本文摘要：摘要:锚杆是地下工程硐室的主体支护方式,为吸收围岩变形释放的能量,控制围岩变形,需要研发具有高恒阻力、高延伸率和高预应力的吸能锚杆。本文从吸能锚杆的研发历程、性能试验与现场应用3个方面进行了总结和分析。吸能锚杆通过结构滑移和材料变形2种方式吸收
摘要:锚杆是地下工程硐室的主体支护方式,为吸收围岩变形释放的能量,控制围岩变形,需要研发具有高恒阻力、高延伸率和高预应力的吸能锚杆。本文从吸能锚杆的研发历程、性能试验与现场应用3个方面进行了总结和分析。吸能锚杆通过结构滑移和材料变形2种方式吸收能量,按工作原理可分为结构型与材料型2种吸能锚杆。两者相比,材料型吸能锚杆结构相对简单,能够充分发挥材料力学性能。笔者团队研发了恒阻吸能新材料锚杆,开展了静力拉伸与动力冲击试验,结果表明该锚杆具备高强、高延伸率和高吸能特性,能够满足复杂条件下的围岩控制要求。未来应制定恒阻吸能锚杆的试验、设计、施工与验收标准,实现其在矿山、交通、市政、水利等不同领域地下工程中的推广和应用。
关键词:地下工程;吸能锚杆;工作原理;力学性能;现场应用
随着地下工程的迅速发展,工程建设过程中经常面临高应力、极软岩、强采动等复杂条件[1-3],极易出现软岩缓慢大变形、岩爆与冲击地压瞬时大变形等破坏现象[4-5]。缓慢和瞬时大变形是围岩能量积聚和释放的结果,解决上述问题的关键是利用支护体系吸收围岩释放的能量,减少能量积聚[6]。
锚杆作为锚网索、锚网喷等支护体系的核心[7-11],被广泛应用于地下工程建设中。传统锚杆在复杂条件下易出现杆体破断等现象[12],难以满足复杂条件下的吸能支护要求。因此,研发具有良好吸能效果的锚杆对于围岩大变形控制具有重要意义。相关研究表明,吸能锚杆应具备高恒阻力和大变形能力,一方面能够改善围岩本身的力学状态,提高围岩强度,另一方面吸收岩体变形能,使围岩中的能量得到释放[13]。
同时,必须对开挖后的围岩施加尽可能高的预应力补偿支护,最大限度地恢复围岩强度,保持巷道围岩稳定[14]。国内外学者对吸能锚杆进行了大量研究,研发了不同种类的吸能锚杆。根据工作机理吸能锚杆可分为结构型和材料型2种。其中,结构型锚杆又可分为杆体结构型和机械结构型。
杆体结构型吸能锚杆是指通过杆体-锚固剂摩擦或杆体-围岩摩擦来实现其工作阻力,吸收围岩变形能量的锚杆,如Swellex锚杆[15]、Cone锚杆[15-17]、ModifiedCone锚杆[18-19]、J型锚杆[20]等。机械结构型吸能锚杆是指通过杆体在机械结构中摩擦来实现其工作阻力,吸收围岩变形能量的锚杆,如Garford锚杆[21,22]、Roofex锚杆[23]、恒阻大变形锚杆[24-25]等。材料型吸能锚杆是指通过杆体自身变形,吸收围岩变形能量的锚杆,如D型锚杆[26]、BHRB锚杆[27]、PAR1锚杆[28]等。
本文总结了吸能锚杆的构件组成、工作原理、室内试验、现场应用等研究内容,同时对吸能锚杆试验、设计、施工与验收标准以及在不同领域的推广和应用进行展望。
1吸能锚杆研发历程
自20世纪80年代吸能锚杆问世以来,众多学者不断对吸能锚杆进行优化与创新,取得了一系列成果。
1.1杆体结构型吸能锚杆
1982年,瑞典AtlasCopco公司的Hoek等[15]研发了一种水胀式锚杆———Swellex锚杆,由带有凹槽的无缝钢管杆体和托盘等组成,高压注水使杆体膨胀,从而利用杆体和围岩之间的摩擦提供工作阻力,吸收围岩变形能量;1987年,ChamberofMinesResearchOrganization[15-17]研发了Cone锚杆,由金属杆体和锥形端头等组成,在锚杆尾部添加锥形体,利用锥形体与锚固剂之间的摩擦提供工作阻力,吸收围岩变形能量;2000年,Noranda公司在Cone锚杆的基础上增加了树脂锚固剂搅拌装置,研发了ModifiedCone锚杆[18-19]。
此后,针对杆体结构型锚杆的研究多以Cone锚杆为基础进行改进,2020年,赵兴东等[20]研发了具有多点锚固作用和整体滑移释能能力的J型锚杆,由搅拌模块、变形模块和锚固模块等组成,能够同时利用锚杆锥形体-锚固剂的摩擦做功和杆体变形吸收围岩变形能量。
1.2机械结构型吸能锚杆
