文摘

D螺栓,一个能量吸收锚杆,是一个光滑的钢筋的锚沿着它的长度。锚,沿着它的长度可以间隔均匀或不均匀,牢牢地固定在井下使用水泥浆或树脂,而光滑的部分之间的螺栓锚可以自由变形岩石膨胀。一系列数值模拟使用有限差分方法进行调查的影响D螺栓巷道周围岩体的位移增加与正常相比完全封装钢筋。因此,顶部的位移49毫米维螺栓支持模型巷道顶板的远远大于30.08毫米的完全封装力霸螺栓支持模型,前者是能够吸收潜在的变形能承受大变形巷道周围岩体的岩石。计划D螺栓的间距布置锚螺栓的应力再分配有着显著的影响。D的数值模拟结果表明,螺栓的整个长度2.4米,0.1米的暴露部分的长度,和4锚长度为0.1米,平均绩点3.25的最大拉应力产生的D螺栓锚间距的比值(RSA) 30: 40: 50: 70是1.13 - -1.31倍低于其他D螺栓与不同比例的间距,以及压力的变化范围也最小,比30:40:50:70表示变形部分的长度比是由从最里面的部分岩体巷道巷道空间的外层部分。这项研究表明它是合理使用RSA D螺栓使它显示出完整的能量吸收能力。

1。介绍

一个重要的问题出现在地下挖掘是稳定围岩周围开口深度。增加原位岩石应力之间的本质区别是岩石在深度和岩石在地表附近。由于这样的增加,应力共同发生的岩爆可能在硬岩石,或大型挤压变形可能出现在软弱岩石。被发现在很多矿山,这种现象开始发生在约600 - 800米的深度低于表面水平,成为更重要的低于1000米。在很多金属矿产,例如,瑞典、加拿大、澳大利亚西部,和南非矿业目前开始低于1000米的深度,甚至下降到3000米。在这些深度,传统支持设备1)不得用于严重的岩石条件。

多年来,许多研究人员试图开发各种地面支持技术和产品的支持和保留新暴露的脸和内部钢筋周围的土壤和岩石质量发掘。然而,一个可以在岩石分类支持三种类型的性能(2),即。,a strength bolt, a ductile bolt, and an energy-absorbing bolt. Moreover, recently, researches on modelling load-displacement performances of different cable bolts and assessing their mechanical performances have been also carried out [3,4),应用程序会增加地下采矿作业和民事隧道挖掘。

强度螺栓可以被定义为那些支持负载等于或近似的内在强度螺栓材料。一个完全封装力霸螺栓属于这一类。它有一个相当大的承载能力;然而,钢筋不能反对大型岩石相呼应。完全封装力霸螺栓只能承受2 - 3厘米的变形受到骨折时开放。我们使用钢筋螺栓的主要原因是,他们可以支持不稳定块完全防止岩石瀑布。这是有效的在浅的地方,原位岩石较低压力和重力岩石崩塌的主要风险。当一个完全封装力霸螺栓用于弱和软岩石或深度,经常可以观察到的面板钢筋严重加载或螺栓的螺纹被摧毁(5]。它可以知道钢筋太僵硬进行岩体的岩石膨胀高应力钢筋过早失效的螺栓。

韧性螺栓在本质上塑料的低刚度可以证明对大岩石的变形,如分离集(6]。分裂集作为援军在很多在澳大利亚煤矿为了进行岩相呼应。尽管分裂集的确是能够进行大型岩石变形,他们遭受相当低的承载能力。钢筋和分裂集low-energy-absorbing设备。承载能力下的几个新产生和充气岩石螺栓轴向和剪切载荷实验研究提供一个基准收益率比较与其他现有的摩擦和螺栓(7]。

能量吸收螺钉的特点是高负载能力和大变形能力。在1990年代早期,它注意到,支持设备用于深矿井也应该能够携带高负载和适应大变形;也就是说,他们应该能够吸收大量的能源之前失败8]。各种能量吸收螺栓能满足提到要求是近几十年来,比如Garford固体动态螺栓(9];Roffex [10,11];能量吸收锚杆(12];锥形螺栓(13,14];MCB锥形螺栓(修改后的锥形螺栓伸长多达180毫米)(15,16];D螺栓与大承载和变形(伸长只要400毫米)(2];他螺栓(17]。

