CN110580399A - 煤矿巷道顶板锚索预紧力确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种煤矿巷道顶板锚索预紧力确定方法，涉及矿井巷道支护技术领域，具体的步骤包括：A.获取巷道顶板岩层赋存特征参数和顶板的物理力学参数；B.预计巷道顶板允许下沉量L0；C.进行锚索性能测试，获取锚索拉力—伸长量关系曲线，得到锚索极限拉拔力F0和锚索锁体屈服时伸长量Lmax；D.根据锚索张拉变形与顶板下沉相协调的原理，获取锚索张拉预紧后的允许伸长量即顶板允许下沉量，锚索张拉预紧时的最大伸长量L1＝Lmax‑L0；E.根据锚索拉力‑伸长量关系曲线，确定锚索张拉预紧达到最大伸长量L1时的锚索拉力为锚索预紧力；该方法解决了锚索施工过程中预紧力偏大或偏小不能发挥锚索支护性能的问题。

Description

煤矿巷道顶板锚索预紧力确定方法
技术领域
本发明涉及矿井巷道支护技术领域，尤其是一种煤矿巷道顶板锚索预紧力确定的方法。
背景技术
随着煤矿机械化、智能化水平的不断提升，井下巷道掘进断面不断增大，锚索的使用范围越来越广，然而锚索支护设计的过程中，侧重于锚索长度、间排距、布置方式、锚索锚固力等参数的设置，对锚索预紧力考虑存在不足。
锚索预紧力是锚索支护中的关键参数，对支护效果起着关键性的作用。锚索的支护效能是通过改善围岩应力环境、提高围岩自承载能力实现的。当锚索预紧力过低时，锚索支护所形成的有效压应力区小，且孤立分布，无法使锚固范围内岩体快速形成自承载结构，主动支护效果差；锚索预紧力过大时，一方面易造成锚索因过度拉伸而让压变形量不足而破断，另一方面锚索自由段或钢筋线之间承受较大的不均匀载荷而使实际锚索支护能力降低。煤矿中锚索预紧力一般确定为锚索拉断载荷的40％～70％，具有一定的工程价值，但仍不能满足工程实际的需求，因此需要提供一种基于煤矿巷道工程实际的锚索支护预紧力确定方法。
发明内容
为了解决预紧力偏小导致主动支护效果差，预紧力偏大导致锚索支护能力降低的技术问题，充分发挥提高锚索主动支护效果，精确确定锚索预紧力，本发明提供了一种煤矿巷道顶板锚索预紧力确定方法，具体技术方案如下。
煤矿巷道顶板锚索预紧力确定方法，包括：
步骤A.获取巷道顶板岩层赋存特征参数和顶板的物理力学参数；
步骤B.预计巷道顶板允许下沉量L0；
步骤C.进行锚索性能测试，获取锚索拉力—伸长量关系曲线，得到锚索极限拉拔力F0，以及锚索锁体屈服时伸长量Lmax；
步骤D.根据锚索张拉变形与顶板下沉相协调的原理，确定锚索张拉预紧后的允许伸长量即顶板允许下沉量，计算锚索张拉预紧时的最大伸长量L1＝Lmax-L0；
步骤E.根据锚索拉力—伸长量关系曲线，确定锚索张拉预紧达到最大伸长量L1时的锚索拉力为锚索预紧力。
进一步的，巷道顶板岩层赋存特征参数包括直接顶厚度、基本顶厚度、巷道断面形状和巷道尺寸，顶板的物理力学参数包括顶板岩性、单轴抗压强度、容重和弹性模量；巷道顶板岩层赋存特征参数和顶板的物理力学参数通过现场勘测和查阅矿井地质资料的方式获取。
进一步的，巷道顶板允许下沉量L0通过理论计算或工程类比确定；通过工程类比确定时取顶板离层量阈值为巷道顶板允许下沉量L0；通过理论计算确定时巷道顶板允许下沉量L0计算如下：
式中，γ为巷道顶板下部岩层容重；E为巷道顶板下部岩层等效弹性模量；D为巷道宽度；h0为巷道顶板下部岩层厚度，其中巷道顶板下部岩层为顶板锚杆支护范围内的岩层。
