CN111912724A - 一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法，涉及冲击地压危险巷道支护技术领域。步骤包括：A.锚杆冲击试验测定锚杆的受力变形曲线，分别确定锚杆在弹性变形阶段、恒阻大变形阶段和极限承载阶段的锚杆吸能；B.相似材料模拟试验中，模拟巷道开挖并加载至围岩破坏，记录加载能量并估算巷道围岩破坏所需能量；C.根据锚杆吸能和巷道围岩破坏所需能量的关系确定锚杆数量；D.相似材料模拟试验中，模拟巷道支护，并进行承压吸能测试，估算围岩吸能；E.调整模拟试验中的承压能，调整锚杆数量；F.模拟测试优化后巷道支护，确定合理的锚杆数量。该方法考虑了巷道围岩‑锚杆整体的吸能效果，通过模拟试验指导现场支护以保证支护安全。

Description

一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法
技术领域
本发明涉及冲击地压危险巷道支护技术领域，尤其是一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似材料模拟试验方法。
背景技术
随着煤矿开采强度和开采深度不断增加，冲击地压灾害已经成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。针对冲击地压防治难题，国内外学者研发了不同种类的大变形锚杆用于巷道围岩支护，按工作原理可将它们大致分为两类：第一类是杆体可伸长锚杆，依靠锚杆材料本身的屈服强度和延伸率提供支护阻力和延伸量；第二类是结构元件可伸长锚杆，通过设计一些特殊的机械结构，在锚杆受到的拉力达到一定值后可借助这类机械结构使锚杆伸长。
目前对于冲击危险巷道进行锚杆支护，主要是基于准静态方法设计，通过室内试验测得单根锚杆的最大吸收能，改变支护结构，使其具备必要的防冲吸能性能，实现冲击危险巷道防冲支护。围绕大变形锚杆吸能测试，一般是通过测试吸能锚杆的试验装置，主要测试锚杆在载荷作用下的锚杆的变形量，评价锚杆的吸能能力。然而，冲击地压发生时，巷道变形破坏过程具备明显的动力现象，其中支护巷道的破坏机理是由巷道围岩和支护锚杆共同作用形成的，现有的测试方法仅仅从单根锚杆被拉断或被动载冲击时所吸收能量是不准确的，未能精确定量地直观体现锚杆吸能能力，忽略了巷道围岩-大变形锚杆支护系统的整体吸能效果测试，难以为巷道支护提供精确地参考。另外如果进行井下支护测试，既耗费经费、又耗费人力，并且难度较大。
为此，需要对现有的模拟试验方法做进一步的改进，从而可以通过室内试验可重复的、高效率的分析研究巷道围岩-大变形锚杆支护系统的承载能力，为冲击地压危险巷道支护提供理论支持，保证现场巷道的支护安全。
发明内容
为了分析巷道围岩-锚杆整体的吸能效果，优化工程实际中的锚杆支护参数，保证冲击地压危险巷道的支护安全，本发明提供了一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法，具体技术方案如下。
一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法，步骤包括：
A.锚杆冲击试验测定恒阻大变形锚杆的受力-变形曲线，分别确定恒阻大变形锚杆在弹性变形阶段吸能A1、恒阻大变形阶段吸能A2和极限承载阶段的锚杆吸能A3，计算恒阻大变形锚杆的总承载吸能A；
B.相似材料模拟试验中，模拟巷道开挖并加载至围岩破坏，记录加载至围岩破坏的能量Q，并估算模拟中巷道围岩破坏所需能量B；
C.根据锚杆吸能和巷道围岩破坏所需能量的关系确定锚杆数量n，其中
Figure BDA0002546765890000021
D.相似材料模拟试验中，模拟n根锚杆支护的巷道，并进行模拟支护巷道的承压吸能测试，根据n根支护锚杆的总吸能A′估算模拟支护巷道的围岩吸能B′；
