“煤岩体锚固加固原理及应用”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“煤岩体锚固加固原理及应用”专题

锚杆被广泛应用于地面岩土工程和地下采矿工程。锚杆支护由于岩层控制效果好、成本低等特点已在我国地下煤矿巷道支护大规模应用，是目前巷道围岩主要的岩石控制手段。据统计，我国煤矿地下巷道每年安装螺纹钢锚杆超过 1.7亿根，是人员和设备安全及整个采矿作业的最终保障。

为便于大家了解“煤岩体锚固加固原理及应用”领域的最新科技成果，小编按照见刊时间倒序，整理了该领域近几年在《煤炭学报》已刊发的论文，一起来看看吧！

行业视野: 采矿
类别; 135个
关键词; 131位
专家; 29篇
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地下工程微观NPR锚杆钢静力拉伸及锚固抗剪力学特性

作者(Author)：陶志刚, 任树林, 何满潮, 夏敏

摘要：资源开采和地下空间建设逐渐向深部发展，给深部围岩支护体系带来了新的挑战，研发具有高强高韧、超强吸能、可施加高预紧力的围岩支护材料势在必行。基于此，自主研发了一种高强度、高延性，具有微观负泊松比效应的锚杆钢新材料，又称微观NPR（Negative Poisson’s Ratio）材料，这种材料可以被用于加工成锚杆、钢筋、锚索、钢带等多种类型的工程应用材料。本文重点针对微观NPR锚杆钢的锚固剪切力学特性进行实验研究，首先介绍了PR（Poisson’s Ratio）材料、宏观NPR结构和微观NPR材料的基本概念及研发历史；然后开展微观NPR锚杆钢和普通PR锚杆钢的静力拉伸及锚固剪切实验；最后对比分析微观NPR锚杆钢的破坏形态、拉伸力学性能以及锚固抗剪力学特性。实验结果表明，在静力拉伸条件下，相较于普通锚杆钢，微观NPR钢拉伸曲线无屈服平台，具有恒阻大变形的准理想弹塑性特征，大大提高了锚杆材料的强度和变形性能，且其拉伸过程中均匀变形，破断后基本无颈缩；在锚固剪切实验条件下，加锚节理岩体在剪切荷载作用下具有显著的延性破坏特征，有效改善了无锚固节理岩体脆性破坏现象，微观NPR锚杆钢所能提供的抗剪强度远高于普通锚杆钢，并且其承受横向剪切变形能力是普通锚杆钢的2.5倍以上。实验证明微观NPR锚杆钢能够很好的平衡金属材料高强度和高延性的矛盾，极大提升了锚杆钢抗拉、抗剪能力，从材料本质上实现了锚杆的大变形超强吸能特性，在深部地下空间大变形控制等方面具有良好的应用前景。

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煤炭学报

2022年第02期

984

802
扩胀-摩擦式吸能防冲锚索及其力学特性

作者(Author)：王爱文, 范德威, 潘一山, 赵宝友, 代连朋

摘要：冲击危险巷道围岩冲击大变形造成锚固支护材料过载失效已成为深部煤矿巷道支护技术中亟待解决的工程难题。针对传统钢绞线锚索难以适应围岩冲击作用而出现的过载拉断问题，基于金属圆管扩胀塑性变形及摩擦耗能原理，研发了一种扩胀-摩擦式吸能防冲锚索。采用塑性力学理论开展了吸能防冲锚索吸能原理解析分析，并结合正交模拟试验讨论了吸能装置结构尺寸及材料属性对吸能阻力的影响规律及敏感性，得到了影响吸能防冲锚索吸能阻力的主控因素。研究结果表明：吸能防冲锚索的吸能装置在让位吸能过程中，吸能装置吸能总阻力可分为扩胀变形阻力和滑动摩擦阻力两部分。吸能套管壁厚、膨胀比、屈强比、摩擦系数以及扩径台锥角对扩胀变形阻力、滑动摩擦阻力的影响规律存在显著差异，吸能套管屈强比增加会导致吸能总阻力降低，扩径台锥角越大，降低速度越快；滑动摩擦阻力对吸能套管膨胀比变化较为敏感，而扩胀变形阻力对扩径台锥角变化极为敏感，增大扩径台锥角可迅速降低滑动摩擦阻力，增大扩胀变形阻力，从而改变二者在吸能总阻力中的占比；扩径台锥角相同时滑动摩擦阻力对吸能套管膨胀比的敏感性显著大于扩胀变形阻力；摩擦系数直接影响滑动摩擦阻力，而对扩胀变形阻力没有影响。6因素5水平正交模拟试验结果表明：影响吸能总阻力的因素主次顺序为吸能套管壁厚、扩径台锥角、吸能套管屈强比、挤压圆台高度、吸能套管膨胀比以及摩擦系数，吸能总阻力数值模拟与理论计算结果的相对误差在10%以下，吸能套管壁厚、膨胀比、屈强比、摩擦系数以及扩径台锥角，对吸能总阻力的影响趋势与理论分析基本一致。理论解析、数值模拟与实验结果具有较高的吻合程度，证实了吸能防冲锚索解析模型、数值模型的正确性，可作为吸能防冲锚索结构设计的理论依据。通过调整吸能装置的材料及结构参数，可以实现吸能阻力在300~500kN之间的调整，以匹配不同型号钢绞线。