还进一步的，锚索性能测试包括现场拉拔测试、室内锚索锁体全尺寸拉拔试验；所述锚索拉力-伸长量关系曲线中伸长量为锚索索体自由段伸长长度。
本发明的有益效果包括：
(1)本发明提供的煤矿巷道顶板锚索预紧力确定方法，充分考虑了顶板下沉-锚索伸长-锚索受力增大这一过程，锚索预紧张拉后允许伸长量与顶板允许下沉量相适应，从而确定锚索预紧力；该方法能够使锚索充分发挥支-让结合的作用，锚索前期高预应力支护调控围岩自承载能力，后期让变形释放压力便于围岩的控制，从而有效的避免锚索在顶板持续下沉过程中因伸长量不足造成破断，合理的预紧力更有利于锚索发挥支护性能。
(2)本方法中锚索张拉预紧后允许伸长量由锚索锁体自由段屈服伸长量和顶板允许下沉量确定，有力的保障了锚索受力状态处于弹性阶段，避免锚索处于屈服后受动载扰动而发生突发破断。
(3)该方法还通过锚索极限拉拔试验和锚索索体拉伸试验获取锚索全尺寸实际支护性能参数，弥补了理论计算和小尺寸试验确地参数的不足，使确定的锚索预紧力更加符合现场工程实际，适用性强。
附图说明
图1是煤矿巷道顶板锚索预紧力确定方法流程框图；
图2是实施例2中的拉力—伸长量关系曲线。
具体实施方式
结合图1和图2所示，本发明提供的煤矿巷道顶板锚索预紧力确定方法具体实施方式如下。
在矿井锚索施工过程中，锚索预紧力的确定一般是直接取值锚索拉断载荷的40％～70％，该取值范围能满足部分工程的需求，但是也会存在锚索预紧力偏小或者锚索预紧力偏大的问题。若锚索预紧力偏小则不能形成有效的自承载结构，导致支护效果较差；若锚索预紧力偏大，则会造成锚索过渡拉伸或不均匀载荷拉断锚索；为了合理的确定锚索预紧力，提供一种煤矿巷道顶板锚索预紧力确定的方法。
实施例1
煤矿巷道顶板锚索预紧力确定方法，包括：
步骤A.获取巷道顶板岩层赋存特征参数和顶板的物理力学参数。其中，巷道顶板岩层赋存特征参数包括直接顶厚度、基本顶厚度、巷道断面形状和巷道尺寸等相关参数，顶板的物理力学参数包括顶板岩性、单轴抗压强度、容重和弹性模量等相关参数；巷道顶板岩层赋存特征参数和顶板的物理力学参数通过现场勘测和查阅矿井地质资料的方式获取。具体对对所进行锚索预紧力设计的巷道进行现场调研，获取巷道顶板岩层赋存特征参数和顶板的物理力学参数。
步骤B.根据步骤A中的巷道顶板岩层赋存特征参数和顶板的物理力学参数，预计巷道顶板允许下沉量L0。巷道顶板允许下沉量L0通过理论计算或工程类比确定；通过工程类比确定时取顶板离层量阈值为巷道顶板允许下沉量L0；通过理论计算确定时巷道顶板允许下沉量L0计算如下：
式中，γ为巷道顶板下部岩层容重；E为巷道顶板下部岩层等效弹性模量；D为巷道宽度；h0为巷道顶板下部岩层厚度，其中巷道顶板下部岩层为顶板锚杆支护范围内的岩层。
步骤C.进行锚索性能测试，锚索性能测试包括现场拉拔测试、室内锚索锁体全尺寸拉拔试验；获取锚索拉力-伸长量关系曲线，得到锚索极限拉拔力F0，以及锚索锁体屈服时伸长量Lmax，其中锚索极限拉拔力即为锚索实际锚固力。
步骤D.根据锚索张拉变形与顶板下沉相协调的原理，锚索预紧张拉后允许伸长量与顶板允许下沉量相适应，确定锚索张拉预紧后的允许伸长量即顶板允许下沉量，计算锚索张拉预紧时的最大伸长量L1＝Lmax-L0。
