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Mechanical responses of anchoring structure under triaxial cyclic loading

Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2024年第2期16卷 545-560页

作者： Peng Wang Nong Zhang Qun Wei Xingliang Xu Guangzhen Cui Aoran Li Sen Yang jiaguang kan State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining School of MinesChina University of Mining and TechnologyXuzhou221116China School of Civil Engineering Xuzhou University of TechnologyXuzhou221116China School of Mechanical Engineering Jiangsu University of TechnologyChangzhou213001China

Dynamic load on anchoring structures(AS)within deep roadways can result in cumulative damage and *** study develops an experimental device designed to test AS under triaxial *** device enables the investigation of the mechanical response,failure mode,instability assessment criteria,and anchorage effect of AS subjected to combined cyclic dynamic-static triaxial stress *** results show that the peak bearing strength is positively correlated with the anchoring matrix strength,anchorage length,and edgewise compressive *** bearing capacity decreases significantly when the anchorage direction is severely *** free face failure modes are typically transverse cracking,concave fracturing,V-shaped slipping and detachment,and spallation ***,when the anchoring matrix strength and the anchorage length decrease while the edgewise compressive strength,loading rate,and anchorage inclination angle increase,the failure intensity *** is determined by a negative tangent modulus of the displacement-strength curve or the continued deformation increase against the general downward *** cyclic loads,the driving force that breaks the rock mass along the normal vector and the rigidity of the AS are the two factors that determine roadway ***,a control measure for surrounding rock stability is proposed to reduce the internal driving force via a pressure relief method and improve the rigidity of the AS by full-length anchorage and grouting modification.

关键词： Triaxial stress Dynamic-static combination load Cyclic loading Anchoring structure(AS) Cumulative damage

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高频低能冲击扰动下锚固结构渐进失效试验研究

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煤炭学报 2024年第1期49卷 309-319页

作者：张农王朋阚甲广许兴亮谢正正魏群中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116 徐州工程学院土木工程学院江苏徐州221116 江苏理工学院机械工程学院江苏常州213001

高频低能冲击扰动对巷道围岩及锚固结构造成持续疲劳损伤,是深部巷道趋向失稳的重要诱因,合理构建抗冲击动载巷道锚固支护体系及避免锚固结构失效已经成为深部煤炭开采面临的重要课题之一。采用理论分析、实验室试验、数值模拟等方法,... 详细信息

高频低能冲击扰动对巷道围岩及锚固结构造成持续疲劳损伤,是深部巷道趋向失稳的重要诱因,合理构建抗冲击动载巷道锚固支护体系及避免锚固结构失效已经成为深部煤炭开采面临的重要课题之一。采用理论分析、实验室试验、数值模拟等方法,研究了冲击载荷下锚固结构内部应力传递转化机制,阐明了锚固结构累积损伤与渐进失效机理,提出了冲击动载巷道控制准则。结果表明:压缩应力、拉伸应力与压拉快速转换形成的震荡效应是造成锚固结构损伤的三大要素;压缩、拉伸作用下介质抗压强度与不协调变形是导致锚固界面破坏的关键因素,锚固结构在内部法向驱动力作用下损伤累积,切线模量为负或单次动载冲击变形量持续逆势上扬时锚固结构失效,压缩、拉伸、震荡叠加影响下锚固结构预紧力损失及内部损伤存在明显的累积突变效应,内部裂隙以张拉裂隙为主,整体破坏从震荡效应向拉伸效应再向压缩破坏效应逐渐演化。通过提高围岩/锚固剂协调变形能力,增加锚固长度调动大范围岩体承载、保护锚固界面,保持锚固结构承载区抗剪阻滑强度大于动载冲击时内部法向驱动力,同时削弱震荡效应可有效降低锚固结构累积损伤程度。最后提出了降能-高阻-让压的冲击动载巷道控制技术准则,包括远场卸压、近场强支、破碎围岩改性、预紧力维持和让压结构,可为类似条件巷道维控提供指导。