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煤炭学报

2022年第02期

577

1077
适用于围岩大变形的螺纹钢锚杆设计及工程实践

作者(Author)：韩军, 王鑫, 马双文, 张明, CAO Chen, REN Ting

摘要：矿用锚杆自20世纪90年代已开始大规模应用，但目前其螺纹几何参数仍与土木行业钢筋相同。钢筋螺纹是针对地面无地应力、且支护体变形控制在弹性阶段的钢混结构而设计，随着深部资源开采进展，地下巷道出现围岩大变形，原基于地面建筑的钢筋螺纹几何参数需针对高地应力、软岩大变形等地质条件进行优化。基于锚固力学载荷传递机理，明确螺纹钢螺纹是锚杆支护承载者，锚杆锚固性能与螺纹几何参数密切相关；通过分析锚固段的破坏方式，将锚固段破坏分为平行剪切破坏和剪涨滑移破坏；进一步通过分析2种破坏过程，阐明了螺纹几何参数(包括杆体直径、螺纹上升角、肋宽、肋坡角、肋高、肋间距)对锚固性能的影响和作用。针对深部资源开采，综合考虑巷道围岩的变形控制及离层控制，研发了一种适用于围岩大变形的新型螺纹钢锚杆，该设计通过螺纹几何优化提高了锚固段的峰后残余强度，通过增加锚固段吸能能力有效提高大变形围岩体的岩层控制能力。对新螺纹钢锚杆进行了实验室锚固力测试和现场拉拔试验，结果显示，围岩大变形锚杆平均拉拔力峰值比矿用左旋锚杆分别提高了13%和16%；从能量吸收的角度，新锚杆在实验室和现场的平均吸能较左旋锚杆提高了15%和55%，表明围岩大变形锚杆的锚固性能优于矿用的左旋锚杆。进一步对新设计锚杆进行了工业试验，在深部回采巷道设计安装了3种锚网支护方式，通过对比分析断面收敛量、顶板离层量、杆力及锚杆宏观破断失效方式等，进一步验证了新设计的围岩大变形锚杆支护更有利于深部巷道的岩层控制。

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煤炭学报

2021年第12期

796

1128
矿用树脂锚固剂固胶比与锚固性能关系

作者(Author)：刘少伟, 何亚飞, 付孟雄, 姜彦军, 李永恩, 范凯

摘要：固胶比是树脂锚固剂制作时重要的指标，决定树脂锚固剂性能的优劣。针对树脂锚固剂在工程上的广泛应用，发现树脂锚固剂中树脂胶泥与固化剂配比对其工作性能存在重要的影响。为得到不同类型矿用树脂锚固剂的最佳固胶比，提升其工作性能，基于树脂锚固剂固化反应机理，采用数值模拟、实验室实验以及现场工程试验相结合的方法，研究了不同类型不同固胶比树脂锚固剂的锚固性能，得到了不同类型树脂锚固剂最佳固胶比例关系。结果表明：中速树脂锚固剂固胶比为2%(对照组)，4%,6%,8%和10%时，锚固工作时在锚杆横肋、锚固剂与锚杆横肋下表面接触区域均出现了不同程度的应力集中，应力峰值均在该区域；与对照组相比，随着固胶比逐渐增大，锚杆应力以及锚固剂剪应力峰值也逐渐的增大，且在固胶比为8%时两者应力值峰值达到最大。同理，对煤矿常用的超快、快速、中速3种树脂锚固剂依次进行固胶比与锚固力关系实验室实验，发现中速树脂锚固剂在固胶比为8%时锚固力峰值平均值最大，与对照组相比，其锚固力提升了23.70%；超快、快速树脂锚固剂在固胶比分别为8%,4%时锚固力峰值平均值最大，与对照组相比，锚固力分别提升了39.24%,7.35%。在煤矿巷道进行不同类型及固胶比的锚固实验得出，超快、快速、中速3种不同类型树脂锚固剂最佳固胶比分别为8%,4%,8%，为树脂锚固剂的配制以及选择提供了参考依据。

