节理岩体巷道顶板预应力锚杆加固作用研究.pdf

筹3 6 卷第5 期 2 0 0 7 年9 胄 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y 文章续号1 0 0 0 一l 黪S 4 2 0 0 7 0 5 一0 6 l S 0 4 V o l 。3 6N o ．5 S e p 。2 0 0 7 节理岩体巷道顶板预应力锚杆加固作用研究 王同旭1 ，王文斌1 ’2 ，杜烨1 ，刘美平1 ，赵斌1 1 。出东鼓技大学矿壅灾害联防控铡省郝菸建教鸯郄重点实验嶷，窿东毒魏2 6 6 5 1 0 } 2 ．北京交通大学土木与建筑工程学院，北京1 0 0 0 4 4 摘要为了深入探讨预摩力锚杆对节理岩体巷遥项板鲢加霹机理和作用，采惩A N S Y S 数值模 拟软件，研究了不同节理位置争节理倾角等节理特征下，预应力锻轩支护前詹节理面茂巷道稳定 性变化规律．结果表明位于巷道顶板中央附近的小角度节理，是影响巷道稳定性的主要因素．预 应力镁扦支护可以将节联藏压应力提高2 - - 一3M P a ，顸板表圣处压庶力增大3 “ - 4M P a ，消除了垂 向越应力，项板应力松弛嚣内的压庶力提高了约2M P a 。角度越小，越靠近巷道中央，锚杆支护后 的节理面压应力及松弛隧内压应力的增加率越大，预应力锚杆支护作用越明是．与锚杆不穿节理 相比，穿过节理的预应力锩棒支护效果更显著。 关键词预应力锚杆；节理位置；节理角度；节理面压威力；应力松弛区 中图分类号T D3 5 3 十．6文献标识码A R e s e a r c ho nP r e ．．T e n s i o n e dB o l t sR e i n f o r c i n gR o a d w a yR o o f i nJ o i n tR o c kM a s s W A N GT o n g - x u l ，W A N GW e n - b i n l ”，D UY e l ，L I UM e i p i n 9 1 ，Z H A OB i n l 1 ．K e yL a b o r a t o r yo fM i n eD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dC o n t r o l ，S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 。 Q i n g d a o ，S h a n d o n g2 6 6 5 1 0 ，C h i n a ； 2 。S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e ，B e i j i n gJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t ；I no r d e rt od i s c u s st h er e i n f o r c em e c h a n i s ma n de f f e c to fp r e t e n s i o n e db o l t so nr o a d w a yr o o f ，t h ev a r i a t i o nr u l e o fj o i n tf a c e sa n dr o a d w a ys t a b i l i i yb e f o r eo ra f t e rp r e - t e n s i o n e d b o l t ss u p p o r t i n ga td i f f e r e n tj o i n tp o s i t i o n sa n da n g l e sw e r es t u d i e du s i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dA N S Y S ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es m a l la n g l ei o i n tn e a rt h em i d d l eo ft h er o a d ～ w a yr o o fi st h em a i nf a c t o rt h a ti n f l u e n c e st h er o a d w a ys t a b i l i t y 。