CN111707548B - 一种基于裂隙和能量演化的锚杆支护效果评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿开采技术领域，提供一种基于裂隙和能量演化的锚杆支护效果评价方法，研究施加不同预紧力时锚固体在加载过程中的能量演化特征；根据锚固体模型模拟结果分析不同预紧力下锚固体的裂隙发育情况和变形破坏特征；并根据锚固体加载过程中的能量演化特征、裂隙发育情况、变形破坏特征建立预紧力‑能量‑锚固效果之间的关系评价锚杆支护效果。本发明从能量和微观角度对锚固体破坏进行分析，提出一种新的锚杆支护效果评价方法，解决了采用应力‑应变来描述锚固体变形破坏过程不能真实反应出锚固体的变形破坏规律的问题。

Description

一种基于裂隙和能量演化的锚杆支护效果评价方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，具体涉及一种基于裂隙和能量演化的锚杆支护效果评价方法。

背景技术

大量的工程实践证明了锚杆支护能够有效提高围岩稳定性。因此，锚杆支护技术作为一种主动支护方法，在中国的矿山工程中得到了广泛的应用。由锚杆和围岩组成的锚固体是实现巷道围岩稳定的关键，控制着锚固范围岩体扩容变形破坏。尽管锚杆支护在井下成功应用，但仍缺乏统一的锚杆支护效果评价方法。

目前关于锚固体的锚固效果评价多聚焦于锚固技术、锚固材料、协调效应、应力传递规律、动载响应特征等方面。研究理论则多采用传统的弹塑性力学，采用应力-应变来描述锚固体变形破坏过程的力学响应特点并由此建立强度理论。但是，地下工程锚固体是高度非线性复杂系统，并处于动态不可逆演化之中，因此采用力学响应特点得到的结果并不能真实的反应出锚固体的变形破坏规律。

发明内容

为了解决上述应力-应变描述锚固体变形破坏过程不能真实的反应出锚固体的变形破坏规律问题，本发明提出一种基于裂隙和能量演化的锚杆支护效果评价方法，从能量和微观角度对锚固体破坏进行分析，建立预紧力-能量-锚固效果之间的关系评价锚杆支护效果。具体包括以下步骤：

S1：巷道钻孔获取煤芯，将煤芯制成标准的煤样进行单轴压缩实验，所述单轴压缩实验包括测试煤样的单轴抗压强度和弹性模量；

S2：利用UDEC-Trigon方法建立煤样单轴压缩数值模型，采用试错法修正单轴压缩数值模型中煤样的法向刚度、切向刚度、内聚力、摩擦角、抗拉强度参数，使单轴压缩数值模型模拟结果与步骤S1中的单轴压缩实验结果相匹配；利用UDEC-Trigon方法建立锚杆模型，计算锚杆模型中弹性模量、屈服强度、锚固刚度、锚固力的输入参数；并根据锚杆模型和修正后的煤样单轴压缩数值模型建立锚固体模型；

S3：通过S2建立的锚固体模型研究施加不同预紧力时锚固体在加载过程中的能量演化特征，锚固体在加载过程中的能量包括边界功、弹性应变能、裂隙摩擦做功、塑性变形做功和声发射释放能量；

S4：根据锚固体模型模拟结果，对比分析施加不同预紧力时锚固体内裂隙的数量、种类、分布特征及锚固体损伤度，根据锚固体内裂隙发育情况绘制锚固体损伤曲线，结合锚固体轴向应力演化和能量演化特征把锚固体破坏分为裂隙产生阶段Ⅰ、裂隙快速发育阶段Ⅱ、峰后阶段Ⅲ三个阶段，分析不同预紧力下锚固体的裂隙发育情况和变形破坏特征，确定预紧力对锚固体破坏程度的影响；

S5：根据步骤S3和S4确定的锚固体加载过程中的能量演化特征、裂隙发育情况、变形破坏特征，建立预紧力-能量-锚固效果之间的关系评价锚杆支护效果。

进一步的，步骤S3中研究施加不同预紧力时锚固体在加载过程中的能量演化特征具体包括：实时监测锚固体在加载过程中能量的演化情况，记录不同预紧力下锚固体内能量数据，分析不同预紧力下能量演化过程的差异，绘制能量演化过程图，建立预紧力与能量演化的关系。

