節(jié)理巖體錨固應(yīng)力分布規(guī)律與作用機(jī)理研究

節(jié)利巖石常被用作中國(guó)的巖體工程?；谝陨涎芯砍晒?本文進(jìn)一步對(duì)節(jié)理巖層錨桿支護(hù)技術(shù)下不同錨固方式的錨固機(jī)理進(jìn)行研究.以陽(yáng)煤一礦81303工作面回風(fēng)巷錨桿索范圍內(nèi)頂板節(jié)理發(fā)育、兩幫垂向裂隙發(fā)育為工程背景,根據(jù)錨桿自由段、錨固段、節(jié)理(或裂隙)的空間位置關(guān)系,對(duì)節(jié)理(或裂隙)變形時(shí)端錨、加長(zhǎng)錨、全長(zhǎng)錨方式下錨桿應(yīng)力分布規(guī)律及桿體承載特性、錨桿-錨固劑-圍巖相互作用機(jī)理進(jìn)行研究,得出一系列的結(jié)論,為節(jié)理圍巖錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的參考.1項(xiàng)目背景1.1直接底黑色泥巖主采煤層為8號(hào)煤,平均埋深540m,平均厚7.1m,平均傾角為4°,為近水平煤層,頂板為典型的層狀巖層,直接頂為黑色泥巖,厚1.03m;老頂為深灰色石灰?guī)r,厚2.25m;直接底為黑色泥巖,厚1.23m;老底為深灰色細(xì)砂巖,厚2.18m.工作面布置見(jiàn)圖1,81303回風(fēng)巷沿頂板掘進(jìn),斷面大小為5.2m×3.8m.頂錨桿使用Φ22mm×2000mm螺紋鋼錨桿,間排距為960mm×800mm,每隔一排交錯(cuò)布置2根Φ21.6mm×5200mm錨索加強(qiáng)支護(hù).兩幫各布置4根Φ22mm×2000mm螺紋鋼錨桿與2根Φ15.24mm×5200mm錨索,原支護(hù)方案錨桿全部采用MSK23/60樹(shù)脂錨固劑端頭錨固,錨索使用MS雙速23/120樹(shù)脂錨固劑端頭錨固方式,見(jiàn)圖2.1.28原支護(hù)方案下頂板節(jié)理分布由巷道頂板鉆孔窺視結(jié)果(如圖3所示)得出錨桿索錨固范圍內(nèi)出現(xiàn)不同層狀的巖性,在頂板約0.9～1.2m范圍多發(fā)育水平節(jié)理裂隙.使用CT-2型礦用超聲波圍巖裂隙探測(cè)儀對(duì)巷道圍巖破壞情況進(jìn)行測(cè)試(結(jié)果如圖4所示),發(fā)現(xiàn)波速在幫部0.8～1.2m深度時(shí)發(fā)生突變,證明此范圍內(nèi)存在較多垂向裂隙.而原支護(hù)針對(duì)性較差,無(wú)法適應(yīng)巷道頂板錨桿錨索穿層及幫部錨桿索穿裂隙區(qū)域的情況.原支護(hù)方案下,頂板節(jié)理面及兩幫裂隙受力變形,錨桿索受力增高破壞,頂板離層嚴(yán)重,煤柱裂隙擴(kuò)展加劇,掘進(jìn)期間巷道頂?shù)装迤骄平繛?87mm,兩幫平均移近量為463mm,巷道圍巖整體變形較大.在考慮支護(hù)強(qiáng)度的原因后,首先進(jìn)行了支護(hù)參數(shù)的調(diào)整,即在巷道頂及兩幫增加一根錨桿提高其支護(hù)強(qiáng)度,但錨固方式仍采用端錨方式,在進(jìn)行一段巷道試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),錨桿索受力仍處于較高水平,頂板節(jié)理依舊出現(xiàn)離層現(xiàn)象,此時(shí)巷道頂?shù)装迤骄鄬?duì)移近量較原始方案下減小了約40mm,兩幫變形量減小了約50～60mm,節(jié)理圍巖變形未得到較好的控制.2在節(jié)理變形期間，對(duì)錨桿壓力的分析2.1節(jié)理面巷道的錨桿抗拉受力分析節(jié)理沿錨桿軸向發(fā)生張開(kāi)變形,力學(xué)模型如圖5所示,根據(jù)節(jié)理與錨固段的相對(duì)位置可分為2種情況:1)節(jié)理面位于錨固段.