E.相似材料模拟试验中调整锚杆数量n′，并调整加载能量Q′，
其中
Figure BDA0002546765890000022
F.通过相似材料模拟试验测试优化后的巷道支护，确定支护巷道的锚杆数量。
优选的是，锚杆冲击试验使用大变形锚杆动载冲击系统，测定单根恒阻大变形锚杆吸能的能力。
还优选的是，恒阻大变形锚杆在弹性变形阶段吸能A1，弹性阶段锚杆受力为F1，弹性阶段锚杆变形为x1，其中
A1＝∫∫dF1·dx1；
恒阻大变形阶段吸能A2，恒阻大变形阶段锚杆的变形为滑移变形，锚杆在滑移过程中保持恒阻特性，恒阻大变形锚杆产生滑移的阻力为F2，锚杆破坏时的位移量为x2，其中
A2＝∫∫dF2·dx2；
极限承载阶段的锚杆吸能A3，极限承载阶段在恒阻大变形锚杆材料变形和结构变形之后，锚杆的变形能已经得到充分释放，恒阻大变形锚杆极限承载的阻力为F3，锚杆极限承载的位移量为x3，其中
A3＝∫∫dF3·dx3
恒阻大变形锚杆的总承载吸能A＝A1+A2+A3＝∫∫dF·dx。
进一步优选的是，相似材料模拟试验利用深部巷道试验系统进行，估算模拟中巷道围岩破坏所需能量时B≈Q,加载装置摩擦损耗的能量忽略不计。
进一步优选的是，步骤F中相似材料模拟试验模拟实际巷道支护，调整支护参数直至模拟支护巷道的围岩吸能为B时支护巷道发生破坏。
进一步优选的是，加载至围岩破坏的能量Q通过加载力和加载位移计算确定。
进一步优选的是，相似材料模拟试验加载结束后确定载荷-位移曲线。
本发明提供的一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法，有益效果包括：
(1)该方法以巷道围岩-大变形锚杆支护系统的整体破坏吸能进行模拟试验，并分析单根恒阻大变形锚杆的受力-变形曲线确定锚杆总的承压吸能，进而合理的优化锚杆的支护设计，充分考虑了支护巷道围岩和锚杆的协同支护作用，为现场锚杆参数设计优化提供理论和试验依据。
(2)该模拟试验的方法中分别测试了巷道围岩抵抗破坏的承载性能、支护锚杆的承压性能、支护巷道的抵抗破坏的承载性能，根据测试结果合理的设计、优化支护参数，克服经验估算巷道锚杆数量的不足，并且可以根据室内相似材料模拟试验分析支护参数的合理性，减小误差，保证巷道支护安全。另外进行相似材料模拟试验可以有效还原现场，试验重复性好，进而有效的指导现场支护施工。
附图说明
图1是用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法流程步骤图；
图2是恒阻大变形锚杆的受力-变形曲线图；
图3是深部巷道试验系统；
图4是相似材料模拟试验中的载荷-位移曲线。
图中：1-深部巷道试验系统；11-竖向应力加载机构，12-水平应力加载机构，13-模拟巷道。
具体实施方式
结合图1至图4所示，对本发明提供的一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法具体实施方式进行说明。
为了测量巷道硐室围岩以及整个锚杆支护系统的吸能能力，估算巷道围岩的吸能效果，以优化现场锚杆支护，减少冲击地压造成的灾害，通过大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法，对深部支护巷道围岩整体吸能效果进行估算。该方法采用大变形锚杆动载冲击系统测定单根锚杆的承载性能，测试冲击条件下锚杆吸能能力；采用动压巷道支护相似模拟试验装置，对无支护的模拟巷道进行承压试验，估算模拟巷道围岩破坏所需能量；根据测试所得锚杆吸能大小与模拟巷道围岩破坏所需能量，初步确定支护模拟巷道所需锚杆数量，并对支护模拟巷道进行冲击吸能测试；通过调整冲击能量，以及支护锚杆的数量，对模拟支护巷道进行冲击吸能测试，确定合理的锚杆数量，进而优化现场的锚杆支护。
一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法具体步骤包括：
步骤A.
