断裂巷道围岩中全长预应力自钻螺栓的支撑机制及数值分析

《Scientific Reports》：Support mechanism and numerical analysis of full-length prestressed self-drilling bolts in fractured roadway surrounding rock

　　

摘要

传统的树脂锚固螺栓依赖于稳定的钻孔和在破碎巷道周围岩石中的可靠端锚固，而传统的自钻式螺栓虽然施工适应性强，但主动预紧能力有限。为了提高螺栓安装的可靠性、预紧力的保持以及在破碎围岩中的灌浆加固效果，本研究提出了一种全长预应力自钻式螺栓，该螺栓集成了自钻安装、端部灌浆承载、主动预紧和全长灌浆加固功能。建立了螺栓预应力传递的理论模型，并在FLAC3D中开发了单螺栓预应力传递模型和巷道支护数值模型。对比了螺纹钢螺栓、传统自钻式螺栓和全长预应力自钻式螺栓在不同预应力水平下的力学响应。结果表明，在初始预紧过程中，所提出的螺栓能够在大部分螺栓长度范围内保持较高的轴向力，并通过端部锚固部分将预紧力传递到更深的岩体中，从而形成更连续的轴向压缩应力影响区。在所采用的数值模型条件下，与传统的支护方案相比，所提出的螺栓减少了顶板下沉、巷道 rib 的变形以及塑性区的扩展。研究结果表明，端部灌浆承载、主动预紧和全长灌浆加固的协同作用能够改善破碎岩体中的预应力传递和围岩控制效果，为破碎煤岩巷道的主动支护提供了一种新的螺栓-灌浆协同支护方法。