锚杆锚固作用下脆性岩石破坏的动力学特性及预警控制机理研究

The traditional bolt support can not adapt to the dynamic damage of brittle surrounding rock in deep engineering, its disaster has hidden features, so it is very important to research the new bolt support theory of controlling and early warning this kind of dynamic damage. By the SHPB test, dynamic fracture characteristics of anchored brittle rock will be researched in the macro-meso–micro multi-scale considering the influence of bolt parameters and loading parameters, elastic-plastic-brittle damage constitutive model for anchored brittle rock will be constructed to find the sensitivity factor indexs on the mode of brittle rock failure. According to the new method called reservation-anchorage which is our preliminary research result, dynamic tensile tests and impact disturbance tests of reservation-anchorage brittle rock are done by some self-developed test equipments to creat the dynamic tensile constitutive model of brittle rock, and the effect of reservation -anchorage bolt to control the dynamic failure of brittle rock is also analyzed to reveal its bearing mechanism. The time-space relationship model among crack propagation of anchored brittle rock, its ultimate failure modes and its bolt stress responses will be established to research the precursor characteristics of bolt stress responses following the critical failure of anchorage brittle rock which will provide theoretical basis for the early-warning method in anchor control type aiming at the dynamic damage disaster of brittle surrounding rock.

传统锚杆支护不能适应深部脆性围岩动力破坏，造成的灾害具有隐蔽性特点，研究新型锚杆支护下脆性围岩动力灾害预警和控制理论极为重要。本课题拟通过SHPB试验开展锚杆锚固作用下脆性岩石动力破坏特性研究，从宏-细-微观多尺度研究锚杆参数、载荷参数等因素影响下脆性岩石破坏的动力学特征，建立相应的弹-塑-脆性动态本构模型, 确定影响脆性岩石破坏的敏感因素指标；根据前期研究的新型预留锚固方法，拟利用自主研制的试验设备进行预留锚固脆性岩体动态拉伸和冲击扰动试验，构建预留锚固岩体的动态拉伸本构模型，分析预留锚固锚杆控制脆性岩石动力破坏的效果，揭示预留锚固锚杆控制脆性岩石动力破坏的作用机理，建立扰动条件下锚固岩体裂纹扩展演化、最终失稳破坏形态与锚杆应力变化三者之间的时空关系模型，确定锚固岩体临界失稳破坏时锚杆应力响应前兆特征，对脆性围岩动力破坏灾害的锚杆控制型预警方法提供理论依据。

利用SHPB 试验系统、RMT－150C 岩石力学试验系统对锚杆锚固体开展了低应变率等不同加载方式的试验，分析研究了锚杆锚固作用下脆性岩石的静动力学特征、岩体破裂的细观机制和动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性。采用声发射仪、电磁辐射仪、动态应变仪、高速摄像仪等仪器设备对锚固体破裂全过程进行了同步监测，通过理论分析、数值计算，获得了静、动载荷下锚固体的声发射与电磁辐射特性及能量演化规律。课题研究取得创新性成果如下：（1）单轴压缩下无锚砂岩与加锚砂岩的破坏模式具有差异性，无锚试样以张拉破坏为主并伴生有剪切破坏，而加锚试样均为单一斜面剪切破坏；加锚砂岩在加载初期系统的能量得以充分释放，随着载荷的增加，其破坏时释放的动能所占总能量的比例减小，从而降低屈曲岩爆的孕育能力和发生烈度。（2）低应变率加载速度下，加锚砂岩的弹性模量得到小幅度提升，其强度对加载速度的敏感性相对降低；不同加载速度下无锚试样初始可见表面裂纹均为轴向张拉裂纹，随加载速度增加，初始表面裂纹由轴向张拉裂纹转变为剪切裂纹，最终破裂形式由张拉破坏向拉剪破坏过渡。（3）锚杆杆径对脆性岩体弹性模量和强度的提高存在最优匹配的特点，锚杆改变了脆性岩体单轴压缩破坏模式，宏观上由劈裂破坏转为剪切破坏；细观上加锚试样单轴压缩破裂模式的改变，可以归结为锚杆锚固止裂效应对试样内部裂纹扩展的抑制作用，使翼裂纹与主裂纹长度比变小。（4）基于SHPB 试验平台，自行研发了一套研究锚杆动力响应的试验装置，开展动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性研究。研究表明：初始动载荷作用下锚杆滑移量随着入射能的增加而增加，锚杆中应力波的波峰值随着传播距离的增加而逐渐减小，当应力波传播至锚杆最里端时，应力波峰值衰减较大；第2 次动载荷后锚杆尾部与中间位置应力波峰值差明显比第1 次减小，表明动载荷下锚固界面从锚杆尾端开始损伤；（5）应用时变力学理论，分析了脆性围岩自稳时变结构的动力学特征。结果表明，脆性围岩自稳时变结构的质量随时间发生变化且dm/dt<0时，围岩自稳体系可能发生振幅不断增长的自由振动而诱发岩爆，dm/dt变化速度越快，岩爆越剧烈，这对岩爆的预测预警和防治提供了新方法。