锚索锚固体在动载荷作用下的力学传递机理研究

Failure of roadways reinforced with cable bolts subjected to dynamic loading such as rock burst becomes the key problem in restricting coal mine safety production. The current research commonly regards the cable bolt tendon as the research object, which cannot accurately reflect the load transfer of the cable bolt anchorage body under the dynamic loading condition. Therefore, this project aims at studying the load transfer mechanism of the cable bolt anchorage body composed of cable bolts, grout and surrounding rock subjected to dynamic loading. First, in the laboratory, impact loading tests will be adopted to study the influence of cable bolt geometry, grout strength, surrounding rock strength and impact energy on the bearing capacity and failure modes of the anchorage body. Then, through theoretical analysis, the bond-slip model of the cable/grout interface will be constructed and the constitutive law of the anchorage body subjected to dynamic loading will be established. Then, experimental results will be used to validate the credibility of this constitutive law. Last, the developed constitutive law will be implemented to the numerical software FLAC3D to realise the secondary development of the cable structural elements. Then the modified cable structural elements will be adopted to study the stress and strain variation law of the anchorage body subjected to dynamic loading. This project can provide basement for revealing the failure mechanism of cable bolt reinforcement subjected to dynamic loading such as rock burst. Furthermore, this project can provide theoretical foundation for designing new anti-burst cable bolts.

冲击矿压等动载荷作用下锚索支护的巷道发生破坏成为制约煤矿安全生产的关键问题之一。由于现有研究普遍以锚索杆体为研究对象，不能准确反映锚索锚固体在动载荷作用下的力学传递问题，因此本项目拟研究锚索、锚固剂和围岩所组成的锚索锚固体在动载荷作用下的力学传递机理。首先在实验室内，利用冲击加载试验，研究锚索结构、锚固剂强度、围岩强度和冲击能量等因素对锚索锚固体承载性能和失效形式的影响。其次，通过理论分析，构建锚索与锚固剂接触面粘结-滑移模型，建立锚索锚固体在动载荷作用下的本构方程，并利用上述试验结果对该本构方程进行验证。最后，将提出的本构方程嵌入到数值计算软件FLAC3D中，实现对该软件中锚索结构单元的二次开发，并利用二次开发后的锚索结构单元研究锚索锚固体在动载荷冲击过程中的应力应变演化规律。该项目可以为揭示锚索支护在冲击矿压等动载荷作用下的失效原理提供基础，并为进一步设计新型防冲锚索提供理论依据。

冲击矿压是煤炭资源在开采过程中遇到的一种典型的动力灾害。绝大多数的冲击矿压所导致的破坏和人员伤亡主要集中在巷道内。为了保证巷道的稳定，锚索作为一种常用的岩体加固构件，在巷道支护中有着广泛的应用。但工程实践结果表明，当冲击矿压发生时，锚索支护存在明显失效的情况。导致锚索支护失效的主要原因是对锚索锚固体在动载荷作用下的力学传递过程尚不明确。因此，研究锚索锚固体在动载荷作用下的力学传递机理，对预防冲击矿压等动载荷条件下锚索支护的破坏具有重要意义。本项目围绕锚索锚固体在动载荷作用下的力学传递机理展开研究。在研究过程中，项目负责人及所在研究团队在实验室内浇筑并制作了锚索锚固体并利用落锤冲击实验对锚索锚固体进行了冲击实验。研究结果表明，锚索锚固体受动载荷冲击后，锚索与锚固剂接触面是锚索锚固体内部的软弱界面且该界面在动载荷冲击下发生了剪切失效。基于室内物理实验结果，研究团队采用理论分析的方法研究了锚索与锚固剂接触面上剪切应力的力学特征并构建了锚索与锚固剂间锚固界面的黏结滑移模型，进而构建了锚索锚固体的本构方程。最后，研究团队采用三维有限差分数值计算方法构建了锚索、锚固剂和围岩耦合作用的三维数值计算模型，并将所构建的本构模型嵌入到该数值计算模型中。利用该计算模型开展了动载荷的冲击计算。数值计算结果表明，在动载荷冲击作用下，锚索锚固体内存在明显的应力分布。随着动载荷加载的进行，在锚索与锚固剂接触段的范围内，锚索内部存在明显的轴力分布。整体的分布规律为，锚索上端轴力大，锚索下端轴力小。该研究为揭示锚索支护在冲击矿压等动载荷作用下的失效原理提供了理论基础。