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锚网−围岩接触面注浆充填预应力施加技术

煤炭学报 2024年第5期49卷 2222-2230页

作者：原贵阳高富强王涛李建忠王晓卿中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭资源智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

针对松软煤体巷道护表构件主动支护效应差、局部裸露围岩破碎范围持续扩大导致的锚杆、锚索失效问题,开发了网后注浆面型预应力施加技术并进行了实验室试验及现场验证。首先分析了锚网支护围岩变形破坏方式及控制方法,阐述了网后注浆技... 详细信息

针对松软煤体巷道护表构件主动支护效应差、局部裸露围岩破碎范围持续扩大导致的锚杆、锚索失效问题,开发了网后注浆面型预应力施加技术并进行了实验室试验及现场验证。首先分析了锚网支护围岩变形破坏方式及控制方法,阐述了网后注浆技术原理;其次开展了不同规格型号金属网的网后注浆实验室试验,分别得到了主动面型预应力施加过程中锚杆受力、注浆压力、护表构件变形量及面应力演化规律;最后开展了现场工况下的顶板及两帮网后注浆试验,得到了护表构件在一定变形量前提下的面型预应力施加值,验证了网后注浆技术的适用性。研究结果表明:①金属网与煤壁之间存在间隙是导致支护系统主动支护能力差和锚杆、锚索支护失效的主控因素,围绕金属网与煤壁接触面凹凸不平的结构间隙进行注浆填充、全面封闭围岩是完善锚网支护系统的技术手段;②在金属网与围岩之间进行注浆充填可实现面型主动预应力的施加,面应力变化趋势主要分为:初始面应力恒定阶段、面应力上升阶段、面应力降低至稳定阶段;③网后注浆过程中,面应力变化趋势与注浆压力、金属网变形量紧密相关,面应力上升过程中,注浆压力、金属网变形量也随之升高;④网后注浆可缓解锚杆托盘应力集中程度,面应力上升过程中可使得应力集中的锚杆预紧力呈现出小幅度降低趋势,受力较为均匀的锚杆预紧力呈现出同步上升趋势。所得研究成果有望成为锚杆支护配套技术,为复杂困难巷道治理提供技术储备与理论参考。

关键词：锚杆支护金属网网后注浆面型预应力围岩控制

孔隙率对煤样力学性质及变形破坏特征的影响机制

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采矿与岩层控制工程学报 2024年第3期6卷 63-76页

作者：李建忠魏炯原贵阳石垚煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013 中煤科工开采研究院有限公司北京100013 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

关键词：孔隙率数值模拟力学性质微裂隙拉应力

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预紧扭矩对锚杆拉伸工况影响实验研究

采矿与安全工程学报 2024年第4期 699-708页

作者：娄金福董双勇杨景贺原贵阳刘文举吴志刚中煤科工开采研究院有限公司煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室

锚杆安装预紧状态对其后续服役工况有重要影响。依托自主研发的锚杆力学性能综合试验台，以托盘垂直于杆体安装为例，对真实锚杆系统施加不同的预紧扭矩，测试安装预紧、轴向拉伸等静载阶段锚杆的力学响应特征，揭示杆体受力的转化机制... 详细信息

锚杆安装预紧状态对其后续服役工况有重要影响。依托自主研发的锚杆力学性能综合试验台，以托盘垂直于杆体安装为例，对真实锚杆系统施加不同的预紧扭矩，测试安装预紧、轴向拉伸等静载阶段锚杆的力学响应特征，揭示杆体受力的转化机制，阐释安装工况对锚杆后续工况的影响规律。试验发现，杆体预紧力与预紧扭矩呈线性关系，杆体扭矩与预紧扭矩呈非线性关系。轴向拉伸阶段杆体扭矩持续降低，尤其以杆体弹性阶段、屈服阶段降幅最为明显，杆体强化阶段扭矩大致保持恒定。拉扭组合状态杆体的极限承载值降低，相当于杆材强度的89.65%～93%。预紧扭矩对杆体极限承载值几乎没有影响，但预紧扭矩的增加会导致极限承载点的杆体伸长量不断减小。其中，预紧扭矩450 N·m时杆体延伸率较杆材降低2.2个百分点。对比各预紧扭矩方案的结果确定预紧扭矩的合理值为350 N·m。力学分析发现，杆体残余扭矩产生的切应力是其承载能力及延伸率降低的主要原因，建议采用张拉预紧方式安装锚杆，以消除螺纹预紧摩擦产生的不利影响。

