适用于围岩大变形的膨胀吸能锚杆研发研究

为解决岩爆及大变形隧道的开挖稳定性问题,在现有锚杆的基础上,提出了一种膨胀吸能锚杆(简称EEA锚杆)。EEA锚杆的主要组成部分为一个可扩径的外管体、锥形挡块及限位环。其特点是在使用中具有稳定的恒阻力和可控的大位移,恒阻力是由锥形挡块和外管体内表面的摩擦力以及外管体的膨胀所提供的,大位移是由锥形挡块在外管体中的滑动所提供的。通过建立一个理论模型来预测EEA锚杆的恒阻力,通过有限元模型分析,研究了不同材料、锥形挡块锥角、外管体壁厚、摩擦系数等参数对EEA锚杆恒阻力的影响。理论结果和有限元模拟结果表明,恒阻力和锥角、外管体壁厚成线性关系,但对于摩擦系数则呈现非线性关系,这些结果可以为EEA锚杆的设计以及施工应用提供一定的理论依据。

适用于软岩大变形隧道的新型吸能锚杆及其参数优化研究

锚杆支护是解决高地应力软岩隧道、巷道等地下工程中围岩大变形问题的有效措施之一。针对传统砂浆锚杆存在的变形适应性差问题,提出了一种由锥块、光滑锚杆体、套筒、限位环、锚杆托盘及紧固螺母等组成的新型恒阻力吸能锚杆。当围岩变形时,锥块在套筒中滑动以适应围岩的大变形,并提供恒定阻力;当围岩变形量达到容许值时,锚杆转化为传统锚杆的刚性支护,依靠杆体材料提供承载力。采用数值试验的方法和室内拉伸试验的方法对新型锚杆在不同锥角、套筒壁厚和不同摩擦系数下的工作性能进行了数值试验研究,优化了新型锚杆的几何参数,对优化锚杆的性能进行了室内验证试验。数值分析和室内试验结果表明:新型锚杆在锥块锥角较小时,锚杆的载荷-位移曲线可区分为线弹性、短暂下降和恒定阻力三个阶段;在锥角较大时,曲线短暂下降段消失。新型锚杆的平均恒定阻力和吸能能力随着锚杆锥角和套筒壁厚的增加呈线性增加,在锥角角度α=15°、套筒壁厚t=5 mm、摩擦系数μ=0.20时,锚杆工作性能最佳,其平均恒定阻力可达186.32 kN,吸收能达33.4 kJ,室内试验验证了新型吸能锚杆优越的工作性能。

防冲吸能锚杆(索)的静动态力学特性与现场试验研究

针对冲击危险巷道锚杆支护结构破坏特征及冲击载荷对锚杆–围岩支护系统的特殊要求,设计研发了新型防冲吸能锚杆(索)。基于塑性弯曲理论分析了吸能锚杆(索)的吸能原理,利用自主设计的静–动加载试验系统,进行吸能锚杆(索)的静力拉伸试验与冲击拉伸试验。结果表明:吸能锚杆(索)在拉伸过程中六角管衬里被挤压变形,同时给摩擦圆柱提供滑移阻力,六角管的管壁厚度、套筒内径及摩擦圆柱直径三者的装配参数对吸能阻力具有重要影响;无论是静力拉伸还是冲击拉伸,吸能锚杆(索)的轴力–位移曲线均存在轴力初始增长、轴力平稳和轴力突增—平稳3个阶段;在轴力平稳阶段内锚杆杆体基本处于弹性状态,摩擦滑移结束后,锚杆杆体开始受力屈服;吸能结构在吸收能量的同时很好的延迟或减缓了锚杆杆体受力屈服。与普通锚杆相比,吸能锚杆(索)具有良好的"自保护性"与"冲击适应性"。现场试验表明,吸能锚杆(索)能够有效削弱冲击能对巷道围岩的作用。