关键词：冲击动载高频低能锚固结构累积损伤渐进失效

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我国绿色煤炭资源量概念、模型及预测

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中国矿业大学学报 2018年第1期47卷 1-8页

作者：袁亮张农阚甲广王洋安徽理工大学安徽淮南232000 煤炭开采国家工程技术研究院安徽淮南232000 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

基于我国煤炭资源赋存特征和面临的挑战,提出了绿色煤炭资源和绿色煤炭资源指数的概念.在煤矿安全、技术、经济、环境的四重效应约束条件下,建立了包括资源安全度、资源赋存度、生态恢复度、市场竞争度等4个方面和16个二级指标在内的绿... 详细信息

基于我国煤炭资源赋存特征和面临的挑战,提出了绿色煤炭资源和绿色煤炭资源指数的概念.在煤矿安全、技术、经济、环境的四重效应约束条件下,建立了包括资源安全度、资源赋存度、生态恢复度、市场竞争度等4个方面和16个二级指标在内的绿色煤炭资源量评价体系,系统分析了我国五大区绿色煤炭资源量的分布.通过情景分析方法,对我国2020年、2030年和2050年的绿色煤炭资源量进行了分析预测.结果表明:绿色煤炭资源未来的存量并不富裕,绿色煤炭资源量的合理规划与开发是煤炭行业有序发展的必然趋势.最后对基础研究及关键技术与装备研发、绿色煤炭资源精准开采国家级研发平台、绿色煤炭资源开发复合型人才和煤炭高效回收及精准开釆的政策方面提出战略性建议.

关键词：绿色煤炭资源评价体系情景分析储量预测战略建议

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二次沿空留巷围岩结构稳定性与控制技术

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采矿与安全工程学报 2018年第5期35卷 877-884页

作者：阚甲广武精科张农梁东旭中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116 淮阴工学院建筑工程学院江苏淮安223001

为将沿空留巷复用后继续保留下来作为回风通道长期使用,需采用二次沿空留巷。论文阐明了二次沿空留巷上覆岩层运动规律,建立了顶板二次沿空留巷结构模型,提出了二次沿空留巷围岩支护结构概念。研究表明:二次沿空留巷上覆岩层"大结构"运... 详细信息

为将沿空留巷复用后继续保留下来作为回风通道长期使用,需采用二次沿空留巷。论文阐明了二次沿空留巷上覆岩层运动规律,建立了顶板二次沿空留巷结构模型,提出了二次沿空留巷围岩支护结构概念。研究表明:二次沿空留巷上覆岩层"大结构"运动经历3次调整后才趋于稳定;指出二次沿空留巷围岩支护结构由两侧充填体、顶板锚杆索组合体、巷内支护体及底板组成;提出"多分区耦合支护"围岩控制方法,该方法可保证二次沿空留巷围岩结构稳定;制定详细的支护方案、施工工艺并进行了成功实践,对类似条件巷道支护具有一定的参考价值。

关键词：二次沿空留巷基本顶支护结构充填体

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高应力软岩巷道底鼓机理及控制实践

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采矿与安全工程学报 2017年第2期34卷 214-220,227页

作者：王晓卿阚甲广焦建康中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083 天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室矿业工程学院江苏徐州221116

为探索高应力软岩巷道底鼓治理方法,以潘一东矿西翼主胶带机大巷三联巷为研究对象,在调研其工程地质条件及底鼓概况的基础上,采用FLAC3D5.0软件分析了其底鼓机理;研发出适用于底板加固的端锚锚索束,提出了以端锚锚索束为主的底鼓控制方... 详细信息

为探索高应力软岩巷道底鼓治理方法,以潘一东矿西翼主胶带机大巷三联巷为研究对象,在调研其工程地质条件及底鼓概况的基础上,采用FLAC3D5.0软件分析了其底鼓机理;研发出适用于底板加固的端锚锚索束,提出了以端锚锚索束为主的底鼓控制方案;采用数值方法验证了底鼓控制效果,并将底鼓控制方案应用于工程实践。研究结果表明:三联巷底鼓属于挤压流动性底鼓,在两帮挤压效应作用下,底板整体凸起;端锚锚索束高支护刚度与高延伸性为相互制约关系,兼顾二者可以确定端锚锚索束参数;巷道底板加固会弱化两帮的挤压效应,改善帮顶支护结构工况;端锚锚索束在实现全孔注浆的同时兼具高锚固力及高延伸性,对高应力软岩巷道底鼓具有良好的控制效果。