D螺栓是一种新的能量吸收装置2006年开发的支持。顺利钢筋制成的,有许多的综合锚间距均匀或不均匀沿着它的长度。这个螺栓的区别和其他能量吸收螺栓是多点固定在一个完全灌浆钻孔。所有其它能量吸收螺栓在水井两点固定。多点D螺栓锚固机制是非常可靠的。失败的部分(或一个锚)不会产生负面影响的其他部分的岩石加固螺栓(2]。D的锚螺栓沿着它的长度可以间隔均匀或不均匀。看来计划D螺栓的间距布置锚,一个重要结构参数,影响其巷道周围应力分布和应力再分配支持。

地下开挖岩体在强调导致巷道周围岩体应力再分配,并根据巷道的几何形状,原位应力状态前现有巷道挖掘在材料特性以及巷道支架的模式和能力(18]。巷道稳定,调查这些应力再分配特性是非常必要的。看起来最合适的数值模拟方法来研究这些问题,和许多研究已经进行了使用这种方法(19]。使用数值分析的参数研究已经完成的代码应用FLAC3D考虑地下开口的各种形状的影响最大诱导边界应力(20.]。锚杆支护的影响在开口周围岩体的应力再分配使用ANSYS软件检查了。通过验证,锚杆支护可以显著降低强度和应力集中的区域的大小21]。Du使用FLAC3D软件的数值分析代码,用于分析影响的岩石螺栓安装在道路的不同侧面和三个螺栓参数包括螺栓间距、长度、巷道周围应力再分配和预张力量,和地面拱作用引起的岩石螺栓已经有效地模拟(22]。螺栓倾斜的影响分析了岩石节理的抗剪强度通过使用数值模拟方法(23]。

大多数以前的研究提出了数值模拟的方法完全封装力霸螺栓和分析其作用效果。在目前的研究中,我们进行数值模拟的D螺栓,一种能量吸收岩石螺栓不完全封装但多点固定在一个完全灌浆钻孔。然后,锚的间距布置的影响在其轴向应力分布,讨论了选择和合理的计划。

本研究的目的是验证D螺栓的吸能效果相比,一个完全封装的钢筋间距的螺栓和选择一个合理的计划安排的锚,这样可变形的部分可以更均匀加载,可防止钢筋的过早失效和提高D螺栓承载和变形能力提供足够的支持,高压力的岩体。

2。数值模拟方法和输入参数

本研究利用应用FLAC3D数值分析代码由伊咨询集团。这段代码的基础与拉格朗日有限差分数值方法计算方法。有限差分法(FDM)可以更有效地应用于模拟地下巷道周围的应力分布与其他数值技术相比(24]。

2.1。模型生成

几何模型生成作为礼物的平面应变模型数值分析研究通过使用径向缸网格和隧道径向网格,如图1。长度、宽度和高度的几何模型是60 m, 1 m,分别和60米。放置在一个拱形巷道模型的中心。其宽度和线性墙高4米和1.5米,半径和拱的高度2米和2米,分别。该地区典型元素大小巷道附近大约是0.2米×0.04米×0.1米。

该模型是单一的材料。应变软化本构模型已用于岩石材料的应力-应变行为。岩石材料模型的输入参数包括密度、弹性模量、泊松比、体积模量、剪切模量、凝聚力、摩擦角、和巷道周围岩体的抗拉强度。岩石试样的力学性能是获得从实验室测试使用MTS C60液压伺服试验机,基于ISRM建议方法,和岩体的参数估计使用RocLab软件。表中列出的材料属性1。

单位厚度的模型构造板块,零位移边界条件的应用在两个面孔。垂直位移在底部和顶部的模型都是固定的。两个方向的水平应力和垂直应力一直被认为具有相同的大小,18.7 MPa。在模型中只有岩石本身的重量作用于巷道周围岩体。

2.2。D锚杆支护方法模拟

在FLAC3D软件使用时,结构元素称为“电缆”通常是用来模拟岩石螺栓。D变形区长度的螺栓建模通过设置电缆元素的两个参数,单位长度和灌浆浆液刚度单位长度、抗剪强度值接近零,每个锚长度设置这两个参数的值的长度的电缆元素对应于锚在给定的位置。锚的数量是4,他们的长度是0.1米,分别的暴露部分螺栓的长度为0.1米。因此,螺栓的有效变形长度约1.9米,不包括锚的总长度和暴露部分的长度。支承板,岩石锚杆支护系统的一个组件,建模通过创建一个刚性node-to-zone头节点之间的连接电缆元素和最接近的节点区元素。岩石螺栓的预张力量并不应用于特定的。

