負泊松比效應錨索的力學特性及其在沖擊地壓防治中的應用研究

何滿潮，王 炯,2，孫曉明，楊曉杰,2

(1.中國礦業大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

負泊松比效應錨索的力學特性及其在沖擊地壓防治中的應用研究

何滿潮1，王 炯1,2，孫曉明1，楊曉杰1,2

(1.中國礦業大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

沖擊地壓發生強度、危害程度及頻次呈急劇增加趨勢，現有支護材料無法滿足沖擊力作用下巷道防護的要求，基于負泊松比材料的特殊力學特性，結合井下巷道沖擊大變形控制的需求，研發了具有負泊松比效應新型高恒阻大變形錨索。采用室內力學實驗和現場爆破模擬沖擊試驗相結合的方法，對新型錨索的防沖力學特性進行了研究，結果表明恒阻錨索能夠在靜力拉伸作用下產生滑移拉伸變形的同時保持350 kN左右的恒定阻力，多次落錘沖擊動力作用下，能夠通過保持恒定阻力并產生拉伸變形來吸收沖擊能量。以沈陽紅陽三礦1213回風聯絡巷為工程背景，提出了現場采用爆破形式模擬沖擊地壓的現場防沖方案，試驗表明高恒阻大變形錨索在爆炸沖擊力作用下可以產生瞬間滑移變形，從而吸收爆炸產生的沖擊能量，并具有保持恒定阻力的特殊力學性能；通過現場對比試驗可知，在相同當量爆破沖擊能量作用下，普通錨索試驗段完全崩垮，恒阻錨索試驗段整體穩定，驗證了恒阻大變形錨索比普通錨索具有更好的抗沖擊力學性能。

沖擊地壓；負泊松比效應；恒阻大變形錨索；現場防沖試驗；防沖力學特性

沖擊地壓是礦山壓力的一種特殊顯現形式，是礦井在采掘過程中周圍煤巖體由于變形能聚集達到煤巖體極限后釋放而產生的以突然、急劇、猛烈的破壞為特征的動力現象，是煤礦重大災害之一[1-3]。我國是世界上除德國和波蘭以外煤礦沖擊地壓危害最嚴重的國家之一[4-5]，最早記錄的沖擊地壓案例是發生在1933年的撫順勝利煤礦沖擊地壓。據中國煤炭工業協會統計數據，建國以來我國共發生4 000多次沖擊地壓事故，造成重大損失。隨著煤礦開采深度的不斷增加，特別是我國東部煤炭主采區，開采深度超過1 000 m的礦井個數急劇增加，井下巷道在承受高地應力的同時，又要經受由于回采引起的強烈支承壓力作用，使受采動影響的巷道圍巖壓力數倍、甚至近十倍于原巖應力，煤巖體積聚了大量的固體能量，在深部地應力、構造應力以及工程擾動的作用下[6-7]，使得積聚的能量大于礦體失穩和破壞所需要的能量，造成整個煤巖系統失去結構穩定性，發生沖擊地壓[8-11]，從而使得淺部開采時的非沖擊礦井，進入深部后轉變為沖擊地壓頻發的沖擊礦井[12-13]，同時沖擊地壓發生強度、危害程度及頻次呈急劇增加的趨勢(圖1)，沖擊礦井數量呈明顯上升趨勢(圖2)[14-15]。

圖1 撫順老虎臺煤礦巖爆次數與埋深關系Fig.1 Relationship of rock burst and depth in Laohutai Mine

圖2 我國沖擊地壓礦井增長趨勢Fig.2 China’s growth trend of rockburst mine

國內外學者對沖擊地壓發生的機理、預測預報和防護技術做了大量的研究，20世紀60年代,我國開始研究沖擊地壓問題，并作為國家“六五”、“七五”科技攻關項目進行了有針對性的重點研究，取得了一定的成果[16-19]，特別對采場的防沖措施進行了系統研究，主要包括區域性防御措施和局部解危措施，其中區域性防御措施主要包括開采解放層、采用合理的開拓布置和開采方式、煤體注水卸壓、開展沖擊地壓預測預報、提高采煤工作面裝備水平等方法；局部解危措施主要有鉆孔卸壓、卸壓爆破、深孔爆破、水力致裂、強制放頂等措施。以上措施基本能夠達到緩解或者抑制回采工作面沖擊地壓的發生。開拓巷道及采準巷道掘進和服務期間的防沖支護措施主要有U型鋼可縮支護、高強錨網索支護、錨網索+金屬支架聯合支護、錨網索+讓壓管支護、圓型支架及垛式支架等方式。上述措施部分緩解了沖擊地壓的發生強度，但沒有根本解決井下巷道的防沖問題，特別是目前占巷道支護絕大部分形式的錨網索支護對沖擊地壓幾乎無防護作用，且隱蔽致災性大，不可靠。

