岩石力学与剪胀锚固理论(讲座)

岩石力学与

剪胀锚固理论（讲座）贾喜荣中国岩石力学学会教育工作委员会委员太原理工大学矿业工程学院教授.内容提要第1部分背景第2部分岩石力学试验与基本强度理论第3部分煤柱临界宽度理论计算公式第4部分巷道围岩剪胀锚固理论第5部分锚索的工程测试.中国矿业大学出版社1994《中国煤矿巷道围岩控制》.....11#工字钢梁载荷集度——极限跨距曲线图...第1部分

背景

传统锚固原理

悬吊原理；组合梁原理；挤压成拱原理；减跨原理；松动圈原理；扩容稳定原理等。

目前国家没有回采巷道锚固技术标准？

三项理论成果

采场薄板矿压理论巷道顶板岩层剪胀锚固理论回采巷道煤柱合理尺寸计算

.第2部分

岩石力学试验

与基本强度理论

岩石力学的三大主题岩石力学的基本试验与基本理论.

岩石力学的三大主题

物性：物理性质、力学性质结构：组成结构、工程结构荷载：核心中心问题：结构稳定性理论基础：岩石强度准则.

岩石力学的基本试验

与基本理论

岩石强度试验:

岩石强度理论：Coulomb强度准则Mohr强度准则Griffith强度理论Rankine

强度准则Barton强度准则Hoek-Brown强度准则.B.H.G.BradyandE.T.Brown(2006).国际岩石力学家Evert.Hoek.

/hoek/Hoek.asp.........ChristianOttoMohr

(1835～1918)

19世纪欧洲最杰出的土木工程师之一

.CharlesAugustindeCoulomb(1736～1806)1774年当选为法国科学院院士..βC=18.43o

（当Ct=6时）.βG=18.43o

..Rankine强度准则.WilliamJohnMaquornRankine

(1820～1872)在热力学、流体力学及土力学等领域均有杰出的贡献(英国科学家)

.KarlvonTerzaghi(1883～1963)1883年10月2日出生于捷克的首都布拉格

Karlvon

Terzaghi被誉为土力学之父.Coulomb、Griffith、Mohr、Rankine

准则间相互关系

（太原理工大学学报，1998年3期）Coulomb、

Griffith、

Mohr、

Rankine

准则的一致性

岩石强度参数:σc、σt、C、φ

之间的内在关系.

由Coulomb准则：有：σc、σt、C、φ4个力学参数之间，只有3个参数是独立的。参数φ可以通过σc、C；或σt、C的试验值来计算求得。(t=tgφ).

岩石强度压拉比很好地反映了σc、σt、φ

3个独立变量之间的内在关系。.

岩石强度压拉比也反映出岩石破断角:模拟试验中，岩石强度压拉比Ct，是一个很好的强度相似参数。与强度、脆性间的关系。.

当Ct=8时，即有：σt：c：σc=C/2：C：4C=1：2：8Griffith强度准则.当Ct=8时，

φ=36.87o当Ct=8时，当Ct=6时，当Ct=8时，

当Ct=?

时:......Hoke—Brown强度准则——岩体强度准则式中：σ1n—标准化的主应力，σ1n=σ1/σc；

σ3n—标准化的主应力，σ3n=σ3/σc；

τn—标准化的剪应力，τn=τ/σc；

σn—标准化的正应力，σn=σ/σc；

σc—完整岩石试块单轴抗压强度。.第3部分

煤柱临界宽度理论计算公式

现场立方体试件的强度

煤柱强度计算公式

煤柱临界宽度理论计算公式......国际岩石力学家Z.T.Bieniawski科学和神学的相互作用

Faculty/bieniawski.htm

.回采巷道煤柱的强度Hustrulid(1976)以Gaddg(1956)煤层试样实验室强度试验指标与现场立方体试件的强度指标换算公式：σm=0.2357σcBieniawski(1975)煤柱强度计算公式为：.

回采巷道煤柱临界宽度的确定

贾喜荣，2008年

.回采巷道煤柱临界宽度的确定

贾喜荣，2008年w——煤柱临界宽度，m；h——巷道高度，m；B——巷道宽度，m；σc——煤层标准试件单轴抗压强度，kN/m2；H——煤层覆岩厚度，m；γ——覆岩容重，kg/m3。.第4部分巷道围岩剪胀锚固理论锚固岩层抗剪强度试验回采巷道顶板岩层剪胀平衡力学模型回采巷道顶板岩层剪胀锚固理论回采巷道顶板岩层锚固强度设计计算回采巷道侧帮锚固强度设计计算.