在外力作用下節(jié)理發(fā)生張開(kāi)變形,節(jié)理面附近的錨固劑最先感知變形并通過(guò)與鉆孔壁的黏錨力阻止節(jié)理張開(kāi),此黏錨力又通過(guò)錨固劑-錨桿的摩擦力使錨桿產(chǎn)生軸向拉力,此過(guò)程力的傳遞路徑為:節(jié)理張開(kāi)→錨固劑→錨桿.2)節(jié)理面位于自由段.此時(shí)錨固劑無(wú)法直接抑制節(jié)理擴(kuò)張,節(jié)理張開(kāi)后在巷道表面將巖體變形力由托盤作用于錨桿自由段,再傳遞到位于穩(wěn)定巖體的錨固區(qū)域,并通過(guò)錨桿-錨固劑-圍巖的相互作用將力傳遞到穩(wěn)定巖體中,此過(guò)程力的傳遞路徑為:節(jié)理張開(kāi)→托盤→錨桿自由段→錨固區(qū)域→穩(wěn)定巖體.2.2節(jié)?。浩胶饣破陂g框架桿的抗剪刀分析力學(xué)模型如圖6所示,節(jié)理面處錨桿受到橫向剪切力3錨固結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型3.1數(shù)值模型的建立根據(jù)試驗(yàn)巷道實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件,建立數(shù)值模型如圖7所示.錨桿直徑為20mm,藥卷厚6mm,托盤尺寸為150mm×150mm×20mm.本次數(shù)值計(jì)算模型忽略相鄰錨固結(jié)構(gòu)間的相互影響,選取的模型幾何尺寸為2m×1m×3m,共26472個(gè)單元,32180個(gè)節(jié)點(diǎn).為便于得到不同錨固形式下的樹(shù)脂錨固體力學(xué)行為,更好地理解錨桿加固節(jié)理巖體的力學(xué)機(jī)理,實(shí)現(xiàn)錨固劑較大的黏結(jié)力,本文采用實(shí)體單元和接觸面單元(interfaceelement)相結(jié)合的方法進(jìn)行模擬.節(jié)理面位于3.2數(shù)值模型選取參數(shù)對(duì)錨桿、圍巖、樹(shù)脂錨固劑、托盤賦予不同的本構(gòu)模型,錨桿和托盤采用理想彈性材料,圍巖和樹(shù)脂錨固劑采用莫爾-庫(kù)侖模型.模型中錨桿-樹(shù)脂錨固劑-圍巖之間采用接觸面命令實(shí)現(xiàn),托盤-圍巖之間也布置接觸面,托盤與錨桿剛性連接來(lái)模擬煤礦現(xiàn)場(chǎng)螺紋鋼錨桿與托盤、螺母之間的連接.根據(jù)MZ-Ⅱ型錨桿安裝裝置與LW-1000臥式拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行多組錨桿拉拔試驗(yàn),選取參數(shù)見(jiàn)表1.3.3開(kāi)變形過(guò)程與節(jié)理剪切滑移過(guò)程模擬根據(jù)前文節(jié)理變形過(guò)程中的受力特點(diǎn)分析,對(duì)節(jié)理張開(kāi)變形過(guò)程與節(jié)理剪切滑移過(guò)程中端頭錨固、加長(zhǎng)錨固和全長(zhǎng)錨固方式的錨固機(jī)理進(jìn)行分別模擬.節(jié)理受力張開(kāi)過(guò)程中,通過(guò)在節(jié)理面位置給上方巖體施加垂直荷載4節(jié)省開(kāi)孔時(shí)支架的張力特性4.1錨固劑與圍巖的塑性區(qū)分析由圖8可知,1)對(duì)于全長(zhǎng)錨固,桿體周圍的塑性區(qū)分布在節(jié)理面較遠(yuǎn)的兩側(cè),且在錨桿軸向上塑性區(qū)范圍最大,錨固劑大部分已發(fā)生破壞,但錨桿周圍巖體的塑性破壞半徑較小,這主要是因?yàn)楣?jié)理張開(kāi)時(shí),巖體變形最先作用在錨固劑上,而全長(zhǎng)錨固下錨桿桿體延伸受限,因此造成了節(jié)理兩側(cè)較大范圍內(nèi)的錨固劑發(fā)生塑性破壞;2)對(duì)于加長(zhǎng)錨固,錨固劑與圍巖的塑性區(qū)破壞主要分布在節(jié)理面附近,桿體周圍巖體塑性區(qū)半徑相比全長(zhǎng)錨固增大,這主要是因?yàn)楣?jié)理處錨桿存在一定的預(yù)緊力,巖體張開(kāi)變形時(shí)需要克服錨固劑的黏結(jié)力與錨桿桿體主動(dòng)約束力,因此引起較大范圍巖體的塑性破壞;3)對(duì)于端頭錨固,錨固劑與附近圍巖的塑性破壞范圍最小,只分布在錨桿自由段的末端附近,這主要由于節(jié)理張開(kāi)變形時(shí),錨桿自由段會(huì)先發(fā)生較大拉伸變形,最終錨固劑產(chǎn)生的變形破壞較小.