高等岩石力学答案

3、简述锚杆支护作用原理及不同种类锚杆的适用条件。

答：岩层和土体的锚因是一种把锚杆埋入地层进行预加应力的技术。

锚杆插入预先钻凿的孔眼并固定于其底端，固定后，通常对其施加预应力。

锚杆外露于地面的一端用锚头固定，一种情况是锚头直接附着在结构上，以满足结构的稳定。

另一种情况是通过梁板、格构或其他部件将锚头施加的应力传递于更为宽广的岩土体表面。

岩土锚固的基本原理就是依靠锚杆周围地层的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖面自身的稳定。

岩土锚固的主要功能是：
(1)提供作用于结构物上以承受外荷的抗力，其方问朝着锚杆与岩土体相接触的点。

(2)使被锚固地层产生压应力，或对被通过的地层起加筋作用(非顶应力锚杆)。

(3)加固并增加地层强度，也相应地改善了地层的其他力学性能。

(4)当锚杆通过被锚固结构时．能使结构本身产生预应力。

(5)通过锚杆，使结构与岩石连锁在一起，形成一种共同工作的复合结构，使岩石能更有效地承受拉力和剪力。

锚杆的这些功能是互相补允的。

对某一特定的工程而台，也并非每一个功能都发挥作用。

若采用非预应力锚杆，则在岩土体中主要起简单的加筋作用，而且只有当岩土体表层松动变位时，才会发挥其作用。

这种锚固方式的效果远不及预应力锚杆。

效果最好与应用最广的锚固技术是通过锚固力能使结构与岩层连锁在一起的方法。

根据静力分析，可以容易地选择锚固力的大小、方向及其荷载中心。

由这些力组成的整个力系作用在结构上，从而能最经济有效地保持结构的稳定。

采用这种应用方式的锚固使结构能抵抗转动倾倒、沿底脚的切向位移、沿下卧层临界面上的剪切破坏及由上举力所产生的竖向位移。

岩土的锚杆类型：
(1)预应力与非预应力锚杆
对无初始变形的锚杆，要使其发挥全部承载能力则要求锚杆头有较大的位移。

为了减少这种位移直至到达结构物所能容许的程度，一般是通过将早期张拉的锚杆固定在结构物、地面厚板或其他构件上，以对锚杆施加预应力，同时也在结构物和地层中产生应力，这就是预应力锚杆。

预应力锚杆除能控制结构物的位移外，还有其它有点：
1安装后能及时提供支护抗力，使岩体处于三轴应力状态。

2控制地层与结构物变形的能力强。

3按一定密度布臵锚杆，施加预应力后能在地层内形成压缩区，有利于地层稳定。

4预加应力后，能明显提高潜在滑移面或岩石软弱结构面的抗剪强度。

5张拉工序能检验锚杆的承载力，质量易保证。

6施工工艺比较复杂。

(2)拉力型与压力型锚杆
显而易见，锚杆受荷后，杆体总是处于受拉状态的。

拉力型与压力型锚杆的主要区别是在锚杆受荷后其固定段内的灌浆体分别处于受拉或受压状态。

拉力型锚杆的荷载是依赖其固定段杆体与灌浆体接触的界面上的剪应力(粕结应力)由顶端(固定段与自由段交界处)向底端传递的。

锚杆工作时，固定段的灌浆体易出现张拉裂缝．防腐件能差。

压力型锚杆则借助无粘结钢绞线或带套管钢筋使之与灌浆体隔开和特制的承载体，将荷载立接传至底部的承载体由底端向固定段的顶端传递的。

这种锚杆虽然成本略高于拉力型锚杆，但由于其受荷时，固定段的灌浆体受压，不易开裂，用于永久性锚固工程是有发展前途的。

更值得提出的是国内外研究表明，在同等荷载条件下，拉力型锚杆固定端上的应变值要比压力型锚杆大。

另外，压力型锚杆的承载力还受到锚杆截面内灌浆体抗压强度的限制，因此在钻孔内仅采用一个承载力的集中压力型锚杆，不可能被设计成有较高的承载力。

(3)单孔复台锚固
传统的拉力型与压力型锚杆均属于单孔单一锚固体系，它是指在一个钻孔中只安装一根独立的锚杆，尽管由多根钢绞线或钢筋构成锚杆杆体，但只有一个统一的自由长段和固定长度。

单孔复合锚固体系（SBMA法）是在同一钻孔中安装几个单元锚杆，而每个单元锚杆均有自己的杆体、自由长度和固定长度，而且承受的荷载也是通过各自的张拉千斤顶施加的，并通过预先的补偿张拉(补偿各单元锚杆在同等荷载下因自由长度不等而引起的位移差)而使所
有单元锚杆始终承受相同的荷载。

采用单孔复合锚固体系，由于能将集中力分散为若干个较小的力分别作用于长度较小的固定段上，导致固定段上的粘结应力值大大减小且分布也较均匀，能最大限度地调用锚杆整个固定范围内的地层强度。

此外，使用这种锚固系统的整个固定长度理论上是没有限制的，锚杆承裁力可随固定长度的增加而提高。

若钳杆的固定段位于非均质地层中，则单孔复合锚固体系可合理调整单元锚杆的固定长度，即比较软弱的地层中单元锚杆的固定长度应大于比较坚硬地层中单元锚杆的锚固长度，以使不同地层的强度都能得到充分利用。

