单轴压缩条件下锚固节理岩体变形特征试验研究

基于相似定律研制了新城金矿真实岩石和锚杆的相似材料,开展了单轴压缩条件下锚固节理岩体破坏过程的相似模拟试验,采用数字图像相关技术(DIC)和分布式光纤监测技术分别对锚固基体和锚杆的变形过程进行监测,重点研究了锚杆安装对节理岩体变形特征的影响。研究结果表明：锚杆控制了节理岩体的剪胀和沿节理面的剪切滑移,进而控制了围岩沿锚杆轴向的变形,与锚杆安装位置越接近,锚杆控制围岩变形的能力越强;锚杆提高了节理岩体的抗剪切能力,从而对节理岩体沿锚杆法向的变形起到约束作用;节理的存在导致锚固节理岩体中存在弱应力区和弱锚固界面,使得锚杆与围岩间的载荷传递受限,最终影响锚固效应的发挥。     

系统锚杆对节理岩体等效凝聚力影响数值试验初探

将加锚节理岩体等效弹黏塑性模型改进为等效黏弹塑性模型,分别采用Maxwell元件、Kel-vin元件和Bingham元件串联来描述岩石、节理和锚杆的瞬时弹性变形、黏弹性变形和黏塑性变形,推导了相应的有限元计算公式,并研制了相关的有限元计算程序,然后采用数值试验方法研究了系统锚杆对节理岩体等效凝聚力的影响,认为系统锚杆对节理岩体等效凝聚力的贡献与岩体的硬软、锚杆的体积占有率、节理间距、节理倾角、锚杆倾角和受力状态等有关。     

考虑托板作用的深埋岩体分区破裂时空效应

分区破裂是深部岩体在众多敏感因素综合作用下发生的复杂时空演化过程。以深埋硐室围岩初期支护后的预应力全长锚固锚杆为研究对象,考虑不同大小托板反力作用对硐室围岩强度参数的影响,基于分区破裂条件下锚杆所呈现的拉-压交替受力特征,建立了杆体与围岩协调变形的力学分析模型,推导了围岩分区破裂后锚杆中性点位置的计算公式,进而对不同托板反力作用下的围岩分区厚度、破裂范围及数量进行了反演分析;根据围岩弹塑性界面上岩体的非线性流变模型及其在切向与径向所受的最大偏应力,提出了弹塑性界面岩体破裂发生时刻的理论公式。结果表明:①在分区破裂条件下,深埋硐室围岩与预应力锚杆产生协调变形,沿杆体长度方向存在多个处于拉-压受力平衡的中性点,在各中性点附近的弹塑性界面上岩体具有显著的流变特性。当该界面岩体所受最大偏应力超过其长期强度时即发生脆性拉裂;②预应力全长锚固锚杆对围岩强度参数具有重要影响,预应力的增加能够有效改善围岩的承载特性,围岩分区厚度、破裂区宽度与数量以及弹塑性界面上岩体破裂发生时刻随锚杆预应力的变化而变化;③在锚杆预应力作用下围岩强度的提高对硐壁岩体破裂具有一定的抑制作用。随着锚杆预应力的逐渐增大,靠近硐壁处的第1个锚杆中性点逐步向硐壁表面移动,硐壁岩体破裂区厚度也逐渐减小直至不再破裂;④通过算例分析对上述认识的合理性进行了验证。     

锚杆预紧力对节理岩体抗剪性能影响的试验研究

利用配置的混凝土块体模拟围岩,采用节理直剪的方式,研究了40,80 kN两种预紧力下锚杆对节理岩体抗剪性能的影响。研究结果表明：随着预紧力的提高,锚固节理岩体的初期剪切刚度提高,对于抑制围岩的初期变形,提升锚杆支护效能有重要作用;随着预紧力提高,锚固节理岩体的变形呈阶段性特征,表现为急增阻、缓增阻和降阻3个阶段;井下试验结果表明,提高预紧力,锚杆的工作阻力得到提升,高预紧力全长锚固锚杆支护系统对于节理裂隙围岩的加固效果良好。     

