岩石力学与剪胀锚固理论(讲座)102p课件

岩石力学与岩石力学与剪胀锚固理论剪胀锚固理论（讲座）（讲座）贾喜荣贾喜荣 中国岩石力学学会教育工作委员会中国岩石力学学会教育工作委员会 委员委员太原理工大学矿业工程学院太原理工大学矿业工程学院 教授教授内容提要内容提要第第1部分部分 背景背景第第2部分部分 岩石力学试验与基本强度理论岩石力学试验与基本强度理论第第3部分部分 煤柱临界宽度理论计算公式煤柱临界宽度理论计算公式第第4部分部分 巷道围岩剪胀锚固理论巷道围岩剪胀锚固理论第第5部分部分 锚索的工程测试锚索的工程测试中国矿业大学出版社 1 9 9 4中国煤矿巷道围岩控制1111#工字钢梁载荷集度工字钢梁载荷集度极限跨距曲线图极限跨距曲线图第第1部分部分 背景背景 传统锚固原理传统锚固原理传统锚固原理传统锚固原理 悬吊原理悬吊原理；组合梁原理；组合梁原理；挤压成拱原理挤压成拱原理；减跨原理；减跨原理；松动圈原理；松动圈原理；扩容稳定原理扩容稳定原理 等。等。目前国家没有回采巷道锚固技术标准？目前国家没有回采巷道锚固技术标准？目前国家没有回采巷道锚固技术标准？目前国家没有回采巷道锚固技术标准？三项理论成果三项理论成果三项理论成果三项理论成果 采场薄板矿压理论采场薄板矿压理论 巷道顶板岩层剪胀锚固理论巷道顶板岩层剪胀锚固理论 回采巷道煤柱合理尺寸计算回采巷道煤柱合理尺寸计算第第2部分部分 岩石力学试验岩石力学试验 与基本强度理论与基本强度理论 岩石力学的三大主题岩石力学的三大主题 岩石力学的基本试验与基本理论岩石力学的基本试验与基本理论 岩石力学的三大主题岩石力学的三大主题 物性：物理性质、力学性质 结构：组成结构、工程结构 荷载：核心 中心问题：结构稳定性 理论基础：岩石强度准则 岩石力学的基本试验岩石力学的基本试验 与基本理论与基本理论 岩石强度试验岩石强度试验:岩石强度理论：岩石强度理论：Coulomb 强度准则强度准则Mohr 强度准则强度准则Griffith 强度理论强度理论Rankine 强度准则强度准则Barton强度准则强度准则Hoek-Brown强度准则强度准则B.H.G.Brady and E.T.Brown(2006)国际岩石力学家国际岩石力学家Evert.Hoek.http:/ Otto Mohr(18351918)19 19 世纪欧洲最杰出的土木工程师之一世纪欧洲最杰出的土木工程师之一 Charles Augustin de Coulomb(1736 1806)1774 1774 年当选为法国科学院院士年当选为法国科学院院士C=18.43o（当（当 Ct=6时）时）G=18.43o Rankine 强度准则强度准则William John Maquorn Rankine(1820 1872)在热力学在热力学 、流体力学、流体力学 及土力学等领域均有杰出的贡献及土力学等领域均有杰出的贡献(英国科学家英国科学家)Karl von Terzaghi(1883 1963)1883 年年 10 月月 2 日日 出生于捷克的首都布拉格出生于捷克的首都布拉格 Karl von Terzaghi 被誉为土力学之父被誉为土力学之父 Coulomb、Griffith、Mohr、Rankine 准则间相互关系准则间相互关系 （太原理工大学学报，1998年3期）Coulomb、Griffith、Mohr、Rankine 准则的一致性准则的一致性 岩石强度参数岩石强度参数:c、t、C、之间的内在关系之间的内在关系 由由Coulomb准则：准则：有：c、t、C、4个力学参数之间，只有个力学参数之间，只有3个参数是独立的。