关键词：高应力软岩挤压流动性底鼓端锚锚索束支护结构数值模拟

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深井沿空留巷顶板变形破坏特征与控制对策研究

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采矿与安全工程学报 2017年第1期34卷 16-23页

作者：武精科阚甲广谢福星杨增强中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

针对深井沿空留巷顶板出现的离层破碎难以形成承载结构甚至发生冒顶灾害的控制难题,综合现场调研、理论分析及实测方法,将其变形破坏形式进行归纳分类并深入分析,提出了"多支护结构"控制系统,研究了新系统的组成结构、控制原理、支护材... 详细信息

针对深井沿空留巷顶板出现的离层破碎难以形成承载结构甚至发生冒顶灾害的控制难题,综合现场调研、理论分析及实测方法,将其变形破坏形式进行归纳分类并深入分析,提出了"多支护结构"控制系统,研究了新系统的组成结构、控制原理、支护材料和支护时序。结果表明:1)顶板支护结构稳定性弱、跨度大、倾斜角度大和顶帮协同承载能力低是造成其变形破坏的主因;2)"多支护结构"控制系统包括强化锚固体系承载性能、强化碎裂煤岩体强度、强化顶帮协同承载结构和卸荷减跨,此系统可保证顶板结构完整,提高顶帮协同承载能力。研究成果在潘一矿东区进行推广应用,对类似条件巷道支护具有一定的理论意义和参考价值。

关键词：深井沿空留巷顶板控制对策

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大尺度混凝土巷旁墙体开裂机理及控制对策

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中国矿业大学学报 2017年第2期46卷 237-243页

作者：王晓卿张农阚甲广张念超中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083 天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室矿业工程学院江苏徐州221116

为防止深井沿空留巷大尺度混凝土巷旁墙体开裂破坏,通过水化热测定试验分析了充填材料的水化放热特性,在此基础上利用ANSYS软件模拟了巷旁墙体温度场的演化规律,理论计算了温度应力的变化特征,探讨了巷旁墙体在温度应力及采动应力双重... 详细信息

为防止深井沿空留巷大尺度混凝土巷旁墙体开裂破坏,通过水化热测定试验分析了充填材料的水化放热特性,在此基础上利用ANSYS软件模拟了巷旁墙体温度场的演化规律,理论计算了温度应力的变化特征,探讨了巷旁墙体在温度应力及采动应力双重作用下的破坏过程与机理.结果表明:充填前期巷旁墙体的内外温差高达22.0℃,由此引起的温度应力超过巷旁墙体的抗拉强度,致使巷旁墙体出现温度裂缝;顶板压力使温度裂缝扩展,最终导致巷旁墙体开裂破坏.基于巷旁墙体双因素致裂机理,从降低墙体内外温差及缓解顶板压力2个方面提出墙体开裂控制对策,并将其应用于1231(1)沿空留巷工程实践,取得了良好的留巷效果.

关键词：深井沿空留巷混凝土巷旁墙体水化热开裂

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锚杆(索)和U型钢支架支护失效形式与控制技术

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煤炭科学技术 2015年第6期43卷 41-47页

作者：张农阚甲广杨森中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116

随矿井开采深度不断延伸,高应力、强采动导致U型钢支架与锚杆(索)支护破坏失效的问题越来越严重。通过理论分析与现场调研,将U型钢支架破坏失效划分为面内结构性受载破坏、搭接部位撕裂折损、卡缆失效破坏、拉杆和背板失效破坏、轴力错... 详细信息