进一步的，步骤S3中锚固体在加载过程中的各个能量之间的关系为：

W＝W_f+W_p+U^r+U^e

式中，W为边界功，KJ；W_f为裂隙摩擦做功，KJ；W_p为塑性变形做功，KJ；U^r为声发射释放能量，KJ；U^e为弹性应变能，KJ。

进一步的，步骤S4中损伤度计算表达式为：

式中，L_c为锚固体内裂隙总长度，m；L_s为锚固体内剪切裂隙总长度，m；L_t为锚固体内拉伸裂隙总长度，m。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

通过锚固体加载过程中的能量演化特征、裂隙发育情况、变形破坏特征建立预紧力-能量-锚固效果之间的关系综合评价锚杆支护效果，可保障锚固体有效承载的同时，隔离采空区瓦斯，安全可靠。本发明提出的基于裂隙和能量演化的锚杆支护效果评价方法考虑了锚固体隔离作用，从能量及微观角度评价锚杆支护效果，本方法能够合理有效评价锚杆支护效果，有效控制巷道围岩变形，使断面能够满足通风和瓦斯排放要求，为实现安全高效生产提供保障。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明实施例中的锚固体模型；

图2(a)是本发明实施例中的无锚杆煤体破坏特征；

图2(b)是本发明实施例中的低预紧力锚固体破坏特征；

图2(c)是本发明实施例中的高预紧力锚固体破坏特征；

图3(a)是本发明实施例中的无锚杆煤体轴向应力-轴向应变曲线；

图3(b)是本发明实施例中的低预紧力锚固体轴向应力-轴向应变曲线；

图3(c)是本发明实施例中的高预紧力锚固体轴向应力-轴向应变曲线；

图3(d)是本发明实施例中的无锚杆煤体裂隙损伤曲线；

图3(e)是本发明实施例中的低预紧力锚固体裂隙损伤曲线；

图3(f)是本发明实施例中的高预紧力锚固体裂隙损伤曲线；

图3(g)是本发明实施例中的无锚杆煤体能量曲线；

图3(h)是本发明实施例中的低预紧力锚固体能量曲线；

图3(i)是本发明实施例中的高预紧力锚固体能量曲线；

图4是本发明实施例中的锚固体模型模拟结果各能量统计；

图5是本发明实施例中的不同预紧力下锚固体峰值强度、损伤度和残余弹性应变能对比；

图6是本发明实施例中的不同预紧力下锚固体支护效果对比；

图7是本发明实施例中的基于裂隙和能量演化的锚杆支护效果评价方法示意图；

以上图1-7中：1-上部载荷；2-煤样单轴压缩数值模型；3-锚固体模型下边界；4-锚杆模型。

具体实施方式

以中国山西省长治市王庄煤矿6208工作面运输巷为实施例进行锚固效果评价。6208工作面运输巷为沿空掘巷，采用沿底掘进的方式开挖，巷道两帮及直接顶均为煤。该巷道原采用传统扭矩式HRB335螺纹钢锚杆进行巷道支护，锚杆直径22mm，长度2400mm，施加300N·m扭矩进行预紧。在掘进期间就出现巷道两帮围岩变形严重的问题，因此，需要对锚固效果进行重新评价。图7是本发明的基于裂隙和能量演化的锚杆支护效果评价方法示意图。

S1：工作面运输巷巷道钻孔获取煤芯，将煤芯制成标准的煤样进行单轴压缩实验，单轴压缩实验包括测试煤样的单轴抗压强度和弹性模量。单轴压缩实验测试得到的煤样单轴抗压强度和弹性模量分别为5.1MPa和0.79GPa。

S2：利用UDEC-Trigon方法建立煤样单轴压缩数值模型，采用试错法修正单轴压缩数值模型中煤样的法向刚度、切向刚度、内聚力、摩擦角、抗拉强度参数，使单轴压缩数值模型模拟结果与步骤S1中的单轴压缩实验结果相匹配。试错法参数修正后，单轴压缩数值模型模拟得到的煤样单轴抗压强度和弹性模量分别为5.1MPa和0.73GPa。当误差在7％以内，单轴压缩数值模型模拟结果与步骤S1中的单轴压缩实验结果相匹配，单轴压缩数值模型参数可以用于模拟评价锚杆支护效果。利用UDEC-Trigon方法建立锚杆模型，计算锚杆弹性模量、屈服强度、锚固刚度、锚固力的输入参数。计算得到的锚杆弹性模量为200GPa、屈服强度为390KN、锚固刚度为2×10⁹N/m/m、锚固力为4×10⁵N/m。然后建立如图1所示的锚固体模型。