关键词：锚杆预紧扭矩预紧力残余扭矩组合受力

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轴向冲击下锚固锚杆变形与应力特征分析

煤炭学报 2022年第10期47卷 3645-3653页

作者：司林坡娄金福杨景贺原贵阳煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭科学研究总院煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013

冲击地压因其特有的易发、多发、难防治特征,成为影响煤矿生产最为突出的动力灾害之一,其中以回采巷道冲击地压发生最为显著。冲击地压巷道动力显现过程中,锚杆支护系统往往伴随着一定的动载冲击作用,关于锚杆支护系统在动载冲击作用下... 详细信息

冲击地压因其特有的易发、多发、难防治特征,成为影响煤矿生产最为突出的动力灾害之一,其中以回采巷道冲击地压发生最为显著。冲击地压巷道动力显现过程中,锚杆支护系统往往伴随着一定的动载冲击作用,关于锚杆支护系统在动载冲击作用下的力学响应研究对冲击地压防治具有重要意义。为研究锚杆支护系统中杆体不同位置对冲击载荷的响应规律,选择煤矿常用的500号左旋无纵肋螺纹钢锚杆,沿锚杆轴向不同位置粘贴应变片,利用锚杆力学性能综合试验台对支护单元施加轴向冲击载荷,分别采用激光位移传感器和动态应变仪采集锚杆杆体及不同位置变形数据,分析杆体变形规律及时序特征;利用LS-DYNA数值分析软件再现轴向冲击载荷下锚杆受载变形过程,分析锚杆不同位置的应力和变形特征。结果表明:①在171 kN初始拉伸载荷状态下,10 kJ轴向冲击能量使锚杆端部载荷瞬时增加至438 kN,此后处于振荡衰减状态,衰减速度逐渐增大。②10 kJ轴向冲击能量导致锚杆在30 ms内振荡拉伸和收缩,并最终产生28.39 mm的拉伸塑性变形。③锚杆杆体不同位置的变形受应力波的界面反射效应影响较大,塑性变形大部分产生在锚杆自由段,且距离锚固段与自由段分界面越近杆体塑性变形量越大。④锚杆不同位置对冲击载荷响应具有时序性,拉伸和收缩变形均由杆尾向锚固端头依次响应。⑤锚固作用可有效约束锚杆变形,吸收冲击产生的应力波,随着锚固深度加大,锚杆应力和变形响应幅值显著减小。

关键词：轴向冲击全尺寸锚杆力学响应数值模拟变形特征

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破碎岩体锚固及承载失稳机制研究

采矿与安全工程学报 2022年第6期39卷 1125-1134页

作者：李建忠高富强娄金福原贵阳中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013

破碎岩体锚杆支护加固作用已被普遍证明,但对荷载作用下破碎岩体锚固及承载失稳机制仍不清晰。基于此,开展系列破碎岩体锚固试验,揭示破碎岩体锚固及承载失稳机制,得出不同条件下破碎岩体稳定承载支护条件,提出破碎岩体锚固支护建议。... 详细信息

破碎岩体锚杆支护加固作用已被普遍证明,但对荷载作用下破碎岩体锚固及承载失稳机制仍不清晰。基于此,开展系列破碎岩体锚固试验,揭示破碎岩体锚固及承载失稳机制,得出不同条件下破碎岩体稳定承载支护条件,提出破碎岩体锚固支护建议。与常规岩体锚杆支护受力特征截然相反的是,破碎岩体在荷载作用下产生变形破坏特征响应时,锚杆受力呈现逐渐衰减演化特征,锚杆支护对破碎岩体支护作用仅体现为施加预紧力产生的主动支护效应。锚固破碎岩体间呈力链结构铰接,以压力拱结构承载,拱下岩体起着支撑压力拱及将锚杆支护作用传递至压力拱的力学媒介作用,是压力拱能否稳定承载的关键。破碎岩体产生变形破坏响应特征时,岩体间力链结构稳定性降低,拱下岩体对压力拱支撑及将锚杆支护作用传递至压力拱的力学媒介作用减弱。破碎岩体锚固失稳机制表现为拱下岩体支撑作用弱化及锚杆支护作用衰减双重因素叠加诱导的结构性失稳。不同物理力学及支护参数条件,改变的是压力拱拱下岩体稳定性及其力学媒介作用,影响破碎岩体压力拱结构稳定性及锚杆支护作用。获得了不同物理力学参数条件下破碎岩体锚固稳定承载条件,提出了破碎岩体锚固支护合理建议:统计破碎岩体平均粒径,确定合理锚杆支护密度;提高锚杆预紧力及护表支护强度。

