2024-04-29
（1）建立了低能冲击载荷下锚固结构三介质两界面力学模型，阐明了锚固结构内部拉压应力分布特征，确定了引起锚固结构渐进失效的关键影响因素，揭示了锚固结构内部冲击应力传递转化机制。（2）开展了锚固界面轴向冲击与锚固结构三轴动静组合冲击实验，探明了高频低能冲击下不同工况锚固界面与结构的力学响应特征，提出了锚固结构累积损伤及失稳破坏判据，阐明了锚固介质不协调变形导致界面脱黏的机理，揭示了锚固结构承载区刚度与内部法向驱动力的相互作用机制。（3）研制了预应力锚固结构冲击装置并开展了轴向压缩与侧向剪切冲击实验，得出了以预紧力及内部损伤为表征的承载性能衰减规律，揭示了高频低能冲击下锚固结构裂隙扩展路径及破坏时空演化过程，提出了冲击动载巷道降能−高阻−让压的控制准则。作者：张 农1, 2, 3 ， 王 朋1, 2 ， 阚甲广1, 2 ， 许兴亮1, 2 ， 谢正正1, 2 ， 魏 群4单位：1. 中国矿业大学 矿业工程学院; 2. 中国矿业大学 煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室; 3. 徐州工程学院 土木工程学院; 4. 江苏理工学院 机械工程学院随着煤炭资源开采逐年向深部转移，冲击动载危害加剧，统计发现高频低能是冲击动载巷道微震事件的主要表现形式，频繁的中低能量冲击对锚固结构造成持续损伤劣化，给巷道维控带来极大困难。锚固结构稳定性直接影响着巷道长期安全，因此揭示高频低能冲击扰动下锚固结构渐进失效机理对构建合理锚固支护体系、指导深部冲击动载巷道围岩控制技术与工程实践具有重要意义。为了研究冲击动载下锚固结构稳定性及承载机理，学者基于理论分析、实验室实验及数值模拟开展了大量研究。巷道冲击能量释放后产生震动效应及应力波传递，受岩体塑性、非线性及黏性等阻尼作用，应力波于岩层及锚固结构内部不同介质界面处发生散射效应，能量不断衰减并在时空上重新分配。低能冲击作用下巷道迎波侧锚固围岩结构表现为累积损伤，冲击载荷频率接近锚固结构固有频率时更易导致其破坏。高频低能冲击应力波传递过程中首先对岩体造成持续动力损伤，煤体损伤量随冲击次数增加表现为“S”型累积损伤模式，冲击动载振幅对煤岩组合体的破坏起决定性作用，煤岩体的破碎致使锚固界面黏结性能降低。冲击动载作用下岩体/注浆体界面剪应力远小于杆体/注浆体界面剪应力，多数情况下岩体/注浆体界面先于杆体/注浆体界面脱黏破坏。锚杆在低能冲击作用下逐渐产生塑性变形，内部晶体扭曲畸变，锚固结构整体受力不佳，承载性能显著降低。同时螺母托盘出现松动滑移导致轴力及预应力损失，锚固结构轴力损失率随震源距离增加呈指数衰减趋势，当能量爆发位置距离锚索3 m以内时，预应力损失量是静载作用下的36倍左右，低预应力导致锚固结构无法及时有效限制围岩变形。进一步的，冲击动载作用下围岩、锚固剂、锚杆3者之间不协同变形造成的剪切滑移及锚固结构压缩变形是导致深部大断面硐室承载结构失稳破坏的主要原因。因此提高锚固界面的抗滑移特性与协调变形能力可有效延长锚固结构的抗冲时效时间，锚杆间距比锚杆长度对硐室拱顶变形的影响大，变形量与加速度可分别作为拱顶锚固结构稳定性评价的关键与辅助性指标。很多学者对冲击作用下锚固结构损伤破坏进行了研究，但对高频低能冲击扰动围岩破坏、界面脱黏、承载性能衰减的时空演化关系目前鲜有研究。