基于应力梯度理论的锚杆合理预紧力

文志杰^1,2，张瑞新¹，杨涛³，陈连军¹，蒋宇静¹，谭云亮¹，陈结⁴，陈艾^1,5

1. 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地2. 山东大学岩土与结构工程研究中心3. 华北科技学院安全工程学院4. 重庆大学资源及环境科学学院5. 神华宁夏煤业有限公司羊场湾煤矿

摘 要：巷道围岩的稳定性不仅与岩体强度有关,还与围岩应力场梯度密切相关。为研究锚杆在巷道围岩支护中合理支护强度的确定方法,在特定的地质条件中提出合理的预紧力,以连续损伤力学模型为基础并引入材料力学领域中的应力梯度理论,推导出了考虑围岩塑性区与弹性区交界面处的平衡方程和边界条件,建立了基于Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则以及Hoek-Brown准则下的围岩应力梯度求解模型;以Mohr-Coulomb准则为例,借助FLAC3D对比出模拟结果与理论计算值吻合度为93%且变化趋势一致,验证了提出的应力梯度求解方式适用性,发现随着锚杆预紧力的增加,巷道围岩的塑性区应力梯度相应增加,弹性区应力梯度不断减小,岩体劣化程度减弱。提出应力补偿系数,模拟计算出不同锚杆预紧力下巷道围岩应力梯度分布规律和支护效果,发现预紧力的变化与巷道围岩的锚固效果呈正相关趋势,塑性区范围随预紧力的增加不断减小,围岩稳定性随应力梯度的增加不断提高,并据此得出了锚杆预紧力与围岩应力梯度的对应补偿关系并提出最优补偿比。在现场实践中对巷道变形控制效果提高40%以上,并且应力梯度补偿系数高于0. 65,高于该矿围岩变形安全控制要求,为确定锚杆合理支护强度提供了一种研究思路。

关键词：应力梯度;预紧力;应力补偿;锚杆支护;支护强度;