玻璃钢锚杆在煤层中锚固失效特征与锚固界面应力传递机理研究

Anchorage failure characteristics and anchoroage interface stress transfer mechanism of GFRP bolt in coal seam is of importance for support design of GFRP bolt. The project takes anchorage body of coal roadway supported by GFRP bolt as research object to have fundamental studies on mechanical characteristics of bolt-anchor agent-coal seam interface. The load capacity, stress distribution law and pulling load-slippage relationship are studied by in situ pull-out experiment, prototype test on anchorage interface stress evolution during bolt suppoting, and model experiment in Lab to reveal anchorage failure characteristics of GFRP bolt in coal roadway from excavation to mining. The theory and analytical method of interface mechanics is used to establish mechanical model and determine the constitutive relation of GFRP bolt-anchorage agent and anchorage agent-coal body, which reveals anchorage interface stress transfer mechanism. The numerical model of bolt-anchor agent-coal seam interface is established. Numerical simulation research is conducted on stress transfer law of anchorage interface, mechanical reaction of anchorage system under load and influence factor and law of anchorage force. The research results will provide theory foundation for support design and invent new product of GFRP bolt in coal roadway.

玻璃钢锚杆在煤层中锚固失效特征与界面应力传递机理，对于其支护设计科学化具有重要意义。以玻璃钢锚杆支护煤巷锚固体为研究对象，对锚杆-锚固剂-煤层之间界面的力学特性进行基础科学研究。通过现场原位拉拔试验、锚杆支护全程锚固界面应力演化的原型试验、实验室模型试验方法，对玻璃钢锚杆承载性能、应力分布规律、拉拔荷载与滑移特性关系开展研究，揭示玻璃钢锚杆在煤层中从掘进到回采动压影响全过程锚固失效特征；采用界面力学理论分析方法，构建锚杆-锚固剂-煤层界面力学模型，确定玻璃钢锚杆与锚固剂之间的黏结-滑移本构关系、锚固剂与煤体之间的黏结-滑移本构关系，揭示玻璃钢锚杆在煤层中的锚固界面应力传递机理；建立锚固界面数值计算模型，通过数值仿真研究，获得玻璃钢锚杆在煤层中的锚固界面应力传递规律、锚固系统在荷载作用下的一系列力学效应、锚固力影响因素及影响规律。为玻璃钢锚杆在煤层中支护设计和新型玻璃钢锚杆研发奠定理论基础。

玻璃钢锚杆是理想煤帮支护新材料，但玻璃钢锚杆在实际应用中经常发生支护失效现象。因此，对玻璃钢锚杆在煤层中锚固失效特征，特别是锚固系统中锚固界面应力传递机理开展研究，可为玻璃钢锚杆支护设计提供科学依据。课题以玻璃钢锚杆支护煤巷锚固体为研究对象，获得了玻璃钢锚杆在回采巷道支护全过程锚固失效特征，揭示了玻璃钢锚杆在煤层中的锚固界面应力传递机理。课题研究表明：（1）玻璃钢锚杆常出现三种失效形式，玻璃钢锚杆不能适应煤帮大变形而出现支护失效，安装时搅拌或施加较大预紧力时，锚杆因受过大扭转力矩作用而出现失效，锚杆在受力过大而出现的锚固界面脱粘失效。（2）全长锚固模型试验获得了玻璃钢锚杆拉拔试验中轴力和剪应力分布规律，在孔口较近区域，随着远离孔口轴力呈近指数函数下急速降趋势。在0.4m以远降至较低水平，下降趋势变得十分平缓。随着距孔口距离不断增大，剪应力由逐渐增大变为逐渐减小，最大值在距孔口距离0.25m左右，在最大值后剪应力开始变小，在0.65m处基本达到较低水平。（3）玻璃钢锚杆拉拔细观模拟分析表明，拉拔载荷越大，剪应力、轴力均越大；锚固剂的弹性模量越大，锚杆的剪应力越集中，轴力的变化程度越大；锚杆的弹性模量越大，剪应力的最大值越小，轴力越大，轴力的分布相对集中。（4）考虑了实际锚杆支护过程中，锚杆与围岩之间的相互作用，建立了锚杆-围岩相互作用模型，推导得出锚杆正常支护过程及临界失效时轴力及剪应力沿杆长分布解析表达式，进而获得了轴力及剪应力沿杆长分布曲线，在锚杆正常支护过程中，全长锚固锚杆杆体应力分布符合中性点理论，随着围岩变软，锚杆为了限制变形，中性点向孔口方向移动且所受轴力、剪应力增大；托锚力影响杆体应力分布，托锚力越大，轴力分布越不均匀，且孔口到中性点处剪应力越小，中性点到杆端剪应力越大。上述结果可为玻璃钢锚杆在煤层中支护设计和新型玻璃钢锚杆研发奠定理论基础。