恒阻吸能锚固岩体动力特性及控制机制

深部围岩动力灾害发生的本质在于围岩积聚能量的突然释放,通过锚固支护实现能量的有效吸收是围岩控制的常用手段,也是围岩动力灾害控制的关键。锚固岩体动力特性及控制机制研究是锚固支护合理设计的前提。基于此,研发了新型高强、高延伸率、高吸能特性恒阻吸能支护材料,开展了恒阻吸能锚固岩体动力试验,分析了锚固岩体的动力学响应特征与能量演化规律。结果表明,与无锚岩体相比,恒阻吸能锚固岩体表面损伤率和体积损伤率分别降低了62.1%和93.1%,中粒、细粒和微粒岩爆碎屑质量减少均在90%以上,总能量、平均能量和最大能量分别降低了87.6%、82.9%、80.3%,岩爆峰值应力增加了54.2%,岩爆时间延后了140.2%。同时对恒阻吸能支护构件的强度、吸能能力、剪切偏移等特征进行了分析,恒阻吸能材料的强度、形变和吸能安全储备率分别为38.8%、94.0%、97.9%,安全性好。试件上端和下端支护构件的上下总偏移量分别为0.886、0.403 mm,岩爆锚固控制应考虑围岩的剪切作用。基于岩爆能量计算模型,研究了岩爆峰值应力与能量释放的规律,明确了预应力锚固支护对岩爆的控制机制。恒阻吸能锚固使岩体岩爆的峰值应力从单轴抗压强度的1.6倍增加到2.5倍,加锚岩体岩爆所需能量是无锚岩体的2.3倍,预应力锚固支护有效降低了岩爆发生的风险。在上述研究基础上,从监测预警、控制方法、支护设计、效果评价等方面提出了岩爆防控的工程建议。

恒阻吸能材料及锚固体力学特性研究与应用

锚固支护作为地下工程围岩控制的主体,与围岩联合承载形成锚固体,共同抵抗动力灾害释放的能量。传统锚杆(索)支护强度、延伸率不足,在抵抗动力灾害时易破断失效。恒阻吸能材料是一种具有高强、高延伸的新型支护材料。为明确恒阻吸能新材料及其锚固体的力学特性,本文开展了恒阻吸能支护材料与现场常用支护材料MG335、MG500的静力拉伸与动力冲击试验。在此基础上,对MG335、MG500与恒阻吸能支护材料锚固下的岩体开展了霍普金森冲击对比试验,研究了高速冲击下锚固体的变形破坏特征。相比于MG335、MG500锚固体,通过霍普金森冲击试验得到恒阻汲能锚固体的峰值应力提高了42.2%与63.9%,所能吸收的动力冲击能量提高了42.0%与63.2%。恒阻吸能支护技术能够增强锚固体的抗冲承载能力与吸能能力。结合上述试验成果,提出了强扰动下围岩恒阻吸能支护的工程建议,并在千米冲击地压矿井中应用。

巨厚煤层三软回采巷道恒阻让压互补支护研究

针对沈阳清水煤矿第三系巨厚大地压软围岩煤层回采巷道开掘后支护失效严重、围岩大变形及4次返修无法稳定的现象,分析围岩塑性流变、非对称变形破坏、支护体与围岩大变形不协调等变形力学机制。提出采用恒阻大变形锚杆初次支护,在恒阻力作用下保护锚固体的承载力,通过恒阻锚杆的延伸多次释放变形能,将集中应力转移到深部,调动深部围岩承载能力,形成稳定的塑性承载圈;然后针对回采巷道变形特点采用顶板加强、两帮让压、底角加固的二次互补加强支护,形成适应三软巷道变形特征的围岩–支护协同承载体,将围岩变形速率控制在合理范围。基于该方法下提出的锚索+恒阻大变形锚杆+钢带+底角锚注联合支护设计,在该矿南二采区205工作面运输顺槽中使用后,顶板下沉降低75%,两帮收缩减小60%,底臌减小42%,巷道支护状况得到明显改善。实践证明,恒阻让压互补支护系统可有效控制三软巷道围岩稳定。

不同冲击波长下恒阻大变形锚杆动力学特性研究

利用改进的霍普金森冲击拉伸实验系统,研究了恒阻大变形锚杆(CRLD锚杆)在三种不同冲击波长(0.6、1.0和1.4 m)下的力学性能,并与传统强高度锚杆的抗冲击特性进行了比较。同时,通过LS-DYNA进行数值分析并与实验结果相互验证。结果表明:冲击能量相同,冲击波长与冲击力峰值、伸长量峰值呈负相关。传统高强度锚杆每次冲击后都没有明显的伸长,直至发生没有征兆的“脆断”,而CRLD锚杆在冲击过程中产生较为明显的伸长量,不会发生脆性断裂等现象,说明传统高强度锚杆在受到动力冲击时更容易发生失效,CRLD锚杆由于输出结构变形,减弱了冲击力的作用。