基于颗粒离散元法的锚固节理剪切行为宏细观研究

为了研究锚固节理岩体的破坏特点及锚固机理,基于颗粒离散元法利用修正的锚杆双线性本构模型对有锚和无锚节理面在不同边界条件下进行了宏观研究,并对锚固节理试件内部颗粒之间接触力和颗粒旋转弧度等的演化过程进行了细观研究。研究结果表明:1压剪作用下锚固节理块体中处于拉伸状态的锚杆对节理面施加了一个附加的法向应力,从而提高了节理面的黏聚力;随着法向应力的增加,锚杆对节理面峰值剪切强度的贡献越来越小,在宏观上揭示了加锚节理岩体的锚固机理。2压剪荷载和边界位移约束共同作用下,锚固节理试件内部颗粒间接触力和颗粒自身位置不断演化并重新分布,在锚杆周围以及节理面凸起处产生较高的接触压力并在锚杆与节理面交叉处发生较大的颗粒旋转弧度,进而导致压致拉裂纹的产生以及颗粒旋转导致的剪切裂纹的萌生,从细观层面揭示了锚固节理岩体的破坏特点。     

单自由面锚固体单向加载破坏特征和 锚杆荷载规律研究

针对岩石与锚杆形成的锚固复合体,基于实验室单轴压缩实验结果,建立岩石试样单轴压缩数值模型,校验强度参数与塑性剪应变定量关系,确定应变软化力学参数;优化Flac3D中Pile结构单元预应力锚杆构建步骤,建立单自由面锚固体数值模型,剖析锚固体在单向加载条件下的内部破裂特征,揭示在加载全过程中的锚杆轴向荷载及弯矩变化规律。研究表明:由锚杆预应力产生的压应力区按椭球形分布,且压应力在锚固范围内具有双峰值特征;锚杆促使锚固体内部产生共轭剪切破坏带,且共轭剪切带与水平面夹角出现增大趋势,并在临空面浅部出现对称分布的次破裂面;杆体轴向荷载和弯矩分布均具有显著阶段特征;在峰前塑性应变阶段,杆体轴力和弯矩小幅增加,且均以靠近锚杆外锚固端的杆体为主;在峰后软化阶段,杆体轴力和弯矩显著增大,锚杆荷载特征由单纯轴向拉应变突变为拉、弯、剪综合受力状态,且靠近内锚固端杆体弯矩剧烈变化。     

冲击载荷下加锚岩体抗剪力学特性

为深入研究冲击载荷下加锚岩体抗剪力学特性,采用实验室试验的方法对2种锚杆材质的加锚岩体开展了不同冲击能量和预紧扭矩下的侧向冲击试验,分析了不同锚杆材质和预紧扭矩对加锚岩体在冲击载荷下抗剪力学性能的影响,监测了落锤冲击力-时程曲线,并利用高速摄像机捕捉了试样冲击变形的全过程.试验结果表明:加锚岩体冲击过程可分为落锤释放、锤岩下移和分离回弹等3个阶段.试样顶底面均为轴向剪切裂缝和伴随竖向裂缝;前面和背面均为腹剪斜裂缝和竖向裂缝;交界面裂缝以钻孔为中心向四周呈放射状分布,且上半部分裂缝数量明显多于下半部分,裂缝宽度多在10 mm以内.在一定范围内,中部混凝土块顶面和交界面破坏程度均随冲击能量的增大而增大,随预紧扭矩的增大而减小.锚杆受动态剪切会发生弯曲、径缩甚至断裂.在一定范围内,冲击能量越大,锚杆弯曲变形越大;预紧扭矩越大,锚杆抗冲击变形能力越强.CRM700型锚杆的抗冲击变形及破断能力均优于HRB500型锚杆,其能够显著提高加锚岩体的整体抗冲击性能.根据冲击力-时程曲线又可将冲击过程分为强冲击阶段、震荡阶段和衰减阶段.强冲击阶段时间仅1 ms左右,主要为锤头与试样发生接触;震荡阶段持续时间达10 ms左右,主要发生混凝土块的破裂失效和锚杆的弯曲变形.锚杆材质和预紧扭矩对加锚岩体在冲击载荷下的抗剪力学性能影响显著,使用CRM700型锚杆或施加适当的预紧扭矩均可提高加锚岩体的抗剪力学性能.     