岩土锚固吸能锚杆支护材料/结构及其力学性能研究进展

吸能锚杆自20世纪90年代问世以来,有效解决了岩土层的大变形和瞬时高动载荷问题,在深部软岩工程领域中发挥着重要作用。吸能锚杆的传统支护材料一般主要包括杆体、托板、螺母和锚固剂,其中杆体材料一般为圆钢和螺纹钢,在静载和动载条件下表现出了优良的材料性能;树脂锚固剂是最主要的锚固剂之一,分为慢、中、快和超快四种型号,澳大利亚与中国均成功研制了双速树脂锚固剂。目前,已有几十种吸能锚杆被研制出来,例如锥形锚杆、D形锚杆、Garford锚杆、Yield-Lok锚杆、Roofex锚杆等,这些锚杆可分为杆体可延伸型和构件可滑移型两类。例如,锥形锚杆主要依靠杆体上的锥形体在锚固剂中的滑移来吸收和转移围岩膨胀变形能; D形锚杆主要依靠杆体上桨状或波纹状的锚固单元屈服变形来吸收和转移围岩膨胀变形能; Garford锚杆和Roofex锚杆均依靠拉力载荷迫使锚杆杆体从滑移元件(套筒状,要求内径小于锚杆直径)中被挤压出,从而吸收和转移围岩膨胀变形能。对于上述吸能锚杆,其所受拉力载荷(工作阻力)随位移而变化,延伸率有限,当围岩膨胀变形能足够大时,锚杆支护系统易被冲击破坏,难以满足大变形控制要求。鉴于此,何满朝院士首次在岩土锚固领域中提出了负泊松比(NPR)材料/结构的概念,并成功研发了具有独特负泊松比效应的吸能型NPR锚杆。NPR锚杆在抗剪、抗动载荷和吸能方面比传统材料锚杆更具优势,有利于岩土锚固领域向更深部的软岩支护方向发展。随着采掘深度的不断加大,软岩体所表现出的非线性物理力学现象也更加复杂,吸能锚杆仍需在新材料和新结构、与围岩间的协调工作机制、多场耦合下的锚固机理、杆体腐蚀问题及信息智能化设计方法与工艺方面继续开展深入研究。本文分别对传统支护材料和负泊松比材料/结构吸能锚杆的材料性能、结构形式、工作原理及力学特性等进行介绍,分析了吸能锚杆面临的科学问题,并展望了其研究前景。

地下工程吸能锚杆研究现状与展望

锚杆是地下工程硐室的主体支护方式,为吸收围岩变形释放的能量,控制围岩变形,需要研发具有高恒阻力、高延伸率和高预应力的吸能锚杆。本文从吸能锚杆的研发历程、性能试验与现场应用3个方面进行了总结和分析。吸能锚杆通过结构滑移和材料变形2种方式吸收能量,按工作原理可分为结构型与材料型2种吸能锚杆。两者相比,材料型吸能锚杆结构相对简单,能够充分发挥材料力学性能。笔者团队研发了恒阻吸能新材料锚杆,开展了静力拉伸与动力冲击试验,结果表明该锚杆具备高强、高延伸率和高吸能特性,能够满足复杂条件下的围岩控制要求。未来应制定恒阻吸能锚杆的试验、设计、施工与验收标准,实现其在矿山、交通、市政、水利等不同领域地下工程中的推广和应用。

基于高强吸能锚杆支护的煤柱合理留设尺寸研究

为了提高煤炭回采效率、实现正常回采和顺利完成工作面安全接替的生产要求,针对经纺煤业3-508综放工作面25m煤柱尺寸进行优化,自主设计研发了高强稳阻吸能锚杆,并对其力学特性进行了试验研究,提出了高强稳阻支护方案,通过FLAC3D模拟不同支护方案和不同煤柱尺寸下的巷道围岩垂直应力变化、塑性区分布规律和巷道变形差异对比得出结论。研究表明:与经纺煤业现有支护方案对比,采用新型高强稳阻吸能锚杆支护技术可以提高巷道围岩的稳定性,将原有25m煤柱尺寸缩减为5~10m,减少了煤炭资源的浪费。研究结果可以为经纺煤业留设合理煤柱尺寸和巷道稳定性控制提供指导意见和科学依据。

深部软岩中新型吸能锚杆支护后的受力分析

随着矿山逐步进入深部开采,尤其是开阳磷矿红页岩等软岩矿山地应力高,导致围岩产生大变形,使得传统的螺纹锚杆在支护的效果上面临严峻的考验。在这种背景下,文章提出采用延展性比较好的吸能锚杆应对岩石大变形的问题,通过受力分析结果证明,吸能锚杆的弯曲段能提供大的延伸量,且锚杆不被破坏,可遏制围岩变形过大而破坏巷道。

多支点吸能锚杆力学性能影响因素的研究

在锚杆体设置多个旋转膨胀结构,转动锚杆体使旋转膨胀结构膨胀与锚孔壁相互挤压形成支点,配合高压注浆构成稳固的锚固段。锚固段承担荷载,而其间的自由段杆体则受拉变形,实现锚杆的多点即时支护。采用适当温度正火以及退火处理,杆体热轧成型后,整体屈服强度和断后伸长率分别提高到700MPa和20%以上,最终获得多支点高强度的柔性支护能力。