锚固岩层抗剪强度试验

锚固岩层峰值抗剪强度锚固岩层残余抗剪强度锚固岩层的剪胀性质.锚固岩层抗剪强度试验.剪胀.....N.Barton准则（1973）式中：τ—最大剪应力；

σ—正应力；

JRC—岩层结构面粗糙度系数；

JCS—岩层结构面表面抗压强度；

Φb—基础摩擦角。注：当JRC=0时，转化为平滑节理的Coulomb准则。.——R.E.Goodman

曲线剪胀锚固理论的动态平衡力学机制

(初始预紧力)(初始闭合量)(剪胀)(初始闭合量)[预紧力（给定变形）——剪胀（岩层错动）——抗剪强度提高]虚线——给定变形特性曲线实线——给定载荷特性曲线

.锚索预紧力—变形量实测曲线图

YCD18—200；油压：40mPa；承压面积：37.68cm2.岩层剪胀锚固原理：1.岩石结构面抗剪强度的试验结果说明：锚固岩层的抗剪强度，随剪切位移的增加而变化。2.预应力、锚固应力是维系锚固岩层抗剪强度的外在条件，岩层结构面物理力学性质是其内在条件；N.Barton准则可作为锚固岩层的稳定性判据。3.峰值强度前（小位移），锚固岩层的抗剪强度随位移的增加而增加；4.峰值强度后（大位移），锚固岩层的抗剪强度随位移的增加而降低；5.预紧力的增加会提高锚固岩层的峰值强度和残余强度；6.工程中，被锚固岩层一旦发生过量变形，其抗剪强度会从峰值强度降低到残余强度，最终会导致锚固系统失效，巷道失稳。..

回采巷道围岩的力学特征物性（3强度）：底板岩层强度；煤柱（层）强度；顶板岩层强度。结构（3结构）：底板—基础；

煤帮—墙体；顶板—组合板。荷载（3荷载）：煤柱荷载—覆岩荷重；顶板荷载—有限荷重；底板荷载—半无限体荷重。....乾陵地宫墓道封石锚固结构石灰岩条石：1.0×0.4×0.7，约500kg；铸铁栓板：10.kg；铸铁锚杆：Φ70mm;锚固剂：熔铅厚度5~8mm一千三百多年前.1966年至1971年发掘显示：

乾陵地宫墓道在梁山主峰东南半山腰部,由堑壕和石洞两部分组成。堑壕深17m,全部用长1.25m,宽0.4至0.6m的石条填塞。墓道呈斜坡形,全长63.1m,南宽北窄,平均宽3.9m,石条由南往北顺坡层叠扣砌,共39层,平面裸露410块,39层约用石条8000块。石条之间用燕尾形细腰铁栓板拉固,上下之间凿洞用铁棍贯穿,以熔化锡铁汁灌注,与石条熔为一体。..矩形巷道顶板岩层

剪切滑移与弯曲下沉..巷道顶板岩层的叠合梁与组合梁（a）—叠合梁；（b）—组合梁(σmax)叠合梁/(σmax)组合梁=n.厚层状顶板岩层三铰拱平衡结构.

锚固岩层剪胀平衡力学模型层面法向应力（锚固应力）σ随岩层剪切位移量的增加而改变。剪胀

扩容稳定；锚固挤压加固；悬吊减跨；锚固三铰拱挤压成拱；三铰拱半跨锚固组合梁。.

锚固岩层剪胀平衡理论岩层层面剪力：层面平均剪应力：层面法向锚固应力：层面剪胀摩擦角：T=0.125γL2τave=0.25γL.

顶板锚固岩层的预应力与自重应力取：顶板预应力为pA；岩层自重应力为q；则有：当pA＜q

时，岩层会沿层面发生离层。.

巷道顶板岩层锚固强度设计计算τave=0.25γLp=σ+q.

巷道侧帮锚固计算（贾喜荣，2008年）

由Rankine准则（1857）有

：σ3—巷帮锚固强度；

qj—煤柱静载荷集度；

C—煤柱内聚力（可取）；

Φ—煤柱内摩擦角。..煤层开采临界深度Hc

贾喜荣，2008年取：

σc=13.0mPaγ=26kN/m3则煤层开采临界深度为：定义：.

顶板岩层组成类型.第5部分锚索的工程测试.7股高强度钢绞线技术参数公称直径（mm）强度等级（mPa）抗拉力（kN）公称截面积（mm2）15.242000280.0140.0017.802000382.0190.0021.6017701860504.0530.0285.00..普通直面锚具、球形锚具

与斜锚索配合受力状况.普通直面锚具、球形锚具

与倾斜顶板垂直锚索配合受力状况

.锚索偏载拉力实验装置.α=0°时，装配普通直面锚具的锚索断裂情况.α=5°～20°时，

装配普通直面锚具的锚索断裂情况.弧形锚具与球形锚具.装配球形锚具的锚索断裂情况.KM18直面锚具不垂直度与锚索破断力试验数据

（Φ17.8锚索）外露段与受拉段间夹角(°)破断力（kN）平均值（kN）效率系数（η）0356359