预应力锚杆弹性波检测的激振波及其传播规律研究

由于预应力的影响,煤矿预应力锚杆的振动特性与非预应力锚杆截然不同,通过理论分析、数值模拟和现场实测,分析了预应力锚杆弹性波检测的激振及其振动特性.采用理论分析和数值模拟方法分析了预应力锚杆锚固体波速的影响因素,得出了锚固体波速计算公式;并分析了激振应力波在预应力锚固系统内的传播规律.预应力和锚固体黏结强度大小不仅影响反...     

锚杆锚固力无损检测的数值模拟

为了验证锚固力计算关系式的实用性,分别从时域和频域2个方面分析了应力波在锚固锚杆中传播特性,结合锚固力计算关系式得出锚固力,并进行不同工作荷载下锚杆拉出位移的数值模拟得出锚固力,最后通过对比两者得出的锚固力数值,得出如下结论:预应力可以增大首波过后的应力波峰值,当峰值过大时,会影响锚固起始位置的识别;随着工作荷载增大到一定程度,锚杆锚固质量开始受损,锚固力降低,必须精准控制锚杆预应力;无损检测锚杆锚固力具有实用意义。     

深部大断面硐室动静载作用下锚固承载结构稳定机理研究

针对动载扰动条件下深部大断面硐室围岩锚固支护结构稳定性差、支护设计不合理等问题,以新巨龙煤矿井下煤矸分离大断面硐室为例,采用现场调研、理论分析和室内试验等手段,研究在深部冲击应力与高围岩应力叠加构成的复杂应力环境下大断面硐室围岩锚固支护结构损伤演化特征,构建动静载荷作用下深部大断面硐室围岩锚固承载结构损伤演化模型,获得深部大断面硐室围岩锚固支护结构破坏机理并对深部大断面硐室的围岩锚固支护设计提出合理建议。结果表明:1)深部冲击应力与高围岩应力叠加是大断面硐室围岩变形破坏的主要原因,在受到强动载冲击时,深部大断面硐室顶板、两帮锚杆(索)受损严重,很容易造成顶板大面积垮塌及帮部煤体突出;2)通过室内SHPB动态冲击试验获得了动静载组合作用下,加锚试件的强度和峰后回弹斜率均随着动态应变率的增大而升高,加锚试件对动载冲击能量的耗散能占比与动态应变率呈现出正相关的特性,锚固界面(锚固剂/锚杆、锚固剂/岩体)的黏结程度在锚固体对应力波能量耗散过程中起到了关键作用;3)深部大断面硐室锚固承载结构的失稳破坏是由于动载作用下硐室围岩、锚固剂和锚杆三者之间不协同变形造成的剪切滑移及锚固体受动载压缩变形导致的。提高硐室围岩、锚固剂和锚杆的抗滑移特性,增加锚固密度提高抗压缩变形能力可有效降低动载应力波对深部大断面硐室围岩支护结构的影响。研究成果对井下永久硐室及巷道的加固工程具有一定的理论指导和借鉴意义。     

锚固硐室在爆炸波作用下的损伤机理

以连续介质力学与损伤力学为基础,建立岩石的拉压动态损伤本构模型,并将此模型嵌入非线性有限元程序LS-dyna中,对锚固硐室抗爆的拉压损伤问题进行模拟。模拟与模型实验结果基本一致,验证了其合理性与正确性。结果表明：锚杆对抗爆加固硐室具有积极作用,锚杆改变损伤发展方向和抑制裂纹的产生,使爆炸波无法穿过密集锚杆在硐室拱部形成损伤,并提高了硐室的抗拉强度。     

基于FLAC3D对不同荷载下锚杆锚固作用机制的数值模拟

以某铜矿为研究背景,通过室内剪切试验、点荷载试验获取岩体物理力学基本参数,用FLAC~(3D)有限元软件对锚杆锚固作用机制进行数值模拟,探究锚固体与锚杆周围应力分布规律,以及锚杆在不同条件下锚固体应力分布情况。数值模拟结果表明:得出了锚杆锚固力、剪应力沿内锚固长度的分布规律,为合理设计锚固长度提供一定的理论依据。通过对锚杆—注浆体—围岩体之间界面的数值模拟获得界面上的应力分布规律及其最大承载力。研究结果不仅有助于了解加锚岩体的力学性能,也可以为设计可靠有效的岩体锚固方案提供有利的试验数据和理论基础。     

