，下边缘收拉。而在顶板锚杆作用下，它们被紧固成组合梁，一方面各层板相互挤压，两接触面间压力增大使得两岩层间的摩擦力随之增加，摩擦及锚杆的定位作用可以阻止锚固系统中的岩层沿层面出现滑动，从而避免围岩分层现象的出现；而另一方面，锚杆使得多层的围岩成为一个整体，从而使得围岩的抗剪刚度提高，以此阻止岩层产生水平错动。同时，在上覆层岩作用下，各层内应力和挠度也都大为减小，因此增加了组合梁的抗弯强度。把锚杆埋入岩土体一定深度，相当于把简单叠合的数层梁变成组合梁，组合梁越厚，其内部最大应力、应变和挠度也就越小，而组合梁的承载能力越大。锚杆提供的锚固力愈大，各岩土层间的摩擦阻力愈大，组合梁整体化程度愈高，其强度也愈大。与悬吊理论相比，组合梁理论充分考虑到锚杆对围岩层状分离及岩层滑动的约束作用，能够从原理上比较全面地分析锚杆所起的作用。但是由于组合梁的有效厚度难以确定，因此，与其相关的众多因素无法得到可靠数据。此外，在水平应力较大的巷道中，顶板破坏、失稳的主要原因是水平应力，而组合梁理论中并没有考虑水平应力对围岩稳定性、组合梁强度及锚杆载荷等方面的影响。因此组合梁理论只适用于层状顶板锚杆支护的设计。1 力学计算模型建立1) 巷道断面为圆形, 长度无限( 平面应变) ; 原岩应力( p 0) 为各向等压( 静水压力) 状态;2) 围岩为均质、各向同性、无蠕变; 围岩性质为理想弹塑性体, 塑性区为极限平衡区, 符合库仑强度准则; 为简化计算, 忽略塑性区围岩体粘结力的应变软化;3) 锚杆端锚固, 锚杆工作阻力均匀分布在环向围岩圈上;4) 巷道周边锚杆支护强度为q ( 巷道半径R0) , 锚固端环向围岩圈上锚杆施加的支护强度为F = qRm / R0( 锚杆锚固端位置半径Rm ) 。2 锚固圈位于塑性区内1 力学计算模型建立1) 巷道断面为圆形, 长度无限( 平面应变) ; 原岩应力( p 0) 为各向等压( 静水压力) 状态; 2) 围岩为均质、各向同性、无蠕变; 围岩性质为理想弹塑性体, 塑性区为极限平衡区, 符合库仑强度准则; 为简化计算, 忽略塑性区围岩体粘结力的应变软化;3) 锚杆端锚固, 锚杆工作阻力均匀分布在环向围岩圈上;4) 巷道周边锚杆支护强度为q ( 巷道半径R0) , 锚固端环向围岩圈上锚杆施加的支护强度为F = qRm / R0( 锚杆锚固端位置半径Rm ) 。2 锚固圈位于塑性区内2. 1 基本方程弹性区为积分常数待定的弹性应力解 4。塑性区: 分锚固区内、锚固区外; 其基本方程均为平衡方程和库仑准则2. 2 边界条件弹性区: 外边界r趋近于无穷，径向力，切向力等于P0锚杆锚固端位于弹性区内边界条件和上节基本类似, 仅锚固区内、外的弹塑性质差别。计算时除利用应力边界条件外, 还需应用r =Rm 交界面上的内、外侧弹性径向位移相等来确定两弹性区应力解的4 个待定常数。4 讨论分析与应用由巷道围岩径向、切向应力分布图( 图2) 知, 围岩应力值在Rm 位置有一个跌落, 其中Rr 的下降值为F =qRm / R0。RH 下降值, 当锚杆锚固端在围岩塑性区时下降显著, 为Rr 下降值的2 3 倍, 这主要是由围岩体极限平衡条件中的c、U值决定; 当锚杆锚固端