CN115326601B - 锚网耦合支护岩体动力冲击试验与评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供锚网耦合支护岩体动力冲击试验与评价方法，涉及岩石力学领域。针对目前锚杆锚网耦合支护岩体的抗冲击性能不便获取的问题，通过对布置有锚杆锚网的耦合岩体试样进行高应变率冲击试验，并配置相应的监测组件对冲击试验过程进行监测，建立岩体表面应变、裂纹演化特征、岩体破坏强度、锚杆变形量、吸能能力提高系数和岩体碎屑分布特征评价指标，对动力冲击条件下岩体锚固效果进行评价。具体步骤如下：对立方体岩体试件非冲击面布置锚网和锚杆并预紧，对试件表面喷涂散斑，获取耦合试件；对耦合试件布置监测组件，施加高应变率冲击载荷；通过监测组件获取耦合试件在冲击下的数据，收集岩体碎屑；对获取的数据进行处理分析，依据指标对锚固效果进行评价。

Description

锚网耦合支护岩体动力冲击试验与评价方法
技术领域
本发明涉及岩石力学领域，具体涉及锚网耦合支护岩体动力冲击试验与评价方法。
背景技术
随着煤炭资源开采深度的不断增加，冲击地压、巷道围岩大变形等深部工程灾害日益增多，给深部资源的高效开采造成了很大的威胁。冲击地压是采掘工作面岩体集聚的弹性变形能突然释放，产生强烈振动，造成岩体剧烈破坏的动力灾害。
锚杆（索）-网耦合支护是一种经济有效的支护方式，锚网可将锚杆（索）预紧力的点荷载转化为面荷载，扩大主动支护有效面积，提高围岩的自承能力，从而提高围岩抵抗动力扰动与冲击的能力。为了测试锚杆锚网耦合后的抗冲击性能，需要可以模拟支护岩体剧烈破坏现象和过程的测试装置。现有的实验室测试设备均是将锚杆一端固定，对锚杆的另一端直接施加冲击荷载，这样实际测得的锚杆抗冲击性能包括锚杆全部长度受拉伸长所吸收的能量，测试得到的结果与锚杆现场特性有较大差别，目前的试验设备不能真实反映锚杆锚网-围岩之间的相互作用，即锚杆锚网承受的冲击荷载与现场实际情况不一致，而且不能直接反映在冲击荷载作用下锚杆锚网耦合体对围岩的加固作用，同时，岩体剧烈破坏时为高应变率破坏，对于锚网耦合支护岩体高应变率下动力测试难以进行，缺乏相应的测试方法，难以得到锚杆锚网与岩体之间的相互耦合作用机理。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供锚网耦合支护岩体动力冲击试验与评价方法，通过对布置有锚杆锚网的耦合岩体试样进行高应变率冲击试验，并配置相应的监测组件对冲击试验过程进行监测，设定评价指标对处理后的参数进行评价，辅助研究锚杆锚网耦合体与岩体之间的作用机理。
锚网耦合支护岩体动力冲击试验与评价方法，采用以下方案：
包括：
对立方体岩体试件非冲击面布置锚网和锚杆并预紧，对试件表面喷涂散斑，获取耦合试件；
对耦合试件布置监测组件，并施加高应变率冲击载荷；
通过监测组件获取耦合试件在冲击下的数据，收集岩体碎屑；
对获取的数据进行处理分析，依据指标对锚固效果进行评价；
其中，锚固效果指标包括：岩体表面应变、裂纹演化特征、岩体破坏强度、锚杆变形量、吸能能力提高系数和岩体碎屑分布特征。
进一步地，所述锚杆布置在试件侧面的四角位置，该侧面四角位置分别设有贯穿试件的锚杆，布置锚网后，对锚杆施加预紧力。
进一步地，所述锚网围绕试件非冲击面连续布置，包裹试件并避让锚杆，锚杆两端安装压力监测元件。
进一步地，所述试件上锚杆的预紧力可调节，对不同试样配置不同预紧力分别获取冲击试验数据，对比分析不同预紧力下试样的抗冲击能力。
进一步地，所述监测组件包括压力监测元件、应力应变监测元件、位移监测元件及图像采集元件；压力监测元件布置于锚杆，应力应变监测元件布置于耦合试件，位移监测元件布置于耦合试件侧面，以监测岩体、锚网及锚杆位移，图像采集元件获取冲击试验时的图像。
进一步地，对耦合试件表面变形前后的散斑图像灰度进行相关性计算，获取试件的位移和应变参数，计算耦合试件岩体表面应变分布。
进一步地，采用盒维数法进行测量，采用不同码尺的正方形格子覆盖所测量区域，给定格子的码尺并计算出覆盖图像所需的方格的数目，进行拟合获取岩石裂纹分形维数，计算裂纹演化特征。