随矿井开采深度不断延伸,高应力、强采动导致U型钢支架与锚杆(索)支护破坏失效的问题越来越严重。通过理论分析与现场调研,将U型钢支架破坏失效划分为面内结构性受载破坏、搭接部位撕裂折损、卡缆失效破坏、拉杆和背板失效破坏、轴力错断型折损、纵向扭曲折损、综合性破坏等7类,将锚杆(索)支护失效形式划分为粘结失效型、围岩失效型、杆体破断失效型、护表构件失效型等4类。在此基础上,提出架型优选、壁后充填、薄弱点锚杆(索)强化等3项技术控制U型钢支架破坏失效,提出锚杆杆体强化、护表构件性能提升、树脂锚固剂性能改造、围岩滞后注浆等4项技术控制锚杆(索)支护破坏失效。

关键词：锚杆支护 U型钢支架失效形式控制技术

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断层对U型钢支架承载性能影响规律研究

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中国矿业大学学报 2018年第1期47卷 121-128页

作者：阚甲广张农刘宁宁杨森梁东旭中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116 煤炭科学技术研究院有限责任公司北京100013

为了分析断层对U型钢支架承载性能的影响规律,基于断层参数和支架偏载对其承载能力的作用,以顾北煤矿北一(6-2)上山采区6煤底板专用回风巷为工程实例,采用现场调研、数值计算与工业性试验方法,研究了断层法距、倾角和位置对支架载荷的... 详细信息

为了分析断层对U型钢支架承载性能的影响规律,基于断层参数和支架偏载对其承载能力的作用,以顾北煤矿北一(6-2)上山采区6煤底板专用回风巷为工程实例,采用现场调研、数值计算与工业性试验方法,研究了断层法距、倾角和位置对支架载荷的影响以及偏载支架的承载能力.结果表明:随法距增大,支架上最大弯矩先后在左肩角、左帮出现,之后在两帮出现,并在巷道与断层法距5m时取得最大值3.664MN·m;断层倾角为45°和60°时,支架弯矩分别取得最小和最大值;断层位于巷道顶板时支架弯矩取得最小值0.193 MN·m,断层越靠近底板对支架承载越为不利,支架顶梁与棚腿相比受断层位置变化影响较小;支架抗顶压能力较强,拱顶偏载荷载与均布荷载比值为1.0~2.0时有利于整体承载,肩部偏载对支架最为不利;拱顶偏载较小时,锁棚锚杆(索)的增加反而降低架棚承载能力.

关键词：断层 U型钢支架承载性能偏载

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深井沿空留巷非对称破坏机制与控制技术研究

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采矿与安全工程学报 2017年第4期34卷 739-747页

作者：武精科阚甲广谢生荣谢福星赵勇强中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

针对深井沿空留巷围岩非对称变形与控制难题,综合现场调研、理论分析、数值模拟及实测方法,探析围岩矿压显现几何形态、严重程度及动态演化过程,阐明深井沿空留巷围岩不对称变形破坏机制,并提出围岩结构分级分区耦合支护关键技术。结果... 详细信息

针对深井沿空留巷围岩非对称变形与控制难题,综合现场调研、理论分析、数值模拟及实测方法,探析围岩矿压显现几何形态、严重程度及动态演化过程,阐明深井沿空留巷围岩不对称变形破坏机制,并提出围岩结构分级分区耦合支护关键技术。结果表明:1)围岩剪切塑性破坏区和拉伸塑性破坏区主要分布于采空区边缘直接顶、实体煤帮和底板中,分布范围大且不均匀;2)关键部位(充填区域顶板)碎裂引发围岩各区域支护体被逐个击溃,依次是充填体偏心受载压裂、巷内顶板倾斜下沉、片帮外鼓和严重底鼓;3)煤岩层成岩性差且分布不均衡、不对称围岩结构的非耦合支护及其在强采动高应力状态下碎裂扩容、长期蠕变是围岩非对称变形的主因;4)将留巷围岩划分为4级9个支护分区,并具体分析各分区支护体力学效应及其保持围岩稳定性方面的作用,研究成果应用于深部沿空留巷并取得良好效果。

关键词：深井沿空留巷非对称变形耦合支护

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