锚杆冲击试验测定恒阻大变形锚杆的受力-变形曲线，分别确定恒阻大变形锚杆在弹性变形阶段吸能A1、恒阻大变形阶段吸能A2和极限承载阶段的锚杆吸能A3，计算恒阻大变形锚杆的总承载吸能A。
其中锚杆冲击试验使用大变形锚杆动载冲击系统，测定单根恒阻大变形锚杆吸能的能力，本实施例中测得的恒阻大变形锚杆的受力-变形曲线如图2所示，弹性变形阶段受力-变形呈直线，随应力增大变形增大；恒阻大变形阶段，锚杆在该阶段变形为滑移变形，在滑移过程中保持恒阻特性，所以受力基本保持不变，变形量增大；极限承载阶段，该阶段巷道围岩经过恒阻大变形锚杆材料变形和结构变形后，变形能得到充分释放，由于外部荷载小于设计恒阻力值巷道围岩再次处于相对稳定状态，随着变形增大锚杆失效。
具体的是，恒阻大变形锚杆在弹性变形阶段吸能A1，弹性阶段锚杆受力为F1，弹性阶段锚杆变形为x1，其中
A1＝∫∫dF1·dx1；
恒阻大变形阶段吸能A2，恒阻大变形阶段锚杆的变形为滑移变形，锚杆在滑移过程中保持恒阻特性，恒阻大变形锚杆产生滑移的阻力为F2，锚杆破坏时的位移量为x2，其中
A2＝∫∫dF2·dx2；
极限承载阶段的锚杆吸能A3，极限承载阶段在恒阻大变形锚杆材料变形和结构变形之后，锚杆的变形能已经得到充分释放，恒阻大变形锚杆极限承载的阻力为F3，锚杆极限承载的位移量为x3，其中
A3＝∫∫dF3·dx3
恒阻大变形锚杆在弹性变形阶段吸能A1、恒阻大变形阶段吸能A2和极限承载阶段的锚杆吸能A3，其中A1为原点O至P1点的直线与X轴之间包围的面积，A2为P1点到P2点之间的曲线与X轴包围的面积，A3为P2点到P3点之间的曲线与X轴包围的面积。
恒阻大变形锚杆的总承载吸能A＝A1+A2+A3＝∫∫dF·dx。
步骤B.
相似材料模拟试验中，模拟巷道开挖并加载至围岩破坏，记录加载至围岩破坏的能量Q，并估算模拟中巷道围岩破坏所需能量B。
其中相似材料模拟试验利用深部巷道试验系统进行，深部巷道试验系统如图3所示，相似材料模型建立后分级加载至原岩应力，完成竖向应力加载后立即进行水平应力加载，随后稳定1-2小时，模拟巷道开挖，模拟巷道没有被支护。巷道开挖后，进行竖直方向的加载直至模拟巷道被破坏，记录该加载能量Q，加载至围岩破坏的能量Q通过加载力和加载位移计算确定，加载力乘以加载位移即可确定加载能量；深部巷道试验系统记录加载过程中的载荷-位移曲线。估算模拟中巷道围岩破坏所需能量时B≈Q,加载装置摩擦损耗的能量及其他损耗能量忽略不计。
步骤C.
根据锚杆吸能和巷道围岩破坏所需能量的关系确定锚杆数量n，锚杆冲击试验中可以确定恒阻大变形锚杆的总承载吸能A，相似材料模拟试验中可以确定巷道围岩破坏所需的能量B，进而初步确定锚杆数量n，其中
Figure BDA0002546765890000051
步骤D.
相似材料模拟试验中，模拟n根锚杆支护的巷道，并进行模拟支护巷道的承压吸能测试，控制深部巷道试验系统加载能量为Q，记录加载过程中的载荷-位移曲线，根据n根支护锚杆的总吸能A′来估算模拟支护巷道的围岩吸能B′，支护锚杆的吸能为n根锚杆所承载的能量，其中B′＝Q-A′。
步骤E.
