负泊松比效应锚索的力学特性及其在冲击地压防治中的应用研究_何满潮_王炯_孙晓明_

危害程度及频次呈急剧增加的趋势 击地压发生强度、 ［14 － 15 ］ （ 图 1） ， 。 冲击矿井数量呈明显上升趋势（ 图 2 ）
图1 Fig. 1
抚顺老虎台煤矿岩爆次数与埋深关系
Ｒelationship of rock burst and depth in Laohutai Mine
国内外学者对冲击地压发生的机理 、 预测预报和 20 世纪 60 年代， 防护技术做了大量的研究， 我国开 “六五” 、 “七五 ” 并作为国家 科 始研究冲击地压问题， 技攻关项目进行了有针对性的重点研究 ， 取得了一定 ［16 － 19 ］ ， 的成果 特别对采场的防冲措施进行了系统研 ， 究 主要包括区域性防御措施和局部解危措施 ， 其中 采用合理的开 区域性防御措施主要包括开采解放层 、 拓布置和开采方式、 煤体注水卸压、 开展冲击地压预 测预报、 提高采煤工作面装备水平等方法； 局部解危
摘
要： 冲击地压发生强度、 危害程度及频次呈急剧增加趋势， 现有支护材料无法满足冲击力作用 下巷道防护的要求， 基于负泊松比材料的特殊力学特性 ， 结合井下巷道冲击大变形控制的需求， 研
发了具有负泊松比效应新型高恒阻大变形锚索 。采用室内力学实验和现场爆破模拟冲击试验相结 合的方法， 对新型锚索的防冲力学特性进行了研究 ， 结果表明恒阻锚索能够在静力拉伸作用下产生 滑移拉伸变形的同时保持 350 kN 左右的恒定阻力， 多次落锤冲击动力作用下， 能够通过保持恒定 阻力并产生拉伸变形来吸收冲击能量 。以沈阳红阳三矿 1213 回风联络巷为工程背景， 提出了现场 采用爆破形式模拟冲击地压的现场防冲方案 ， 试验表明高恒阻大变形锚索在爆炸冲击力作用下可 以产生瞬间滑移变形， 从而吸收爆炸产生的冲击能量， 并具有保持恒定阻力的特殊力学性能； 通过 现场对比试验可知， 在相同当量爆破冲击能量作用下， 普通锚索试验段完全崩垮， 恒阻锚索试验段 整体稳定， 验证了恒阻大变形锚索比普通锚索具有更好的抗冲击力学性能 。 关键词： 冲击地压； 负泊松比效应； 恒阻大变形锚索； 现场防冲试验； 防冲力学特性 中图分类号： TD353 ； TD324 文献标志码： A 文章编号： 0253 － 9993 （ 2014 ） 02 － 0214 － 08
第2 期
何满潮等： 负泊松比效应锚索的力学特性及其在冲击地压防治中的应用研究
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nitoring 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． Key words： rockburst； negative poisson’ s ratio effect； large deformation ＆ high constant resistance anchor； insitu test of impact resistance； impact resistance mechanism 冲击地压是矿山压力的一种特殊显现形式 ， 是矿 井在采掘过程中周围煤岩体由于变形能聚集达到煤 岩体极限后释放而产生的以突然、 急剧、 猛烈的破坏 为特征的动力现象， 是煤矿重大灾害之一
负泊松比效应锚索的力学特性及其在冲击 地压防治中的应用研究
1 1， 2 1 1， 2 何满潮 ， 王 炯 ， 孙晓明 ， 杨晓杰 （ 1． 中国矿业大学 （ 北京） 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室 ， 北京 100083 ） 100083 ； 2． 中国矿业大学 （ 北京 ） 力学与建 筑工程学院 ， 北京
［1 － 3 ］
。 我国