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煤炭学报

2021年第12期

746

955
冲击动载作用下加锚岩体抗冲时效试验研究

作者(Author)：邱鹏奇, 宁建国, 王俊, 杨尚, 胡善超, 谭云亮, 韦欣, 闫顺尚

摘要：冲击动载作用下巷道围岩锚固承载结构的破坏是深部煤炭资源开采的突出问题，深入研究动载作用下锚固围岩的抗冲机制具有重要意义。采用分离式霍普金森压杆研究了冲击动载作用下无锚、端锚、全锚和全锚+柔性锚杆4种锚固岩石试件的冲击破坏响应，获得了不同锚固岩石动态应力应变曲线，分析了锚固方式对加锚岩石试件动态裂纹扩展发育的影响，通过对比锚固岩石冲击破坏过程中锚杆与岩石的动态应变演化特征，结合锚固界面滑移破坏形态，提出了锚固岩石抗冲时效的概念，并以锚杆与岩体两者协同变形为原则提出冲击动载作用下保障锚固围岩稳定的合理建议。研究结果表明：① 冲击动载作用下锚固岩石应力应变曲线呈“闭口型”，锚固岩石动态强度与应变峰值的排序为：无锚岩石<端锚岩石<全锚岩石<全锚+柔性锚杆岩石；② 冲击动载作用下锚杆与岩石之间的变形可分为“协同变形阶段”、“不协同变形阶段”和“失效阶段”，其中锚固岩石在前2个阶段抵抗动载冲击的作用为“抗冲时效”;③ 锚固岩石抗冲时效与岩石/锚固剂和锚固剂/锚杆之间不协同变形直接相关，提高岩石、锚固剂和锚杆的抗滑移特性及协调变形能力可有效延长锚固岩石抗冲时效的时长，降低冲击动载对锚固围岩支护结构的影响。研究成果对深部巷道锚固支护工程具有一定的理论指导和借鉴意义。

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煤炭学报

2021年第11期

766

910
松软厚煤层异型开切眼新型预应力锚注支护研究与应用

作者(Author)：张进鹏, 刘立民, 刘传孝, 文光才, 李青海, 孙东玲, 邵军, 张杰, 孙立庆, 邸广强

摘要：普通水泥基浆液加固煤体由于其自收缩常造成浆煤界面松弛及充填空隙，以综放厚煤层异型开切眼松软煤体加固为工程背景，提出基于预应力锚和自应力注的松软煤体锚注加固方法。基于该新型预应力锚注加固煤体原理分析，对比研究普通硅酸盐水泥和超细硅酸盐水泥的基本性能，为自应力浆液原材料的选取提供依据；通过浆液纵向自由膨胀率试验获得自应力浆液的最佳膨胀剂掺量；进行预制裂隙煤体普通硅质浆液和硅质自应力浆液加固试验，对比分析自应力浆液加固煤体的力学性能优势和破坏特征；通过数值模拟和现场监测分析新型预应力锚注加固异型开切眼的有效性。结果表明：通过浆液结石体的膨胀应力和注浆锚杆的轴向约束应力，能够使松软破碎煤体处于准三维的受力状态，实现了其强化与损伤修复；超细硅酸盐水泥浆液由于流动性更大、结石体强度更高而更能满足自应力浆液的加固要求；随着膨胀剂掺量增大，水泥浆液最大纵向膨胀率呈先增大后减小的趋势，自应力浆液的最佳膨胀剂掺量为10%；约束条件下自应力浆液加固煤体的峰值强度比普通浆液加固煤体提高4.6%，说明自应力浆液加固裂隙煤体的效果优于普通浆液；普通浆液和自应力浆液加固煤样初始宏观裂纹均出现在浆煤界面处，最终破坏形态均为以预制裂隙为基础的整体劈裂弹射破坏，但其裂纹发展过程有所不同，自应力浆液加固煤样的裂隙数量少于普通浆液加固煤样；在数值模型中，仅锚杆索支护时煤体悬臂梁结构下沉量较大，新型预应力锚注后其下沉量明显减小；现场监测中锚杆索受力相对稳定，加固煤体下沉量较小，说明新型预应力锚注加固松软破碎煤体的效果较好。