S3：根据锚杆模型和修正后的煤样单轴压缩数值模型建立锚固体模型，研究施加不同预紧力时锚固体在加载过程中的能量演化特征，锚固体在加载过程中的能量包括边界功、弹性应变能、裂隙摩擦做功、塑性变形做功和声发射释放能量。研究施加不同预紧力时锚固体在加载过程中的能量演化特征具体包括：实时监测锚固体在加载过程中能量的演化情况，记录不同预紧力下锚固体内能量数据，分析不同预紧力下能量演化过程的差异，绘制能量演化过程图，建立预紧力与能量演化的关系。锚固体在加载过程中的各个能量之间的关系为：

W＝W_f+W_p+U^r+U^e

式中，W为边界功，KJ；W_f为裂隙摩擦做功，KJ；W_p为塑性变形做功，KJ；U^r为声发射释放能量，KJ；U^e为弹性应变能，KJ。

S4：根据锚固体模型模拟结果，对比分析施加不同预紧力时锚固体内裂隙的数量、种类、分布特征及锚固体损伤度，根据锚固体内裂隙发育情况绘制锚固体损伤过程曲线，结合锚固体轴向应力演化特征和能量演化特征把锚固体破坏分为裂隙产生阶段、裂隙快速发育阶段和峰后阶段三个阶段，分析不同预紧力下锚固体的裂隙发育情况和变形破坏特征，确定预紧力对锚固体破坏程度的影响。损伤度计算表达式为：

式中，L_c为锚固体内裂隙总长度，m；L_s为锚固体内剪切裂隙总长度，m；L_t为锚固体内拉伸裂隙总长度，m。

如图1所示，锚固体模型上部载荷的加载速率0.02m/s，并固定锚固体模型下边界。在锚固体模型加载过程中，使用FISH语言编程监测锚固体轴向应力、剪切裂隙数量及长度、拉伸裂隙数量及长度，使用UDEC能量模块监测边界功、弹性应变能、裂隙摩擦做功、塑性变形做功和声发射释放能量。根据是否锚固及锚杆预紧力不同，本实施例建立了三种模拟方案：(1)无锚杆；(2)有锚杆，低预紧力，预紧力40kN；(3)有锚杆，高预紧力，预紧力90kN。现场对锚杆施加的预紧扭矩普遍约为300-400N·m，对应的预紧力约为40-50kN。所以本文模拟方案中的低预紧力设置为40kN。

从图2可以看出在无锚杆情况下，锚固体内部分布大量连续的裂隙。在施加低预紧力锚杆的锚固体中仍然存在连续的裂隙，这种裂隙对于锚固体的力学性质有较大的影响。在施加高预紧力锚杆的锚固体中的裂隙数量较少。因此，高预紧力锚杆可以有效减少锚固体中连续裂隙的数量，改善锚固体的破坏情况，有利于保证锚固体的完整稳定。

对图3进行竖向分析，依据裂隙曲线和能量曲线的走势以及二者与应力曲线的对应关系，把锚固体的整个破坏过程分为三个阶段：裂隙产生阶段Ⅰ，裂隙快速发育阶段Ⅱ，峰后阶段Ⅲ。图3(d)、3(e)、3(f)中，左侧纵坐标表示的是剪切裂隙、拉伸裂隙的数量；右侧纵坐标表示的是剪切损伤、拉伸损伤、总损伤的损伤度。图3(g)、3(h)、3(i)中，左侧纵坐标表示的是边界功、弹性应变能、裂隙摩擦做功、塑性变形做功；右侧纵坐标表示的是声发射释放能量。

裂隙产生阶段Ⅰ从零轴向应力开始到轴向应力峰值59％的位置结束。在这一阶段内裂隙、损伤度都处于较低的水平，锚固体处于弹性应变阶段，外界边界功几乎全部转化为弹性应变能储存在锚固体内部，在这一阶段没有由锚固体破坏引起的能量耗散。

裂隙快速发育阶段Ⅱ从轴向应力峰值59％的位置开始到轴向应力峰值位置处结束。在这一阶段内，剪切裂隙快速发育导致锚固体出现损伤，然而拉伸裂隙仍处于较低的水平，因此在这一阶段内剪切裂隙的发育传播是导致锚固体破坏的主要因素。此阶段内少量能量通过裂隙摩擦做功和塑性变形做功消耗，但较多的能量仍然以弹性应变能的形式储存在锚固体内，并且在轴向应力峰值位置附近达到弹性应变能的峰值能量。