进一步地，利用布置在锚杆上的动态压力传感器监测得到压力随时间变化曲线，定义曲线峰值点为岩体破坏强度；利用激光引伸计实时测量锚杆位移，并计算锚杆的延伸率，得到锚杆变形量。
进一步地，分别计算耦合试件吸收的能量和无支护岩体试件吸收的能量，吸能能力提高系数等于耦合试件吸收的总能量与无支护岩体试件吸收的总能量之比；
将锚网耦合支护岩体破坏后的碎屑按照粒径大小进行筛分，获取粒径不同的多组碎屑，计算每组碎屑质量占总质量的比值。
进一步地，所述评价包括以下步骤：
将各个评价指标进行标准化处理；
采用主客观综合赋权方法求取各个指标的权重；
利用模糊综合评价法对岩体锚固效果进行评价。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
（1）针对目前锚杆锚网耦合支护岩体的抗冲击性能不便获取的问题，通过对布置有锚杆锚网的耦合岩体试样进行高应变率冲击试验，并配置相应的监测组件对冲击试验过程进行监测，设定评价指标对处理后的参数进行评价，模拟现场工况，获取耦合试样的抗冲击性能。
（2）根据锚网耦合支护岩体表面应变分布、裂纹分形维数、岩体破坏强度、锚杆轴向变形、吸能能力提高系数、岩体碎屑分布特征六个指标，采用“层次分析法+熵权法”主客观综合赋权方法求取各个指标的权重，利用模糊综合评价法对岩体锚固效果进行评价，辅助研究锚杆锚网耦合体与岩体之间的作用机理。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1中锚网耦合支护岩体动力冲击试验与评价方法的流程图。
图2为本发明实施例1中锚网耦合支护岩体冲击试验设备的示意图。
图3为本发明实施例1中锚网耦合支护岩体试件的示意图。
图4为本发明实施例1中锚网耦合支护岩体锚固效果评价层次结构模型示意图。
图中，1 霍普金森动力加载系统；2 子弹；3 激光测速计；4 入射杆；5 防护罩；6摄像机；7 耦合试件；8 透射杆；9 激光引伸计；10 应变片；11 托盘；12 锁具；13 动态压力传感器；14 锚杆；15 岩体试件冲击面；16 岩体试件；17 锚网。
具体实施方式
实施例1
本发明的一个典型实施例中，如图1-图4所示，给出一种锚网耦合支护岩体动力冲击试验与评价方法。
步骤一：根据岩体动力学测试标准制备立方体岩体试件16，对岩体试件16进行钻孔，钻孔垂直岩面打设并穿透试件，然后向钻孔内导入锚杆14和锚固剂。待锚固剂凝固后，铺设锚网17，并依次安装托盘11、锁具12、动态压力传感器13，并施加预紧力，在岩体表面喷涂散斑，完成锚杆14锚网17耦合支护岩体后得到耦合试件7。
步骤二：将耦合试件7布置于霍普金森动力加载系统1，设置防护罩5，耦合试件7夹持在入射杆4和透射杆8中间，在入射杆4和透射杆8上粘贴应变片10，将应变片10与超动态应变仪连接，仪器调试完成后开始冲击试验。
步骤三：在霍普金森压杆与冲击杆之间放置激光测速计3，测量子弹2速度。
步骤四：高压气体作为冲击动力源，发射管内嵌于压缩空气室的排气口，子弹2内置于发射管内，释放高压气体驱动子弹2作用于入射杆4，入射杆4作用于岩体试件冲击面15，完成动力冲击加载。
步骤五：利用监测系统记录耦合试件7在动力冲击条件下的应力、应变、位移等数据。试验完成后，收集岩体碎屑。
步骤六：综合岩体表面应变、裂纹演化特征、岩体破坏强度、锚杆14变形、吸能能力提高系数和岩体碎屑分布特征对岩体锚固效果进行评价。
如图1、图3所示，步骤一的岩体试件16钻孔打设，钻孔直径略大于锚杆14材料直径，保证锚杆14与托盘11能够合理安装，四个钻孔呈方形布置，保证锚网17材料合理固定。
同时，如图3所示，步骤一的锚网17材料铺设，首先制作合适尺寸的锚网17材料，锚网17宽度与非冲击面宽度相等，将锚网17从钻孔岩面开始围绕岩体裹紧，然后将锚杆14材料穿过锚网17与岩体试件16，并在两端依次安装托盘11、动态压力传感器13和锁具12，形成锚网耦合支护岩体。