T h ep r e - t e n s i o n e db o l t ss u p p o r t i n gc a nm a k et h ej o i n tf a c ep r e s ss t r e s si n c r e a s eb y2 ～3M P a ，t h er o o fp r e s ss t r e s si n c r e a s eb y3 ～4M P aw h i c hr e l i e ft h ev e r t i c a lt e n s i o ns t r e s s 。t h ep r e s ss t r e s si ns t r e s sr e l a x a t i o n a r e a si n c r e a s eb ya b o u t2M P a ．．T h es m a l l e rt h ej o i n ta n g l ei sa n dt h ec l o s e rt h ej o i n tn e a r st h e m i d d l eo ft h er o a d w a y ，t h eg r e a t e rt h ep r e s ss t r e s si n c r e a s i n gr a t i o so fj o i n tf a c e sa n ds t r e s sr e - l a x a t i o na r e a sa r e ，a n dt h em o r er e m a r k a b l et h ep r e - t e n s i o n e db o l t ss u p p o r t i n ga c t i o ni s ．C o r n - p a r e dw i t hb o l tw h i c hd o e sn o td r i l lt h o u g hj o i n t ，t h ep r e - t e n s i o n e db o l ts u p p o r t i n ge f f e c ti s m o r en o t a b l ew h i l eb o l td r i l l st h r o u g hj o i n t ． K e yw o r d s p r e - t e n s i o n e db o l t ；j o i n tp o s i t i o n ；j o i n ta n g l e ；j o i n tm p r e s ss t r e s s ；s t r e s sr e l a x a t i o n 矗r e a 收稿日期2 0 0 7 一0 2 一0 2 基金璜暇国家自然科学基金项髫 5 0 5 3 4 0 8 0 ，5 0 6 7 4 0 3 6 ；出东省。泰山学者”建设工程专项经费联合壤爨 作考簿奔至溺整 1 9 6 3 ’ ，雾，由农省海疆索入，教授，薄雯静努，王学簿惫，麸事岩蚕秀掌纛煤矿巷遴支护方瑟静獗究。 E - m a i l w t x 6 3 8 3 1 6 3 ．c 0 1 2 1T e l 0 5 3 2 8 6 0 5 7 0 4 0 万方数据 第5 期 王同旭等节理岩体巷道顶板预应力锚杆加固作用研究6 1 9 预应力锚杆，是目前岩土工程及地下工程中应 用最广的一种先进支护技术．大量研究及工程实践 表明，预应力锚杆可以通过改变预紧力，减小或消 除顶板的拉应力区，弥补岩体抗拉强度低的弱点， 支护形成的承载结构特性和锚杆的预拉力 初锚 力 对顶板的稳定性起到了更为关键的作用[ 1 ] ．岩 体中存在有大量的裂隙面或断裂面‘2 。，而且往往是 成组分布的．这些节理岩体在各类工程中是普遍存 在的，节理裂隙岩体在物理、力学特征上较一般工 程材料具有更显著的随机性、特殊性和复杂性，具 有明显的尺度效应，并对岩体的变形和破坏起着控 制作用[ 3 ] ．因此，研究节理岩体与预应力锚杆的相 互作用，对进一步加深预应力锚杆作用机理、改进 预应力锚杆支护设计、分析节理岩体稳定性，都有 重要意义． 本文采用A N S Y S 数值模拟方法[ 4 - 5 ] ，研究了 不同节理位置和节理角度情形下，预应力锚杆支护 节理岩体巷道顶板的稳定性，重点分析了预应力锚 杆支护前后节理面上压应力变化规律，以及锚杆长 度范围内顶板垂向及水平应力的变化规律，进一步 揭示了预应力锚杆的作用机理． 