个参数是独立的。参数参数可以通过可以通过c、C；或；或t、C的试验值来计算求得。的试验值来计算求得。(t=tg)岩石强度压拉比岩石强度压拉比很好地反映了很好地反映了c c、t t、3 3个独立变量之间的内在关系。个独立变量之间的内在关系。岩石强度压拉比也反映出岩石破断角:模拟试验中，岩石强度压拉比Ct，是一个很好的强度相似参数。与强度、脆性间的关系。与强度、脆性间的关系。当当C Ct t=8=8时，即时，即有：有：t：c：c=C/2：C：4C=1：2：8 Griffith强度准则强度准则当Ct=8时，=36.87o当Ct=8时，当当Ct=6时，时，当Ct=8时，当当 Ct=?时时:HokeBrown强度准则强度准则岩体强度准则岩体强度准则式中：式中：1n1n标准化的主应力，标准化的主应力，1n1n=1 1/c c；3n3n标准化的主应力，标准化的主应力，3n3n=3 3/c c；n n标准化的剪应力，标准化的剪应力，n n=/=/c c；n n 标准化的正应力，标准化的正应力，n n=/=/c c；c c 完整岩石试块单轴抗压强度。完整岩石试块单轴抗压强度。第第3部分部分 煤柱临界宽度理论计算公式煤柱临界宽度理论计算公式 现场立方体试件的强度 煤柱强度计算公式 煤柱临界宽度理论计算公式国际岩石力学家国际岩石力学家Z.T.Bieniawski 科学和神学的相互作用科学和神学的相互作用www.egee.psu.edu/Faculty/bieniawski.htm 回采巷道煤柱的强度回采巷道煤柱的强度 Hustrulid(1976)以Gaddg(1956)煤层试样实验室强度 试验指标与现场立方体试件的强度指标换算公式：m=0.2357c Bieniawski(1975)煤柱强度计算公式为：回采巷道煤柱临界宽度的确定回采巷道煤柱临界宽度的确定 贾喜荣，贾喜荣，2008年年 回采巷道煤柱临界宽度的确定回采巷道煤柱临界宽度的确定 贾喜荣，贾喜荣，2008年年w煤柱临界宽度，m；h巷道高度，m；B巷道宽度，m；c煤层标准试件单轴抗压强度，kN/m2；H煤层覆岩厚度，m；覆岩容重，kg/m3。第第4部分部分 巷道围岩剪胀锚固理论巷道围岩剪胀锚固理论锚固岩层抗剪强度试验锚固岩层抗剪强度试验回采巷道顶板岩层剪胀平衡力学模型回采巷道顶板岩层剪胀平衡力学模型回采巷道顶板岩层剪胀锚固理论回采巷道顶板岩层剪胀锚固理论回采巷道顶板岩层锚固强度设计计算回采巷道顶板岩层锚固强度设计计算回采巷道侧帮锚固强度设计计算回采巷道侧帮锚固强度设计计算 锚固岩层抗剪强度试验锚固岩层抗剪强度试验 锚固岩层峰值抗剪强度锚固岩层峰值抗剪强度 锚固岩层残余抗剪强度锚固岩层残余抗剪强度 锚固岩层的剪胀性质锚固岩层的剪胀性质锚固岩层抗剪强度试验锚固岩层抗剪强度试验剪剪胀胀N.Barton准则准则（1973）式中：式中：最大剪应力；最大剪应力；正应力；正应力；JRCJRC岩层结构面粗糙度系数；岩层结构面粗糙度系数；JCSJCS岩层结构面表面抗压强度；岩层结构面表面抗压强度；b b基础摩擦角。基础摩擦角。注：当注：当JRC=0JRC=0时，转化为平滑节理的时，转化为平滑节理的CoulombCoulomb准则。准则。