爆破动载下全长锚固玻璃钢锚杆累积损伤特征研究

作     者：刘超 

作者单位：武汉科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王文杰

授予年度：2023年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：爆破动载 全长锚固 玻璃钢锚杆 累积损伤 轴向受力 锚固界面 

摘      要：针对爆破动载作用下全长锚固玻璃钢锚杆的累积损伤破坏问题,首先根据爆破动载下锚杆受力原理,揭示爆破动载下锚杆支护体系累积损伤过程,确定玻璃钢锚杆失效的形式及主要影响因素。然后,以杆体尾部最大轴向应力及锚固界面脱黏长度为损伤变量,结合Miner线性累积损伤理论,建立玻璃钢锚杆累积损伤计算模型,同时利用FLAC软件建立全长砂浆锚固锚杆动载受力模型,并依据金川三矿区玻璃钢锚杆支护参数及爆破振动实测数据,对爆破动载下的全长锚固玻璃钢锚杆受力及累积损伤特征进行理论研究和数值分析,并将研究结果与金属锚杆进行对比。最后通过金川三矿区玻璃钢锚杆支护效果分析与现场试验,确定爆破动载下玻璃钢锚杆支护的可行性。主要研究成果如下:(1)爆破动载下,全长锚固玻璃钢锚杆轴向应力在孔口处出现最大值后,沿杆体轴向指数型衰减至零,且应力分布较金属锚杆更为集中。两个界面剪应力均是沿杆体轴向迅速增大至峰值后快速减小为零,之后黏结性能相对较弱的界面首先发生脱黏破坏,脱黏位置剪应力下降至残余黏结强度,同时剪应力峰值向孔底转移。玻璃钢锚杆界面剪应力较金属锚杆分布更集中,峰值位置更加突出。(2)玻璃钢锚杆最大轴向应力随动载强度增大呈线性增大而随围岩或砂浆强度的增大而减小。改变动载强度并不能改变锚固界面的破坏形式,脱黏破坏始终发生在黏结性能相对较弱的界面。动载强度越大,界面脱黏长度和剪应力分布范围越大,剪应力峰值位置越靠近孔底,而未破坏界面的剪应力峰值位置也会向孔底转移。围岩强度越大或砂浆强度越小,剪切破坏越倾向于发生在杆体-砂浆界面,反之,则越倾向于发生在砂浆-围岩界面。(3)玻璃钢锚杆杆体损伤累积速度随爆破次数持续增大,但增速增长的较为缓慢,而锚固界面损伤累积速度则随爆破次数快速增大,呈指数型增长。玻璃钢锚杆杆体累积损伤特征在一定程度上与金属锚杆相反,其抗爆性能比金属锚杆差,而锚固界面累积损伤特征与金属锚杆基本一致,界面均从孔口处开始脱黏,且脱黏长度随动载次数均呈指数型增长。(4)随着动载强度的增大,玻璃钢锚杆杆体和锚固界面失效前的最大受力次数呈指数型下降,且呈现出先快速下降后缓慢下降的两阶段特征。围岩或砂浆强度越大,单次爆破动载对杆体及界面造成的损伤越小,杆体及界面的损伤累积速度也越小。随着界面黏结强度的增大,界面损伤累积速度显著降低。(5)爆破动载下玻璃钢锚杆支护效果分析与现场试验表明,优化后的玻璃钢锚杆支护有效期限明显提升,并未发生明显的锚杆破坏情况。锚杆受力整体上都没有超过玻璃钢锚杆自身抗拉强度,支护区域矿岩稳定性能满足现场正常生产的要求,在爆破动载条件下使用玻璃钢锚杆支护是可行的。