恒定法向刚度条件下吸能锚杆锚固节理岩体剪切特性试验研究

为研究深部岩体工程即恒定法向刚度(CNS)边界条件下吸能锚杆的锚固效果及锚固节理抗剪性能,开展CNS边界条件下吸能锚杆锚固类岩石节理的剪切试验,探究节理面粗糙度(JRC)及锚固深度(h)对类岩石节理剪切应力(τ)、法向位移(δ_(n))、法向应力(σ_(n))、节理面破坏特征、锚杆变形特征的影响规律。结果表明:吸能锚杆可有效提高深部岩体锚固节理的屈服强度及剪切强度,且其提高幅度随着JRC的增大呈现出逐渐增加的趋势,其剪切应力在弹性阶段后产生应力硬化现象。而节理面剪切磨损面积占比随JRC的增加逐渐增大,锚杆的施加使其上涨了20.88%~109.21%。随着锚固深度的增加,节理面的剪切应力、法向位移、法向应力和剪切磨损面积占比均呈现出先增大后减小的趋势,当锚固深度为80 mm时各项指标参数最优,此时锚杆塑性变形段的锚固作用可充分发挥。研究成果为深部节理岩体支护作业的减能增效提供了重要理论支撑。

吸能锚杆及其静动力试验方法研究综述

为解决深部隧道、巷道等地下工程开挖时面临的软岩大变形及岩爆支护问题,在过去几十年里,研究人员提出了具有不同变形吸能机制的吸能锚杆,同时提出了量化吸能锚杆静动力性能的试验方法与试验设备,取得了大量的研究成果。对现有吸能锚杆的能量吸收机制、工作性能及其静动力性能试验方法等进行总结,根据吸能锚杆的工作机理,将吸能锚杆分为材料变形型吸能锚杆和结构变形型吸能锚杆两类,系统介绍了吸能锚杆静力拉伸与动力冲击的试验方法及设备;根据不同的吸能特性及变形能力,将吸能锚杆的性能划分为低、中、高和极高四种类型,并对吸能锚杆的应用前景和研究方向进行展望和总结。

吸能支护技术在深部岩石工程中的应用

吸能支护在地下岩石工程中能够有效地防治冲击地压发生,减小突发灾害带来的人员伤亡和财产损失。文章从在实际工程运用中较为广泛的吸能支护技术进行了总结与分析,其中包括吸能锚杆的分类和吸能工作机理,O型棚的简要结构及吸能减震机理,吸能防冲支架技术的变形让位吸能特性。吸能支护能很好地对工程围岩释放的能量进行有效地吸收,维持围岩的稳定性。最后通过文献综述了以上三种吸能支护技术在实际工程中应用情况,总结了他们的优势和不足,并其未来发展方向给出了建议。

吸能防冲锚杆索-围岩耦合振动特征与防冲机理

为提高冲击危险巷道防冲支护的有效性,研发了由内置六角管衬里的吸能套筒、端部设有摩擦圆柱的螺纹钢锚杆、钢绞线锚索与锚杆尾部吸能装置组成的吸能锚杆索。将吸能锚杆索中吸能套筒的作用简化为设置在锚杆底部并联的弹簧与阻尼器,建立了吸能锚杆索-围岩在冲击载荷作用下的三维轴对称力学模型。对黏性阻尼围岩中吸能锚杆索与围岩耦合振动时锚杆顶部动力响应进行了解析研究,获得了锚杆顶部的位移阻抗函数的解析表达。结果表明:在相同频率的冲击载荷作用下,锚杆顶部位移振荡幅值随着围岩黏性阻尼、围岩强度、锚固长度以及锚杆底部阻尼的增加而衰减。采用吸能锚杆索支护时,吸能套筒能够吸收一部分作用在锚杆锚固岩体上的冲击能;后注浆全长锚固增强了支护系统抵抗纵向变形的能力;尾部吸能装置能够削减冲击波的发射拉伸作用;支护系统在冲击载荷作用下的稳定性得到显著提高。在此基础上,初步阐述了吸能锚杆索支护系统的"缓冲-抗震-消波"吸能防冲机理。

隧道工程新型吸能锚杆力学性能试验研究

本文提出一种可有效提高恒定阻力和位移能力的新型吸能锚杆,并对其进行静力拉伸试验研究。结果表明,锥角对新型锚杆的性能具有显著影响,锚杆平均恒定阻力、峰值荷载随锥角增大分别呈指数和线性函数增长;锚杆吸能值在线弹性阶段至恒定阻力阶段随位移增大呈线性相关,锥角为15°时平均恒定阻力为186.32 kN,最大吸收能为33.40 kJ,锚固和吸收效果最显著。为提高锚杆的工程可靠性,建议最大锥角取15°,外管体厚度设置为5 mm。研究成果对新型吸能锚杆应用提供一定理论指导。

