高恒阻大变形新型锚索防冲力学特性实验研究

Rockburst in coal mines is one of the worldwide problems, for the noneffective existing support system in rockburst preventing during tunnel excavation or the serving time. The main reason is that the material for supporting cannot meet the large deformation of surrounding rocks under impact loading. This project makes full use of advanced experimental systems in State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, combined with the field test results, and performs series of impact resistance tests on High Constant Resistance and Large Deformation Anchor Cable, a patented product of our country, focusing on Mechanical Properties and building up the mechanical and mathematical model of constant resistance anchor body. The balance equations of this anchor cable would also be studied by the use of finite element analysis software ANSYS/LS-DYNA, concluding the interaction rules between surround rocks and the new anchor cable, to provide theoretical basis for rockburst preventing by using new CRLD Anchor Cable.

煤矿冲击地压的防治是采矿和岩石力学领域的世界性难题，现有支护无法满足深井巷道冲击地压防治需要，根本原因在于目前的支护工程材料在围岩的冲击荷载作用下会发生破断。本课题充分利用了深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的先进实验系统，并和野外现场试验相结合，对具有我国知识产权的专利产品---高恒阻大变形新型锚索的抗冲击性能进行系统实验，探讨高恒阻大变形锚索在冲击作用下产生滑移变形且保持高恒阻的特殊防冲力学机理，建立相应的力学及数学模型，运用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立恒阻锚索与围岩相互作用力学模型，研究围岩和高恒阻大变形新型锚索的相互作用规律，为寻求有效的基于高恒阻大变形新型锚索的冲击地压防治措施奠定理论基础。

我国煤炭开采深度逐年增加，随之深部开采矿井数量也在逐年增多，大埋深条件下冲击地压多发且防治难度大。防冲作为采矿和岩石力学领域的世界性难题一直对深部安全开采造成影响。目前应用于巷道围岩支护系统的传统支护材料在围岩的冲击荷载作用下会发生破断或严重损坏，即现有传统支护材料无法满足冲击力作用下巷道防护的要求。为使支护材料不仅能满足在冲击荷载下产生足够的变形量吸收围岩变形能，同时保持恒定的支护阻力，结合井下巷道冲击大变形控制的需求，研发了具有负泊松比效应高恒阻大变形新型锚索。课题采用室内力学实验和现场爆破模拟冲击试验相结合的方法，对新型锚索的高恒阻力学特性及防冲力学特性进行了研究，探讨了高恒阻大变形新型锚索在冲击作用下产生滑移变形且保持高恒阻的特殊防冲力学机理。利用自主研发的恒阻锚索拉力实验系统和恒阻锚索落锤冲击实验系统对恒阻锚索分别进行了静力拉伸试验及动力冲击实验，对恒阻锚索的静力学、动力学特性进行详细的研究，验证了其抵抗围岩缓慢变形和吸收冲击能量的性能，建立相应的力学及数学模型，阐述了高恒阻大变形新型锚索支护体系与巷道围岩的相互作用原理及能量本构关系。室内试验结果表明恒阻锚索能够在静力拉伸作用下的保持 350 k N 左右的恒定阻力并产生滑移拉伸大变形，落锤冲击动力作用下时恒阻锚索能够通过保持高恒定阻力产生拉伸变形来吸收冲击能量。在上述研究基础上提出了现场实地爆破模拟冲击地压的防冲试验方法，以红阳三矿1213工作面回风联络巷为工程试验点，系统设计并组织实施了现场防冲试验，现场实验结果验证了高恒阻大变形新型锚索具有在冲击荷载作用下通过滑移变形吸收能量的同时保持恒阻的防冲特性。综合研究表明高恒阻大变形新型锚索比普通锚索具有很好的抗冲击性能，防冲效果良好，为深部开采防冲支护提供了支护新思路，为寻求有效的基于高恒阻大变形新型锚索的冲击地压防治措施奠定理论基础。