1995年,澳大利亚GarfordPty公司[21-22]研发了Garford锚杆,由光滑杆柄、锚箍和树脂搅拌器等组成,利用锚杆杆体与锚箍之间的摩擦提供工作阻力,吸收围岩变形能量。此后,针对机械结构型锚杆的研究较少,直至2009年,AtlasCopco公司Plouffe等[23]研发了Roofex锚杆,由杆体、能量吸收部件以及弹性套筒等组成,利用能量吸收部件中销钉与杆体的摩擦提供工作阻力,吸收围岩变形能量。同年,何满潮等[24-25]研发了具有负泊松比效应的恒阻大变形(Constantresistancelargedeformation,CRLD)锚杆,由锥体、杆体、套管、托盘等组成,利用锥体与套管之间的摩擦提供工作阻力,吸收围岩变形能量,具有高恒阻力和大变形能力。
1.3杆体材料型吸能锚杆
2006年,Li等[26]研发了D型锚杆,由多个分布不均匀的锚固结构和杆体等组成,利用锚固结构间杆体的伸长来吸收围岩变形能,部分杆体破断并不会导致整个锚杆的失效;2010年,康红普等[27]研发了BHRB锚杆,由杆体、托盘、减摩垫圈、螺母等组成,通过优化杆体材料提高了锚杆杆体物理力学性能,从而提高了锚杆的吸能能力;2018年,NewConceptMining公司[28]研发了PAR1锚杆,由杆体、桨形锚固结构、托盘等组成,利用桨形锚固结构间杆体的变形来吸收围岩变形能。
2吸能锚杆力学性能研究
为研究吸能锚杆在围岩缓慢变形和瞬时变形时的力学性能,众多学者开展了吸能锚杆的静力拉伸与动力冲击试验。
2.1吸能锚杆静力试验研究进展
2.1.1杆体结构型吸能锚杆
XuS等[29]对Swellex锚杆进行了静力学试验,得到其极限荷载为235kN,伸长量为153mm;OrtleppWD[17]开展了Cone锚杆的静力学试验,得到其屈服荷载为181~253kN,伸长量大于30mm;CaiMing等[30]对ModifiedCone锚杆进行了静力学试验,得到其极限荷载约为150kN,伸长量大于150mm;赵兴东等[20]利用静力拉伸试验机对J型锚杆进行了静力拉伸试验,得到其屈服荷载为172kN,极限荷载为196kN,伸长量为15mm。
2.1.2机械结构型吸能锚杆
SenganiF[31]对Garford锚杆进行了静力学试验,得到其屈服荷载为153~165kN,极限荷载为184~233kN,伸长量为252~280mm;OzbayU等[23]对Roofex锚杆进行了静力拉伸试验,得到其屈服荷载为80kN,极限荷载为100kN,伸长量为300mm;何满潮等[13]利用锚杆静力拉伸试验机对恒阻大变形锚杆进行了静力学试验,得到其屈服荷载约为150kN,极限荷载为160kN,伸长量为627mm。
2.1.3杆体材料型吸能锚杆
Li[26]利用静力拉伸试验机对D型锚杆进行了静力学试验,得到其屈服荷载为51kN,极限荷载为69kN,伸长量为22mm;王爱文等[32]对BHRB锚杆进行了静力学试验,得到其屈服荷载为200~210kN,极限荷载为360~370kN,伸长量为360~370mm;NewConceptMining公司[33]对PAR1锚杆进行了静力学试验,得到其极限荷载为210kN,伸长量为185mm。
2.2吸能锚杆动力试验研究进展
2.2.1杆体结构型吸能锚杆
Charette[34]开展了Swellex锚杆的动力冲击试验,得到其伸长量为80mm,吸收的能量为2.9×104J;Ortlepp[35]开展了Cone锚杆的爆炸冲击试验,炸药质量为1.0kg,得到其吸收的能量为3.9×104J;St-Pierre等[36]开展了ModifiedCone锚杆的落锤冲击试验,落锤高度为0.5m,落锤质量为1016kg,得到其伸长量为250mm,吸收的能量为3.0×104J;赵兴东等[20]开展了J型锚杆的落锤冲击试验,落锤高度为1.5m,落锤质量为2006kg,得到其伸长量为184mm,吸收的能量为4.7×104J。
2.2.2机械结构型吸能锚杆
Varden等[37]开展了Garford锚杆的落锤冲击试验,冲击速度分别为6m/s和8m/s,得到其伸长量为180mm,吸收的能量为(6.5~7.0)×104J;Charette等[38]开展了Roofex锚杆的动力冲击试验,得到其伸长量为200mm,吸收的能量为2.7×104J;何满潮等[13,39]开展了恒阻大变形锚杆的落锤冲击试验,落锤高度为700~1000mm,落锤质量为1000kg,得到其伸长量为580mm,吸收的能量为5.4×104J。
2.2.3杆体材料型吸能锚杆