笔者从现场工况出发，首先建立了低能冲击载荷下围岩、锚固剂、杆体三介质两界面力学模型，剖析了锚固结构内部冲击应力传递转化机制，基于此结合分离式霍普金森压杆实验系统(SHPB)、MTS疲劳实验机，设计锚固结构三轴加载与落锤式冲击实验装置开展了3个特定实验，阐明了高频低能冲击扰动下锚固结构界面脱黏、内部损伤演化及承载性能衰减规律，揭示了锚固结构渐进失效机理并提出了冲击动载巷道围岩控制策略，可为该类巷道维控提供借鉴与指导。高频低能冲击扰动对巷道围岩及锚固结构造成持续疲劳损伤，是深部巷道趋向失稳的重要诱因，合理构建抗冲击动载巷道锚固支护体系及避免锚固结构失效已经成为深部煤炭开采面临的重要课题之一。采用理论分析、实验室试验、数值模拟等方法，研究了冲击载荷下锚固结构内部应力传递转化机制，阐明了锚固结构累积损伤与渐进失效机理，提出了冲击动载巷道控制准则。结果表明：压缩应力、拉伸应力与压拉快速转换形成的震荡效应是造成锚固结构损伤的三大要素；压缩、拉伸作用下介质抗压强度与不协调变形是导致锚固界面破坏的关键因素，锚固结构在内部法向驱动力作用下损伤累积，切线模量为负或单次动载冲击变形量持续逆势上扬时锚固结构失效，压缩、拉伸、震荡叠加影响下锚固结构预紧力损失及内部损伤存在明显的累积突变效应，内部裂隙以张拉裂隙为主，整体破坏从震荡效应向拉伸效应再向压缩破坏效应逐渐演化。通过提高围岩/锚固剂协调变形能力，增加锚固长度调动大范围岩体承载、保护锚固界面，保持锚固结构承载区抗剪阻滑强度大于动载冲击时内部法向驱动力，同时削弱震荡效应可有效降低锚固结构累积损伤程度。最后提出了降能−高阻−让压的冲击动载巷道控制技术准则，包括远场卸压、近场强支、破碎围岩改性、预紧力维持和让压结构，可为类似条件巷道维控提供指导。
图 1 低能冲击动载下锚固结构内部受力
图 3 高频冲击下不同锚固角度试样失稳破坏机理
图 4 实验装置设备及不同工况锚固结构力学响应
图 5 三轴动静组合循环冲击下锚固结构作用机制
图 6 落锤冲击实验装置及试样
图 7 高频低能冲击下锚固结构预紧力损失
图 8 锚固结构内部裂隙演化及破坏模式
张农，男，1968年12月31日生，安徽金寨人。采矿工程专家，博士生导师，中国矿业大学二级教授，徐州工程学院校长，曾任江苏师范大学副校长、中国矿业大学矿业工程学院院长。国家万人计划科技创新领军人才、国家创新人才推进计划中青年领军人才、教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队带头人、新世纪百千万人才工程国家级人选。获国家科技进步奖和省部级科技奖励30余项，发表SCI/EI学术论文300余篇，授权国内外专利209项，获得中国青年科技奖、国务院特殊津贴人员、光华工程科技奖青年奖、全国先进工作者及10余项省部级等荣誉称号。
研究方向
智能掘进与岩层控制
主要成果
专注于从事矿山压力与岩层控制理论和技术研究，在煤矿深井采动巷道主动控制原理、沿空掘（留）巷和智能快掘等方向取得重要进展，发明层状顶板楔形整体控制方法和动态分级强化技术，提出了冲击动载巷道围岩控制准则与相关技术，构建了解决我国复杂条件煤矿巷道围岩控制的系统专利群，研发了柔性锚杆、泵送式锚固剂、纳米硅溶胶、喷涂柔膜等岩体改造材料，形成了以实时感知与智能控制为基础的煤巷快掘技术体系，取得了一批具有国际领先的工程技术创新，显著推动了相关领域的工程技术进步。相关专利成果已应用到22个矿区、110余对矿井、300余万米巷道工程，直接科技服务的矿区产能超过10亿吨，取得了显著的经济、安全和社会效益。
来源：
张农，王朋，阚甲广，等. 高频低能冲击扰动下锚固结构渐进失效试验研究[J]. 煤炭学报，2024，49(1):309−319.
责任编辑：宫在芹
