高冲击韧性锚杆支护体动力学特征及变形破坏机制

For the bolting roadway damage issues caused by rock burst in driving face, in view of the impact resistance property of high pounding tenacity bolt, based on the static and dynamic mechanical performance test of the anchor bolts with different impact toughness, the interaction between impact absorbing energy, fracture morphology and microstructure and the dynamic mechanical properties of the bolt is revealed. Based on drop hammer impact experiment of bolt supporting system and numerical simulation, the mechanical response law will be studied for support system under impact load. The coupling relationship between stress-strain curves and internal microstructure volution, external crack propagation will be analyzed by ultrasonic detection and high speed camera equipment, finally the criterion of instability failure is obtained. Statistical damage model of support system will be setting up and corresoponding dynamic link library will be.developed, the simulation results will be compared to the experimental results and validated to be effective, so as to modify the statistical damage model. The mechanism of deformation and failure of high impact toughness bolt support system which can be revealed by this study will have important theoretical and urgent realistic value for preventing rock-burst in driving roadway.

针对掘进工作面冲击地压极易造成锚杆支护巷道失稳破坏这一难题，鉴于高冲击韧性锚杆的抗冲击性能，结合目前国内外冲击地压、金属材料动力学和巷道锚杆支护的现有研究成果，在开展不同冲击韧性锚杆静、动态力学性能实验的基础上，揭示冲击吸收功、断口形态和金相组织与锚杆动态力学性能的相互关系；基于锚杆支护体冲击实验和数值分析，分析冲击载荷下锚杆支护体的力学响应规律；结合超声波实时检测和高速摄像设备，分析支护应力场、锚杆韧性等参数对支护体内部微结构演化和外部裂纹扩展的影响规律，揭示支护体内部微结构演化和外部裂纹扩展与冲击应力、应变时程曲线之间的相互关系，得出支护体失稳破坏的判据；建立支护体统计损伤模型并开发损伤模型的数值计算动态链接文件，调用进行数值分析，与实验结果进行验证，进一步修正支护体统计损伤模型。本研究所揭示的高冲击韧性锚杆支护体动态变形破坏机制对冲击地压巷道的防治具有重要的理论意义。

项目针对掘进工作面冲击地压极易造成锚杆支护巷道失稳破坏这一难题，围绕冲击韧性对锚杆动态力学特性的影响和冲击载荷对高冲击韧性锚杆支护体的冲击破坏效应方面开展研究，取得了以下主要成果：高冲击韧性锚杆载荷曲线和冲击功曲线比较平滑，材料受到冲击载荷后呈现出缓慢断裂的特性，对冲击载荷具有良好的适应性。高冲击韧性锚杆抗冲击性能强的本质在于铁素体晶粒尺寸小，其位错积聚规律与之相反。高应变率使铁素体中位错在极短时间内受到极高的切应力作用，致使晶粒会产生更大的位错滑移，大幅度提高了材料的延伸率，从而使材料能够吸收更多的能量。锚杆材质、预应力及锚固方式对锚固岩体抗冲击性能影较大。锚杆强度越高、韧性越好，其锚固岩体的抗冲击性能越强；预应力能有效改善岩体表面的应变分布状态，抑制贯通裂缝的发育，但预应力越高时岩体的抗冲击性能会明显降低；全长锚固方式下，锚固岩体弯矩明显减小，岩体冲击处出现大量密集裂缝，岩体耗散了大量冲击能量，但锚杆极易冲击破断，岩体的抗冲击性能有一定降低。锚杆受力变化主要受围岩不协调变形和锚杆震动引起的轴向应力升高的影响，动载扰动冲击地压巷道锚固承载结构冲击破坏必须满足应力和能量的双重条件，必要条件是：矿震动载和巷道围岩静载叠加强度大于锚固承载结构的承载能力；充分条件：矿震余能和巷道围岩释放的弹性能量大于锚固承载结构冲击破坏耗能，且有盈余能量并可转化为冲击动能。三年来，项目组共发表学术论文13篇，其中SCI收录1篇，EI收录8篇；获省部级科技进步一等奖1项；申请发明专利6项。项目负责人付玉凯荣获全国煤炭企业优秀毕业生，课题骨干何杰荣获中国煤炭学会煤炭青年科技奖；培养博士研究生1名，硕士研究生1名；项目组骨干成员参加国内外学术交流会议5次，做学术报告2次。