上述防沖支護形式不能滿足沖擊地壓防治的根本原因是支護材料本身不能適應沖擊力作用下圍巖的瞬間大變形，包括傳統錨桿、錨索、U型鋼可縮支架等主要支護材料，均屬于傳統泊松比材料，即為塑性硬化材料，在受到沖擊荷載作用下瞬間達到其屈服強度而失去承載防護能力，造成沖擊地壓事故的發生,如圖3所示。因此，尋求安全可靠、技術可行、經濟合理的支護新材料具有重大的意義。

圖3 井下巷道沖擊地壓發生前后Fig.3 Comparison chart underground roadway rock-burst before and after rock burst

傳統泊松材料在拉伸時產生橫向收縮，而負泊松比效應材料在受到拉伸時，垂直于拉應力方向會發生膨脹，而不是發生通常的收縮；在受到壓縮時，材料在垂直于應力方向發生收縮，而不是通常的膨脹；在受到彎曲時，負泊松比材料由于內部結構為球形腔，在張力的作用下，球型腔大多為等規圓筒狀結構，使應力集中效應大為減弱。負泊松比材料同時顯示出更強的力學與物理特性，這也就意味著其可以被同時定義為結構材料和功能材料[20-22]。

基于負泊松比材料的特殊力學特性，結合井下巷道沖擊大變形控制的需求，受“以柔克剛，剛柔相濟”的哲學思想的啟迪，筆者于2007年研發了具有負泊松比效應的恒阻力為130 kN的恒阻大變形錨索支護新材料，2011年又成功研制出第2代具有負泊松比效應的恒阻值為350 kN的新型高恒阻大變形錨索。該新型恒阻大變形錨索具有最大超過1 000 mm的拉伸滑移變形能力來適應圍巖的沖擊大變形，在控制沖擊能量安全釋放的同時能夠保持恒定的支護阻力，達到抑制沖擊地壓發生或對沖擊地壓發生全過程做到安全可控的目的。為了研究該新型高恒阻大變形錨索的防沖力學特性，本文以沈陽紅陽三礦為地質背景，提出在井下廢棄巷道利用現場爆破模擬沖擊的防沖對比試驗，找出其防沖機理及現場防沖效果，為深部開采條件下巷道防沖支護提供新技術。

1 負泊松比效應錨索力學特性

1.1 負泊松比效應錨索簡介

具有負泊松比效應的新型恒阻大變形錨索，其主要有恒阻體、鋼絞線、托盤和螺母組成，其中鋼絞線為普通泊松比材料，恒阻體為負泊松效應材料，具體如圖4所示。

圖4 具有負泊松比效應錨索結構示意Fig.4 Structure of negative poisson’s ratio effect anchor

該錨索恒阻器采用負泊松比材料，其恒阻值設計為泊松比材料鋼絞線屈服強度的95%，當錨索受力小于恒阻值時，鋼絞線處于彈性工作狀態；當受力超過恒阻值時，恒阻器產生塑性滑移拉伸變形直到圍巖再次穩定，鋼絞線受力達到屈服強度的95%，仍然處于彈性工作狀態。

本次現場防沖試驗采用恒阻值為350 kN，最大拉伸滑移變形量為350 mm的高恒阻大變形錨索(圖5)，為了研究其防沖力學性能，利用室內實驗對其靜力拉伸及動力沖擊性能進行了研究。

圖5 350 kN高恒阻大變形錨索Fig.5 The high constant resistance(350 kN) large deformation anchor cable

1.2 靜力拉伸實驗

采用深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室(北京)自主研發的HWL-2000恒阻大變形錨索拉力實驗系統(圖6),對應用于試驗現場的4根錨索進行了靜力拉伸實驗研究。

圖6 HWL-2000恒阻大變形錨索靜力拉伸實驗系統Fig.6 HWL-2000 static tensile test system of the high constant resistance large deformation anchor cable

采用位移控制的方法，對4組高恒阻大變形錨索進行靜力拉伸實驗，測試其最大靜力拉伸長度及恒阻力保持情況。通過試驗得到其最大拉伸滑移變形量在386.38～405.38 mm之間，滿足設計值350 mm；恒阻力平均值在350 kN左右，表明其恒定阻力性能良好。實驗材料參數見表1，實驗結果如圖7所示。