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煤炭学报

2021年第10期

804

671
碎石锚固中压力拱形成与锚杆作用分析

作者(Author)：王晓卿, 康红普, 高富强, 娄金福, 李建忠, 杨磊

摘要：碎石锚固试验被用于证实锚固破碎岩体中存在压力拱，但压力拱的概念较为抽象，难以理解和应用。为研究锚固破碎岩体中压力拱的形成机制与锚杆的作用，克服颗粒锚杆批量生成与预紧难题，利用三维颗粒流程序（PFC3D）开发碎石锚固试验的数值模拟方法，开展系列碎石锚固数值试验，直观展示压力拱的形成，揭示压力拱的形成机制与成因，分析并验证锚杆在压力拱形成中的具体作用。在此基础上，提出极破碎岩体锚杆加固的建议。研究结果表明：① 锚杆加固碎石体内会形成拱形承载结构压力拱，压力拱由碎石咬合而成，碎石体全部质量由压力拱承载，压力拱的稳定依靠拱下碎石支撑。② 压力拱形成于碎石在锚杆作用下的自适应运动过程。移除碎石箱底板后，底部碎石向下运动，导致上部碎石重力向周边转移，在周边碎石形成拱腿，拱顶部位碎石在侧向约束作用下彼此咬合形成拱顶，最终以底托板为基础形成压力拱。③ 压力拱的形成和稳定需满足4个条件：强力的底部基础、足够的侧向约束、适当的碎石厚度和平衡的拱下碎石。④ 锚杆在压力拱形成和稳定中发挥侧向约束作用、支撑作用和护表作用。在成拱过程中，锚杆通过预紧提供侧向约束力，使碎石具有足以成拱的咬合能力。在压力拱形成后，锚杆通过对拱下碎石提供支撑和护表使其平衡，维护压力拱的稳定。锚杆预紧有助于增强侧向约束作用和支撑作用。⑤ 大范围极破碎岩体加固应围绕压力拱的形成，充分发挥锚杆的侧向约束、支撑和护表作用，包括提高锚杆预紧力、增大锚杆杆体粗糙度、减小锚杆间距、增大托盘尺寸等。

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煤炭学报

2021年第10期

1082

1479
松软破碎煤体钻封注一体化锚固实验研究

作者(Author)：支光辉, 刘少伟, 贺德印, 付孟雄, 贾连鑫, 曾得国, 于涛

摘要：赵家寨矿“三软”厚煤层回采巷道为锚网支护全煤巷道，掘进过程中时常遇到松软破碎围岩段，该围岩条件下普遍存在锚固孔成孔质量差、塌孔现象严重及锚固力低下等瓶颈问题。为有效解决其支护难题，改善局部破坏严重段的巷道支护效果，研发了一种钻封注一体化注浆锚杆。采用理论分析、实验室实验及现场试验相结合的研究方式，对钻封注一体化注浆锚杆锚固机理、注浆效果及锚固性能进行了分析，研究结果显示:钻封注一体化注浆锚杆，具有较好的注浆封孔效果，可减少松软破碎煤巷注浆加固流程，加快施工进度;该注浆锚杆在松软和破碎煤体钻进过程中，注浆锚杆振动响应特征表现较大差异，依此实现煤体条件的判别，可为巷道围岩注浆参数设计及差异化注浆提供理论依据;实验室超声波无损检测注浆效果显示，该注浆锚杆能有效实现松软及破碎煤体注浆，且浆液扩散效果良好，说明该注浆锚杆可对该类巷道围岩实现良好的注浆加固作用;注浆锚杆现场拉拔试验结果显示，在松软破碎围岩条件下，相较于普通树脂锚杆，注浆锚杆锚固力提升约36.4%，说明该注浆锚杆能够对围岩起到更好的锚固作用。上述研究结果表明，钻封注一体化注浆锚杆，可明显简化松软破碎煤巷注浆加固流程，同时，可对松软破碎煤巷围岩起到更好的锚固效果，研究成果为提升松软破碎煤巷控制效果。

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煤炭学报

2021年第07期

870

648