动荷载作用下锚喷支护结构损伤破坏机理与控制研究

随着我国地下开采业的快速发展，对大断面巷道的掘进速度提出了更高的要求，而在快速掘进动荷载下早期的锚喷支护结构的损伤与破坏，不仅影响了掘进速度，更是巷道安全稳定性的重大隐患。因此，对动荷载下锚喷支护结构损伤破坏机理及控制进行研究，将有助于矿山稳定高产，具有重要的科学价值。本项目的研究以揭示大断面巷道快速掘进动荷载下锚喷支护结构的损伤破坏机理与演化规律为核心，以岩石力学与工程、工程地质学、爆破工程学等学科交叉研究为手段，利用现场观测，室内试验，数值模拟分析等方法，揭示掘进动荷载下围岩与锚喷支护结构动力响应特征、损伤破坏机理，以及锚喷支护结构与围岩相互作用规律，研究施工步序与锚喷支护结构损伤的动态关系，提出锚喷支护结构损伤演化规律及控制原理，优化快速掘进施工方案，建立完善的支护结构动态演化预测模型及安全评价方法，从而为快速掘进支护技术领域持续进步奠定坚实的基础，具有重要的科学价值和工程应用价值。

爆破、掘进、开采等动荷载作用下的锚喷支护结构，其早期损伤与破坏不仅影响掘进速度和质量，更给巷道的安全性和稳定性带来重大隐患。本项目的主要研究内容中，以揭示爆破等动荷载下锚喷支护结构的损伤破坏机理与演化规律为核心，重点研究锚喷支护体系中锚杆在动拉拔荷载下的受力、传力与破坏机理，振动荷载与动拉拔荷载耦合作用下锚杆及灌浆体的受力传力特征、相互作用机制与损伤破坏机理，从全新的角度研究动荷载下锚喷支护体的整体加固机理。本项目的主要研究方法是：采用室内试验、现场试验、理论分析、数值模拟等方法，以岩石力学、岩石动力学、工程地质学、爆破工程学、有限单元法、有限差分法等数值计算科学等多学科、多领域交叉研究为手段，通过动荷载的相似试验条件，将爆破、掘进、开采等动荷载等效为动拉拔荷载和振动台荷载，利用室内试验揭示锚杆体的传力、受力特征，及其与灌浆体间粘锚力的分布规律，利用有限单元法建立锚杆的非均匀受力模型，建立二层等波速模型分析锚喷支护法的加固机理。本项目主要取得了以下研究成果：动拉拔荷载试验结果表明，动拉拔荷载下轴力与粘锚力呈非线性，且随着拉拔循环次数的增加，粘锚力峰值由受荷端不断向锚固端迁移。动拉拔荷载与振动台荷载耦合作用下，锚杆轴力与粘锚力不断衰减，且衰减程度与振动强度和振动频率呈正相关，粘锚力峰值沿锚杆的迁移速率增大，粘锚力峰值衰减速率明显增大。动拉拔荷载和振动台荷载利用相似试验条件由爆破等荷载近似简化而得，因此试验结果阐述了爆破等动荷载对锚杆受力变形产生的影响。利用有限单元法建立的高阶杆单元，相比常应力应变的一阶杆单元优势明显，可以减少计算量，大大提高数值模拟效率。利用二层介质模型等效软弱围岩与锚固体，得到动荷载下锚喷支护法整体加固机理的定性与定量表示。本项目主要有以下创新点：用动拉拔荷载代替静载，以及施加振动外荷载，研究爆破等动荷载与锚喷支护结构损伤的动态关系，提出锚喷支护结构损伤演化规律及破坏机理。基于试验结果及理论计算结果，提出计算效率更高的非均匀受力锚杆单元以及相应的数值模拟方法。从二层介质模型这一新角度分析动荷载下锚喷支护法的整体加固机理。从考虑开采动荷载对锚喷支护体的影响这一新角度，揭示了爆破等动荷载对锚杆、灌浆体、锚固体整体的作用与影响，提出动荷载下锚喷支护法的整体加固机理，从而为快速掘进支护技术的发展和进步奠定坚实的基础，具有重要的科学价值和工程应用价值。