锚网耦合支护岩体的锚杆14和锚网17材料采用理想弹塑性材料，具有可施加高预应力、高恒阻、高吸能、高延伸率特性。锚固材料包括NPR（Negative Poisson Ratio，负泊松比）材料、TWIP（Twinning Induced Plasticity Steel，孪生诱发塑性钢）高强高韧材料和其他理想塑性材料。
需要指出的是，试件上锚杆14的预紧力可调节，对不同试样配置不同预紧力分别获取冲击试验数据，对比分析不同预紧力下试样的抗冲击能力；同样的，对于锚杆14和锚网17，对不同试样可以配置不同的长度规格、不同的直径规格的锚固材料，也可以配置为不同的材料，同样，对不同配置下的锚固材料分别获取试验数据，对比分析不同配置下试样的抗冲击能力。
另外，对于岩体试件16上的钻孔参数，也可以进行调节，对不同试样配置不同数量、不同间距、不同布置、不同孔径的钻孔，并分别获取冲击试验数据，分析不同钻孔配置下试样的抗冲击能力。
如图1和图2所示，对于监测组件，包括压力监测元件、应力应变监测元件、位移监测元件及高速摄像系统。压力监测元件由动态压力传感器13和电荷放大器组成，应力应变监测元件由应变片10及动态应变采集仪组成。位移监测元件由激光引伸计9构成，垂直于冲击方向且在耦合试件7一侧放置，监测岩体试件16、锚网17及锚杆14位移。
压力监测元件布置于锚杆14，应力应变监测元件布置于耦合试件7，图像采集元件获取冲击试验时的图像，图像采集元件可以采用高速摄像机6。
如图1所示，计算耦合试件7表面的应变分布。
利用数字图像相关方法对试件表面变形前后的散斑图像灰度进行相关性计算，从而获得试件的位移和应变等参数。首先计算变形图像上一定范围内的所有点与变形前图像参考点的相关系数，然后将相关系数最大的点作为目标点。在此基础上，通过计算参考点和目标点的坐标差值可以得出变形前后的位移，进而计算出岩体的应变。
如图1所示，计算耦合试件7表面裂纹分形维数。
分形维数表征裂纹图形的不规则和复杂程度。岩体裂纹分形维数采用盒维数法进行测量，采用不同码尺的正方形格子（a*a）去覆盖所测量区域，给定格子的码尺即可计算出覆盖图像所需的方格的数目，然后进行拟合。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，a为方格的码尺，N(a)为相应的方格数，D为盒维数，A为相应的系数。
如图1所示，计算耦合试件7破坏强度。
利用动态压力传感器13监测得到压力随时间变化曲线，定义曲线峰值点为岩体破坏强度。
如图1所示，计算锚杆14轴向变形。
利用激光引伸计9实时测量锚杆14位移，并计算锚杆14的延伸率。
如图1所示，计算吸能能力提高系数。
通过动态压力传感器13获得锚杆14轴力F随时间t的变化曲线，通过激光引伸计9获得锚杆14变形x随时间t的变化曲线，从而得到轴力F=f(x)随位移变形的变化曲线，进一步得到冲击过程中锚杆14吸收的能量ΔE B ，
Figure 308788DEST_PATH_IMAGE002
式中ΔE B 为锚杆14吸收的冲击能量，S为锚杆14的最终位移，f(x)为锚杆14轴力，x为锚杆14的位移变形。
利于能量守恒定律可知：
Figure 225929DEST_PATH_IMAGE004
式中ΔE tot 为耦合试件7总吸收能量，ΔE B 为锚杆14吸收的冲击能量，ΔE R 为岩体吸收的冲击能量，ΔE W 为锚网17吸收的冲击能量，O(ΔE)为冲击过程中以热能、声能等其他形式耗散的微量能量，m为子弹2体质量，v为子弹初速度。
通过激光测速机得到子弹2的初速度，结合岩体质量计算得到耦合试件7吸收的冲击能量ΔE tot 。
进一步求解可知锚杆14能量吸收率η为锚杆14吸收的能量ΔE B 与耦合试件7总吸收能量ΔE tot 比值的百分比。
Figure 5666DEST_PATH_IMAGE006
通过对比无支护岩体在动力冲击下总吸收能量ΔE non ，建立锚网17耦合吸能能力提高系数α，锚网17耦合吸能能力提高系数α等于耦合试件7吸收的能量ΔE tot 与无支护岩体试件吸收的能量ΔE non 比值的百分比:
Figure DEST_PATH_IMAGE007
如图1所示，计算耦合试件7碎屑分布特征。