三软煤层回采巷道恒阻让压支护技术

为解决第三系地层三软煤层回采巷道在掘进及回采期间围岩变形量大、难以支护的问题、多次返修后仍无法实现稳定等问题,分析了巷道变形破坏的特征和机理,指出了巷道围岩抗压强度低、遇水膨胀、受动压影响,以及传统支护材料无法适应围岩大变形而产生破断是巷道产生变形破坏的主要原因。提出了采用以新型恒阻大变形锚杆(锚索)为主体的恒阻让压支护技术,南二采区205工作面运输巷应用结果表明:采用恒阻让压支护技术后巷道最大底鼓量为350 mm左右,在其允许变形的范围内,顶板最大下沉量为200 mm左右,巷道整体变形量较原支护大幅减小,该支护技术有效地解决了三软煤层回采巷道变形量大的问题。

恒阻吸能锚杆力学特性与工程应用

地下工程面临大量高应力、极软岩等复杂条件,导致围岩应力集中、能量积聚,易发生围岩大变形。高强度、高预紧力、高延伸率以及高吸能特性的锚杆支护是大变形围岩的有效支护方式。传统锚杆支护存在强度低、延伸率不足等问题,支护体系易发生破断。基于此,自主研发了具有高强、高延伸率特性、可施加高预紧力的恒阻吸能锚杆,开展了新型锚杆、普通锚杆与恒阻大变形锚杆的静力拉伸与动力冲击对比试验。结果表明,在静力学性能方面,新型锚杆的屈服强度和破断强度分别为普通锚杆的2.06和1.62倍以上,具有高强、恒阻的力学特性。新型锚杆的最大力延伸率和断后延伸率分别是普通锚杆的1.52和1.26倍以上,单位长度吸收的能量是普通锚杆的3.05倍,具有高延伸率、高吸能特性。在动力学性能方面,新型锚杆的单次冲击平均位移量相比普通锚杆降低了47.0%,延伸率是普通锚杆的1.53倍,单位长度吸收的能量是普通锚杆的2.77倍,表明新型恒阻吸能锚杆具有良好的抗冲击能力和整体变形能力。恒阻吸能锚杆具有高强、高延伸率、高吸能特性,提出了恒阻吸能锚杆支护思路,并将新型锚杆在大断面隧道和深部高应力矿井现场进行了应用,现场监测结果表明,采用恒阻吸能锚杆的支护方式能够有效控制围岩变形。

基于恒阻大变形锚索的滑坡监测预警系统研发及应用

随着人类建设活动的日益频繁,天然边坡人工扰动诱发的滑坡灾害逐渐增多,已经严重威胁到人员和工程构筑物的安全与稳定,滑坡监测变得越来越重要。介绍了一种经过改进后的滑坡监测预警系统,该装置基于北斗卫星和通用分组无线服务技术(GPRS)双路通讯平台,采用zigbee技术构建多跳自组织无线传感器网络,利用具有能量吸收特性的恒阻大变形锚索替换原来的常规锚索作为传力装置,保证边坡岩体变形2 m锚索不被拉断,实现了对大变形滑坡灾害的全过程监测预警目标。另外,按照红、橙、黄、蓝4个颜色等级,建立了临滑、近滑、次稳定和稳定4级预警准则,并开发出3D自动搜索和处理软件系统,嵌入监测区地形地貌遥感图、地质断面图、监测点分布图等矢量地图,具有自动搜索、监测数据智能处理、监测曲线自动显示和监测信息快速查询等功能。该系统已在南芬露天铁矿推广应用,根据预警准则成功对2011年10月5日发生的滑坡灾害提前5 d发出预警信息,并结合降雨量和累计采矿量监测数据,耦合对比分析滑坡前、后各参数的演变特征,证明滑动力监测参数是滑坡超前预警的惟一有效参数。该系统的成功应用为其他类似边坡的超前监测预警提供了理论和实践依据。