1 模型参数 采用平面模型．模型尺寸及各岩层力学参数如 表1 ．巷道尺寸4m 3m ．锚杆规格为①2 0m m 2 m ，锚杆弹模2 ．0 1 0 5M P a ，泊松比0 ．2 ，锚杆预紧 力5 0k N ，顶板安设4 根锚杆，两帮各3 根．模拟埋 深8 0 0m ，上边界垂直载荷及左右边界水平载荷均 为2 0M P a ，下边界固定，见图1 ． 表1围岩力学参数 T a b l e1M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fs u r r o u n d i n gr o c k 岩层 编号 N o ．1 N o ．2 N O ．3 N O ．4 N O ．5 N O ．6 警7 翟泊松比螈M P 削a 窘昃萼 ■ 砂岩 1 r 细砂岩 2 ，泥岩 3 ’ ● r煤 4 ’ 细砂岩 5 ■ 砂岩 6 图1 F i g ．1 模型 M o d e l 顶板中设置4 条平行节理 图2 ，节理长度为 1 ．1 2m ．节理角度考虑0 。，2 6 ．6 。，4 5 。，6 3 ．4 。，9 0 。这 5 种情况 记为角度I ～角度V ．在节理角度变化 时，各节理起点坐标和长度不变． N o ．1 N o ．2 N o ．3N o ．4 1 2 舟 3 ／ ／ ／ ／ ／ 1 ．0 ．8 ．．．0 ．8 ．．0 ．8 ．。．O ．8 ．．O ．8 ．1 图2节理与锚杆位置 F i g ．2 P o s i t i o no fj o i n t sa n db o l t s 节理采用c o n t a c t 接触单元模拟．预应力锚杆 穿过节理情况如下 1 O 。节理时，N o ．1 锚杆穿18 节理，N o ．2 锚 杆穿2 8 节理，N o ．3 锚杆不穿节理，N o ．4 锚杆穿 3 8 节理． 2 2 6 ．6 。，4 5 。，6 3 ．4 。节理时，N o ．1 ，N o ．3 锚杆 不穿节理，N o ．2 锚杆穿2 8 节理，N o ．4 锚杆穿3 8 节理． 3 9 0 。节理时，各锚杆均不穿节理． 4 4 8 节理位于巷道范围之外，几种角度下均 无锚杆穿过． 2 模拟结果分析 2 ．1 节理角度对节理面压应力的影响 图3 为2 8 节理不同角度下预应力锚杆支护前 后，节理面压应力沿节理长度的变化规律 其中I ～V 为未支护，I ’～V7 为支护后 ． 芒1 2 曼1 0 R8 蓄s 窒4 訾 靼 0l S 7j 7 45 6 l7 4 89 3 5lJ 2 Z 节理长度／m m 图3节理角度及支护对节理面压应力的影响 F i g ．3 I n f l u e n c eo fj o i n ta n g l ea n ds u p p o r to n j o i n tc o m p r e s s i o ns t r e s s 可见1 角度越小，节理面压应力越小；角度 越大，节理面压应力越大；2 节理中部压应力较 大，两端较小；3 预应力锚杆支护可以提高节理面 压应力，5 种角度下压应力增加值相近 1 ～2 M P a ，但相对增加值却有很大差别．以节理中部点 为例，5 种角度下，支护后增加值分别为1 ．2 3 ， 1 ．3 8 ，1 ．3 1 ，1 ．6 5 ，1 ．5M P a ，而增加率分别为几千 倍，4 4 5 ％，3 3 ％，2 7 ％，1 8 ％．因此，预应力锚杆支护 对角度小的节理作用非常明显；4 比较而言，节理 E u● O 5 3 5 5 O 5 2 3 2 3 5 2 4 2 2 3 6 2 3 6 3 ● ● ● ● ● ● 5 1 O 0 1 5 2 4 5 1 4 2 3 2 3 2 2 3 ● ● ● ● ● ● O 0 O O 0 O 5 5 ● ● 7 3 1 8 1 6 5 Z 1 2 2 7 3 ● ● 9 7 O 3 4 2 l 万方数据 6 2 0 中国矿业大学学报第3 6 卷 角度对稳定性的影响较预应力锚杆支护更大，因 此，优化巷道方位和选择好的岩层，更为重要．图4 为节理角度2 6 ．6 。时支护前后，18 ～4 8 节理面正压 力变化规律 其中1 ～4 为未支护，1 ’～4 ’为支护 后 ． 