山东科技大学蒋力帅教授、博士生冯昊等研究通过砂型3D打印制备类岩石试样，结合声发射（AE）和数字图像相关技术（DIC），对大尺寸含护表构件的3D打印加锚试样开展室内力学试验，分析护表构件面积对锚固体力学性能的影响，并通过数值模拟及现场实测进一步探究了护表构件的围岩加固效果。相关成果以“Effect of surface retaining elements on rock stability: laboratory investigation with sand powder 3D printing”为题发表在International Journal of Coal Science & Technology，https://doi.org/10.1007/s40789-023-00607-3或点击文末“阅读原文”）。
锚杆支护仍然是当前煤矿巷道的主要支护方法。在锚杆联合支护系统中，护表构件（如托盘、钢带和金属网等）是必不可少的一部分，起到了整合各部分支护构件、保持围岩完整性、传递锚杆与围岩间载荷的关键作用。特别是在一些巷道稳定性难以维持的条件下，如高地应力、强动载、强流变等，护表构件的作用更加不可忽视。例如，在大多数岩爆及冲击事件中，锚杆支护体系失效并不是因为锚杆没有足够的承载能力，而是因为护表构件是其最薄弱的环节，即一个单元失效，整个支护系统将无法抑制围岩的变形破坏。因此，开展与锚杆同等重要的护表构件研究势在必行。
基于砂型3D打印技术制备类岩石试样，通过室内尺度相似模拟锚杆及护表构件构筑锚固体，结合声发射技术（AE）与数字散斑相关技术（DIC）对锚固体在单轴压缩下的变形破坏进行监测，分析护表构件面积对锚固体弹性模量、峰值强度等力学参数的影响，研究了应力-应变曲线变化特征与声发射振铃计数的分布规律，以及不同加载阶段Lagrange主应变场的分布特征和演化过程。通过数值模拟及现场实测，研究了护表构件在锚杆预应力传递和扩散中的作用，进一步探究了护表构件的围岩加固效果。
结果表明，锚固体的峰值强度、弹性模量与护表构件面积呈正相关；锚固体的声发射振铃计数、能量均高于未锚固试件，但随着护表构件面积的增大声发射特征值减小，进一步提高了锚固试件的完整性；随着护表面积的增加，锚固体试件的裂纹起裂阈值提高，构件对裂纹扩展的抑制作用延缓了裂纹的生成和发育；护表构件有助于改善锚杆间有效压应力拱范围，在扩散锚杆预紧力到围岩深部的同时，确保支护构件预期功能的发挥。
图1 砂型3D打印类岩石试样及锚固体制备
图2 应力-应变曲线、AE振铃计数/累计振铃计数曲线、Lagrange主应变演化场
图3 构件预应力扩散模拟、锚杆-护表构件相互加固、现场验证及监测
砂型3D打印技术所制备类岩石试样的均质性、可重复性使得试样进行重复性力学试验成为了可能，同时其也弥补了浇筑法、水射流切割等传统方法在制备试样时对岩石结构性二次损伤、复杂节理产状难以重现等问题，在岩石工程领域具备巨大前景。后续可以利用其技术优势，进一步开展复杂节理裂隙试样的锚固特性研究。
在岩石支护实践中，为了提高岩石的稳定性，通常会额外安装锚杆/锚索或使用更长更强的锚杆。然而，这肯定会增加岩石支护的经济和时间成本，例如考虑钻孔成本、人工成本和巷道掘进工序。研究结果表明，护表构件不仅仅是辅助构件，在不增加锚杆数量和其他额外成本和劳动条件的情况下，添加护表构件仍然可以达到良好的支护效果。提高护表构件的重视程度将为实现更加经济有效的综合支护设计提供思路。
冯昊，东北大学在读博士研究生，2023年6月获山东科技大学硕士学位，从事锚固岩体、矿山压力与岩层控制研究，参与国家自然科学基金面上项目等纵向课题2项，曾获中国煤炭工业协会科学技术二等奖等奖励，在Lithosphere、Processes、IJCST等国际期刊发表SCI/EI论文多篇。
引用格式： Feng, H., Jiang, L., Wang, Q. et al. Effect of surface retaining elements on rock stability: laboratory investigation with sand powder 3D printing. Int J Coal Sci Technol 10, 46 (2023). https://doi.org/10.1007/s40789-023-00607-3