相似材料模拟试验中调整锚杆数量为n′，并调整加载能量为Q′，
其中
Figure BDA0002546765890000052
锚杆数量以巷道围岩-大变形锚杆支护系统的整体破坏吸能模拟试验为基础，并分析单根恒阻大变形锚杆的受力-变形曲线确定锚杆总的承压吸能，充分考虑了支护巷道围岩和锚杆的协同支护作用，进而可以合理的优化锚杆的支护设计。
步骤F.
通过相似材料模拟试验测试优化后的巷道支护，确定支护巷道的锚杆数量。
其中相似材料模拟试验模拟实际巷道支护，调整支护参数直至模拟支护巷道的围岩吸能为B时支护巷道发生破坏；确定支护巷道的锚杆数量后根据模拟和实际巷道比例确定实际巷道支护中锚杆的数量及锚杆间排距。
该方法分别测试了巷道围岩抵抗破坏的承载性能、支护锚杆的承压性能、支护巷道的抵抗破坏的承载性能，根据测试结果合理的设计、优化支护参数，克服经验估算巷道锚杆数量的不足，并且可以根据室内相似材料模拟试验分析支护参数的合理性，减小误差，保证巷道支护安全。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法，其特征在于，步骤包括：
A.锚杆冲击试验测定恒阻大变形锚杆的受力-变形曲线，分别确定恒阻大变形锚杆在弹性变形阶段吸能A1、恒阻大变形阶段吸能A2和极限承载阶段的锚杆吸能A3，计算恒阻大变形锚杆的总承载吸能A；
B.相似材料模拟试验中，模拟巷道开挖并加载至围岩破坏，记录加载至围岩破坏的能量Q，并估算模拟中巷道围岩破坏所需能量B；
C.根据锚杆吸能和巷道围岩破坏所需能量的关系确定锚杆数量n，其中
Figure FDA0002546765880000011
D.相似材料模拟试验中，模拟n根锚杆支护的巷道，并进行模拟支护巷道的承压吸能测试，根据n根支护锚杆的总吸能A′估算模拟支护巷道的围岩吸能B′；
E.相似材料模拟试验中调整锚杆数量n′，并调整加载能量Q′，
其中
Figure FDA0002546765880000012
F.通过相似材料模拟试验测试优化后的巷道支护，确定支护巷道的锚杆数量。
2.根据权利要求1所述的一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法，其特征在于，所述锚杆冲击试验使用大变形锚杆动载冲击系统，测定单根恒阻大变形锚杆吸能的能力。
3.根据权利要求2所述的一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法，其特征在于，所述恒阻大变形锚杆在弹性变形阶段吸能A1，弹性阶段锚杆受力为F1，弹性阶段锚杆变形为x1，其中
A1＝∫∫dF1·dx1；
恒阻大变形阶段吸能A2，恒阻大变形阶段锚杆的变形为滑移变形，锚杆在滑移过程中保持恒阻特性，恒阻大变形锚杆产生滑移的阻力为F2，锚杆破坏时的位移量为x2，其中
A2＝∫∫dF2·dx2；
极限承载阶段的锚杆吸能A3，极限承载阶段在恒阻大变形锚杆材料变形和结构变形之后，锚杆的变形能已经得到充分释放，恒阻大变形锚杆极限承载的阻力为F3，锚杆极限承载的位移量为x3，其中
A3＝∫∫dF3·dx3
所述恒阻大变形锚杆的总承载吸能A＝A1+A2+A3＝∫∫dF·dx。
4.根据权利要求1所述的一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法，其特征在于，所述相似材料模拟试验利用深部巷道试验系统进行，估算模拟中巷道围岩破坏所需能量时B≈Q,加载装置摩擦损耗的能量忽略不计。
5.根据权利要求1所述的一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法，其特征在于，所述步骤F中相似材料模拟试验模拟实际巷道支护，调整支护参数直至模拟支护巷道的围岩吸能为B时支护巷道发生破坏。
6.根据权利要求5或6所述的一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法，其特征在于，所述加载至围岩破坏的能量Q通过加载力和加载位移计算确定。
7.根据权利要求5或6所述的一种用于大变形锚杆巷道支护设计的相似模拟试验方法，其特征在于，所述相似材料模拟试验加载结束后确定载荷-位移曲线。
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