沁新煤矿1.5Mt-a新井设计- 锚网支护巷道顶板事故类型分析

目录TOC\h\z\t"样式100,1,样式101,2,样式31,3"1矿区概述及井田地质特征 页表4锚杆失效后的铰接距离和角度试验β（deg）α(deg)α平均值（deg）误差α（deg）AB（cm）AB平均值（cm）误差AB（cm）1A0504.70.51A0445.62A0474.82A0373.22B15345.50.42B15435.43B15435.03B15395.41C30254.80.21C30165.01C30305.21C30234.42C30253.82C30383.02C30295.62C30333.23C30236.63C30335.23C30256.03C30215.61D45154.70.31D45193.41D45184.02D45215.62D45253.82D45253.82D45244.03D45165.23D45196.63D45225.23D45244.2图9失效锚杆角度的变化图10塑性铰接间距离的变化分析在试验过程中记录的应变数据，它可以验证锚杆以下的特性：锚杆和节理面的交叉点反应为反对称应力和应变；在小距离节理（8-10厘米）处，锚杆弯矩可以忽略不计；锚杆的拉伸应力迅速下降，并消失在节理30-45厘米处；塑性铰接对应力传播和它们之间变形量的增加产生障碍；铰接形成的明显特点是，锚杆一端压缩，另一端拉紧。此外，16和20毫米直径的锚杆之间的比较表明，增加锚杆直径时，加固系统的刚性明显增加，这主要是由于面积的增加（见图12）。图11测量锚杆上下表面（虚线）的变化图12加固节理的力学特性的直径的影响5.3DFEM模型为了更好地了解实验室测试锚杆的变形机制，我们利用一个三维有限元（FEM）代码，ZSOIL_3D模拟剪切试验。两个3000多元素和4000多节点的3D模型被使用。他们用通过一个横锚杆加固围岩节理的10×40×20厘米的平行六面体表示。离散区的位置，边界和负载条件如图13所示。由于纵轴的对称问题，通过应变计测量已被证实，在模拟期间仅仅需要考虑系统的一半。实验观察让我们意识到低负荷时，核心材料的优势作用。故，我们决定采用弹性元件材料（见表5），而垂直节理分开的混凝土块，表面接触（锚杆/注浆或锚杆/混凝土）是由理想弹性接触单元模拟的。凝聚力，摩擦角，界面膨胀角的数值，见表6。表5所用材料的杨氏模量和泊松比材料E(GPa)V钢筋2100.2注浆140.25混凝土300.2表6接触单元的力学特性接触属性cj(kPa)ϕj(deg)ψj(deg)岩石/岩石接触0400钢筋/注浆接触250500注浆/岩石接触完全接触图13网格3D-FEM计算6.实验结果分析和有限元模拟比较Tv达到200kN垂直载荷时，三维有限元模型模拟钢管加固块的特性，相当于加固系统的弹性特性。模拟获得的0.33毫米的垂直位移和实验室实验测得的数据相似（见图5）。然而，在节理附近计算的空心锚杆的径向变形是实心钢筋的2倍：0.02毫米与0.01毫米。变形的模型显示了锚杆和注浆或者岩石接触面的失效区（去耦）。在垂直的岩石节理的每一边，此区域在实心锚杆情况下大概60毫米，空心锚杆大概80毫米（见图14）。偏应力J2的轮廓（第二偏应力不变）如图15所示。J2的高值对应塑性区的延展。根据这种形式的加固，两种非常不同的现象产生。对于实心锚杆，J2的高值位于剪切面两侧约25毫米处。这两点对应两个塑性铰接的延展。在两个塑性铰接之间的锚杆开始旋转变形，直到拉伸破坏。J2的另一个高值在锚杆端口和节理面（见图16）。观察空心锚杆，J2的最大值集中在管内表面剪切面和水平面的交点（见图15）。在这种情况下，失效位于岩石节理表面，它本质上是由于剪切造成的。锚杆轴向应变分布如图17所示。在实心锚杆情况下，它们更小，更集中。这是由于这两种类型的锚杆和岩块之间的界面摩擦性能的差异造成的。图14该模型显示失效在Swellex和岩石的交界表面，而全钢筋锚杆失效发生在锚杆/注浆交界面图15有限元模型清楚地显示全钢筋锚杆和空心锚杆（Swellex）在剪切应力下机械特性的差异图16偏应力J2的轮廓（第二偏应力不变），J2的值对应较高的塑性区的发展图17锚杆的轴向应变7.总结充分注浆锚杆出现两个对称的岩石节理塑性铰接的增长，它们的作用阻碍了压力增加。在它们发生之后，可以观察到，它们之间区域发生塑性变形，直至破坏。另一方面，没有注浆，以及它们的中空形态，使Swellex锚杆自由工作。事实上，管子在节理表面附近发生塑性屈服，在管的内表面产生两个塑性区。此外，特定形状的Swellex锚杆允许部分发生大的变形。实验曲线表明两种锚杆类型的三个相似阶段，并且他们对加固系统的剪切强度也产生相似作用。然而，实心锚杆在第一阶段（弹性变形阶段）达到最大变形的75%，第二阶段（塑性变形阶段）为15%，而当Swellex锚杆变形时，第一阶段变形量为20%，第二阶段为50%（见图5）。实心钢锚杆的抗剪强度高于空心锚杆。然而，对于锚杆失效时的位移，空心锚杆是实心注浆锚杆的两倍。通过测试两种不同类型的锚杆获得的实验结果所提供的有用数据，来验证分析和数值模拟。用弹塑性接触单元进行三维有限元分析，模拟在不同的实验测试中获得的加固节理的特性。塑性铰链的形成和发展被非常准确的预测。有助于分辨两种锚杆特性上的差异的数值计算结果，对它们不同形式的破裂，给出了一个明确的解释。充分注浆锚杆失效主要是由于两个塑性铰链之间的集中牵引，而管失效的最主要原因是剪应力集中作用在节理表面。参考文献[1]KovariK.喷混凝土衬砌方法历史—第二部分：20世纪60年代的里程碑.隧道与地下空间技术，2003，18：71-83[2]BjurstromS.注浆非张紧锚杆的坚固岩石节理的抗剪切强度.国际岩石力学学会第三次代表大会，美国丹佛，1974,1194-9[3]PellsPJN.完全粘结锚杆的特性.国际岩石力学学会第三次代表大会，美国，丹佛，1974,1212-7[4]FarmerIW.树脂注浆锚杆的应力分布.国际岩石力学闵科学,1975,12:347-51[5]DunhamDK.树脂锚杆的安克雷奇应变测试.隧道掘进，1976,8:73-6[6]HibinoS，MotijamaM.节理岩石锚杆支护的影响.软岩国际研讨会，日本东京，1981，1057-62[7]DightPM.露天矿山岩壁稳定性的改善.澳大利亚，莫纳什大学，博士，1982[8]GazievEG，LapinLV.被动锚杆岩石节理的剪切应力.锚杆支护