关键词：破碎岩体锚杆支护压力拱失稳机制力学媒介

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锚杆支护金属网力学性能及传力机制试验研究

煤炭学报 2022年第4期47卷 1512-1522页

作者：原贵阳高富强娄金福李建忠王晓卿中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

鉴于目前井下金属网常见的强度及刚度失效2类破坏方式严重制约巷道安全可靠性问题,采用自主研发的金属网静载试验系统对3类金属网进行了测试,得到了3类金属网在垂直载荷作用下的支护强度、刚度及变形破坏方式;借助有限元分析软件Ansys... 详细信息

鉴于目前井下金属网常见的强度及刚度失效2类破坏方式严重制约巷道安全可靠性问题,采用自主研发的金属网静载试验系统对3类金属网进行了测试,得到了3类金属网在垂直载荷作用下的支护强度、刚度及变形破坏方式;借助有限元分析软件Ansys得到了3类金属网在垂直载荷作用下的应力分布规律;采用理论分析的方法得到了3类金属网的传力机制问题,并进一步根据3类金属网的力学响应特征、应力分布规律及传力机制分别给出了结构优化建议。研究结果表明:①金属网支护系统在垂直载荷作用下的载荷-位移曲线变化可分为载荷传递阶段、网丝变形阶段及结构破坏阶段3部分。②钢筋网具有高刚度支护特征,菱形网具有高强度支护特征,垂直载荷作用下经纬网的网丝错动会大幅度降低其支护强度及刚度。③钢筋网及经纬网以中心“十”字型区域内的网丝承受轴向应力,菱形网以中心“X”字型区域内的网丝承受轴向应力。④钢筋网支护系统在承载过程中呈现出中心“十”字型传力方式,菱形网呈现出中心“X”字型传力方式,经纬网网丝在外部载荷作用下由高应力区向低应力区滑移。⑤直接决定金属网支护作用的边界网丝,在垂直及水平方向上分别受到剪切及扭曲作用,且绑丝强度对边界网丝的水平扭曲作用影响较大。⑥3类金属网是否能进行有效支护,应围绕传力机制问题分别进行局部绑丝加固、节点约束防滑及配套锚杆间排距优化等加强措施。

关键词：力学性能传力机制金属网锚杆支护应力分布

基于局部矿井刚度理论的冲击地压试验装置研制及应用

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煤炭学报 2023年第5期48卷 1985-1995页

作者：高富强原贵阳娄金福卢志国李建忠中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083

煤层加载刚度及峰后承载刚度是影响冲击地压发生的重要因素,为了系统研究基于局部矿井刚度理论的冲击地压发生机理及煤柱冲击破坏规律,开发了冲击地压实验室试验装置。试验装置主要由静力加载系统、储能系统、变刚度加载系统、开挖系统... 详细信息

煤层加载刚度及峰后承载刚度是影响冲击地压发生的重要因素,为了系统研究基于局部矿井刚度理论的冲击地压发生机理及煤柱冲击破坏规律,开发了冲击地压实验室试验装置。试验装置主要由静力加载系统、储能系统、变刚度加载系统、开挖系统和多源信息监测系统5部分组成。该试验系统的主要创新如下:①加载系统中增加开挖装置,可在保压状态下通过开挖诱发试样产生应力集中及局部矿井刚度的降低,当试样受力达到其承载强度、局部系统刚度低于试样峰后刚度时将发生冲击破坏;②加载系统中设置了气囊式蓄能器−油缸的复合液压弹簧储能装置,可在静力加载过程中完成能量的储存;③设置了一种变刚度加载装置,系统可通过蓄能器初始气囊压力的调整实现不同加载刚度的设置;④试验装置可对试样从加载—稳压—开挖—冲击全过程进行实验室再现,使得冲击地压发生全过程煤柱应变监测以及冲击过程观测成为可能。通过对高强度混凝土试块和强冲击倾向性煤样进行初步实验室试验,验证了该模拟设备的准确性和可靠性,初步试验结果表明:低刚度加载条件下通过开挖底部试样可有效诱发煤柱发生冲击破坏,煤柱破坏由低刚度侧向高刚度侧扩展贯通,破坏后的残留煤柱呈现出“两侧宽中心窄”的哑铃状态。冲击破坏后的煤柱中心被一条横向锯齿裂纹贯穿,致使煤柱承载能力大幅度降低。该试验系统从加载储能及刚度角度出发,可实验室再现煤体在加载—稳压—开挖—冲击破坏的冲击地压发生全过程,为煤矿冲击地压发生机理研究提供试验平台。