锚杆锚固力试验研究现状

详述了国内外锚杆锚固力的试验研究成果,包括:拉拔载荷下锚杆粘锚力的分布规律以及锚杆形状、锚固剂强度和岩体强度对粘锚力的影响;岩体特征、锚固单元特征和加载特征对加锚节理面抗剪性能的影响;锚杆长度、锚杆预紧力、树脂环体厚度及淋水、动载荷等其他因素对锚固效果的影响。讨论了锚杆锚固力试验研究中存在的问题及需进一步研究的方向。     

裂隙岩体加锚剪切试验及边坡岩体模拟研究

采用变角板法进行室内剪切实验,探讨了锚杆加固节理裂隙试件的力学机理,同时结合数值模拟对锚杆控制节理裂隙边坡岩体的变形进行了分析。研究表明:锚杆加固不仅能提高节理裂隙岩体的整体性,而且在工程实际应用中能很好控制节理裂隙边坡的变形量。     

分级加卸载下节理软岩流变试验及模型

采用分级增量循环加卸载方式,对金川有色金属公司 Ⅲ 矿区软弱节理矿岩进行蠕变试验,按瞬时弹性应变、滞后黏弹性应变、瞬时塑性应变与黏塑性应变对流变试验数据进行分析,探讨了软弱节理矿岩的黏弹塑性变形特性;引入2种非线性元件--裂隙闭合体和非线性牛顿体,并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体及描述瞬弹性的虎克体相结合,得到了一种新的复合元件流变模型,以研究复杂条件下节理软岩的黏弹塑性变形特性.试验结果表明,复合元件流变力学模型能很好地描述节理软岩在不同应力水平下的蠕变特性,特别是裂隙闭合阶段和加速蠕变阶段的特性,金川Ⅲ 矿区矿岩蠕变试验曲线与理论曲线较为吻合.     

冲击动载下锚固节理岩体剪切破坏模拟研究

为探究冲击动载下不同节理角度对锚固节理岩体剪切破坏的影响规律,基于ABAQUS软件开展了动载冲击下不同节理角度锚固岩体的动态剪切数值模拟研究,系统分析了动载冲击下锚固节理岩体的剪切破坏演化过程及锚杆发生剪切破坏时的切应变、切应力与剪切位移,并依据理论分析提出了最优锚固角方案。研究结果表明：动载冲击过程中,锚杆与岩体在不同冲击时期分别提供了不同程度的锚固系统抗剪力;当锚固岩体节理角度为60°时,锚杆发生剪切破坏所产生的切应变、切应力与剪切位移最大,90°次之,45°最小;通过最佳锚固角估算公式验证了最优锚固角在60°至70°范围内。研究成果对动载巷道节理岩体的加固工程具有一定的指导和借鉴意义。     

回采巷道破碎底板底鼓机理及控制对策

针对义棠煤矿10502工作面回采巷道发生强烈底鼓的现象,采用现场实测、室内岩石力学试验及理论分析相结合的方法,建立回采巷道底鼓力学模型,对底鼓机理及其控制对策进行研究。结果表明:对于破碎底板围岩,在两帮煤体传递的支承压力作用下形成塑性滑移线场,当一定宽度内煤体底板围岩产生的被动朗肯区宽度等于巷道宽度时,定义这一宽度为底鼓影响区;底板围岩破碎的回采巷道发生底鼓的主要原因是底鼓影响区内的垂直应力超过底板岩体的极限载荷;通过施加底角锚杆,既能切断底板塑性滑移线,阻止围岩移动,又能起到"销钉"作用,对底板"弱面"进行加固,提高其抗剪切强度,从而控制底板围岩;当底角锚杆的支护强度达到0.5 MPa时,监测结果显示随着工作面推进回采巷道最大底鼓量仅为86 mm。     