2 4 至2 0 杂1 6 眢1 2 星8 噬4 0 节理长厦／r a m 图4节理位置及支护对节理间压应力的影响 F i g ．4 I n f l u e n c eo fj o i n ta n g l ea n ds u p p o r to n j o i n tc o m p r e s s i o ns t r e s s 可见，位于巷道范围之外的4 8 节理面压应力 最大，位于巷道中央位置的2 8 节理面压应力最小， j 至 杂．3 趟- 4 春 ．7 - 8 距离顶板袁面高度／m 00 ．2 0 ．4 0 ．6 0 ．81 ．0 1 ．21 ．4 1 ．6 1 ．82 ．0 2 8 ，3 8 节理靠近巷道中央的部分节理面压应力较 小，靠近巷道两帮的部分节理面压应力较大．支护 后，各节理压应力变化的绝对值相近，但增加率相 差很大，预应力锚杆支护对靠近巷道中央的节理作 用最为明显． 2 ．2 顶板垂向应力变化规律 图5 为o 。节理时预应力锚杆支护前后，各锚杆 位置顶板垂向应力变化规律．由图5 可见，预应力 锚杆支护前1 顶板中出现垂向拉应力，N o ．1 和 N o ．3 锚杆位置垂向拉应力的范围小于0 ．1m ， N o ．2 和N o ．4 锚杆位置垂向拉应力的范围为0 ．3 m 节理下方范围 ；2 顶板中垂向压应力小于1 ．0 M P a 的范围，分别为N o ．1 锚杆位置0 ．7m ，N o ．2 锚杆位置1 ．2m ，N o ．3 锚杆位置1 ．1m ，N o ．4 锚 杆位置0 ．6m ，即巷道中部顶板垂向压应力松弛范 围较大． 距离顶板表面高度／m 002040 6O 8 l0l2 】4161 ．82 ．O ．1 N o ．1 一。； 。R N N 0 0 ．； 塞- - 4 3 N o ．4 R - 5 氆- 6 星．7 常．8 ．9 ．1 0 ． a 支护前 b 支护后 图5O 。节理时不同节理位置垂向压应力 F i g ．5 O 。v e r t i c a lc o m p r e s s i o ns t r e s sw i t hd i f f e r e n tj o i n tp o s i t i o n 预应力锚杆支护后，1 顶板中垂向拉应力区 更明显． 消失；2 垂向压应力低于1 ．0M P a 的区域也消失，对比图5 a ，b ，还可发现，支护前，顶板中垂向 压应力明显提高．尤其在节理面附近及下方范围提压应力随顶板高度单调增加，且当应力大于1 ．0 高最为明显；3 在顶板表面，N o ．1 ～N o ．4 锚杆位 M P a 之后增加迅速；支护后，顶板中垂向压应力在 置垂向压应力分别提高了3 ．4 ，2 ．8 ，4 ．0 和3 ．0节理附近最低，向节理上下方逐渐增大，曲线呈“驼 M P a ；4 锚杆穿过节理面时 N o ．1 ，N o ．2 和N o ．4峰”形． 锚杆 ，节理面正压力分别提高2 ．0 ，2 ．1 ，1 ．7M P a ， 图6 为N o ．1 锚杆位置，5 种节理角度时支护 锚杆不穿过节理面时 N o ．3 锚杆 ，仅增加0 ．2前后顶板垂向应力变化规律． M P a ，说明锚杆穿过节理时，预应力锚杆支护效果 距离顶板表面高度／m距离顶板表面高度／m 0O ．2 O ．4 O ．6 0 ．81 ．O1 ．2I ．41 ．61 ．82 ．O0O ．2 O ．4 0 ．6 0 ．8 1 ．01 ．21 ．4I ．6 1 ．8 2 ．O j 鲥 誉兰 ．7 硝 羁 ．嚣1 万方数据 第5 期王同旭等节理岩体巷道顶板预应力锚杆加固作用研究6 2 1 预应力锚杆支护后，节理角度的影响在节理及 下方区域影响较大，在节理上方区域影响较小．锚 杆支护对小角度节理垂向压应力增加更为显著． 2 ．3顶板水平应力变化规律 图7 为顶板上方0 ．5 5m 处，预应力锚杆支护 前后水平应力变化规律． 山 至 R 氆 1 斗 * 图7顶板上方0 ．5 5m 支护前后水平应力 F i g ．7 H o r i z o nc o m p r e s s i o ns t r e s sa t0 ．5 5ma b o v er o o f 由图7 可见，巷道范围内 一2 ．0m ～2 ．0m 顶板处于水平挤压应力降低区，且巷道中央附近最 低，稳定性最差．节理角度小时水平挤压应力降低 更明显，而4 5 。～9 0 。之间差别不大．预应力锚杆支 护后，顶板水平应力普遍得到提高，其中小角度节 理改善最明显．