关键词：局部系统刚度冲击地压试验系统变刚度加载

锚网-围岩接触面注浆充填预应力施加技术研究

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煤炭学报 2023年

作者：原贵阳高富强王涛李建忠王晓卿中煤科工开采研究院有限公司煤炭资源智能开采与岩层控制全国重点实验室中国矿业大学(北京)能源与矿业学院

针对松软煤体巷道护表构件主动支护效应差、局部裸露围岩破碎范围持续扩大导致的锚杆、锚索失效问题，开发了网后注浆面型预应力施加技术并进行了实验室试验及现场验证。首先分析了锚网支护围岩变形破坏方式及控制方法，阐述了网后注浆... 详细信息

针对松软煤体巷道护表构件主动支护效应差、局部裸露围岩破碎范围持续扩大导致的锚杆、锚索失效问题，开发了网后注浆面型预应力施加技术并进行了实验室试验及现场验证。首先分析了锚网支护围岩变形破坏方式及控制方法，阐述了网后注浆技术原理；其次开展了不同规格型号金属网的网后注浆实验室试验，分别得到了主动面型预应力施加过程中锚杆受力、注浆压力、护表构件变形量及面应力演化规律；最后开展了现场工况下的顶板及两帮网后注浆试验，得到了护表构件在一定变形量前提下的面型预应力施加值，验证了网后注浆技术的适用性。研究结果表明：（1）金属网与煤壁之间存在间隙是导致支护系统主动支护能力差和锚杆、锚索支护失效的主控因素，围绕金属网与煤壁接触面凹凸不平的结构间隙进行注浆填充、全面封闭围岩是完善锚网支护系统的技术手段；（2）在金属网与围岩之间进行注浆充填可实现面型主动预应力的施加，面应力变化趋势主要分为：初始面应力恒定阶段、面应力上升阶段、面应力降低至稳定阶段；（3）网后注浆过程中，面应力值变化趋势与注浆压力、金属网变形量紧密相关，面应力上升过程中，注浆压力、金属网变形量也随之升高。（4）网后注浆可缓解锚杆托盘应力集中程度，面应力值上升过程中可使得应力集中的锚杆预紧力呈现出小幅度降低趋势，受力较为均匀的锚杆预紧力呈现出同步上升趋势。所得研究成果有望成为锚杆支护配套技术，为复杂困难巷道治理提供技术储备与理论参考。

关键词：锚杆支护金属网网后注浆面型预应力围岩控制

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锚杆支护组合构件对钢筋网加固作用试验研究

煤炭学报 2020年第2期45卷 556-567页

作者：原贵阳孙志勇李建忠煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013

针对深井高地应力巷道因围岩大变形导致金属网严重破坏引发支护失效的问题,对高地应力巷道支护常用的钢筋网配合单体锚杆、钢筋托梁、W型钢带3种组合系统在垂直载荷作用下的力学性能进行实验室测试,分析了锚杆支护组合构件对钢筋网支护... 详细信息

针对深井高地应力巷道因围岩大变形导致金属网严重破坏引发支护失效的问题,对高地应力巷道支护常用的钢筋网配合单体锚杆、钢筋托梁、W型钢带3种组合系统在垂直载荷作用下的力学性能进行实验室测试,分析了锚杆支护组合构件对钢筋网支护系统峰值强度、承载刚度、残余强度及卸压程度的影响规律,得到了锚杆支护组合构件对钢筋网支护效应的加固特征。借助Ansys Workbench软件分析钢筋网支护系统在垂直载荷作用下的整体位移变形量,得到了锚杆支护组合构件对钢筋网横向、纵向股线的位移约束差异性。基于锚杆支护组合构件对钢筋网的不对称加固特征及边界网丝概念的提出,探讨了锚杆支护组合构件对钢筋网支护系统的加固机理。结果表明:①钢筋网支护系统在垂直载荷作用下的承载性能可分为峰前承载区与峰后卸压区,W型钢带对钢筋网支护系统的强度强化作用是钢筋托梁的1.5倍,刚度强化作用是钢筋托梁的3倍。②锚杆支护组合构件对钢筋网的横向股线加固作用大于纵向股线加固作用,横向股线抗变形阻力分为垂直和水平两个分量,垂直分量由边界网丝与锚杆支护组合构件提供,水平阻力大小取决于边界网丝及焊接点剪切强度。③锚杆支护组合构件通过提高垂直约束作用、护表面积及护表区域内系统的抗变形能力增加钢筋网的支护强度与刚度。

关键词：锚杆支护组合构件钢筋网加固作用边界网丝护表区域