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技術(shù)文獻(xiàn)

預(yù)應(yīng)力在錨桿支護中的作用

發(fā)表時間:2019-04-03 11:15

引言
  對于錨桿支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析與計算,在考慮預(yù)應(yīng)力對穩(wěn)定性的影響時,尚無有效的方法,當(dāng)采用圓弧滑移面計算支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性時,多是將錨桿當(dāng)作土釘處理。但是錨桿的自由段與土體是無粘結(jié)的,作用基理不同,并不能等效成土釘;且忽略了自由段預(yù)應(yīng)力的作用。錨桿的主要作用是將預(yù)應(yīng)力傳遞到土體中,改變了土體應(yīng)力狀態(tài),一般說來,這種改變是積極的,能有效提高邊坡的穩(wěn)定性。
  一、錨桿支護的重要作用
  1、加固拱(擠壓組合拱)作用
  一根錨桿能形成一個錐形壓縮體,多根錨桿根據(jù)一定間距排列,能通過一個個錐形壓縮體互相咬合形成一定厚度的拱墻體。錨桿能將松散的石子變?yōu)橐惑w。錨桿對圍巖能起到加固作用,而這個作用是傳統(tǒng)的巷道支護方式(支撐式)所不能比擬的。
  2、懸吊作用
  即把要冒落的軟弱巖層或圍巖懸吊于深部堅固穩(wěn)定的巖體上,由錨桿來承擔(dān)這些巖體的重量。若頂板中無堅硬穩(wěn)定巖層或軟弱巖層較厚不能把錨桿錨固到上面堅硬穩(wěn)定巖層中,懸吊作用就會失效。
  3、組合梁作用
  在層狀巖層中通過錨桿作用把一層層巖石組成一個整體,提高其承載能力,這個整體即組合梁。在頂板巖層中存在若干薄的分層時,通過錨桿的作用,能把這些巖層錨固成一個較厚的巖層,由疊合梁轉(zhuǎn)變成組合梁,以提高巖梁的自承能力。組合梁越厚,梁的最大應(yīng)力和梁的撓度就越小,承載能力就越大。在錨桿支護的基礎(chǔ)上,為避免巖石松動和風(fēng)化,應(yīng)再噴射一層50mm-200mm厚的砂漿或混凝土,即構(gòu)成錨噴支護。
  二、錨桿預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力場分布
  1、錨桿預(yù)應(yīng)力的作用。當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到20kn時,錨桿尾部產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大值為0.07Mpa。在錨桿長度的1/5處,壓應(yīng)力變小,為0.02Mpa。在錨桿長度一半時,應(yīng)力值大于0.01Mpa,在尾部壓力就很小了。由于錨桿預(yù)緊力降低,錨桿支護應(yīng)力相應(yīng)變小,有效壓應(yīng)力范圍減小,彼此之間獨立分布,沒有有機結(jié)合在一起。預(yù)緊力為100kn時,錨桿尾部的最大應(yīng)力為0.35Mpa,在錨桿長度的1/5處,壓應(yīng)力變小,為0.12Mpa。在錨桿長度一半時,應(yīng)力值大于0.04Mpa,壓力范圍明顯擴大,錨桿之間形成了一個有機的整體。
  2、鋼帶的作用
  (1)沒有鋼帶時,錨桿形成壓力彼此之間是互相獨立的,處于不連接狀態(tài),預(yù)應(yīng)力作用范圍有限,錨桿不能夠起到防止圍巖分裂的作用;(2)存在鋼帶時,壓力沿著鋼帶的方向得以延伸,在頂板那里,壓力的分布區(qū)間彼此相連,起到了預(yù)防圍巖分裂的作用;(3)鋼帶達(dá)到了錨桿預(yù)應(yīng)力的有效擴散的目的,極大地提高錨桿防止圍巖的分裂作用,支護系統(tǒng)的整體支護效果得到了明顯的改善。
