恒阻大变形锚杆霍普金森冲击拉伸力学实验及支护机理研究

It's easily for the chambers buried deep and surrounded by hard rock to occur a catastrophic phenomena of rockburst. Rockburst is still one of the worldwide unresolved problem in rock mechanics field.In order to make clear of the formation and control solutions of the phenomena of rockburst, a new supporting bolt is designed by Prof. Manchao HE named the large deformation rockbolt with constant resistance (CRLDR). While laboratory design developed the first domestic set using SHPB system testing anti-explosion and controling impact performance of CRLDR, we use the experiment system to test dynamic tensile mechanical impact of CRLDR. Our research is focused on CRLDR using the experimental method and dynamic numerical simulation method to research the relations between energy absorption and deformation of this bolt，the stressful condition of body of bolt and constant- resistance structure and bolt structural optimization design. The project focused on the interaction mechanism of the CRLDR and the rock mass of surrounding rock under the complex geological conditions. The energy analysis principle and the test system were used to analysis the mechanical characters and energy constitutive relation of CRLDR, and the equilibrium equation between the CRLDR and rock mass.The research will provide the rational experiment instruction and the technical support for the application of CRLDR.

针对处于深埋、硬脆性围岩条件下的地下硐室，极有可能发生岩爆或冲击地压等岩石力学灾害，深部重点实验室近期发明了恒阻大变形锚杆这一支护材料，用于深部巷道支护来解决岩爆问题。实验室自主研制了国内第一套利用霍普金森杆测试恒阻大变形锚杆防冲抗爆性能的实验系统--恒阻大变形锚杆霍普金森动力冲击拉伸力学实验系统，利用该实验系统研究恒阻大变形锚杆的冲击拉伸力学性能，分析在冲击作用下锚杆杆体与恒阻器结构的受力状态，采用室内实验和动力学数值仿真模拟的方法，分析锚杆防冲抗爆的性能。同时研究深部工程应用现场复杂条件下恒阻大变形锚杆和围岩岩体相互作用的力学机理，采用能量分析原理和动力学特性实验系统，综合研究恒阻大变形锚杆力学特性、能量本构关系、恒阻大变形锚杆和巷道围岩岩体之间平衡方程等问题，为恒阻大变形锚杆的现场应用及其本身防冲抗爆能力的提高提供理论指导和技术支持。

本项目采用何满潮院士自行研制的恒阻大变形锚杆霍普金森拉杆实验系统，先后对恒阻大变形锚杆和普通锚杆进行霍普金森冲击拉伸实验。通过对冲击力时程曲线、锚杆伸长量等相关数据进行深入分析，主要进行了以下几项工作：（1）利用自主研发的恒阻大变形锚杆群锚效应霍普金森动力冲击拉伸力学实验系统进行双根恒阻大变形锚杆霍普金森冲击拉伸力学实验，初步揭示了恒阻大变形锚杆在冲击作用下具有较好的负泊松比效应；通过对不同气源压强各次有效冲击进行统计发现：冲击力作用下，锚杆具有较好的恒阻特性；发现了“增阻”现象，这可能是引起恒阻大变形锚杆负泊松比效应的原因。（2）通过对恒阻大变形锚杆和普通锚杆冲击红外图像对比分析以及数值模拟，恒阻大变形锚杆端头在螺纹套筒内分步分阶段滑移，将冲击能量沿套筒轴向方向均匀释放，表明恒阻大变形锚杆具有很好的让压作用。普通锚杆在“累积低冲击能量”作用下，在其全长范围内吸收能量，多次冲击下发生屈服强化，容易发生无征兆性脆性破坏。（3）通过采用LS-DYNA有限元数值模拟方法，从冲击压力时程曲线、能量时程曲线、速度时程曲线、加速度时程曲线等，对恒阻大变形锚杆和普通锚杆进行动力冲击特性研究。（4）分析冲击压力时程曲线二次波峰效应，探究各构件撞击过程及能量传递机制，进而指导室内实验数据结果分析和处理。（5）基于“恒阻大变形锚杆模拟原理”和“‘切顶短壁梁理论’模拟原理”两大假设条件，采用FLAC3D有限差分软件模拟切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术。先后采用“弱面法”和“接触面法”模拟爆破切缝，研究围岩体应力场、位移场、塑性区、锚杆（索）应力规律及切缝随回采剪切应力云图变化情况等。并基于FISH语言研究爆破切缝剪切力、单位长度顶板切落能量随回采变化规律，并将分析模拟结果应用于工程实践当中。在基金委的支持下，通过被资助人及其合作者的努力，本项目得以顺利完成，形成了18篇标注了基金号的已发表的论文、专利3项、专著2部，获得省部级奖励2项。