步骤E.根据锚索拉力—伸长量关系曲线，确定锚索张拉预紧达到最大伸长量L1时的锚索拉力为锚索预紧力；其中锚索拉力—伸长量关系曲线中伸长量为锚索索体自由段伸长长度。该锚索预紧力充分考虑了顶板下沉—锚索伸长—锚索受力增大这一锚固过程，锚索预紧张拉后允许伸长量与顶板允许下沉量相适应，通过合理的确定预紧力更有利于锚索发挥支护性能。
实施例2
为了对煤矿巷道顶板锚索预紧力确定方法做进一步的说明，以某矿一回风平巷为例。
某矿回风平巷断面形状为矩形，巷道尺寸宽×高为5.4×3.6m，采用锚杆-锚索联合支护，锚索长度为7.3m，直径为21.6mm，布置方式为“3-3-3”矩形布置，间排距均为2.0m，设计锚固力为350kN，锚固长度约为2.0m，外露端为0.3m。巷道顶板为砂质泥岩，厚度约11.2～15.9m，其单轴抗压强度为19.8MPa，弹性模量为2.58Gpa，容重为22.3kN/m3。
首先，根据巷道工程地质状况和实际观测通过工程类比和计算的方法，确定现场巷道顶板离层阈值为80mm，所以该巷道顶板允许下沉量L0取80mm。
其次，在待所设计巷道打设锚索，并利用锚索拉拔测试装置进行锚索拉拔破坏性试验，测试得到锚索的极限拉拔力为517kN，锚索屈服时的伸长量Lmax为154mm。由锚索张拉变形与顶板下沉相协调可以得到，锚索张拉预紧时的最大伸长量L1为74mm。
最后，利用锚索索体拉拔测试装置进行试验，获取长度为5.0m(自由段长度)的锚索拉力—伸长量关系曲线，如图2所示，对应伸长量为88mm时索体受拉载荷为214kN，考虑到现场支护的实用性，锚索预紧力可以取200kN。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.煤矿巷道顶板锚索预紧力确定方法，其特征在于，包括：
步骤A.获取巷道顶板岩层赋存特征参数和顶板的物理力学参数；
步骤B.预计巷道顶板允许下沉量L0；
步骤C.进行锚索性能测试，获取锚索拉力—伸长量关系曲线，得到锚索极限拉拔力F0，以及锚索锁体屈服时伸长量Lmax；
步骤D.根据锚索张拉变形与顶板下沉相协调的原理，确定锚索张拉预紧后的允许伸长量即顶板允许下沉量，计算锚索张拉预紧时的最大伸长量L1＝Lmax-L0；
步骤E.根据锚索拉力—伸长量关系曲线，确定锚索张拉预紧达到最大伸长量L1时的锚索拉力为锚索预紧力。
2.根据权利要求1所述的煤矿巷道顶板锚索预紧力确定方法，其特征在于，所述巷道顶板岩层赋存特征参数包括直接顶厚度、基本顶厚度、巷道断面形状和巷道尺寸，所述顶板的物理力学参数包括顶板岩性、单轴抗压强度、容重和弹性模量；所述巷道顶板岩层赋存特征参数和顶板的物理力学参数通过现场勘测和查阅矿井地质资料的方式获取。
3.根据权利要求2所述的煤矿巷道顶板锚索预紧力确定方法，其特征在于，所述巷道顶板允许下沉量L0通过理论计算或工程类比确定；通过工程类比确定时取顶板离层量阈值为巷道顶板允许下沉量L0；通过理论计算确定时巷道顶板允许下沉量L0计算如下：
式中，γ为巷道顶板下部岩层容重；E为巷道顶板下部岩层等效弹性模量；D为巷道宽度；h0为巷道顶板下部岩层厚度，其中巷道顶板下部岩层为顶板锚杆支护范围内的岩层。
4.根据权利要求1所述的煤矿巷道顶板锚索预紧力确定方法，其特征在于，所述锚索性能测试包括现场拉拔测试、室内锚索锁体全尺寸拉拔试验；所述锚索拉力-伸长量关系曲线中伸长量为锚索索体自由段伸长长度。
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