爆炸载荷下邻近硐室迎爆侧原先裂纹扩展机理研究

为探究爆炸载荷下邻近硐室迎爆侧围岩中原先裂纹的扩展机理,采用动态焦散线方法进行了试验研究.研究发现:爆炸载荷作用下,裂纹动态断裂韧度与硐室自由面和裂纹倾角无关,但硐室自由面的存在使预制裂纹的起始扩展时间提前;迎爆侧围岩中预制裂纹的扩展方向与硐室自由面、炮孔处诱发主裂纹扩展方向以及硐室围岩应力分布特征有很大关联.预制裂纹扩展初期,由于自由面反射拉伸波的作用,裂纹近似竖向扩展;裂纹扩展中期,炮孔诱发主裂纹对应力波能释放的导向性改变了预制裂纹周边应力场,使裂纹扩展方向与主裂纹扩展方向基本平行;裂纹扩展后期,受邻近硐室自由面应力分布特征影响,裂纹扩展方向偏向于拱形部位,并最终与拱形部位贯穿.结合LS-DYNA软件,分析了爆炸载荷下邻近硐室围岩应力分布特征,从迎爆侧底角到起拱点再到拱顶,有效应力表现为先减小后增大再减小的规律.其中,极大值点位于底角、起拱点和拱顶之间位置,极小值点位于直墙位置,最终导致预制裂纹往往止裂于拱顶与起拱点之间的某一位置.     

灵湖金矿巷道围岩变形破坏及锚杆支护数值模拟分析

通过现场地质调查和监测,确立灵湖金矿330工程450巷道围岩体地质模型,查明硐室在受低地应力状态下的围岩等级,巷道围岩变形破坏程度及松动圈范围。针对硐顶掉(落)石块典型破坏类型,采用离散元UDEC软件进行数值模拟分析,反演硐室开挖后应力重分布,顶板产生拉应力区,导致围岩体发生变形破坏的过程和力学机制,并采取预应力锚杆支护措施稳固失稳岩体。     

GFRP锚杆无损检测应力波频率的选择

锚固工程属于隐蔽工程,为能够掌握锚杆的锚固质量以及损伤情况,可采用无损检测技术对锚杆的锚固情况进行检测分析,来判断锚杆的完整性以及锚固工程的可靠性,应力波检测法是无损检测技术的一种方法。目前,锚杆的应力波无损检测技术的研究大多是针对金属材质的锚杆,而对非金属材质的锚杆研究较少,采用FLAC~(3D)对玻璃钢(GFRP)锚杆进行无损检测数值模拟,利用该软件在非线性动力学分析上的优势,建立计算模型,记录锚固系统在不同频率下的速度时程曲线,分析了应力波在不同频率下的传播特性以及衰减规律。根据固结波速的衰减速率得出结论:玻璃钢锚杆无损检测理想应力波激发频率在30~40 k Hz范围内。     

顶爆下锚固硐室拱顶变形与加速度响应模型试验

若地下硐室拱顶的变形或加速度过大,其围岩就会因此而破坏或不稳定。为了探索锚固硐室拱顶变形与加速度对爆炸荷载的响应规律,开展了室内顶爆模型试验研究。根据Froude相似原理,对顶爆试验进行了设计,对开挖硐室围岩采用不同锚固参数锚杆进行了加固。通过测定硐室拱顶变形与加速度波形曲线及其峰值,比较了不同锚固参数硐室拱顶变形、加速度及其最终破坏形态特征的差异性。结果表明,在爆炸荷载作用下,当硐室拱顶的环向应变、加速度波形处于正峰值时,拱顶曲率减小,围岩产生拉伸变形;锚杆间距比其长度对硐室拱顶变形的影响大;当锚杆的长度增大到一定程度时,对拱顶变形和加速度减小的作用并不明显,反而增大了拱顶加速度;当锚杆长度相同时,疏锚杆硐室拱顶出现了下沉、纵横向裂缝和掉块;当锚杆间距相同时,短密锚杆硐室拱顶仅出现了裂缝,但偏离了纵向方向,而长密锚杆硐室拱顶的变形相对较小,仅产生纵向直裂缝;拱脚加长硐室拱顶的变形比疏锚杆硐室小一个数量级,且其拱顶加速度相对较小,故采用这种加固方式有利于维护拱顶稳定。综合比较变形、加速度对硐室拱顶稳定性的影响发现,前者大小能在一定程度上可以作为判定影响拱顶稳定性的关键指标,而后者只能视作辅助性指标。     

锚杆锚固系统在瞬态激励下的动态响应特性

在考虑内外黏性阻力和底端岩层刚度的条件下,建立了端锚锚杆的纵向振动理论模型,求解得到了不同边界条件下端锚锚杆在瞬态敲击下的加速度动态响应,并基于该理论模型对影响锚杆锚固质量的参数进行了分析.最后将理论和数值模拟结果与实验进行对比,三者吻合较好,从而验证了理论模型和数值计算结果能较准确地反映锚固锚杆的振动特性和弹性波的传播规律.     

