锚杆在充填体内的作用机理及加固效果研究

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采用下向尾砂胶结充填采矿法的矿山,维护充填体的稳定是矿山安全生产的重要保障。在充填体内布置锚杆可增加充填体的强度,提高充填体的整体稳定性。但针对锚杆应用在充填体方面的研究较少,出现了理论落后于实践的现象。本文结合工程实际,基于锚杆支护理论,对锚杆在充填体内的作用机理进行了阐述。通过相似模拟试验和数值模拟分析的方法研究了锚杆在充填体内的加固效果,并在此基础上研究了不同锚杆参数对加固效果的影响。另外,利用现场测试的手段对部分锚杆参数进行了优化。研究结果为锚杆加固的性能分析和施工设计提供了理论依据及参考依据。本文主要研究内容及成果如下:(1)通过分析认为,锚杆对下部充填体起到了一定的悬吊作用;对各薄层充填体起到了组合梁作用;对破碎块状的充填体起了挤压加固作用。充填体的黏着力、锚杆机械联锁、托盘锚托力是锚固力的主体因素。(2)在实验室建立了平面应变试验模型,观测布置锚杆和无锚杆条件下充填体顶板的破坏规律和破坏形式。试验结果表明,布置锚杆及无锚杆条件下的充填体顶板破坏规律基本一致,都是先出现裂缝,其次产生顶板冒顶,最后整体垮塌破坏。但布置锚杆可以充分发挥充填体自身强度,使充填体锚固成一个整体,有效缓解顶板冒顶。(3)采用数值模拟分析的方法研究了锚杆对充填体稳定性的影响。研究发现,锚杆从两个方面来提高充填体的稳定性:其一,锚杆可有效缓解进路开挖后顶板的变形,降低顶板的沉降;其二,锚杆可有效缓解充填体顶板的应力集中,同时能减小受压、受拉值。(4)利用FLAC3D有限差分程序研究了锚杆长度、锚杆直径以及锚杆间距对充填体稳定性的影响。结果表明,研究范围内的锚杆参数与充填体稳定性具有规律性的关系,锚杆愈长、直径愈大、间距愈小,充填体愈稳定。锚杆间距对充填体稳定性影响最大,其次是锚杆长度,锚杆直径的影响最小。(5)为了优化锚杆参数,在数值模拟分析的基础上进行了锚杆轴力的现场测试试验,获取了大量的实测数据,绘制了不同参数下锚杆轴力随时间变化的曲线图。通过分析认为,使用锚杆直径14mm、托盘尺寸10cm×10cm的锚杆可提高锚杆利用率并取得良好的加固效果。
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