  3、錨索預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力場
 ?。?)給予預(yù)緊力后,錨索尾部產(chǎn)生了壓應(yīng)力的集中現(xiàn)象,錨固下部也出現(xiàn)了類似現(xiàn)象,上部沒有產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象;(2)當(dāng)給予錨索預(yù)緊力不大的情況下時,同樣尾部出現(xiàn)的壓應(yīng)力值也不大,甚至中部的力更小;(3)當(dāng)錨索預(yù)緊力達(dá)到200kn時,其尾部的應(yīng)力較大,為0.5Mpa,雖然在尾部壓力逐漸降低,但也達(dá)到了0.04Mpa,錨索之間互相聯(lián)系,形成一個有效的壓力網(wǎng)絡(luò),加強了對圍巖的保護作用。
  4)錨桿與錨索聯(lián)合支護的應(yīng)力場
 ?。?)錨桿與錨索的聯(lián)合支護作用,極大地提高了錨固區(qū)的壓應(yīng)力值,壓力達(dá)到0.03Mpa,有效壓應(yīng)力區(qū)彼此連接,成為一個大范圍的主動支護區(qū);(2)錨索預(yù)緊力達(dá)到200kn的情況下,錨桿端部的拉應(yīng)力消失,而是形成具有一定壓應(yīng)力值的壓縮區(qū);(3)在錨桿與錨索之間,有效壓應(yīng)力區(qū)形成以錨索為骨架、錨桿為連續(xù)帶的骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),對圍巖的支護作用很大。
  三、預(yù)應(yīng)力錨桿支護系統(tǒng)在井下的應(yīng)用
  新的錨桿支護系統(tǒng)得到有效開發(fā)以后,其在新汶和晉城等礦區(qū)得到了成功應(yīng)用,改變了巷道支護的現(xiàn)狀。
  1、預(yù)應(yīng)力提高了錨桿支護系統(tǒng)控制圍巖變形的能力。錨桿的預(yù)應(yīng)力大小得到了顯著提高,預(yù)應(yīng)力的改變有效地提高了錨桿支護系統(tǒng)控制圍巖變形的能力,還控制住了頂板的離層趨勢。新汶煤礦埋深約1000m,水平主應(yīng)力均達(dá)約38Mpa,起初巷道采用低強度、低預(yù)緊力的錨桿支護系統(tǒng),兩幫位移量為770mm,頂板離層為80mm,一部分錨索和錨桿出現(xiàn)了被拉斷現(xiàn)象,鋼帶也被撕裂,頂板也遭到了破壞;但在采用高預(yù)緊力支護系統(tǒng)后,兩幫位移量減少至170mm,頂板離層更是極大地減少至4mm,分別減少了78%和95%。巷道的圍巖變形量小,圍巖穩(wěn)定。
  2)鋼帶的支護作用顯著。在進(jìn)行井下試驗的過程中,由于鋼筋托梁存在強度低且支護表面積也不大等缺陷,與圍巖表面接觸時預(yù)應(yīng)力的擴散及支護效果也差。而在前面提到的鋼帶具有很好的支護作用,但支護效果與鋼帶的尺寸大小是有關(guān)系的。在新汶礦區(qū)的實驗結(jié)果表明,對于那些長度達(dá)到千米級的巷道,在采用相同的錨桿支護系統(tǒng)參數(shù)的情況下,3mm厚的鋼帶效果就會很差,易出現(xiàn)撕裂等破壞現(xiàn)象;但在采用5mm厚的鋼帶情況下,支護效果就好,圍巖完好無損,鋼帶也沒有出現(xiàn)撕裂等現(xiàn)象。
  四、錨桿安裝的注意事項
  1、氣動式頂板錨桿鉆機安全操作
  (1)打眼前的準(zhǔn)備