根據(jù)前文受力分析,上述塑性區(qū)分布規(guī)律是由于全長(zhǎng)錨固時(shí)錨固劑限制了錨桿延伸,在節(jié)理張開(kāi)時(shí)錨固劑產(chǎn)生的黏錨力可立即作用于圍巖,限制節(jié)理發(fā)生位移;而端頭錨固下錨桿自由段較長(zhǎng),延伸率較大,節(jié)理巖層受力張開(kāi)時(shí),錨桿會(huì)同步變形,無(wú)法立即約束圍巖;對(duì)于加長(zhǎng)錨固,節(jié)理位于1.2m長(zhǎng)的錨固區(qū)域,在節(jié)理變形時(shí)可立即發(fā)揮黏錨力阻止圍巖變形,且又有0.8m的自由段利用預(yù)應(yīng)力從外部抑制節(jié)理變形.4.2端頭錨固錨桿索受力過(guò)3種錨固形式下桿體軸力分布曲線如圖9所示.由圖9可知,1)端頭錨固時(shí),節(jié)理位于錨桿自由段.節(jié)理未發(fā)生變形時(shí),錨桿軸力保持所施加預(yù)應(yīng)力大小,當(dāng)巖層節(jié)理受力張開(kāi)時(shí)通過(guò)托盤對(duì)錨桿端部施加拉力,自由段的軸向應(yīng)力升高至260MPa并保持不變,此值相對(duì)于加長(zhǎng)錨固與全長(zhǎng)錨固較大,這正是造成原支護(hù)方案中端頭錨固錨桿索受力過(guò)大的原因,在錨固段軸向應(yīng)力快速減小,直至減小為0.2)加長(zhǎng)錨固時(shí),節(jié)理位于錨桿錨固段.在0.8m的自由段,錨桿軸力保持129MPa不變,基本與施加的預(yù)應(yīng)力大小相同;在錨固段,桿體軸力在節(jié)理面兩側(cè)的0.2m范圍內(nèi)近似呈開(kāi)口向下的拋物線對(duì)稱分布,軸力在節(jié)理面處達(dá)最大值252MPa,對(duì)于錨固區(qū)域深處,軸力變化規(guī)律與端頭錨固一致.3)全長(zhǎng)錨固時(shí),錨桿軸力在節(jié)理面兩側(cè)0.5m范圍內(nèi)呈開(kāi)口向下的拋物線對(duì)稱分布,軸力在節(jié)理面位置達(dá)到最大值約235MPa,而在錨桿尾部0.5m距離內(nèi)的軸力上升是因?yàn)槿L(zhǎng)錨固時(shí)施加的預(yù)應(yīng)力無(wú)法傳遞到錨固區(qū)域深處,只引起錨桿尾部緊固構(gòu)件一定范圍內(nèi)的錨桿軸力發(fā)生上升,此結(jié)果與文獻(xiàn)由此,對(duì)于錨固段的節(jié)理,由錨固劑內(nèi)部黏聚力及通過(guò)錨固劑引起錨桿軸力的共同作用來(lái)控制節(jié)理張開(kāi).而位于自由段的節(jié)理,是由預(yù)應(yīng)力從外部提供約束力,以抵消較大的圍巖變形應(yīng)力來(lái)控制節(jié)理張開(kāi).4.3感知節(jié)理開(kāi)口的靈敏度分析由圖10可知,平衡時(shí)刻端頭錨固、加長(zhǎng)錨固、全長(zhǎng)錨固的節(jié)理附近巖體的變形量分別為12.4,4.2,6.3mm.為分析不同錨固方式對(duì)巖體受力變形的控制效果,對(duì)產(chǎn)生不同節(jié)理張開(kāi)度時(shí)引起節(jié)理處錨桿軸力變化的規(guī)律進(jìn)行研究,提出不同錨固方式感知節(jié)理張開(kāi)的靈敏度指標(biāo),該指標(biāo)可由軸力與節(jié)理張開(kāi)度曲線的斜率衡量.