是世界上除德国和波兰以外煤矿冲击地压危害最严 ［4 － 5 ］ ， 重的国家之一 最早记录的冲击地压案例是发生 在 1933 年的抚顺胜利煤矿冲击地压。据中国煤炭工 业协会统计数据， 建国以来我国共发生 4 000 多次冲 击地压事故， 造成重大损失。随着煤矿开采深度的不 断增加， 特别是我国东部煤炭主采区， 开采深度超过 1 000 m的矿井个数急剧增加， 井下巷道在承受高地 应力的同时， 又要经受由于回采引起的强烈支承压力 作用， 使受采动影响的巷道围岩压力数倍、 甚至近十 倍于原岩应力， 煤岩体积聚了大量的固体能量， 在深 ［6 － 7 ］ ， 部地应力、 构造应力以及工程扰动的作用下 使 得积聚的能量大于矿体失稳和破坏所需要的能量 ， 造 成 整 个 煤 岩 系 统 失 去 结 构 稳 定 性， 发生冲击地 压 ， 从而使得浅部开采时的非冲击矿井， 进入深 ［12 － 13 ］ ， 部后转变为冲击地压频发的冲击矿井 同时冲
（ 1 ． State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering， China University of Mining and Technology （ Beijing ） ， Beijing na； 2 ． School of Mechanics ＆ Civil Engineering， China University of Mining and Technology（ Beijing） ， Beijing 100083 ， China）
221． doi： 10． 13225 / j． cnki． jccs． 2013． 2022 He Manchao， Wang Jiong， Sun Xiaoming， et al． Mechanics characteristics and applications of prevention and control rock bursts of the negs ratio effect anchor［ J］ ． Journal of China Coal Society， 2014 ， 39 （ 2 ） ： 214 － 221． doi： 10． 13225 / j． cnki． jccs． 2013． 2022 ative poisson’
［8 － 11 ］
图2 Fig. 2
我国冲击地压矿井增长趋势
China’ s growth trend of rockburst mine
措施主要有钻孔卸压、 卸压爆破、 深孔爆破、 水力致 裂、 强制放顶等措施。以上措施基本能够达到缓解或 者抑制回采工作面冲击地压的发生。 开拓巷道及采 准巷道掘进和服务期间的防冲支护措施主要有 U 型 钢可缩支护、 高强锚网索支护、 锚网索 + 金属支架联 锚网索 + 让压管支护、 圆型支架及垛式支架 合支护、 等方式。上述措施部分缓解了冲击地压的发生强度 ， 但没有根本解决井下巷道的防冲问题 ， 特别是目前占 巷道支护绝大部分形式的锚网索支护对冲击地压几 且隐蔽致灾性大， 不可靠。 乎无防护作用， 上述防冲支护形式不能满足冲击地压防治的根 本原因是支护材料本身不能适应冲击力作用下围岩 U 型钢可缩支架 的瞬间大变形， 包括传统锚杆、 锚索、 等主要支护材料， 均属于传统泊松比材料， 即为塑性 硬化材料， 在受到冲击荷载作用下瞬间达到其屈服强 度而失去承载防护能力， 造成冲击地压事故的发生， 如图 3 所示。因此， 寻求安全可靠、 技术可行、 经济合 理的支护新材料具有重大的意义 。

Mechanics characteristics and applications of prevention and control rock bursts of the negative poisson’ s ratio effect anchor
2 2 HE Manchao1 ， WANG Jiong1， ， SUN Xiaoming1 ， YANG Xiaojie1，
100083 ， Chi-
Abstract： 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 insite 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 realtime mo收稿日期： 2013 － 12 － 10 责任编辑： 毕永华 基金项目： 国家重点基础研究发展计划 （ 973 ） 资助项目（ 2010CB226800 ） ； 国家自然科学基金面上资助项目（ 51734214 ） 作者简介： 何满潮（ 1956 —） ， 男， 河南灵宝人， 中国科学院院士， 教授， 博士生导师， 博士。E － mail： hemanchao@ 263． net