应力分布不对称，右帮侧稍低于左 帮侧，是由节理倾向右帮造成的． 3 工程应用 河南车集煤矿3 4 0 1 下巷，埋深近8 0 0m ，设计 断面宽4 ．0m ，高3 ．0m ，顶、底板及两帮围岩主要 为泥岩、砂质泥岩和煤。顶板节理裂隙较发育，节 理平均间距0 ．4 5m ，倾角2 5 。，迹线长度1 ．2m ，节 理闭合无充填物。各岩层力学参数如表1 及图1 ． 根据模拟分析，设计采用以下支护方案支护形式 选择锚网索梁钢带联合支护，顶板采用2 0m m 2 m 高强锚杆，锚杆间排距0 ．7m 0 ．8m ，M 型钢 带，双排锚索，锚索挂设工字钢锚梁，锚梁平行巷道 方向，与M 型钢带成十字交叉，锚索间排距为 1 ．1m 1 ．6m ；两帮部为1 8m m 2 ．5m 高强锚 杆，间排距0 ．8m 0 ．8m ，挂设钢筋梯子梁，全断 面钢筋网；锚杆预紧力5 0k N ．试验结果表明，由于 联合支护有效控制了节理顶板及两帮的离层与破 坏，巷道变形显著降低，维护状况明显改善，试验取 得了良好效果． 4 结论 1 节理面正压力，与节理角度和节理位置有 关．未支护时2 8 节理o 。和2 6 ．6 。节理间压应力接近 0M P a ，而6 3 ．4 。和9 0 。节理间压应力达到7 ～1 0 M P a ．位于巷道宽度范围之外的4 。节理面压应力 最大，最高可达到1 9M P a ，位于巷道中央位置的 2 8 节理面压应力最小． 2 预应力锚杆支护可以提高节理面正压力，且 节理角度越小，支护后的增加率越大．2 8 节理o 。和 2 6 ．6 。节理间压应力增加率分别为几千倍，4 4 5o A ， 而4 5 。，6 3 ．4 。和9 0 。时增加率分别为3 3 ％，2 7 ％， 1 8 ％． 3 锚杆支护前，顶板出现垂向拉应力，顶板中 垂向压应力随距离顶板高度的增加而单调增大．巷 道中部垂向应力松弛范围最大．锚杆支护后，顶板 处垂向拉应力消失，垂向压应力有比较大的增长， 在靠近顶板一端应力曲线呈现”驼峰”形，垂向应力 在距离顶板0 ．5m 左右降到最小． 4 预应力锚杆支护后，顶板水平应力普遍得 到提高，小角度节理改善最明显，2 6 ．6 。节理倾角时 巷道中部最小水平压应力提高了3M P a ． 参考文献 [ 1 ] 张农，高明仕．煤巷高强预应力锚杆支护技术与应 用E J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 4 ，3 3 5 5 2 4 5 2 7 ． Z H A N GN o n g ．G A OM i n g s h i ．H i g h - s t r e n g t ha n d p r e t e n s i o nb o l t i n gs u p p o r to fc o a lr o a d w a ya n di t sa p p l i c a t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 4 ，3 3 5 5 2 4 5 2 7 ． [ 2 3 贺永年，韩立军，邵鹏，等．深部巷道稳定的若干岩 ’石力学问题[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 5 ，3 5 3 2 8 7 2 9 5 ． H EY o n g - n i a n ，H A NL i - j u n ，S H A 0P e n g ，e ta 1 ． S o m ep r o b l e m so fr o c km e c h a n i c sf o rr o a d w a y ss t a b i l i t yi nd e p t h [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，2 0 0 5 ，3 5 3 2 8 7 2 9 5 ． [ 3 ] 宋桂红．加锚裂隙岩体整体力学性质研究与分析 [ D ] ．武汉武汉理工大学建筑学院，2 0 0 6 ． [ 4 ]龚曙光．A N S Y S 基础应用及范例解析[ M ] ．北京机 械工业出版社，2 0 0 3 ． [ 5 ] 博弈创作室．A N S Y S 7 ．0 基础教程与实例详解[ M ] ． 北京水利水电出版社，2 0 0 3 ． 责任编辑王继红 万方数据