巷道围岩最优恒阻支护计算方法

根据岩石和围岩的蠕变机理以及岩石流变控制原则,在实验研究的基础上,提出了新的岩石稳定蠕变准则,并建立起一个岩石最优恒阻支护计算方法。用这一计算方法能求出岩石恒阻支护的重要技术参数,即最优(小)恒阻支护力、围岩最大允许变形量、恒阻U型钢支架的截面积、联接螺栓的预紧力和直径及最优支护力的拧紧力矩。按最优恒阻支护计算方法设计巷道支护,可以达到经济且安全的最佳支护效果。文中应用了课题组近期岩石流变实验研究的结果:应力偏量第三不变量对岩石蠕变影响显著;岩石侧向蠕变的应力阀值比轴向蠕变应力阀值低20%～40%。这些结果的应用使巷道岩石支护的设计更趋于安全。

隧道新型恒阻让压装置的工作机制研究

恒阻让压支护是挤压大变形隧道的大变形控制中较为理想的支护形式,现有技术在高承载力、大变形量及荷载稳定3个方面尚难统一。针对这一难题,受启发于金属拉拔工艺,结合钢拱架支护受力特点,自主研发了拉压转换恒阻让压装置,论述了其工作原理,分析了其力学响应规律与特征,并通过室内试验和数值模拟,对其设计参数的影响规律进行了分析,确定了拉压转换恒阻让压装置性能衡量指标。分析表明:(1)拉压转换恒阻让压装置可在压力条件下恒阻变形,将其安装于钢拱架分段接头处,与钢拱架嵌合为一体,即可保证钢拱架的稳定性,提高钢拱架的大变形适应能力,也可为围岩提供恒定的支护力;(2)基于锥角、摩擦系数、让压杆截面收缩率和直径4个设计参数,该装置可实现让压恒阻力和让压量可控,且其荷载稳定性好,可为软岩隧道大变形及支护稳定控制提供重要技术支撑。

恒阻大变形锚杆负泊松比效应的冲击动力学分析

随着煤矿开采深度的不断增加,深部围岩的瞬时冲击明显增多,且荷载大小往往超过传统泊松比支护材料的屈服强度致使支护失效。而具有高支护阻力和大拉伸量的新型恒阻大变形锚杆已在静力作用下验证了其具有负泊松比效应,能良好的满足井下巷道冲击大变形控制的需求。为了研究恒阻大变形锚杆在动态冲击下的防冲力学特性,通过自主研发的恒阻大变形锚杆霍普金森拉杆冲击拉伸实验系统对某批次恒阻大变形锚杆进行了动态冲击拉伸实验。实验结果表明该锚杆能够保持恒定阻力产生结构变形来吸收冲击能量,并表现出了良好的负泊松比效应,进而验证了恒阻大变形锚杆比传统锚杆具有更好的动态防冲性能。

恒阻锚杆支护机理数值分析

为了研究恒阻锚杆的拉伸力学性能,采用RFPA软件对恒阻锚杆进行拉伸数值试验,试验结果表明,恒阻锚杆拉伸断裂后塑性应变最大值是弹性应变最大值的12倍,并且在塑性变形过程中应力值在28.01~38.71MPa范围内波动,且波动较为稳定,数值试验结果与何满潮院士室内试验结果吻合度较高,验证了数值试验方法的准确性和可靠性。以此为依据,进一步采用数值试验方法研究荷载作用下恒阻锚杆和围岩相互作用原理,分析锚固岩体的受力特征和变形破坏特征,并对比分析传统锚杆和恒阻锚杆的支护效果,通过对比分析可知,恒阻锚杆的支护效果优于传统锚杆,为易发生大变形破坏的软岩及冲击地压控制提供了有效途径。

不同冲击速率下恒阻大变形锚杆动力学特性分析

为了研究恒阻大变形锚杆的动态力学特性,基于恒阻大变形锚杆冲击拉伸试验系统对锚杆进行动力学试验,分析了锚杆在不同速率冲击时的受力和变形等力学特性,采用CAD/CAE多软件集成有限元分析方法,对锚杆在经受冲击时的工作状态进行了数值模拟,并简要介绍了唐口矿工程监测试验的相关结果。室内外试验结果表明:恒阻大变形锚杆承受的冲击力与外界瞬时冲击力呈明显的正比关系,且锚杆变形过程是弹性—塑性,验证了恒阻大变形锚杆具有高恒阻值、大变形量和负泊松比效应的特点。数值模拟与室内试验结果吻合,这不仅体现了有限元分析方法的准确性,也表明运用有限元分析来佐证或替代部分室内试验的可行性。