由圖10可知,1)端錨錨桿的斜率最小,其靈敏度最低,節(jié)理的張開(kāi)變形只能間接通過(guò)錨桿托盤起作用.而其較長(zhǎng)的自由段具有較大的延伸率,導(dǎo)致軸力增阻緩慢;2)全長(zhǎng)錨固錨桿的斜率明顯增大,其靈敏度較高這是由于錨桿全長(zhǎng)都存在黏錨力,在節(jié)理發(fā)生張開(kāi)變形時(shí),節(jié)理面兩側(cè)的錨固劑立即發(fā)揮作用,阻止節(jié)理變形,而后引起錨桿快速增阻;3)加長(zhǎng)錨固時(shí)控制效果更好,曲線斜率最大,說(shuō)明其對(duì)節(jié)理張開(kāi)的控制更為敏感,一是因?yàn)楣?jié)理位于錨固區(qū)域存在黏錨力第一時(shí)間阻止節(jié)理張開(kāi),二是節(jié)理處錨桿雖處于錨固區(qū),但仍存在約39MPa的預(yù)緊力,對(duì)于錨固劑所傳遞的黏錨力—摩擦力—錨桿軸力,可實(shí)現(xiàn)初始高阻,三是自由段的預(yù)應(yīng)力可以從外部提供有效壓應(yīng)力,約束圍巖變形.5節(jié)省時(shí)根系的抗修剪特性5.1端前錨固方式下的錨桿錨固方式從塑性區(qū)分布圖(圖11)可以看出,1)端頭錨固時(shí),圍巖的塑性區(qū)發(fā)生在錨桿產(chǎn)生“S”變形的兩個(gè)拐角彎曲變形區(qū)域以及錨桿的錨固—自由交界區(qū)域;2)加長(zhǎng)錨固與全長(zhǎng)錨固時(shí),圍巖的塑性區(qū)只分布在節(jié)理面附近,發(fā)育高度相對(duì)端頭錨固時(shí)增大.端頭錨固方式下,節(jié)理發(fā)生剪切滑移,上部圍巖產(chǎn)生的水平應(yīng)力直接作用于桿體,在錨桿發(fā)生拉彎變形后,巖體沿錨桿水平彎曲方向的滑移阻力只有桿體的抗剪力提供,巖體變形破壞較為嚴(yán)重;而加長(zhǎng)錨固與全長(zhǎng)錨固時(shí),節(jié)理發(fā)生剪切滑移,圍巖直接受錨固劑約束,后通過(guò)錨桿-錨固劑-圍巖的相互作用,控制節(jié)理滑移,有效緩解了圍巖中錨桿彎曲變形拐角處的應(yīng)力集中,降低了圍巖的破壞程度,提高了錨固體的抗剪能力.5.2節(jié)理面區(qū)域應(yīng)力分析平衡時(shí)刻桿體軸向應(yīng)力、水平應(yīng)力分布曲線如圖12所示.由圖12可知:1)端頭錨固時(shí),在距錨固起始點(diǎn)0.6m范圍內(nèi)軸力增高至215MPa,而后迅速下降,并在節(jié)理面處降至最低值90MPa,由前文受力分析可得,此突變是由于節(jié)理面處一定長(zhǎng)度的錨桿彎曲變形形成了類似于桁架的結(jié)構(gòu),此處錨桿內(nèi)力不完全沿著桿體的方向,造成軸力發(fā)生突然減小;在節(jié)理面附近發(fā)生突變后又迅速恢復(fù)至軸力最大值310MPa,后下降為175MPa并保持不變,此數(shù)值也相比于加長(zhǎng)錨固與全長(zhǎng)錨固方式較大,因而造成了原支護(hù)方案下錨桿索受力過(guò)大.對(duì)于水平應(yīng)力,錨桿在節(jié)理面兩側(cè)的0.1m范圍內(nèi)受力較大,對(duì)稱受到21.3MPa的拉應(yīng)力和29.5MPa壓應(yīng)力,而其他區(qū)域應(yīng)力基本保持為0;2)加長(zhǎng)錨固和全長(zhǎng)錨固時(shí),錨桿仍處于受壓狀態(tài),在節(jié)理面上方0.1m處達(dá)到最大值分別為230,205MPa.唯一不同的是加長(zhǎng)錨固由于0.8m的自由段,使其在距錨固端頭1.2～2.0m范圍內(nèi)軸力保持129MPa不變.對(duì)于水平應(yīng)力,加長(zhǎng)錨固和全長(zhǎng)錨固時(shí)桿體水平應(yīng)力分布曲線基本類似,于節(jié)理面呈對(duì)稱分布,峰值分別為22.7,20.2MPa,主要受壓應(yīng)力作用.5.3“s”形變形期錨桿應(yīng)力和滑移節(jié)理面處巖體水平位移與錨桿水平應(yīng)力曲線如圖13所示:1)端頭錨固時(shí),由于錨桿與孔壁存在6mm的空區(qū),因此桿體受力滯后巖層滑移6mm.