岩爆防治锚固系统消能机制及设计优化方法研究

In the field of rockburst prevention, the interaction mechanism between the relieving-energy rockbolts and rockmass has not been well understood under the intense impact during rockburst. The satisfied model which can accurately describe this mechanism has not been obtained. Due to these problems, many difficulties were encountered in the designing optimization for an effective relieving-energy anchorage system. Aiming to these problems, an overall research idea is adopted here, which covers the studies of the test method, mechanism, model construction, numerical simulation, and designing optimization method. A series of mechanical tests for the anchorage system will be conducted under the static loading and the impact loading. The relieving-energy mechanism will be revealed through monitoring the process of absorbing, migration, conversion, and dissipation of energy in the anchorage system. A relieving-energy mechanical model will be constructed with a sliding criterion. Finally, a designing optimization method will be presented based on the objective function covering the strength of anchorage system, sliding criterion, and the value of energy relieved. The important value in theory can be expected in the relieving-energy mechanism of anchorage system and the method of designing optimization. The expected results are of great practical significance for the prevention and control of rockburst in the deep underground engineering.

对岩爆强烈冲击作用下消能锚杆与岩体相互作用机理不清、模型描述不准等导致消能效果不佳、优化设计困难等问题，采用由试验→机制→模型→数值仿真→设计优化的总体研究思路，开展一系列静载和冲击作用下锚固系统力学试验，揭示锚固系统能量吸收、运移、转化和耗散等消能工作机制，建立起相应的消能力学模型和滑动准则，进而提出融合锚固系统强度、滑动准则、消能大小等多因素的优化目标函数，建立消能锚杆的设计优化方法。该问题的研究对于锚固系统消能工作机制的揭示和设计方法的建立具有重要理论意义，对于应用支护技术主动防治深部地下工程岩爆灾害具有重要现实意义。

针对深埋高地应力条件下岩爆支护控制机制与理念不清、优化设计困难等问题，以深埋隧洞发生频率最高的板裂屈曲岩爆为研究对象，严格按照计划书拟定的由试验→机制→模型→设计优化的总体研究思路，对强烈冲击作用下消能锚固系统的工作机制和设计优化方法等关键问题，在试验研究、机理分析、力学模型、设计优化及工程应用等方面进行了深入系统地研究，总体上达到了预期目标。研究取得了如下代表性成果：.（1）针对传统密闭试验装置无法直接观察试验过程的缺陷，设计了一种锚固系统工作机制二维可视化试验装置及试验方法，实现了锚杆拉拔试验过程中锚固系统各部分力学行为的全程观测；以含不同倾角预制裂隙石膏试样为对象，研究了预应力（不同预应力条件下）及全长粘结式锚杆2种锚固型式锚杆的锚固止裂效应（加锚试样主要力学参数变化规律、裂纹扩展特征、锚杆轴力变化规律）。.（2）结合深埋隧洞典型岩爆案例简要分析板裂屈曲岩爆发生机制；配制满足板裂化围岩结构特征的模型试样，考虑板裂化围岩结构受力特征，进行板裂屈曲岩爆室内模拟试验，合理反映了岩板屈曲失稳破坏过程；采用2种不同的预应力锚杆施加方案（板裂区域边界及内部），进行不同消能锚杆施加方案对板裂化岩爆控制的试验效应。.（3）基于断裂力学理论建立了预应力锚杆和粘结式锚杆断裂锚固模型，理论分析了2种锚固型式加锚试样锚固止裂机制；建立符合岩板受力特征的简支板模型，分别考虑岩板轴心受压和偏心受压两种工况，分析了岩板失稳破坏时弹性应变能及岩块弹射速度与长厚比、偏心距、弹性模量等的关系；结合支护围压影响下的简支板模型分析了预应力锚杆对板裂化破坏的控制机制。.（4）基于板裂屈曲岩爆孕育演化过程的分析，提出了板裂屈曲岩爆防治支护（以抑制板裂化围岩结构形成、降低岩爆发生概率为目的）与防护支护（以吸收岩块冲击动能、降低岩爆烈度为目的）相结合的支护控制理念，建立了以预应力锚杆为主要支护结构的岩爆防治支护体系和以吸能锚杆为主要支护结构的岩爆防护支护体系；基于能量平衡原理，给出了吸能锚杆布设密度理论计算式；设计了一种能够满足高预应力施加、适应围岩变形能力强的新型预应力锚杆。