岩石螺栓安装在五个不同方向的截面巷道。输入参数的岩石螺栓和灌浆为模型从现场撤离测试获得了岩石中(25),表中给出1。

3所示。数值结果与讨论

3.1。一般D螺栓对位移的影响巷道的锚杆的应力分布

当支持在高压力的岩体巷道D螺栓,可以通过比较访问他们的行动影响巷道轮廓点的位移和应力分布的岩石螺栓从模型获得其中完全封装力霸螺栓和D螺栓支持,分别。在本节中,我们将讨论模型的分析结果完全支持的封装力霸和D螺栓有很多集成锚间距均匀的间隔0.475米沿着它的长度,分别。数据2- - - - - -4分别显示历史曲线巷道顶部位移的屋顶,巷道周围应力重分布和应力分布的岩石螺栓从完全封装力霸螺栓获得支持模型。在本文的所有数据,单位压力和位移的Pa和米,分别。

数据5- - - - - -7分别显示历史曲线巷道顶部位移的屋顶和巷道周围岩体的应力状态和岩石螺栓从D螺栓获得支持模型。

每个螺栓的应力分布在两个模型完全封装力霸螺栓支持和D与锚螺栓间距均匀表中列出2。在表2正值表示拉应力,负值表示压应力。

的比较数据2和5表明位移49毫米巷道顶部的屋顶在D螺栓支持模型相对大于30.08毫米完全封装力霸螺栓支持模型。如数据所示4和7和表2,生成的最大轴向拉伸应力的螺栓完全封装力霸螺栓33 GPa支持模型,这是大约10倍3.4 MPa的D螺栓支持模型。上述结果表明,D螺栓确实是能容忍更大的巷道周围岩体变形比僵硬的钢筋;也就是说,他们有能力吸收潜在的巷道周围岩体变形能。比较四块的数据3和6未表现出明显的差异巷道周围岩体的应力状态。原因是两个模型之间的应力变化很小,而原位压力已开始被应用到模型,他们不能被明显观察到这些压力等高线。

如表所示2巷道的位移完全封装力霸螺栓支持模型中轮廓比那些小D螺栓支持模型,但对钢筋的作用力远远大于D螺栓,这样它就可以被打破。例如,生成的最大应力大小在第二和第三段四个钢筋螺栓、排除第一个螺栓,33 GPa,超过材料的屈服强度,因此钢筋可能被打破。维螺栓支持模型,然而,压力产生的D螺栓是大约10倍小于钢筋螺栓,及其稳定性是可靠的,因为它容忍巷道周围岩体的位移在一定程度上。

3.2。影响D螺栓的间距布置锚螺栓的应力分布

巷道周围岩体的位移取决于巷道的轮廓的距离给定的点。一般,靠近道路的轮廓点,岩体的位移越大,越远,越小。D螺栓的实地测试表明,D螺栓的外层和内层的部分,大量的综合锚间距均匀,安装在支柱分别加载,最高和最低的(2]。为什么每个D的变形部分的轴向载荷螺栓是不同的是,每个变形部分中产生位移的大小是不一样的,这表明,D螺栓的间距布置锚螺栓应力分布的影响在某种程度上。

因此,在本节中,我们考虑的影响D螺栓的间距布置锚螺栓的应力分布。为此,数值模拟完成而改变D螺栓的间距排列的锚模型中不同的巷道岩体在高压力和支持D螺栓。数据8和9显示位移的历史曲线顶部的巷道顶板和轴向应力分布的螺栓从模型获得支持的D螺栓锚间距的比值(RSA) 70: 50: 40: 30、60: 50: 40: 40、40: 40: 50: 60岁和30:40:50:70年从最里面的部分岩体巷道周围的外层部分巷道空间,分别。在这项研究中,这一比率之间的间距D螺栓锚(RSA)意味着变形部分的长度比从最终的螺栓。例如,RSA 70: 50: 40: 30表明D螺栓有四个可变形的部分,和他们的长度,分别为70厘米,50厘米,40厘米,30厘米的螺栓。如图8,顶端位移的历史曲线巷道顶板的模型支持通过与不同比例的间距D螺栓锚非常相似,但顶部的位移速率的巷道顶板的D螺栓与RSA 70: 50: 40: 30是一个小比其他情况下。

产生的应力大小(即在每一段。,deformable section) of D bolts in the models supported by D bolts with different ratios of spacing among anchors are summarized in Table3之间的间距,比率锚和数字段平均长度的比例和数量的可变形的部分是由从最里面的部分岩体巷道巷道空间的外层部分。在图9和表3,第一个D螺栓是一个安装在巷道顶部的屋顶,第二个和第四个螺栓安装在高和低的部分巷道的横截面,分别和第三和第五螺栓螺栓安排在高和低的部分正确的道路的横截面,分别。