Li等[26,40]开展了D型锚杆的落锤冲击试验,落锤高度为1.5m,落锤质量为2006kg,得到其伸长量为140mm,吸收的能量为(2.0~3.7)×104J;王爱文等[32]对BHRB锚杆开展了高能量一次冲击加载方式下的动力冲击研究,得到其伸长量为385mm,吸收的能量为6.0×104J;Knox等[41]开展了PAR1锚杆的落锤冲击试验,落锤高度为1.5m,落锤质量为2071kg,得到其伸长量为254mm,吸收的能量为(9.8~10.2)×104J。杆体材料型吸能锚杆试验结果见表3序号3-1~3-3。
3吸能锚杆现场应用
1999年,Turner等[45]将Cone锚杆在具有高应力和强冲击倾向性的DigBell矿中应用,在等级M=1.7(里氏震级)的微震影响下,该类锚杆支护区域围岩最大变形为500mm,保证了巷道稳定;2000年,Simser等[19]将ModifiedCone锚杆在具有高应力和强冲击倾向性的Brunswick矿中应用,该类锚杆最大变形量为180mm,有效吸收了围岩变形释放的能量;2008年,Yao等[18]将ModifiedCone锚杆在ValeIncoCopperCliffNorth矿中应用,在等级Mn=2.9(纳特里震级)的微震影响下,该类锚杆未发生破断失效。上述锚杆施工工艺[18,19,45]为围岩钻孔、杆体润滑材料涂抹、锚固剂装填、杆体旋转安装、托盘及螺母安装。上述锚杆在施工时围岩钻孔直径较大,旋转安装锚杆时润滑涂层极易剥离杆体。
岩土工程论文范例：岩土工程中水文地质勘查技术的应用
4总结与展望
(1)传统支护体系在围岩大变形时易发生破断失效,导致冒顶、塌方、冲击地压等事故频发。为吸收围岩变形释放的能量,控制围岩变形,需要研发具有高恒阻力、高延伸率和高预应力的吸能锚杆。
(2)吸能锚杆按工作机理可分为结构型吸能锚杆与材料型吸能锚杆,相比前者,材料型吸能锚杆结构相对简单,能够充分地发挥材料力学性能。笔者团队研发了恒阻吸能新材料锚杆,同时具备高强、高延伸率和高吸能特性,初步满足了复杂条件围岩控制要求。随着地下工程围岩条件越来越复杂,研发具有更高强度、高延伸率和高吸能特性的材料型吸能锚杆成为未来锚杆的发展趋势。
(3)吸能锚杆的力学性能主要通过单轴拉伸试验和落锤冲击试验开展研究。由于锚杆在支护过程中受到拉、剪、扭、弯及高速冲击等多种载荷作用,现有试验难以模拟锚杆实际受力状态,下一步应开展吸能锚杆在多种载荷作用下的静力学性能研究和高应变率下的动力学性能研究。
(4)吸能锚杆目前主要应用于矿山工程领域,形成了相应的施工工艺。但是已有文献对吸能锚杆现场应用的研究较少,下一步应对吸能锚杆在现场应用时的力学性能和围岩控制效果进行研究,制定吸能锚杆的设计、施工和验收标准,推广吸能锚杆在交通、市政、水利等不同领域地下工程中的应用。
参考文献：
[1]何满潮,谢和平,彭苏萍,等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2803-2813.HeManchao,XieHeping,PengSuping,etal.Studyonrockmechanicsindeepminingengineering[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2005,24(16):2803-2813.
[2]WangQ,HeMC,YangJ,etal.Studyofano-pillarminingtechniquewithautomaticallyformedgob-sideentryretainingforlongwallminingincoalmines[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,2018,110:1-8.
[3]王琦,高红科,蒋振华,等.地下工程围岩数字钻探测试系统研发与应用[J].岩石力学与工程学报,2020,39(2):301-310.WangQi,GaoHongke,JiangZhenhua,etal.Developmentandapplicationofasurroundingrockdigitaldrillingtestsystemofundergroundengineering[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2020,39(2):301-310.
作者：江贝1,王琦1,2,3,魏华勇1,2,辛忠欣3,何满潮1,吴文瑞1,2,马凤林1,2,许硕1,2,王业泰
转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/jzlw/27397.html
