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在阅读此文之前，麻烦您点击一下“关注”，既方便您进行讨论和分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持文|张博然的研究室编辑|张博然的研究室前言煤矿井下的地下结构设计中，岩石强度是一个至关重要的因素为了增强岩石的力学性能，常常会采用岩石锚杆和锚索在煤矿中，岩石加固措施通常是在开挖后立即进行锚杆支护，以确保巷道的稳定和后续作业的安全为了评估锚杆的加固效果并提高其锚固能力，进行了大量的研究从理论上分析了锚杆对周围岩石峰值和残余强度的影响提出了岩石锚杆巷道周围岩石加固效果的本构模型，基于峰值强度的改善模型几何和尺寸设定根据锚固前后的抗剪强度方程，发现注浆完成后，锚固范围的抗剪强度以及周围岩石的力学性能都得到了改善通过物理模拟试验研究了预拉力对锚固强度和变形的影响，发现高预拉力可以提高锚固强度在数值模拟方面，使用材料模型和结构单元来模拟锚固范围内的螺栓截面将裂隙岩体中锚杆的本构模型导入FLAC3D进行数值模拟，并发现较高的预拉力和密度可以提高极限承载力利用FLAC3D中的弹性各向同性模型研究了锚杆与钻孔直径的对准对锚固效果的影响，结果显示合理的对准可以增强锚固效果利用弹塑性模型研究了不同水平应力条件下锚杆与锚固剂界面的断裂机理岩石锚杆在地下结构设计中起着至关重要的作用，通过理论分析和实验模拟，可以不断优化锚杆的设计，提高围岩的强度和稳定性这些研究对于确保煤矿井下的工作安全和高效进行具有学术研究价值的探索研究过去主要集中在锚固技术、锚杆、配合效果和应力传递等方面虽然高预拉力被普遍认为可以改善锚杆的力学性能，但至今尚未研究不同岩石强度条件下高预拉力对锚固的影响大多数研究通过弹塑性模型和应力应变关系来分析锚固效应，而基于能量守恒原理来研究这个问题的研究有限事实上，锚固的断裂演化是一个能量耗散和释放的过程，因此利用能量定律来研究锚固效应更为合理许多数值模拟使用索单元来处理这个主题；考虑到索单元是由两个自由度组成的一维元素，对于分析岩石锚杆的情况并不适合岩石锚杆单元更适合分析，因为它是具有三个自由度的二维单元将使用UDEC Trigon软件使用岩石锚杆单元来研究单轴压缩下高预拉力对不同围岩强度下锚杆的影响本文旨在通过监测不同岩石强度条件下的能量演化、应力应变关系以及断裂发展，研究不同条件下岩石锚杆的不同强化行为能量演化的研究在岩石力学中已经细化到不同的覆盖深度、加载条件和地应力大小在UDEC中，能量变化是针对完整的岩石、节理以及边界上所做的工作进行的UDEC中的能量平衡涉及边界所做的功、存储应变能和耗散能结合研究的基础和模拟条件，确定了相关的能量规律在单轴压缩中，外力做的功用W表示，Ue表示锚杆弹性变形产生的弹性应变能边界应变能和弹性应变能之间所做的功的差值是耗散能Ud总输入能量可以用下面的式子表示：W = Ud + Ue岩材边界条件能量主要通过三种方式耗散能量通过摩擦耗散，由于岩石中裂缝的发展，这被表示为Wf第二个来源是岩石的塑性变形(Wp)一旦岩石发生塑性变形，能量就会因塑性功而消散其余能量通过声发射耗散，表示为UrUd可以表示为：Ud = Wf + Wp + Ur为了更好地模拟锚杆峰后强度的力学性能和能量演化，在UDEC中采用了应变软化模型应变软化模型基于具有非关联剪切和关联张力流规则的UDEC Mohr-Coulomb模型选择了煤、砂质泥岩和砂岩来代表不同的岩石强度，并列出了岩体的完整性质这些特性是通过实验室压缩测试获得的，并由煤矿提供岩体的岩石质量标志值是通过钻孔电视观看器图像进行评估的数值模拟得到的单轴抗压强度和弹性模量数据与实验室试验数据相似，这表明煤体和岩体的微观力学参数已经适当标定在UDEC中，岩石锚杆单元与索单元有所不同岩杆单元是一种二维单元，其两个节点具有三个自由度它能够抵抗弯曲并能沿轴向屈服岩石锚杆单元通过剪切弹簧和法向耦合弹簧与UDEC进行交互，用于在岩石锚杆单元和网格节点之间传递力和运动这些弹簧用于模拟锚固长度的剪切行为和围岩的压缩岩栓单元可以在节点处断裂，模拟螺栓断裂可以通过定义拉伸失效应变极限(tfstrain)来实现如果达到了拉伸失效应变极限，就认为岩栓失效使用岩石锚杆单元模拟直径为22毫米的HRB335螺纹钢锚，其参数根据实验室拉力试验结果进行了设置施加预拉力的常用方法是将螺母安装在锚杆尾部螺纹上，通过向螺母施加扭矩，轴向拉力作用在岩石锚杆上在实际应用中，高预张力很难控制，有时扭矩达到300-400 