磁致伸缩扭转导波在纤维增强塑料锚杆中的应用

针对电磁超声信号信噪比低、回波特征不明显的问题,本文对磁致伸缩扭转导波特性进行了分析,扭转导波非频散适合信号处理,且在传播过程中能量衰减较小。利用ANSYS有限元仿真软件分析了扭转导播在纤维增强塑料(FRP)锚杆内的位移、功率流特性;搭建了物理实验平台,在FRP锚杆内激励和接收磁致伸缩扭转导波信号,对采集到的回波信号进行CEEMD-LMS算法滤波;实验数据验证了数值分析结果的有效性。结果表明:磁致伸缩扭转导波在FRP锚杆内的传播功率趋向于表面,适用于FRP锚杆表面缺陷检测;经CEEMD-LMS滤波算法处理后的磁致伸缩导波信号信噪比得到提升;磁致伸缩扭转导波技术可对有周向缺陷的FRP锚杆长度、缺陷位置进行识别。     

树脂锚杆锚固性能及影响因素分析

采用理论分析、实验室试验、数值模拟及井下实测相结合的方法对树脂锚杆锚固性能及影响因素进行研究。理论分析了锚杆在拉拔与全长锚固状态下的应力分布特征;在实验室进行了不同形状锚杆、不同钻孔直径下锚杆拉拔力试验,得出了锚杆形状、孔径差对锚杆拉拔力的影响程度;测试了不同模拟钻孔温度、淋水量下锚杆的拉拔力,得出了温度、淋水量与锚杆拉拔力之间的关系。采用有限差分数值模拟软件FLAC3D,计算了不同杆体形状、孔径差、居中度及不同围岩强度下锚固剂、围岩中的剪应力大小,分析了诸因素对剪应力分布的影响,得出了不同条件下剪应力分布特征。在平庄风水沟煤矿井下进行了软岩可锚性试验,实测了软岩不同含水状态下锚杆、锚索拉拔力。最后,提出改进树脂锚杆锚固性能、提高锚固力的建议。     

温度对树脂锚杆锚固性能影响研究

为了分析在靠近自燃发火区的巷道进行锚杆支护时,树脂锚杆锚固力降低的现象,采用实验室试验和数值模拟相结合的方法进行了温度对树脂锚杆锚固性能的影响研究。不同温度下树脂锚杆拉拔试验结果表明:温度对树脂锚杆锚固性能影响比较大,温度为25℃时树脂锚杆锚固力最大,随着模拟钻孔温度的升高,树脂锚杆锚固力呈现明显递减规律;运用FLAC3D有限差分程序对单根锚杆支护小范围锚固系统的数值模拟结果表明:岩体应力场与温度场之间存在一定程度上的耦合作用,在相同外载荷作用下,热源温度不同,岩体应力分布状态也不同。在上述研究基础上,指出温度变化对岩体物理力学性质以及树脂锚固剂固化反应过程都会产生一定的影响,并提出了不同温度环境下保证锚杆支护效果的技术途径。     

邻近爆破下不同形状巷道围岩裂纹扩展规律

为了解巷道断面形状对爆炸载荷下邻近巷道围岩裂纹扩展规律的影响,采用模型试验和扩展有限元(XFEM)方法展开详细研究。试验研究表明:爆炸载荷下,当原有裂纹扩展通过邻近巷道围岩原有裂纹尖端影响区、应力波传播过程产生的环向拉伸区和自由面反射波影响区时,扩展方向有所不同;巷道断面形状主要影响原有裂纹后期扩展方向,巷道断面形状不同,自由面反射拉伸波的拉伸应力方向不同;由于拉伸应力方向一般垂直于自由面,直墙拱形巷道和圆形巷道围岩中原有裂纹扩展后期偏转向弧形自由面切向方向,近似"层裂"现象扩展;矩形巷道围岩原有裂纹扩展方向与直墙反射波拉伸应力作用方向平行,裂纹扩展不受影响,仍沿近似水平方向与自由面贯穿。     

破碎矿岩预应力全长锚固数值分析

中色集团卢安夏铜业公司巴鲁巴铜矿下盘凿岩巷道矿岩破碎,易风化垮塌,遇水易泥化崩解。普通注浆锚杆无法满足此处巷道稳固性要求,考虑使用预应力锚杆,给围岩提供主动支护。利用FLAC^3D软件对开挖和支护过程进行模拟。分析并比较了全长锚固的预应力注浆锚杆和普通注浆锚杆在控制巷道变形中的不同力学原理。模拟显示,预应力注浆锚杆能够减少巷道顶板沉降量达10 mm以上,相比普通注浆锚杆,提高了近2倍。因此,在矿岩破碎带,采用预应力注浆锚杆维护巷道稳定性是有效的也是必要的。为了达到更好的支护效果,还需对巷道顶板和边墙喷射混凝土,形成喷锚联合支护。     