峰后阶段Ⅲ为轴向应力峰值位置以后的部分。在这一阶段锚固体内剪切裂隙的发育趋于平稳。然而此时在前两个阶段始终处于低水平的拉伸裂隙在这一阶段出现上升的趋势，无论是数量还是拉伸导致的拉伸损伤损伤度都开始增加。此阶段内大量能量通过裂隙摩擦做功和塑性变形做功消耗，声发射释放的能量也快速上升，锚固体逐渐进入塑性应变，内部弹性应变能从峰值下降。由于锚固体裂隙的进一步发展和沿滑面的剪切变形导致能量的不断耗散，所有的耗散能量一段时间后趋于稳定。

对图3(a)、3(b)、3(c)进行横向分析，在轴向应力方面，预紧力锚杆不仅可以改变锚固体的轴向应力提高其峰值强度，而且可以改善锚固体的峰后特性，减缓锚固体的强度下降。安装高预紧力锚杆的锚固体峰值强度达到5.8MPa，比不安装锚杆的煤体提升了13.7％。在无锚杆情况下，煤体在达到轴向应力峰值强度后，轴向应力曲线立刻快速下降，强度迅速从5.1MPa下降至2.5Mpa，在安装预紧力锚杆后，峰后轴向应力均在4MPa以上。

对图3(d)、3(e)、3(f)进行横向分析，在裂隙和损伤方面，预紧力锚杆可以有效降低锚固体的整体损伤程度，在分别安装低预紧力和高预紧力锚杆后，锚固体的整体损伤度分别下降了8.6％和16.6％。除此之外，剪切裂隙数量、拉伸裂隙数量和拉伸损伤度也都呈现递减的趋势。但是当安装低预紧力锚杆时，裂隙的演化情况与其他两组不同，锚固体的损伤起始点从轴向应变0.4％提前为0.3％，在0.3％至0.4％之间缓慢增长，在应变0.4％时出现拐点，然后进入裂隙快速传播阶段，而且最终的拉伸裂隙和拉伸损伤度比不安装锚杆的煤体高，增长率分别达到25.8％和34％。出现这种情况的原因是施加在锚杆上的预紧力较低，在加载初期锚杆主动支护效果不明显，同时安装锚杆相当于破坏了原煤体的整体性，所以在加载初期就出现锚固体的微破坏(轴向应变0.3％至0.4％之间)，出现拉伸破坏，导致最终拉伸裂隙和拉伸损伤度增加。当轴向应变为0.4％时，锚杆开始发挥主动支护作用，拉伸裂隙从轴向应变0.4％到0.76％(峰值轴向应力对应轴向变量)之间趋于平缓。综上分析可知，低预紧力锚杆在支护的初期不仅不能发挥主动支护作用，还会一定程度上引起锚固体的破坏，造成锚固体的拉伸损伤。

对图3(g)、3(h)、3(i)进行横向分析，在能量方面，从弹性应变能曲线的发展趋势可以看出锚固体破坏的整个过程是个先充能再能量释放的过程，可以把裂隙产生阶段Ⅰ和裂隙快速发育阶段Ⅱ合并称为充能阶段，把峰后阶段Ⅲ称为能量释放阶段。当煤体安装锚杆后，随着预紧力的增加，充能峰值能量增加峰值位置后移，而且在能量释放阶段相同轴向应变的情况下剩余弹性应变能增加。在弹性应变能峰值位置以后进入能量释放阶段，开始大量释放能量。释放能量主要通过裂隙摩擦做功，其次是锚固体的塑性变形做功，声发射释放能量最少，图3(g)、3(h)、3(i)声发射释放能量分别占释放总能量的5.7％、14.4％和16.9％。通过图4可以看出，随着预紧力增加，能量释放阶段通过裂隙摩擦做功和锚固体的塑性变形做功呈减少的趋势，声发射释放能量和剩余弹性应变能增加。因为锚杆发挥主动支护作用改变了锚固体的物理力学性质，提高了锚固体的弹性模量，提高了锚固体抵抗裂缝扩展和塑性变形的能力。但在低预紧力情况下，从图3(h)可知，在充能阶段就出现裂隙摩擦做功的能量耗散，这是因为在支护初期低预紧力锚杆支护效果较差，导致拉伸裂隙的发育扩展，这与图3(e)的裂隙演化曲线相吻合，提高锚杆预紧力可以有效改善这一情况。高锚杆预紧力使得锚杆在支护初期就起到主动支护作用，保证锚固体的稳定。