R.E.Goodman 曲曲线线剪剪胀胀锚锚固固理理论论的的动动态态平平衡衡力力学学机机制制(初始预紧力初始预紧力)(初初始始闭闭合合量量)(剪剪胀胀)(初初始始闭闭合合量量)预紧力（给定变形）预紧力（给定变形）剪胀（岩层错动）剪胀（岩层错动）抗剪强度提高抗剪强度提高 虚虚线线给给定定变变形形特特性性曲曲线线实实线线给给定定载载荷荷特特性性曲曲线线 锚索预紧力锚索预紧力变形量实测曲线图变形量实测曲线图 YCD18200；油压：；油压：40mPa；承压面积：；承压面积：37.68 cm2岩层剪胀锚固原理：岩层剪胀锚固原理：1.岩石结构面抗剪强度的试验结果说明：锚固岩层的抗剪强度，随剪切位移的增加而变化。2.预应力、锚固应力是维系锚固岩层抗剪强度的外在条件，岩层结构面物理力学性质是其内在条件；N.Barton准则可作为锚固岩层的稳定性判据。3.峰值强度前（小位移），锚固岩层的抗剪强度随位移的增加而增加；4.峰值强度后（大位移），锚固岩层的抗剪强度随位移的增加而降低；5.预紧力的增加会提高锚固岩层的峰值强度和残余强度；6.工程中，被锚固岩层一旦发生过量变形，其抗剪强度会从峰值强度降低到残余强度，最终会导致锚固系统失效，巷道失稳。回采巷道围岩的力学特征回采巷道围岩的力学特征物性物性（3强度）强度）：底板岩层强度；底板岩层强度；煤柱（层）强度；煤柱（层）强度；顶板岩层强度。顶板岩层强度。结构结构（3结构）结构）：底板底板基础；基础；煤帮煤帮墙体；墙体；顶板顶板组合板。组合板。荷载荷载（3荷载）荷载）：煤柱荷载煤柱荷载覆岩荷重；覆岩荷重；顶板荷载顶板荷载有限荷重；有限荷重；底板荷载底板荷载半无限体荷重。半无限体荷重。乾陵地宫墓道封石锚固结构乾陵地宫墓道封石锚固结构石灰岩条石：石灰岩条石：1.0 0.4 0.7，约，约500kg；铸铁栓板：铸铁栓板：10.kg；铸铁锚杆：铸铁锚杆：70mm;锚固剂：熔铅厚度锚固剂：熔铅厚度58mm一千三百多年前1966年至年至1971年发掘显示：年发掘显示：乾陵地宫墓道在梁山主峰东南半山腰乾陵地宫墓道在梁山主峰东南半山腰部部,由堑壕和石洞两部分组成。由堑壕和石洞两部分组成。堑壕深堑壕深17m,全部用长全部用长1.25m,宽宽0.4至至0.6m的石条填塞。墓道呈斜坡形的石条填塞。墓道呈斜坡形,全全长长63.1m,南宽北窄南宽北窄,平均宽平均宽3.9m,石条石条由南往北顺坡层叠扣砌由南往北顺坡层叠扣砌,共共39层层,平面平面裸露裸露410块块,39层约用石条层约用石条8000块。石块。石条之间用燕尾形细腰铁栓板拉固条之间用燕尾形细腰铁栓板拉固,上上下之间凿洞用铁棍贯穿下之间凿洞用铁棍贯穿,以熔化锡铁以熔化锡铁汁灌注汁灌注,与石条熔为一体。与石条熔为一体。矩形巷道顶板岩层矩形巷道顶板岩层剪切滑移与弯曲下沉剪切滑移与弯曲下沉巷道顶板岩层的叠合梁与组合梁巷道顶板岩层的叠合梁与组合梁（a a）叠合梁；（叠合梁；（b b）组合梁组合梁(max)叠合梁/(max)组合梁=n厚层状顶板岩层三铰拱平衡结构厚层状顶板岩层三铰拱平衡结构 锚固岩层剪胀平衡力学模型锚固岩层剪胀平衡力学模型层面法向应力（锚固应力）层面法向应力（锚固应力）随岩层剪切位移量的增加而改变。随岩层剪切位移量的增加而改变。剪胀剪胀 扩容稳定；锚固扩容稳定；锚固 挤压加固；悬吊挤压加固；悬吊 减跨；减跨；锚固三铰拱锚固三铰拱 挤压成拱；三铰拱半跨锚固挤压成拱；三铰拱半跨锚固 组合梁。组合梁。