双根并联恒阻大变形锚杆吸收冲击能量研究

为了研究恒阻大变形锚杆在动力冲击作用下的吸能规律,开展了双根并联恒阻大变形锚杆动态冲击拉伸实验。实验结果表明:随着冲击速度的增加,恒阻大变形锚杆的工作阻力和伸长量均越来越大,恒阻大变形锚杆伸长单位长度吸收的能量增加。双根并联恒阻大变形锚杆冲击力时程曲线可见两个峰值,第二个峰值总是小于第一个峰值,即当多个恒阻大变形锚杆并联工作时,其冲击力响应水平是逐个衰减,能够有效缓解冲击效应。同时,采用红外热成像法对恒阻大变形锚杆和普通锚杆冲击过程中的温度场变化进行监测,对比研究二者吸能特性,实验表明,与普通锚杆相比,恒阻大变形锚杆吸能效果更好,更利于巷道防冲支护。

恒阻大变形锚索与单体液压支架的综合支护性能研究

为确保掘进巷道施工的合理性,对恒阻大变形锚索和单体液压支架的力学特性进行了现场测试,并对综合支护效果进行了数值模拟。研究结果表明:恒阻大变形锚索与单体液压支架的支护效果良好,在施工成本允许的前提下,增大切顶高度和切顶角度、加固锚索,可有效降低巷道的应力峰值,改善应力集中现象。

矿用立柱恒阻让位防冲装置的设计及其特性分析

为提高立柱的抗冲击力学性能,设计了一种由接头、卡箍、吸能构件套、吸能构件和销钉构成的矿用立柱恒阻让位防冲装置,并根据立柱国标确定了防冲装置的承载力,给出了防冲装置工作原理及防冲原理。对常规立柱和安装防冲装置立柱在冲击载荷作用下的变形和受力进行了对比分析,得出在相同冲击载荷作用下,防冲立柱变形大大小于常规立柱变形,吸能防冲构件变形阶段能有效降低立柱承受的冲击力。防冲装置可方便安装于现有常规立柱上,防冲装置的使用大大增强了立柱的抗冲击性能。此恒阻让位防冲装置也可用于汽车、航空航天工业、高速公路安全防护等领域。

矿山恒阻大变形抗滑缆索静力拉伸特性实验

在抵抗岩体冲击、剪切和能量吸收等诸多方面,具有负泊松比效应的材料比传统意义下的泊松比材料表现出更为优异的性能。因此,针对普通锚索无法抵抗矿山滑坡大变形灾害而发生锚索拉断等问题,研发了具有负泊松比效应的恒阻大变形监测锚索,该缆索集监测-预警-控制功能于一体,具有高恒阻、大变形、超强吸能等特性,已经成功应用于矿山滑坡灾害监控领域。通过现场静力拉拔试验,对3种不同规格恒阻大变形缆索的轴向变形、径向变形和恒阻力进行连续测量,试验结果证明3种不同规格的恒阻大变形监测缆索均具有恒阻吸能特性,当恒阻值分别达到200、500和850 k N时,最大变形量可达2 000 mm,填补了国内外大变形缆索的研究空白。

恒阻式单体机械支柱

介绍了恒阻式单体机械支柱的结构、工作原理、技术参数及特点。

坚硬厚层顶板切顶卸压自成巷恒阻锚索支护应用

为了控制塔山煤矿8304工作面在切顶卸压过程中巷道顶板的下沉变形现象,保证成巷过程及巷道二次复用期间顶板围岩的稳定性,在预留巷道顶板原支护的基础上采用恒阻大变形锚索对顶板进行补强支护。运用理论计算并结合现场实际条件,选用长度为9. 3m,支护密度0. 8根/m^2的恒阻大变形锚索加固顶板。现场应用结果表明:巷道顶板下沉量较小,成巷效果良好,可以满足复用生产要求,说明恒阻大变形锚索能很好适应切顶卸压自成巷对巷道顶板的变形影响,也为其他类似条件下沿空留巷顶板支护提供一定参考。

相似材料模拟实验恒阻支架仿真控制系统

相似材料模拟实验是煤矿开采实验研究不可替代的实验手段,实验中模拟支架的力学特性相似性是影响模拟实验是否准确的重要因素.目前模拟支架力学特性都是急增阻式,其模拟结论与实际存在较大的误差.为了使实验模拟支架与原型支架力学特性相似,在力学特性上到达恒阻的目的,开发了恒阻支架仿真控制系统.通过南梁煤矿综采“支架-围岩”关系模拟实验的应用,体现了该系统的优越性,该系统的完善将促进相似材料模拟实验水平的提高.