节理裂隙边坡锚注加固抗剪切效应研究

通过对节理边坡锚注加固力学模型的理论推导, 得出锚注加固能够提高节理抗剪强度和抗剪刚度的结论。借助对各种状态节理的模拟剪切试验对比分析, 验证了理论推导的结果; 经过对节理剪切试验全程曲线的分析, 总结阐述了边坡锚注加固的抗剪切效应特性, 指出随锚杆与剪切面的夹角不同, 节理面抗剪强度的变化规律; 锚杆与注浆胶结体抗剪强度的同步发挥程度与锚杆配筋率有关, 从而为节理裂隙边坡锚注加固工法的推广, 提供了理论和实验依据。     

冲击载荷下加锚岩体抗剪力学特性

为深入研究冲击载荷下加锚岩体抗剪力学特性,采用实验室试验的方法对2种锚杆材质的加锚岩体开展了不同冲击能量和预紧扭矩下的侧向冲击试验,分析了不同锚杆材质和预紧扭矩对加锚岩体在冲击载荷下抗剪力学性能的影响,监测了落锤冲击力-时程曲线,并利用高速摄像机捕捉了试样冲击变形的全过程。试验结果表明:加锚岩体冲击过程可分为落锤释放、锤岩下移和分离回弹等3个阶段。试样顶底面均为轴向剪切裂缝和伴随竖向裂缝;前面和背面均为腹剪斜裂缝和竖向裂缝;交界面裂缝以钻孔为中心向四周呈放射状分布,且上半部分裂缝数量明显多于下半部分,裂缝宽度多在10 mm以内。在一定范围内,中部混凝土块顶面和交界面破坏程度均随冲击能量的增大而增大,随预紧扭矩的增大而减小。锚杆受动态剪切会发生弯曲、径缩甚至断裂。在一定范围内,冲击能量越大,锚杆弯曲变形越大;预紧扭矩越大,锚杆抗冲击变形能力越强。CRM700型锚杆的抗冲击变形及破断能力均优于HRB500型锚杆,其能够显著提高加锚岩体的整体抗冲击性能。根据冲击力-时程曲线又可将冲击过程分为强冲击阶段、震荡阶段和衰减阶段。强冲击阶段时间仅1 ms左右,主要为锤头与试样发生接触;震荡阶段持续时间达10 ms左右,主要发生混凝土块的破裂失效和锚杆的弯曲变形。锚杆材质和预紧扭矩对加锚岩体在冲击载荷下的抗剪力学性能影响显著,使用CRM700型锚杆或施加适当的预紧扭矩均可提高加锚岩体的抗剪力学性能。     

考虑煤岩体成拱效应时煤柱塑性区宽度确定

为了确定在考虑邻近采空区上覆煤岩体自重作用下煤柱最大塑性区宽度,采用理论推导、数值模拟以及现场监测三者相结合的方法,通过考虑采空区上覆煤岩体成拱效应,确定出煤柱受力,对煤柱进行弹塑性分析,得出煤柱最大塑性区宽度理论计算式;根据玉华煤矿工程条件,采用ANSYS模拟采深为500 m和600 m,采高为4、5、6、7 m的煤柱最大塑性区宽度,并对玉华煤矿2410工作面回风巷道护巷煤柱的最大塑性区进行监测。研究结果表明:在中等采高时,煤柱最大塑性区宽度的理论计算结果、数值模拟和现场监测结果一致。研究结果给出了中等采高时煤柱最大塑性区宽度的理论计算式,可为留设煤柱宽度设计提供依据。     