锚固岩层剪胀平衡理论锚固岩层剪胀平衡理论岩层层面剪力：岩层层面剪力：层面平均剪应力：层面平均剪应力：层面法向锚固应力：层面法向锚固应力：层面剪胀摩擦角：层面剪胀摩擦角：T=0.125L2ave=0.25L 顶板锚固岩层的预应力与自重应力顶板锚固岩层的预应力与自重应力取：取：顶板预应力为顶板预应力为p pA A；岩层自重应力为岩层自重应力为q q；则有：则有：当当p pA Aq q 时，时，岩层会沿层面发生岩层会沿层面发生离层离层。巷道顶板岩层锚固强度设计计算巷道顶板岩层锚固强度设计计算ave=0.25Lp=p=+q q 巷道侧帮锚固计算巷道侧帮锚固计算（贾喜荣，贾喜荣，2008年年）由由RankineRankine准则准则（1857）有）有：3 3巷帮锚固强度；巷帮锚固强度；qj煤柱静载荷集度；煤柱静载荷集度；C煤柱内聚力（可取煤柱内聚力（可取 ）；）；煤柱内摩擦角。煤柱内摩擦角。煤层开采临界深度煤层开采临界深度Hc 贾喜荣，贾喜荣，2008年年取：c=13.0 mPa =26 kN/m3则煤层开采临界深度为：定义：q 顶板岩层组成类型第第5部分部分 锚索的工程测试锚索的工程测试7 7股高强度钢绞线技术参数股高强度钢绞线技术参数公称直径公称直径（mm）强度等级强度等级（mPa）抗拉力抗拉力（kN）公称截面积公称截面积（mm2）15.242000280.0140.0017.802000382.0190.0021.6017701860504.0530.0285.00普通直面锚具、球形锚具普通直面锚具、球形锚具与斜锚索配合受力状况与斜锚索配合受力状况普通直面锚具、球形锚具普通直面锚具、球形锚具与倾斜顶板垂直锚索配合受力状况与倾斜顶板垂直锚索配合受力状况 锚索偏载拉力实验装置锚索偏载拉力实验装置=0=0时，装配普通直面锚具的锚索断裂情况时，装配普通直面锚具的锚索断裂情况=5=52020时，时，装配普通直面锚具的锚索断裂情况装配普通直面锚具的锚索断裂情况弧形锚具与球形锚具弧形锚具与球形锚具装配球形锚具的锚索断裂情况装配球形锚具的锚索断裂情况KM18KM18直面锚具不垂直度与锚索破断力试验数据直面锚具不垂直度与锚索破断力试验数据（17.8锚索）外露段与受拉段间夹角()破断力（kN）平均值（kN）效率系数（）0356359.7 0.98 363360 10326329.7 0.90328335 20288289.7 0.79 289292KM18KM18球形锚具不垂直度与锚索破断力试验数据球形锚具不垂直度与锚索破断力试验数据（17.8锚索）外露段与受拉段间夹角()破断力（kN）平均值（kN）效率系数（）0366 365.0 1.000 364 365 12364 364.0 0.997 363 365 20366 365.3 1.000 365 365 KM22KM22直面锚具不垂直度与锚索破断力试验数据直面锚具不垂直度与锚索破断力试验数据（21.6锚索）外露段与受拉段间夹角()破断力（kN）平均值（kN）效率系数（）0560558.0 0.99 55655810505501.0 0.89 50049820425424.00.75427420KM22KM22球形锚具不垂直度与锚索破断力试验数据球形锚具不垂直度与锚索破断力试验数据（21.6锚索）外露段与受拉段间夹角()破断力（kN）平均值（kN）效率系数（）0566565.31.00056556512565564.30.99956356520565565.01.000562568