将耦合试件7破坏后的碎屑进行筛分，粒径大小分为粗粒碎屑（粒径>30mm）、中粒碎屑（5~30mm）、细粒碎屑（0.075-5mm）和微粒碎屑（<0.075mm）4个粒组。称量每个粒组筛分出的岩体碎屑的质量，计算每个粒组碎屑质量占总质量的比值。
如图4所示，首先，将耦合试件7表面应变分布、裂纹分形维数、岩体破坏强度、锚杆14轴向变形、吸能能力提高系数、岩体碎屑分布特征六个指标进行标准化处理。
其次，采用“层次分析法+熵权法”主客观综合赋权方法求取各个指标的权重。
通过层次分析法引入专家实践经验，确定出各类指标所占比重w aj 。将岩体锚固效果作为层次分析的目标层，将优、良好、合格和不合格作为方案层，将表面平均应变、裂纹分形维数、岩体破坏强度、锚杆14延伸率、吸能能力提高系数、不同粒径碎屑质量占比作为准则层，构建岩体锚固效果评价层次结构模型。
为了弥补层次分析法的主观性，然后利用熵权法确定各类指标权重w bj 。综合上述两种方法的权重计算结果，提出指标的综合权重，综合权重w j 表达式为：
Figure 463192DEST_PATH_IMAGE008
式中：a—权重w aj 的系数；b—权重w bj 的系数；w aj 为层次分析法求取的权重；w bj 为熵权法求取的权重。
最终，利用模糊综合评价法对岩体锚固效果进行评价。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.锚网耦合支护岩体动力冲击试验与评价方法，其特征在于，包括：
对立方体岩体试件非冲击面布置锚网和锚杆并预紧，对试件表面喷涂散斑，获取耦合试件；
对耦合试件布置监测组件，并施加高应变率冲击载荷；
通过监测组件获取耦合试件在冲击下的数据，收集岩体碎屑；
对获取的数据进行处理分析，依据指标对锚固效果进行评价；
其中，锚固效果指标包括：岩体表面应变、裂纹演化特征、岩体破坏强度、锚杆变形量、吸能能力提高系数和岩体碎屑分布特征；
所述锚杆布置在试件侧面的四角位置，该侧面四角位置分别设有贯穿试件的锚杆，布置锚网后，对锚杆施加预紧力；所述锚网围绕试件非冲击面连续布置，包裹试件并避让锚杆，锚杆两端安装压力监测元件；
所述评价包括以下步骤：
将各个评价指标进行标准化处理；
采用主客观综合赋权方法求取各个指标的权重；
利用模糊综合评价法对岩体锚固效果进行评价。
2.如权利要求1所述的锚网耦合支护岩体动力冲击试验与评价方法，其特征在于，所述试件上锚杆的预紧力可调节，对不同试样配置不同预紧力分别获取冲击试验数据，对比分析不同预紧力下试样的抗冲击能力。
3.如权利要求1所述的锚网耦合支护岩体动力冲击试验与评价方法，其特征在于，所述监测组件包括压力监测元件、应力应变监测元件、位移监测元件及图像采集元件；压力监测元件布置于锚杆，应力应变监测元件布置于耦合试件，位移监测元件布置于耦合试件侧面，以监测岩体、锚网及锚杆位移，图像采集元件获取冲击试验时的图像。
4.如权利要求1所述的锚网耦合支护岩体动力冲击试验与评价方法，其特征在于，对耦合试件表面变形前后的散斑图像灰度进行相关性计算，获取试件的位移和应变参数，计算耦合试件岩体表面应变分布。
5.如权利要求1所述的锚网耦合支护岩体动力冲击试验与评价方法，其特征在于，采用盒维数法进行测量，采用不同码尺的正方形格子覆盖所测量区域，给定格子的码尺并计算出覆盖图像所需的方格的数目，进行拟合获取岩石裂纹分形维数，计算裂纹演化特征。
6.如权利要求1所述的锚网耦合支护岩体动力冲击试验与评价方法，其特征在于，利用布置在锚杆上的动态压力传感器监测得到压力随时间变化曲线，定义曲线峰值点为岩体破坏强度；利用激光引伸计实时测量锚杆位移，并计算锚杆的延伸率，得到锚杆变形量。
7.如权利要求1所述的锚网耦合支护岩体动力冲击试验与评价方法，其特征在于，分别计算耦合试件吸收的能量和无支护岩体试件吸收的能量，吸能能力提高系数等于耦合试件吸收的总能量与无支护岩体试件吸收的总能量之比；
将锚网耦合支护岩体破坏后的碎屑按照粒径大小进行筛分，获取粒径不同的多组碎屑，计算每组碎屑质量占总质量的比值。
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