錨桿受外載剪切后,發(fā)生拉彎變形,錨桿跟隨上方巖體滑移,直到抵緊下部巖體孔壁后桿體開(kāi)始發(fā)生“S”形變形,之后錨桿應(yīng)力依次會(huì)經(jīng)歷急增阻、緩增阻、急降阻階段,巖體滑移變形量最大達(dá)34mm;2)而對(duì)于加長(zhǎng)錨固和全長(zhǎng)錨固,節(jié)理滑移時(shí)巖體首先與錨固劑接觸,藥卷強(qiáng)度雖相對(duì)錨桿較低,但很大程度上提高了感知剪切位移的敏感性,隨著剪切位移增加,桿體應(yīng)力經(jīng)歷急增阻階段與高阻穩(wěn)定階段,以及時(shí)、高工作阻力的優(yōu)勢(shì)抑制節(jié)理發(fā)生剪切滑移,巖體最大滑移量分別為8.73mm,12.1mm.根據(jù)受力分析,加長(zhǎng)錨固時(shí),節(jié)理處錨桿抗剪力由黏錨力與預(yù)應(yīng)力共同提供,及時(shí)高阻抑制了錨桿發(fā)生“S”變形,進(jìn)而減弱了巖體發(fā)生沿非連續(xù)面分離的“導(dǎo)軌”作用6工程應(yīng)用和效果分析6.1樹(shù)脂錨固劑加固錨固.上述數(shù)值模擬研究結(jié)果與文獻(xiàn)最終提出節(jié)理圍巖巷道支護(hù)參數(shù)如圖14所示,頂板支護(hù):錨桿間排距800mm×800mm,兩支MSCK23/60樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固;錨索間排距為2000mm×1600mm,采用1支MSCK23/60+2支MSZ23/80樹(shù)脂錨固劑錨固.兩幫支護(hù):錨桿間排距為800mm×800mm,使用2支MSCK23/60樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固;實(shí)體煤幫、煤柱幫錨索間排距為1500mm×1600mm,采用1支MSCK23/60+2支MSZ23/80樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固.施工工程中加強(qiáng)管理,保證錨桿預(yù)緊力在40kN以上.6.2頂?shù)准皟蓭妥冃谓Y(jié)合81303回風(fēng)巷具體地質(zhì)生產(chǎn)條件,將上述支護(hù)方案進(jìn)行應(yīng)用.在巷道掘進(jìn)期間對(duì)試驗(yàn)巷道表面位移進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖15a,在掘進(jìn)初期巷道頂?shù)准皟蓭妥冃卧龃筝^快,在巷道掘出30d左右逐漸穩(wěn)定,其中頂?shù)装逑鄬?duì)移近量穩(wěn)定在168mm,相對(duì)于原支護(hù)方案下減小了56.6%,煤柱幫變形量量穩(wěn)定在109mm,實(shí)煤體幫變形量穩(wěn)定在98mm,相對(duì)于原支護(hù)方案減小了55.3%;在回采期間,試驗(yàn)巷道表面位移量如圖15b,隨工作面推進(jìn),在距離工作面80m左右時(shí),巷道表面位移明顯增大,頂?shù)装濉蓭妥畲笞冃瘟繛?73,347mm,可以滿足巷道正常使用.7節(jié)理巖錨桿1)節(jié)理巖層張開(kāi)時(shí):加長(zhǎng)錨固錨桿對(duì)節(jié)理巖層的離層最敏感,能通過(guò)預(yù)應(yīng)力與黏錨力共同作用快速增阻抑制節(jié)理離層;而全長(zhǎng)錨固錨桿預(yù)應(yīng)力難以傳遞到節(jié)理面位置,使其增阻靈敏性比加長(zhǎng)錨錨桿略差;端頭錨固錨桿只依靠預(yù)應(yīng)力提供約束力,其對(duì)節(jié)理離層的控制效果最差.2)節(jié)理巖層滑移