软岩巷道裂隙岩体识别与支护技术研究

以裂隙围岩体软岩巷道为研究对象,通过数字采集技术获取巷道围岩体结构面信息,以表征单元体力学性质为基础获得等效岩体模型力学参数,建立工程巷道模型,模拟结果显示,等效岩体模型真实有效反映了工程巷道的变形特征,并依据顶底板塑性区范围提出了锚杆+锚索+底角锚杆联合支护方式,联合支护状态下的巷道未产生张拉和剪切破坏区,巷道保持稳定,整体巷道支护效果良好。巷道开挖后围岩累积变形量小于1cm,巷道可长时间稳定,为采矿作业提供了安全的工作环境。     

考虑围岩蠕变的锚固时空效应分析及控制技术

针对巷道锚杆锚索联合支护失效形式,基于围岩变形特征建立了能够反映围岩加速蠕变的本构模型以及锚杆工作特性的锚固体本构模型,通过求解出的锚固体蠕变方程分析锚固基础位置对围岩变形的控制作用,结果表明:锚杆支护对围岩的蠕变控制机理可概括为:分担围岩承受的载荷和等效增大围岩刚度,增强围岩抵抗变形能力两部分。充分发挥锚杆支护性能、延长锚杆支护时效、维持巷道处于稳定工作状态所需的空间需要同时满足两个条件:锚杆受载不超过杆体破断载荷,锚固基础位于塑性区之外;端锚形式的锚固基础位于弹性岩体中能够最大程度发挥支护系统的承载能力,端锚锚固形式的着力基础位于稳定的弹性围岩中,围岩变形后锚固基础能迅速发生锚固作用,优于全长锚固形式;可接长锚杆具有延伸率大、可灵活设置锚杆长度的优点,能解决蒲河矿西三采区集中运输大巷锚杆易发生滑脱失效、锚索易发生破断失效的问题。     

深部大变形巷道锚杆支护理论与技术研究进展

深部大变形巷道的锚杆支护问题是目前煤炭开采领域科学研究的热点之一.简要总结了传统的锚杆支护理论和近年来国内外学者专家提出的深部巷道支护新理论和新技术,介绍了本团队在深部巷道锚杆支护研究方面取得的阶段性成果.认为深部巷道围岩存在不可控的"给定变形";锚杆预应力及支护阻力无法控制深部巷道塑性区的发展,预应力对抑制破碎区围岩的离层、剪胀等非连续变形作用较大;锚杆施加高预应力可在围岩中产生较大压应力带,充分发挥锚杆主动支护作用与群锚功能,可有效降低塑性区向深处扩展速率;锚杆从支护到失效,其锚固力随围岩变形一般要经历稳定、减小、残余锚固力3个阶段;深部大变形巷道锚杆支护应满足2个条件,所受载荷不超过极限强度、锚固基础不受塑性区影响;采用基于高阻让压设计理念的可接长锚杆能较好的适应深部巷道锚杆支护要求.     

多层结构模型在节理岩体力学分析中的应用

运用多层结构模型来分析节理岩体的力学特征,在简要介绍多层结构模型弹粘塑性理论的基础上,制定了反映多层结构模型特点的非线性算法,编制了相应的有限元程序。程序中考虑了节理岩体一般均沿节理面受拉开裂或剪切滑移的定向破坏特点,能够反映节理岩体各向异性以及主应力旋转所导致的塑性变形。最后,给出了相应的算例,并运用该模型分析了含有两组节理的岩质边坡的变形及破坏特征。     

基于FLAC3D的节理岩体巷道锚注加固数值模拟

通过对节理面锚注加固抗剪切强度的力学推导,得出锚注加固在节理岩体巷道中的作用机理以及锚杆和注浆的联合应用增强和加固了围岩的支撑能力。通过FLAC^3D大型数值模拟软件,对节理化软岩巷道未支护、锚注加固时的岩体巷道围岩进行数值模拟分析研究,锚注加固对于改善节理化软岩巷道围岩的受力状况、限制巷道围岩变形量具有重大的作用,对节理裂隙岩体进行锚注加固是一种有效的节理岩体支护方法。