N·m时，预紧力仍然很低，这是由于螺纹处的扭矩造成的为了增加锚杆的预拉力，开发了一种新型锚杆锁这种锚杆锁通过一种新的预紧方法能够在不损坏锚杆的情况下施加高预紧力锚锁由一个锚环和三个卡子组成，锚环为环形结构，中心孔为锥形，卡子设置在锚环锥孔内壁与锚体之间UDEC Trigon模拟的设置块和接口分别使用应变软化和库仑滑移模型数值模型的尺寸为1×2米由于锚杆单元的限制，垂直安装的锚杆效果并不显着在岩体上水平安装了岩石锚杆，位置分别为y = 0.4、1.0和1.6米处通过在岩石锚杆的节点处施加载荷来施加预拉力实际应用中施加在岩石锚杆上的常见扭矩约为300-400 N·m，相应的预紧力为40-50 kN 为了在数值模型中实现高预拉力，研究将预拉力设定为屈服强度的70%，即138.6 kN/0.365 MPa模型的顶部边界施加0.02 m/s的位移率，并固定底部边界模拟过程中，通过FISH功能监测锚杆的应力应变关系和断裂发展情况使用UDEC能量元件记录边界功、摩擦功和塑性功锚杆加载和预拉力设定无论岩石锚杆如何，岩石的能量演化都是一致的根据应力曲线和能量曲线的对应关系，岩石的能量演化可以分为三个阶段：第一阶段：从加载开始到屈服强度外部做功被岩石充分吸收并以弹性应变能的形式储存起来在此阶段，能量曲线呈非线性增加，而外部做功曲线与弹性应变曲线很好地对齐根据应力和能量曲线，岩石在屈服强度之前处于弹性变形状态在此阶段，尚未观察到内部损伤，因此认为内部能量耗散是没有的第二阶段：从屈服强度到峰值强度外部做功不断增加，岩石吸收的总能量也不断增加由于岩石处于塑性状态，存在一定程度的内部损伤，摩擦功开始在裂纹和塑性变形之间产生并迅速增加这表明尽管声发射水平仍然较低，但损伤程度有所增加在此阶段，弹性应变能也在增加，但增长率较为平缓它与外部做功的对准程度越来越差，并在峰值强度点附近达到最大值第三阶段：高峰值后阶段外部做功不断增加，但岩石内部的弹性能迅速释放由于摩擦功、塑性变形和声发射，能量耗散显著增加声发射能量曲线增长较快，表明损伤程度较高在模拟结束时，外部做功主要转化为岩石破裂所需的能量，不再储存弹性应变能当应力降至残余强度时，尽管能量不断耗散，但弹性应变能和能量耗散曲线变得更加平缓虽然无论是否存在岩石锚杆，岩石的能量演化都是一致的，但岩石锚杆的安装导致了损伤程度和其他参数的显着变化在岩石锚杆锚固的情况下，岩石的应力增加而应变减少在煤体中，应力从4.4 MPa增加到4.8 MPa，应变从0.57%减少到0.5%在砂质泥岩中，应力从18 MPa增加到20.6 MPa，应变从0.6%减少到0.49%煤和砂质泥岩的峰值弹性能随岩石锚杆的安装分别从29.2 kJ增加到35 kJ和从202.7 kJ增加到240.7 kJ当应变达到1.2%时，煤和砂质泥岩的外部做功分别增加了26.2 kJ和33.7 kJ对于煤体，在不使用锚杆的情况下，断裂摩擦所做的功为35.1 kJ，占总输入能量的50.1%；而使用岩石锚杆时，岩石锚杆的能量为37.4 kJ，占总输入能量的38.9%对于砂质泥岩，不使用岩石锚杆时，断裂摩擦所做的功为230.3 kJ，占总输入能量的58.8%；而使用岩石锚杆时，断裂摩擦所做的功为158.7 kJ，占总输入能量的37.2%岩石锚杆的安装可以提高围岩的强度并增加其储存的弹性应变能它还可以阻止断裂的发展，延缓峰后弹性应变能的释放砂质泥岩的性能优于煤体这些数据表明，岩石锚杆可以改善岩石的力学性能和储能能力，中硬岩石，例如砂质泥岩，是最适合这种应用的岩石类型结论锚杆可以提高锚杆的力学性能和储能能力通过这种加固方式，锚杆的损坏程度减少，同时弹性应变能和塑性变形功增加岩石锚杆抑制了断裂摩擦引起的能量耗散，延迟了峰值后的弹性应变释放，从而提高了锚杆的稳定性通过对不同岩石类型的应力和能量演化分析发现，锚杆对岩石力学性能的改善是减轻损伤程度的次要因素，最主要的影响是阻止裂缝的发展和聚合拉力锚杆更适用于中硬岩石，次之为软岩石对于硬岩石，岩石锚杆的应用效果较弱，因为它无法有效地阻止岩体内裂缝的发展
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