图10显示了生成的应力大小D变形部分的螺栓与不同的锚之间的间距相对比率,即。,the change curves of axial stresses acting on each deformable section of five D bolts installed in different directions in the cross section of a roadway, which have RSA of 70 : 50 : 40 : 30, 60 : 50 : 40 : 40, 40 : 40 : 50 : 60, and 30 : 40 : 50 : 70, respectively. As shown in Figures9和10 ()- - - - - -10 (e),这五个D螺栓、压力变化根据RSA的最大变形部分安排在最外层部分巷道空间,压力变化在最里面的部分变形部分岩体巷道周围低于前者,和压力的大小是非常相似的。RSA 70: 50: 40: 30,最大轴向拉伸应力的大小产生的变形部分安排在最外层部分巷道空间平均绩点4.25,这是最大的。它超过螺栓材料的拉伸屈服强度,但螺栓不是破碎的,如图9(一个)。仿真结果为RSA 70: 50: 40: 30显示了RSA逐渐减少的外层部分巷道空间的位移是不合理的,因为围岩巷道轮廓的增加;因此,拉伸载荷作用于D螺栓也。

图在图10表明,D的平均应力变形中产生部分螺栓安装在巷道断面是最小的在RSA的螺栓30:40:50:70。这时,螺栓的最大拉应力的大小是3.25的绩点,比其他情况下,小的1.13 - -1.31倍,压力的变化范围是最小的,以便它可以被认为是应力分布沿整个长度的螺栓相对比较均匀。这个结果表明应用RSA的逐渐增加的外层部分巷道空间能够有效地使用D螺栓的潜在的变形和承载力。

3.3。验证仿真结果

20 D与桨锚螺栓现场测试样品的煤矿岩石严重挤压条件下,他们安装了水泥浆在巷道部分的五个不同的方向。螺栓直径16毫米,长2.4米,有四个桨锚。15螺栓锚间距均匀,别人的锚间距为30的比率:40:50:70。三个应变仪检测D螺栓锚的两种类型,分别安装测量螺栓载荷。应变仪被固定在D螺栓表面变形的中间部分。菌株的应变仪测量使用静态应变仪深发展- 410 c。压力逐渐稳定3 - 4个月后安装。这时,螺栓的轴向载荷与锚间隔约为105 kN外层部分,约65 kN在最里面的部分,但对于RSA的螺栓30:40:50:70年,他们大约90 kN - 70 kN,分别。现场测试和数值模拟结果一致,RSA的逐渐增加的外层部分巷道空间提供了D螺栓的轴向载荷相对平等。

4所示。结论

(1)一系列数值模拟进行调查的影响D螺栓可以吸收变形巷道周围岩体的能量与正常相比完全封装力霸螺栓。仿真的方法提出了D螺栓来处理数值分析。使用这种方法,巷道周围岩体的位移和应力分布的螺栓可以正确访问。此外,D螺栓的间距布置的影响锚螺栓的应力分布可以有效地模拟。(2)基于提出的方法论,巷道顶板的顶部的位移和应力分布的螺栓完全封装力霸螺栓支持模型和D螺栓做模型进行了分析,分别。结果表明,顶部的位移49毫米巷道顶板的维螺栓支持模型远远大于30.08毫米的完全封装力霸螺栓支持模型,前者是能够吸收潜在的变形能承受大变形巷道周围岩体的岩石相比,后者。它还意味着后者可能被打破,因为33 GPa生成的最大拉应力超过屈服强度的螺栓材料,但前者是相对稳定的高,因为它的最大拉伸应力较低约10倍。(3)D螺栓间距安排计划的锚的应力分布有显著影响螺栓。结果,当整个D螺栓的长度是2.4米,其暴露部分的长度是0.1米,锚的数量和0.1米的长度是4,平均绩点3.25的最大拉应力生成RSA的螺栓30:40:50:70 1.13 - -1.31倍低于其他D螺栓与不同比例的间距,和变化范围的压力也是最小的。因此,从支持巷道的角度,它是合理的使用与RSA 30 D螺栓:40:70:提供一个相对均匀分布压力沿其长度。给定D螺栓,RSA 30: 40: 50: 70可以通过设置长度的变形部分30厘米,40厘米,50厘米、70厘米轮流从最里面的部分巷道周围岩体巷道空间的外层部分。数值模拟的结果表明,锚间距的选择,D螺栓的主要结构参数,具有重要意义在防止其过早失效,并改善其受力和变形能力。

然而,应该注意的是,本研究只考虑一个拱巷道挖掘在单一材料受到静水压力状态。进一步的研究应探讨D螺栓的结构参数的影响与各种原位应力状态有关,开口形状和材料属性。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究在经济上支持朝鲜的科学和技术进步(批准号24-2022-700414)。