由图5可知，施加高预紧力可以提高锚固体的残余弹性应变能。这是因为安装高预紧力锚杆后改善锚固体的力学参数，同时抑制锚固体内裂隙发育，减少了通过裂隙摩擦做功和塑性变形做功这两个主要耗散途径消耗的能量。而残余弹性应变能与峰值强度成正相关，与损伤度呈负相关。所以，可以认为由高预紧力构建的高储能锚固体是一种高强度、低损伤度的锚固体。

使用基于裂隙和能量演化的锚杆支护效果评价方法评估后，在实施例巷道选取200m作为试验段安装高预紧力锚杆，使用锚杆锁具配合特制千斤顶对直径22mm、HRB335的螺纹钢锚杆张拉预紧，无损施加90kN预紧力。

如图6所示，监测在掘进期间高预紧力锚杆段和低预紧力锚杆段的两帮移近量。随着掘进面推进，巷道围岩变形逐渐增大。在距离掘进100m处两帮移近量基本稳定，高预紧力锚杆断面最大两帮移近量为527mm，低预紧力锚杆断面最大两帮移近量为210mm，最大两帮移近量减少了60％。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于裂隙和能量演化的锚杆支护效果评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：巷道钻孔获取煤芯，将煤芯制成标准的煤样进行单轴压缩实验，所述单轴压缩实验包括测试煤样的单轴抗压强度和弹性模量；

S2：利用UDEC-Trigon方法建立煤样单轴压缩数值模型，采用试错法修正单轴压缩数值模型中煤样的法向刚度、切向刚度、内聚力、摩擦角、抗拉强度参数，使单轴压缩数值模型模拟结果与步骤S1中的单轴压缩实验结果相匹配；利用UDEC-Trigon方法建立锚杆模型，计算锚杆模型中弹性模量、屈服强度、锚固刚度、锚固力的输入参数；并根据锚杆模型和修正后的煤样单轴压缩数值模型建立锚固体模型；

S3：通过S2建立的锚固体模型研究施加不同预紧力时锚固体在加载过程中的能量演化特征，锚固体在加载过程中的能量包括边界功、弹性应变能、裂隙摩擦做功、塑性变形做功和声发射释放能量；

S4：根据锚固体模型模拟结果，对比分析施加不同预紧力时锚固体内裂隙的数量、种类、分布特征及锚固体损伤度，根据锚固体内裂隙发育情况绘制锚固体损伤曲线，结合锚固体轴向应力演化和能量演化特征把锚固体破坏分为裂隙产生阶段Ⅰ、裂隙快速发育阶段Ⅱ、峰后阶段Ⅲ三个阶段，分析不同预紧力下锚固体的裂隙发育情况和变形破坏特征，确定预紧力对锚固体破坏程度的影响；

S5：根据步骤S3和S4确定的锚固体加载过程中的能量演化特征、裂隙发育情况、变形破坏特征，建立预紧力-能量-锚固效果之间的关系评价锚杆支护效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于裂隙和能量演化的锚杆支护效果评价方法，其特征在于，步骤S3中研究施加不同预紧力时锚固体在加载过程中的能量演化特征具体包括：实时监测锚固体在加载过程中能量的演化情况，记录不同预紧力下锚固体内能量数据，分析不同预紧力下能量演化过程的差异，绘制能量演化过程图，建立预紧力与能量演化的关系。

3.根据权利要求1所述的一种基于裂隙和能量演化的锚杆支护效果评价方法，其特征在于，步骤S3中锚固体在加载过程中的各个能量之间的关系为：

W＝W_f+W_p+U^r+U^e

式中，W为边界功，KJ；W_f为裂隙摩擦做功，KJ；W_p为塑性变形做功，KJ；U^r为声发射释放能量，KJ；U^e为弹性应变能，KJ。

4.根据权利要求1所述的一种基于裂隙和能量演化的锚杆支护效果评价方法，其特征在于，步骤S4中损伤度计算表达式为：

式中，L_c为锚固体内裂隙总长度，m；L_s为锚固体内剪切裂隙总长度，m；L_t为锚固体内拉伸裂隙总长度，m。

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