表1靜力拉伸實驗用高恒阻大變形錨索參數
Table1Thebasicparameterofanchorcablesusedforstatictensiletest

編號長度/mm最大拉伸力/kN最大伸長量/mm恒阻值范圍/kNMS3-2-11500363 2405 38330～360MS3-2-21500388 0386 37330～360MS3-2-31500388 0476 34335～370MS3-2-41500388 0482 83325～375

1.3 動力沖擊實驗

采用深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室(北京)自主研發的LEW-20WJ型恒阻大變形錨索落錘沖擊實驗系統(圖8)，對應用于試驗現場的4根錨索進行了動力沖擊實驗研究。

利用上述系統，對2組新型錨索(表2)進行了動力沖擊實驗，結果顯示受沖擊過程中錨索受力均在350 kN附近，近似恒定，表現出較好的恒阻性能；單次沖擊時錨索滑移變形量均在50 mm左右，表明在受到沖擊時錨索近似均勻吸收沖擊能量，防沖擊性能良好,具體如圖9,10所示。

圖7 靜力拉伸實驗結果Fig.7 The static tensile experimental results

圖8 LEW-20WJ型恒阻大變形錨索落錘沖擊實驗系統Fig.8 LEW-20WJ dropping impact test system of the high constant resistance large deformation anchor cable

表2動力沖擊實驗用高恒阻大變形錨索參數
Table2Thebasicparameterofanchorcablesusedfordroppingimpacttestmm

編號錨索全長恒阻器長度恒阻器直徑鋼絞線直徑HMS-13-1220004006321 8HMS-13-1320004006321 8

圖9 HMS-13-12錨索單次沖擊變形量及沖擊阻力Fig.9 The single impact deformation and impact resistance of HMS-13-12

圖10 HMS-13-13錨索單次沖擊變形量及沖擊阻力Fig.10 The single impact deformation and impact resistance of HMS-13-13

2 現場防沖試驗設計

2.1 工程背景

紅陽三礦為沈陽焦煤股份有限公司的主力礦山，開采深度已超過1 000 m，多次出現非線性動力學現象。北二采區707工作面為孤島工作面，回采末期接近終采線時，外圍回采輔助巷道發生了動壓影響下的沖擊地壓；西二1204工作面運輸巷，埋深超1 000 m，掘進至1 185 m處的火成巖墻時，發生應變巖爆，掘進工作面巖塊最遠被拋出27 m。隨著開采深度的增加，特別是由于深部復雜的地質構造而產生的高的構造應力，使得深部巷道掘進及回采期間發生沖擊動力學現象發生的頻次在不斷增大，給支護與開采帶來了很大的難度，嚴重影響了安全生產。因此，現場防沖試驗選擇在該礦-850水平廢棄巷道中進行，在驗證其現場防沖性能的同時給紅陽三礦井下巷道沖擊地壓防治提供科學依據。

2.2 試驗段概況

試驗段選擇在-850水平1213回風聯絡巷進行(圖11)，埋深793～817 m，傾角平均為6°，巷道總長度為303 m，沿7號煤掘進。7煤為復合煤層，由7-1煤、7-2煤和7-3煤組成，中間有兩層泥巖夾矸，總厚度為2.75 m。

圖11 試驗段位置Fig.11 Position of test section

巷道布置為矩形斷面，寬高為4 200 mm×2 500 mm，原支護采用錨網索支護。錨桿選用φ20 mm×2 200 mm的等強錨桿，間排距700 mm×800 mm，錨索采用φ21.7 mm×6 500 mm的鋼絞線，具體布置如圖12所示。

圖12 試驗段巷道原支護斷面圖Fig.12 The original section of roadway test section

2.3 試驗段分布及加固方案設計

試驗段總共40 m，平均分為I，II，III和IV段，每段10 m，具體布置如圖13所示。

圖13 試驗段分段布置Fig.13 The test section layout

本次試驗是研究相同地質條件下，相同支護強度，普通錨索與恒阻錨索支護防沖效果對比，故分別對各試驗段在原支護不變的情況下對左幫進行加強支護，頂板和右幫支護不變，其中試驗段Ⅰ和Ⅳ采用普通φ21.7 mm×6 500 mm的鋼絞線錨索加固，試驗段Ⅱ和Ⅲ采用恒阻值350 kN、長度6 500 mm的高恒阻大變形錨索加固，加強支護斷面如圖14所示。兩種錨索錨均采用端頭錨固，預緊力達到300 kN以上。

