韧性锚杆对边坡支护作用的模型试验研究

滑坡是世界上分布最广、危害最严重的地质灾害类型。降雨等因素作用下滑坡沿着滑动面发生剪切大变形,造成抗滑结构发生剪切破坏,然而目前抗滑结构设计未能充分考虑滑坡剪切大变形的静态、刚性设计,亟需开展滑坡-韧性锚固体系演化机理的深入研究。本文基于塑性变形理论提出了一种韧性锚固结构,建立了其力学模型,并以开挖后种蜂场滑坡为原型,设计了模型试验,对比分析了有无锚杆加固下边坡体变形、土压力等多源数据变化规律,结果发现:(1)韧性锚杆加固作用下边坡内测点侧向应力分布与曲线形态发生显著变化,边坡抗滑力增大了20%。(2)边坡剪切大变形过程中,韧性锚杆轴力呈周期性变化,与理论相符。(3)韧性锚杆明显减少了边坡位移及变形破坏范围,滑动范围减少了约25%。

高冲击韧性锚杆(索)研制及应用

为解决深部冲击地压巷道锚杆(索)在高静载和动载下的破断失效问题,分析了我国典型冲击地压矿井锚杆(索)破断情况,并研制了高冲击韧性锚杆(索),测试了高冲击韧性锚杆(索)的力学性能,选择典型巷道进行了工业性试验,试验结果表明,高冲击韧性锚杆(索)既具有高的静载载荷,还具有高的抗冲击性能。高冲击韧性锚杆屈服强度700 MPa,破断强度850 MPa,断后延伸率大于20%,冲击吸收功大于100 J;高冲击韧性锚索,直径21.8 mm,结构1×19股,锚索强度大于1 770 MPa,延伸率为8.0%。工业性试验段多次发生大能量冲击事件,高冲击韧性锚杆未出现动载破断的现象,且该区域顶板下沉量和巷帮移近量明显较小,保证了支护系统的安全可靠。

高冲击韧性锚杆吸能减冲原理及应用研究

为解决深部冲击地压巷道围岩冲击破坏难题,分析了冲击载荷下冲击地压巷道围岩破坏特征,揭示出冲击地压对支护结构破坏的本质是冲击载荷劣化锚杆杆体力学性能、撕裂护表金属网及降低锚固系统锚固性能。针对冲击地压巷道围岩失稳破坏机理,研发了600 MPa级高冲击韧性强力锚杆,高冲击韧性锚杆破断强度达到850 MPa,吸能能力和瞬时延伸率分别是普通锚杆的1.32倍和1.33倍。高韧性锚杆通过提高支护系统的强度、吸能特性使支护结构与围岩协调变形吸能减冲,大幅度提高支护系统抗冲击性能,通过支护系统吸收冲击地压释放的能量,降低剩余能量对巷道围岩的破坏效应。研究成果在义马矿区常村矿进行了井下试验,高冲击韧性锚杆支护系统经受多次大能量冲击载荷后,锚杆和锚索受力呈现锯齿状波动特征,支护结构有效控制了冲击地压巷道的变形破坏。

深部回采巷道锚杆(索)防冲吸能机理与实践

为解决深部冲击地压巷道大变形、支护体失效破断难题,以义马常村煤矿21220下巷典型冲击地压巷道为试验现场,采用井下调查、室内试验及理论分析等相结合的方法,分析了冲击载荷下巷道围岩变形破坏机制、高冲击韧性锚杆(索)防冲吸能机理及其应用效果。结果表明:深部回采巷道易冲击大变形的主要原因在于高叠加集中应力,使厚层坚硬岩层释放高积聚弹性能,而现有支护结构强度低、吸能特性差及无法协同防冲,导致支护结构各个被击破而失效;与传统支护材料相比,高冲击韧性锚杆(索)强度高、吸能能力强,合理布置锚杆(索)支护参数可提高其协同防冲的工作区间,通过支护系统吸收冲击地压释放的能量,降低剩余能量对巷道围岩的破坏效应。研究成果在井下进行了工业性试验,试验结果表明:新开发的高冲击韧性锚杆破断载荷342 kN,冲击吸收功166 J,高强锚索破断强度1770 MPa,伸长率8%,高强金属网静载荷承载能力15.7 kN,单位面积吸收能量达到2.2 kJ/m2。冲击载荷作用下,锚杆和锚索分别在各自安全可靠工作区间内承载,锚杆和锚索轴力呈锯齿状波动,但高冲击韧性支护材料均未出现脆性断裂失效。巷道两帮移近量500 mm,顶板下沉量100 mm,底臌量500 mm,高冲击韧性支护系统大幅度降低了冲击地压巷道围岩变形量,提高了围岩抗冲击能力,支护结构对冲击能量缓冲效果好,有效控制了冲击地压巷道的失稳破坏。