  1)檢查風(fēng)水管路是否完好、暢通,接頭是否牢固,并進(jìn)行鉆機試運轉(zhuǎn)試驗。2)檢查鉆桿有無彎曲,中心水孔是否堵塞,如鉆桿彎曲或中心水孔不通要立即更換。3)檢查鉆頭刃角是否鋒利,合金鋼是否缺損或脫落,鉆頭水孔有無堵塞,不合格的立即更換。4)檢查打眼現(xiàn)場的安全情況,若出現(xiàn)隱患應(yīng)進(jìn)行處理。5)在打眼前,對頂板要進(jìn)行詳細(xì)檢查,敲幫問頂,將活矸找掉。
 ?。?)操作方法
  1)要對鉆機進(jìn)行檢查,在試運轉(zhuǎn)正常后,把鉆機在打眼現(xiàn)場豎起,按施工技術(shù)要求和定出的眼位進(jìn)行打眼。2)打眼時一人抓住鉆機的控制手把,一人抓住鉆機的扶手,安上帶鉆頭的0.8m-1.0m長的鉆桿。操作人員先輕輕旋轉(zhuǎn)左右控制開關(guān),把鉆桿升起,鉆頭頂住頂板后再鉆進(jìn)。打眼時除操作人員外,其余人員必須撤離打眼位置至安全地點。要先開水后開風(fēng),打完眼后先關(guān)風(fēng)后關(guān)水。3)打眼推進(jìn)時,要密切注意鉆機的聲音,如果聲音異常,要停止打眼,查明原因,處理好后再打。4)鉆進(jìn)0.6m-0.9m后,停止推進(jìn)使鉆旋轉(zhuǎn),退出短鉆桿,更換成長鉆桿,繼續(xù)鉆進(jìn)直至要求深度。5)眼打夠深后,停止推進(jìn)使鉆旋轉(zhuǎn),退出鉆桿,進(jìn)行錨桿安裝。鉆機底部要在實底或用道木、柱帽墊實。6)打眼人員要扶穩(wěn)鉆機,注意鉆機偏倒傷人。7)在換鉆桿過程中要注意保持鉆機不要挪動,防止換上第二根鉆桿時,不能沿第一根短鉆桿原有的軸線進(jìn)行鉆進(jìn)。鉆孔不能保持直線,會給錨桿安裝帶來困難。
  2、樹脂錨桿安裝
  幫錨桿在安裝前要保障錨桿孔內(nèi)無積水和巖粉(煤粉),并把孔口周圍的巖(煤)層面找平。安裝前要用壓風(fēng)吹凈錨桿孔內(nèi)的積水和巖粉(煤粉),防止影響藥卷和孔壁的黏結(jié),并把孔口周圍的巖(煤)層面找平。確保托盤上好后能緊貼巖(煤)層面。安裝時,先把樹脂藥卷送入孔內(nèi),再把錨桿插入孔中,把藥卷推送到孔底,再在錨桿尾部擰上錨桿安裝器,插入煤電鉆(或錨桿鉆機),送電(或送風(fēng))轉(zhuǎn)動錨桿將藥卷刺破攪拌,同時把錨桿勻速推至孔底,攪拌藥卷20-30s,不能中斷,隨后上托盤,擰上螺母。約15min后扭緊螺母。安裝過程中必須注意的問題:(1)檢查錨固劑飽滿度,以橫擔(dān)手上、直立不彎曲為宜。(2)安裝錨固劑時必須防止錨固劑之間和錨固劑與錨索或錨桿之間重疊,錨固劑和錨桿一定要從孔底開始黏結(jié),避免中間黏結(jié)。(3)安裝時開始慢速旋轉(zhuǎn),等到剩余快速錨固劑的長度時快速旋轉(zhuǎn),到位,直到轉(zhuǎn)不動為止。(4)錨桿外露尺寸露出托板小于50mm(錨索外露尺寸從外端到錨具要在200mm以下)。(5)打錨桿眼的角度要滿足設(shè)計要求。打錨桿眼的順序要從中間開始,向兩邊展開。
  結(jié)束語
  錨桿預(yù)應(yīng)力對提高錨桿支護系統(tǒng)的支護效果作用顯著。當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力較低時,錨桿支護作用的應(yīng)力值較小,導(dǎo)致有效壓應(yīng)力區(qū)的范圍也較小,且彼此間孤立分布,互不組成整體;反之,當(dāng)預(yù)應(yīng)力較高時,錨桿支護作用的應(yīng)力值較大,導(dǎo)致有效壓應(yīng)力區(qū)的范圍也較大,彼此間連為一個整體,發(fā)揮了錨桿的支護作用。

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