圖14 試驗段巷道加強支護斷面Fig.14 The reinforced section of roadway test section

2.4 爆破試驗過程設計

2.4.1爆破硐室及炮孔布置設計

本次試驗采用爆破形式模擬沖擊地壓的破壞作用，為模擬沖擊地壓發生時沖擊波對巷道支護體系的作用，采用沿巷道走向布置爆破源的方式，即裝藥炮孔要平行于巷道走向，為了炮孔的施工，在試驗段I和II之間、III和IV之間分別設置1個爆破硐室。據統計沖擊地壓對巷道表面的破壞深度80%處在2.0～2.5 m范圍內，故炮孔設計在距巷道左幫2.5 m豎向斷面上，距頂板1.0 m和1.7 m平面上。據此，爆破硐室設計為斷面為3 000 mm×2 500 mm，深度4 500 mm，布置位置及支護斷面如圖15所示，炮孔布置斷面如圖16所示。

圖15 爆破硐室布置及支護斷面Fig.15 Blasting caverns layout and support profile

圖16 爆破炮孔布置斷面Fig.16 The profile blast-hole layout of test section

2.4.2單次爆破裝藥量設計

目前發生在煤礦井下沖擊地壓的礦震震級大部分處在2～3級，對應釋放的能量為106.45～107.8J[23]，本次試驗模擬2.8級礦震對巷道沖擊破壞作用，對應釋放的能量為107.4J，需采用爆炸能量為2.95×106J/kg的礦用3號乳化炸藥約8.5 kg，考慮炸藥能量耗散，單次采用10 kg炸藥進行爆破試驗。

2.4.3過程設計

按照設計要求對試驗段分別進行加強支護，然后施工爆破硐室，按照試驗設計布置炮孔。整體按照試驗I,II,III,Ⅳ的順序依次進行爆破試驗，首先進行試驗段Ⅰ的試驗，采用10 kg炸藥一次爆破，然后進行試驗段Ⅱ的試驗，采用10 kg炸藥一次爆破的形式與試驗段I作對比試驗；根據試驗段I和II對比試驗結果，進行試驗段Ⅲ和Ⅳ的爆破試驗，裝藥量根據前期破壞情況進行調整。

3 現場防沖試驗結果

3.1 試驗段I——普通錨索爆破試驗結果

試驗段Ⅰ合計裝藥量10.4 kg，一次爆破。試驗前巷道支護良好，整體穩定，試驗后巷道整體崩塌，左幫整體被沖出，爆坑深度最大處達到1.8 m，部分中間排錨索、錨桿被沖斷、拉出失效,如圖17所示。

圖17 試驗段I試驗前后巷道破壞對比Fig.17 Test I damage comparison before and after blasting

3.2 試驗段II——恒阻錨索爆破試驗結果

試驗段II合計裝藥量10 kg，一次爆破。由圖18可知，爆破試驗前后巷幫基本無變化，巷道整體仍然穩定，沒有出現潰幫、片幫現象，只是在距底板1.2 m段幫部出現網兜，高恒阻大變形錨索受力產生了滑移拉伸變形，最大拉伸變形量達到57 mm，拉伸滑移變形量如圖19所示。

圖18 試驗段II試驗前后巷道情況Fig.18 Test II damage comparison before and after blasting

圖19 試驗段II恒阻錨索拉伸量Fig.19 Test II constant resistance anchor stretch

圖20 試驗段III試驗前后巷道情況Fig.20 Test III comparison before and after blasting

圖21 試驗段III第1次試驗恒阻錨索拉伸量Fig.21 Test III constant resistance anchor stretch after the first blasting test

3.3 試驗段III——恒阻錨索爆破試驗結果

根據現場前兩個試驗段沖擊對比試驗結果，試驗段III進行了兩次沖擊爆破試驗，累計裝藥量30.4 kg，其中第1次爆破裝藥11.4 kg，第2次爆破裝藥19 kg。

第1次爆破試驗前巷道支護良好，爆破后巷道表面基本沒有大的變化，整體穩定，只是在單根恒阻錨索周圍出現較小網兜變形現象,如圖20所示。恒阻器均產生了滑移拉伸變形，拉伸量大部分處在25～30 mm，最大變形量達到38 mm，如圖21所示。為了進一步研究新型錨索支護體系抵抗多次爆破沖擊的性能，進行第2次爆破試驗，試驗后巷道整體穩定，只是在第1次爆破基礎之上網兜現象進一步加大，局部鐵絲網出現破損。恒阻器均產生了滑移拉伸變形，最大變形量達到52 mm,如圖22所示。