巷道注浆技术研究应用

以大淑村矿东三大巷修复为例,从提高围岩整体结构强度的角度出发,提出了在原支护条件下对被保护巷道进行注浆加固的方案。对锚注工艺的流程、材料设备、施工措施作了详尽的论述,并用数值模拟软件UDEC模拟分析注浆技术的关键因数。研究水泥浆液比例与注浆压力对浆液扩散范围的影响。从现场实践的效果来看,注浆技术的采用提高了浅部岩体的围岩强度,改善了力学性能,从而使巷道在采用锚索支护时,能够显著提高锚索的锚固力,形成有效的承载结构。     

爆炸荷载对邻近巷道背爆侧裂纹的影响规律

为了探究爆炸应力波对邻近巷道背爆侧隐性裂纹的影响规律,采用爆炸加载透射式动态焦散线系统,进行了试验研究。试验结果表明:在爆炸荷载作用下,邻近巷道围岩中存在裂纹缺陷的背爆侧也成为主要扰动区,且扰动大小与裂纹距巷道距离和裂纹长度有关;当裂纹长度为5 mm,裂纹与巷道间距分别为2,3,4和5 mm时,裂纹扩展过程中动态应力强度因子变化曲线呈现相似的规律,即当裂纹与巷道贯穿后快速增大到第1峰值,然后在峰值上下持续振荡一段时间后减小到0,所不同的是,在峰值上下振荡性变化的持续时间和期间的最大值逐渐减小,最大值依次为1.651,1.572,1.419和1.346 MN/m3/2,这决定了裂纹远端的最终扩展位移对应为25.197,16.378,10.236和5.984 mm,呈逐渐减小的规律;裂纹与巷道间距的存在不仅对裂纹的扩展有一定的延迟作用,而且削弱了作用于裂纹远端的应力波能,并且这种延迟和削弱作用随裂纹与巷道间距的增大逐渐增强。     

赵庄二号井回采巷道锚网索支护参数优化研究

针对煤矿井下巷道锚网索支护参数选取随意性和盲目性导致巷道支护强度过低或过强问题。以赵庄二号井矿2305工作面回风巷道为工程背景,通过理论计算初步确定回风巷道锚网索支护参数,在此基础上设计锚杆的长度、间排距和锚索密度3种巷道支护参数优化方案,采用FLAC^3D数值模拟软件对锚杆不同长度、间排距和不同密度锚索下巷道围岩应力和巷道表面变形监测进行分析对比,确定最合理的方案。研究结果表明:随着锚杆长度由1.5 m增大至2.5 m过程中,巷道变形量逐渐减小,长度在大于2.5 m之后巷道变形量较小且无明显变化;随着锚杆间排距逐渐增大,锚杆之间产生有效应力区重叠部分逐渐减小直至分离,巷道变形量也逐渐增大;随着锚索密度增大,锚索在巷道顶板有效压应力影响范围越大,巷道变形量逐渐减小。在满足工程支护强度下,考虑经济成本、施工速度等因素最终确定锚杆长度2.5 m、间排距1 000 mm×1 000 mm,锚索每排2根最合适。     

地震波在巷道弹塑性围岩中传播规律的数值模拟研究

基于有限元动力分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟了地震波在具有初始应力情况下的巷道弹塑性围岩介质中的传播过程,分析了该条件下地震波在巷道周边的传播衰减规律。研究结果表明：随着传播距离的增加,地震波传播呈负指数函数关系衰减;地震波加速度幅值在近源场衰减速度快,远源场衰减减缓;当巷道正前方发生挠动时,随着离巷帮的距离越远,地震波加速度幅值越小;巷道围岩的弹、塑性应力状态也是影响地震波传播过程的一个重要因素,在弹塑性围岩介质中传播时,地震波能量的损耗主要是由于波形的几何扩展和介质的塑性变形引起的。     

不同侧压下两种断面形式隧道裂纹演化的流形元法模拟

本文应用二阶流形元程序对不同围压下两种隧道断面形式(圆形和直墙拱形)的裂纹起裂与扩展进行了数值模拟。模拟现象与理论分析相符;隧道裂纹演化规律不仅与侧压系数有关,而且还与隧道的几何形状相关;验证了裂纹演化过程中初始裂纹和远区裂纹的存在。说明流形元法在隧道工程的设计方面是一种可行的方法。