还应特别提出的是单孔复合锚固体系可采用全长涂塑的无粘结钢绞线，组成各单元锚杆的杆体，这种钳杆完全处于多层防腐的环境中，既可用作高耐久性的永久性锚杆，也可用作可拆除芯体(钢绞线)的临时性锚杆。

单孔复合锚固体系(SBMA法)中最具有实用价值的是压力分散型锚杆。

4、试述矿山冲击地压的发生条件及如何观测、控制冲击地压。

冲击地压发生的条件
冲击地压的形成和发生的条件很复杂。

首先是煤岩中应力超过其极限强度,以煤岩破坏为先导;其次是煤层和围岩在集中应力作用下,吸收能量积聚应变能;另一个是“诱发”因素导致其突变破坏,瞬间释放应变能。

冲击地压发生必须具备的条件如下。

1）煤层及围岩具有冲击倾向性
煤岩受力易发生破坏,其类型以镜煤和亮煤为主。

煤层硬度大、湿度小、抗压强度高,则易发生冲击地压。

实践证明:中硬和硬煤,抗压强度在200kg/cm2以上具有冲击危险。

2）回采工作面附近存在较大的能量集中
冲击地压多发生在回采工作面前方15～50m处,属于回采工作面前方支承压力区,煤层积聚巨大弹性应变能,当其超过煤层的极限强度时,便产生冲击地压。

当走向支承压力与倾向支承压力叠加时,产生的冲击地压更为猛烈和频繁。

掘进工作面引起冲击地压的能量来源有:掘进面处于构造应力集中区,原岩构造应力巨大;掘进面处于煤柱或采场前方支承压力高峰区,引起弹性变形能的突然释放,均易形成冲击地压。

郭屯煤矿地质构造复杂,断层多,开采深度及强度大,区域内构造应力大,煤岩体内能量集中,这也是郭屯煤矿地压大的原因。

3）采场存在释放能量的空间
采场煤体之中存在着巨大的弹性变形能,其附近又存在一定的空间(巷道或工作面),当
煤体达到极限强度以上即可爆发冲击地压。

若没有释放能量的空间,弹性能将随着采场的移动和受力条件的改变,可能逐渐缓解以至恢复到常压状态。

掘巷多、切割量大的采煤方法(如短壁采煤),发生冲击地压的机会多。

预测
1)电磁辐射仪监测
采用便携式电磁辐射仪对冲击危险进行监测时，每隔10m布置1个测点，每个测点监测时间为2分钟。

记录煤(岩)破坏过程中电磁辐射强度的最大值及脉冲数，采用静态临界值及动态趋势法预测冲击危险，接近或超过临界指标时，判定为有冲击危险。

郭屯煤矿应用便携式电磁辐射仪对工作面进行了连续的监测，取得了大量的监测数据，对预防冲击地压取得了一定的成效。

2)钻屑法
钻屑法是通过在煤体中钻小直径钻孔,根据钻孔时排出的煤粉量及其变化规律和有关动力现象,达到一系列探测目的施工方法。

它具有简单易行、直观、适应性强等优点,成为公认的一种预测冲击地压危险的主要方法。

郭屯煤矿根据大量的钻屑检测结果,把煤层冲击危险等级划分为三级:
Ⅰ级———无冲击地压直接危险;Ⅱ级———有中等冲击地压危险;Ⅲ级———有严重冲击地压危险。

综合防治
1)打卸压孔
打卸压孔前应当用钻屑法查明压力带的范围和程度。

只允许在低应力区开始施工卸压孔，且要由低应力区向高应力区钻进，并同时记录每米钻孔的钻屑量、高压特征和特殊情况。

2)合理选择开拓、开采方法
开拓大巷和主要巷道及硐室要选择在底板坚硬、稳定的岩层中[2]。

如系煤巷必须选择在非冲击煤层中,要尽量少掘煤巷,特别是工作面前方支承压力区内掘巷,应不留或少留煤柱。

正确选择采煤方法和顺序,以防止采场应力的叠加。

3）煤层注水
对煤体进行压力预注水,使煤体湿润,改变其物理力学性质,减少弹性,增大塑性,阻碍煤层弹性能的积聚,以此来降低或减缓冲击地压的危险程度,同时,注水还能降尘。

据郭屯煤矿1302工作面注水效果检测,钻孔最大深度为100m,最大水压为15MPa,注水流量为2m3/h,注水后含水率增加了46.13%,降低了煤体的冲击危险程度。

4）松动爆破
在煤体高应力带内布置钻孔,通过爆破释放其弹性能量,使应力高峰带内移,为冲击地压危险煤层安全开采创造条件。

松动爆破方法使用方便、快捷、可靠。

钻孔垂直煤壁布置,孔深4～6m,间距3～5m,每孔装药量600～750g,黄泥填实填满,瞬发电雷管起爆,安全距离为100m。

5）加强支护
有冲击危险煤层的巷道要保证足够的支护强度,提高抗冲击变形能力。

如采用单体液压支柱加强支护;加强支架间的整体结构,提高稳定性;加强巷道清理,保持巷道断面;支架与煤壁之间铺设金属网,缓冲煤体冲击能量等,以减少冲击危险和损失。

6）加强管理
从组织上加强对现场管理人员和生产作业人员的冲击地压方面的安全教育,建立健全开采有冲击地压危险的煤层的规章制度,加强技术管理,做好危险煤层危险程度的鉴定和预测预报等。