圖22 試驗段III第2次試驗恒阻錨索拉伸量Fig.22 Test III constant resistance anchor stretch after the second blasting test

3.4 試驗段IV——普通錨索爆破試驗結果

由于試驗段I普通錨索試驗段爆破試驗后，巷道出現整體崩塌破壞，為了研究普通錨索支護能夠抵抗沖擊荷載的強度，試驗段IV采用減小爆破能量的辦法進行爆破試驗，合計裝藥量5 kg，一次爆破。試驗后巷道出現局部破壞，網兜變形嚴重，部分鐵絲網破斷，顯示出接近臨界破壞的特點，如圖23所示。

圖23 試驗段Ⅳ試驗前后巷道破壞情況Fig.23 Test Ⅳ damage comparison before and after blasting

3.5 試驗結果分析

通過對比試驗可知，在相同爆破沖擊能量作用下，普通錨索段巷道整體出現垮塌，而高恒阻大變形錨索試驗段巷道只是產生了有限、可控的變形，巷道整體穩定，表明高恒阻大變形錨索比普通錨索具有很好的抗沖擊性能。

通過試驗段II和III每次沖擊試驗后的恒阻器伸長量的監測可知，絕大部分錨索在沖擊力作用下都產生了滑移變形，均勻受力，同時保持了恒定的工作阻力；相同的爆破能量作用下，由于普通錨索受力不均，被各個擊破，產生了崩斷或拉出的現象。

4 結 論

(1)利用自主研發的兩套實驗系統對新型高恒阻大變形錨索防沖力學特性進行了實驗研究，結果表明恒阻錨索能夠在靜力拉伸作用下產生滑移拉伸變形的同時保持350 kN左右的恒定阻力，多次落錘沖擊動力作用下，能夠通過保持恒定阻力并產生拉伸變形來吸收沖擊能量。

(2)提出了現場采用爆破形式模擬沖擊地壓的現場防沖方案，現場防沖試驗表明：高恒阻大變形錨索在爆炸沖擊力作用下可以產生瞬間滑移變形，從而吸收爆炸產生的沖擊能量，并具有保持恒定阻力的特殊力學性能。

(3)通過現場對比試驗可知，在相同當量爆破沖擊能量作用下，普通錨索試驗段完全崩垮，恒阻錨索試驗段整體穩定，驗證了恒阻大變形錨索比普通錨索具有更好的抗沖擊力學性能。

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Mechanicscharacteristicsandapplicationsofpreventionandcontrolrockburstsofthenegativepoisson’sratioeffectanchor

HE Man-chao1,WANG Jiong1,2，SUN Xiao-ming1，YANG Xiao-jie1,2

(1.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China；2.SchoolofMechanics&CivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China)

The existing support system is not effective for preventing rockburst during tunnel excavation or serving time,mainly because the supporting material can’t meet the the deformation as well as the energy absorption caused by impact loading to the surrounding rocks,while maintaining a constant support resistance.In this paper,the author introduced a high constant resistance(350 kN) large deformation anchor cable with its mechanical properties and in-site simulation of rockburst prevention impact test as the main research content,through a series of static tensile and dynamic impact laboratory tests to verify the new anchor cable with large deformation resistance under the action of impact while keeping slip deformation.The mechanism of this anchor cable’s interaction with surrounding rock in tunnels has carried on in detailed study.First put the anchor cable material into use as supporting material and put forward the field impact resistance test of simulation rockburst by blasting which performed at No.1213 tunnel in Hongyang Mine with the comparation of our anchor cable and traditional ones.At the same time,by performing real-time monitoring of anchor cable stress and comparing the test results with laboratory tests show the mechanism properties of this kind of cable,that is the ability of absorbing energy while maintaining constant resistance,and it has better performance than traditional cables with good impact resistance effect.

rockburst；negative poisson’s ratio effect；large deformation & high constant resistance anchor；in-situ test of impact resistance；impact resistance mechanism

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2022

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2010CB226800)；國家自然科學基金面上資助項目(51734214)

何滿潮(1956—)，男，河南靈寶人，中國科學院院士，教授，博士生導師，博士。E-mail：hemanchao@263.net

TD353;TD324

A

0253-9993(2014)02-0214-08

何滿潮，王 炯，孫曉明,等.負泊松比效應錨索的力學特性及其在沖擊地壓防治中的應用研究[J].煤炭學報,2014,39(2):214-221.

He Manchao,Wang Jiong，Sun Xiaoming,et al.Mechanics characteristics and applications of prevention and control rock bursts of the negative poisson’s ratio effect anchor[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):214-221.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2022