锚杆支护围岩附加压应力场空间分布规律研究与应用
孙元田1
王尚2
李桂臣1
韩昌良1
郝浩然2
李菁华2
赵海森2
1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116;中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室,江苏徐州 2211162.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116
摘要：煤巷锚杆支护已得到广泛应用,锚杆支护作用于围岩内的附加压应力场大小与空间分布范围是量化支护参数、优化支护方案的关键.为研究锚杆(索)相关参数对围岩附加压应力场空间三维分布影响规律,从理论方面分析了锚杆作用下围岩所受托锚力和黏锚力产生附加压应力机制,建立了围岩附加压应力模型,空间表征了附加压应力场分布特征,进一步通过模拟与理论对比,验证了模型的正确性;以围岩附加压应力≥0.02 MPa为基准,量化研究了锚杆(索)支护关键参数即锚杆(索)预紧力、长度和锚固长度对围岩附加压应力场空间分布的形态、最大扩散半径、高度(间距)及体积的影响.锚杆支护下随着预紧力增大,空间附加压应力场分布形态由竖向"椭球体"发展为横向"椭球体";锚杆长度增加,形态从近似"椭球体"变成"葫芦型";锚固长度增大,形态从"葫芦型"变成近似"椭球体".随着锚杆预紧力和长度增加,锚杆支护产生的附加压应力场的半径、高度及体积增大,而锚固长度对附加压应力场影响相反.锚索支护下随着锚索长度增加,围岩附加压应力场的空间分布形态从近似"椭球体"变成"葫芦型",当锚索长度超过5m时,变成间断的上下2个"椭球体"且上小下大,即使预紧力和锚固长度增加,分布形态没有明显变化.随着锚索预紧力增加,锚索支护所形成的围岩附加压应力场的最大半径增加,体积增加,上下压应力场间距减少;随着锚索长度增加,围岩附加压应力场高度增加,随后间断成上下2个压应力场,其间距不断增大,半径及压应力场体积先增加后减少;随着锚索锚固长度的增加,围岩附加压应力场间距逐渐减小,半径先增加后减少,体积增加不明显.进一步分析了锚杆(索)组合支护下围岩高/低附加压应力对巷道顶板的作用,结合组合梁及悬吊理论的部分理念,确定了高/低阈值计算公式,通过对比围岩附加压应力场体积大小来确定锚杆支护方案优劣.以葫芦素煤矿21204工作面回风巷和城郊煤矿LW21106工作面运输巷为验证对象,分析了原/新支护方案特点,计算得到2条典型巷道围岩附加压应力场的高/低应力阈值及其在顶板覆盖的总体积.结果显示优化后方案锚杆(索)能在顶板形成有效连续的围岩附加压应力场,高/低压应力场体积均增加显著,围岩变形得到有效控制.
关键词：围岩控制附加应力场锚杆支护预应力方案设计
分类号：TD353.6(矿山压力与支护)
资助基金：国家自然科学基金(52474160)国家自然科学基金(U22A20165)新疆自治区重点研发任务专项资助项目(2023B01010)
论文发表日期：2025-06-30
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：21( 2940-2960 )
英文信息