新型变形协调锚杆的波形参数研究与应用

开磷集团下属矿山开拓工程进入深部掘进后,深部的红页岩采用普通锚杆喷网支护后在高地应力作用下仍出现片帮等破坏情况,为此研发了一种大变形协调形变的吸能锚杆,它可随着其支护巷道变形而协调形变,当巷道形变值达到最大时吸能锚杆弯曲段被拉直,锚杆的支护作用力迅速上升,为巷道提供最高强度的刚性支护作用力。

深部复杂地质条件下巷道支护方案优化

随着矿石开采向纵深发展以及巷道服务年限的变长,巷道围岩应力逐渐增加,巷道支护频率与难度不断加大。以深部复杂地质条件下的贵州某非金属矿巷道为背景,利用深部吸能锚杆巷道支护原理,并结合ANSYS数值模拟方法,对巷道支护方案进行了分析和优化研究。利用SWJ—Ⅳ隧道收敛计监测支护优化前后巷道表面位移,工程实际表明优化后的支护方案大大降低了巷道围岩的变形量,提高了深部复杂地质条件下巷道支护的可靠性与安全性。

磷矿山深部巷道支护应用技术研究

随着巷道埋深加大,巷道围岩应力逐渐增加,马路坪矿大部分巷道出现了严重的变形和破坏。根据三心拱巷道受地应力作用应力集中的位置主要在顶、肩、底角,通过采用吸能锚杆及其与普通锚杆混合支护方式,解决了支护难题。

天安矿20203顺槽沿空掘巷支护方案应用

为解决动载作用下沿空巷道失稳破坏严重的问题,以天安煤矿20203轨道顺槽为工程背景,通过现场调研、理论分析、工程类比等方法,探究巷道变形破坏的内在原因,据此提出沿空巷道的围岩控制原则,决定在20203轨道顺槽进行抗动载支护系统的应用试验,应用期间矿压观测结果表明抗动载支护系统有效地吸收了动载作用产生的能量,保证了巷道围岩的整体稳定,成功解决了20203轨道顺槽的支护难题。

煤矿巷道支护中使用的锚杆种类及特点分析

按照对围岩应力的适应性,煤矿使用的锚杆分为常规锚杆和吸能锚杆两大类。其中,常规锚杆主要解决受相对较低应力影响条件下的围岩不稳定问题,包括机械锚杆、粘结式锚杆和摩擦式锚杆。吸能锚杆可解决有冲击倾向性和受挤压条件下的围岩失稳问题,包括锥形锚杆、Garford锚杆、Roofex锚杆、D形锚杆、Lok屈服锚杆、可接长锚杆和横阻大变形锚杆。与常规锚杆相比,吸能锚杆的吸能效果显著,具有较高的承载能力,能适应较大围岩变形,在深井高应力复杂巷道支护中具有良好的应用前景。

静力拉伸下恒阻大变形锚索应变特征实验研究

为了揭示恒阻大变形锚索在拉伸条件下恒阻器的变形规律,提高恒阻大变形锚索现场锚固效果,采用理论分析、室内实验以及现场实践相结合的方法,研究了恒阻大变形锚索的恒阻器作为锚固段时拉伸应变特征.实验结果表明:恒阻器的变形分为轴向、圆周方向、径向3个不同方向的变形,其中轴向变形的规律为压缩-回弹-再压缩变形;圆周方向的变形规律为拉伸-回弹变形;径向的变形规律为拉伸-压缩变形.现场实践表明:在南芬露天矿边坡安装监测点时,以恒阻器为锚固段,当恒阻器发生变形会影响现场的锚固效果,且减少锚索使用寿命.在巴东染坊边坡上安装监测点时,改变恒阻大变形锚索的锚固方式,取得良好的锚固效果.

恒阻大变形锚索弹塑性力学分析

恒阻大变形(CRLD)锚索已广泛应用于许多边坡的预警和加固。为了分析恒阻大变形锚索的恒阻力,根据恒阻器的形状和尺寸,将其看作类似厚壁圆筒问题进行处理。厚壁圆筒问题不同于经典拉梅和薄壁圆筒两种问题,研究时需考虑径向应力及切应力对恒阻力的影响,为此建立三维弹塑性力学模型进行分析求解。若引入平面应变假设,则该三维解析模型回归为二维经典拉梅公式。为验证此方法的合理性,进行三组恒阻大变形锚索的拉伸实验,并将三维弹塑性模型所得恒阻力值与二维弹塑性模型及拉伸试验结果进行对比,三维弹塑性力学模型的解更接近室内实验力值,该模型可用于估算各种型号CRLD锚索的恒阻力值,并可为其优化设计提供理论支持。