创新点
（1）理论分析了巷道在锚杆支护后锚杆和围岩耦合作用下形成的锚固承载层，以及锚固承载层厚度对巷道围岩稳定性。
（2）针对锚杆施加预紧力引起的容重变化，计算出在锚固承载层范围内的切向应力，根据静力平衡方程求得锚固承载层作用下的等效支护力，通过力学分析，从而更加直观地反映出锚杆对巷道围岩支护的作用。
（3）基于上述所求得锚杆的等效支护力，分析了锚杆长度、间排距、预紧力三者对等效支护力和巷道围岩变形破坏的影响，并通过FLAC3D数值模拟加以论证。
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作 者
陈登国1,2,高召宁1,2,赵光明1,2,李顺顺1,2,赵呈星1,2
1. 安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室；2． 安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室
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研究背景
当巷道开挖后,围岩初始应力平衡状态发生破坏,在巷道围岩应力重新分布作用下,靠近巷道表面围岩开始进入塑性破坏状态,巷道围岩表面位移也将增大。如果不及时采取有效的支护措施,巷道将会发生变形失稳。
对于现有锚杆与围岩耦合作用的分析通常是将锚杆支护阻力均匀作用于巷道表面,但对于巷道深部围岩来讲,锚杆与巷道深部围岩相互耦合作用会形成承载体,锚杆与锚固范围内的围岩共同维持巷道稳定。
为此,笔者在已有研究成果的基础上,基于Mohr-Coulomb准则,在围岩处于极限平衡状态条件下,结合两线段力学模型,研究锚杆支护巷道的力学特性。
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摘 要
为了分析巷道在锚杆支护时锚杆和围岩耦合作用下形成的锚固承载层对巷道围岩稳定性的影响,根据围岩应力分布曲线特点,将巷道围岩划分为塑性区和弹性区进行研究。
结合Mohr-Coulomb准则,分析锚杆在施加预紧力时引起容重的变化,可求解得到锚固承载层范围内切向应力的解析表达式,由静力平衡方程推导计算出锚固承载层外边界所能提供的等效支护力以及在等效支护力作用下巷道围岩塑性区的应力、半径和巷道位移计算解析表达式。
通过上述所求的计算解析表达式结合全长锚固锚杆的预紧力、长度、间排距来分析3者对巷道围岩的力学效应影响。研究结果表明:等效支护力对巷道围岩的稳定性有一定的影响,在等效支护力的作用下,对巷道围岩应力分析可知,围岩应力峰值发生变化,且位置向巷道壁转移。
全长锚固锚杆预紧力越大,锚杆长度越长,间排距越密,锚固承载层范围内的等效支护力越大,对巷道围岩的稳定性越有利;锚固承载层厚度与等效支护力的大小成正比,随着等效支护力的增大,巷道围岩的塑性区范围和巷道表面位移都会明显下降,等效支护力对围岩的稳定性有着很好的抑制作用。通过FLAC3D数值模拟对理论分析结果加以验证,根据模拟锚固承载层作用下的塑性区半径和巷道表面位移分析可知,数值模拟与理论分析结果基本一致。
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文中图片
锚杆支护示意
主应力坐标系中的屈服轨迹
锚固承载层受力
锚固承载层力学模型
锚杆受力示意
等效支护力与锚固承载层的关系
围岩表面位移与等效支护力
塑性区半径与等效支护力
巷道围岩应力分布曲线
锚杆预紧力对巷道围岩变形和应力的影响
锚杆间排距对巷道围岩变形和应力的影响
锚杆长度对巷道围岩变形和应力的影响
塑性区分布
最大主应力云图
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陈登国，男，1994年9月9日生，安徽亳州人，中共党员，安徽理工大学硕士研究生。发表学术论文2篇，授权发明专利1件。
研究方向
巷（隧）道围岩稳定性研究
主要成果
巷（隧）道围岩的锚杆支护，以及渗流作用下的理论分析。对锚杆和围岩耦合下形成的锚固承载层，以及渗流作用下对围岩均匀应力场和非均匀应力场的理论研究。
陈登国,高召宁,赵光明,等.基于锚固力学效应巷道围岩稳定性分析[J].煤炭学 ,2020,45(3):1009-1019.
CHEN Dengguo,GAO Zhaoning,ZHAO Guangming,et al. Stability analysis of surrounding rock under anchorage mechanics effect[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(3):1009-1019.
审 核：常琛
End
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