全长锚固系统失效机制及耐久性探究.pdf

博士学位论文 全长锚固系统失效机制及耐久性探究 Failure Mechanism and Durability Exploration for Fully Bonded Bolting System 作 者冯晓巍 导 师张 农 教授 中国矿业大学 二〇一七年六月 国家重点基础研究发展计划项目973 计划 2013CB227904 国家自然科学基金面上项目资助51674244, 51574224 教育部科技项目创新团队资助IRT_14R55 江苏高校优势学科建设工程资助项目PAPD 江苏省研究生培养创新工程KYLX15_1400 国家自然科学基金青年科学基金项目51404251 江苏省自然科学基金青年基金项目BK20140198 江苏省基础研究计划自然科学基金BK20151145 万方数据 中图分类号 TD353 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公 开 中国矿业大学 博士学位论文 全长锚固系统失效机制及耐久性探究全长锚固系统失效机制及耐久性探究 Failure Mechanism and Durability Exploration for Fully Bonded Bolting System 作 者 冯 晓 巍 导 师 张农 教授 申请学位 工学博士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 巷道围岩控制 答辩委员会主席 柏建彪 评 阅 人 盲 审 二〇一七年六月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的 学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文 的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可 以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和科研目的，学 校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园 网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生 学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 致致 谢谢 星霜荏苒，珠流璧转，转眼间师从张农教授已近五载，他以大家的气度、深邃的 思维、广阔的视野让我收获颇丰，感触亦深。五年以来，导师践行读万卷书，行万里 路的理念，注重理论和工程的结合，让我得以在鄂尔多斯、呼和浩特、西宁、两淮地 区、济宁、曲阜、南京、北京等地留下了终生难忘的工程经历和经验积累；导师同时 注重国际视野的培养，让我在短短博士三年期间得以与欧洲和亚洲数个国家的全球顶 级高校进行交流学习；导师还注重个人科研能力的培养，给了我可以无限发挥的自由 空间和时间，让我有无数次机会失败，也让我有无数次机会重新爬起来。本论文倾注 了导师大量的心血和汗水，论文中所有涉及的实验验证和现场实施都得到了导师悉心 的协调、嘱托、指导与鼓励。在论文完成之际，谨向我的恩师致以最崇高的敬意和最 诚挚的感谢。 感谢硕士阶段导师郑西贵教授对我的谆谆教导，两年的硕士生生涯给了我诸多鼓 励和支持，郑老师无论在心理上，学业上，还是经济上，都给了我宝贵的建议和无私 的帮助，让我从研究生入学时的懵懂无知逐渐变得成熟理性；感谢课题组许兴亮副教 授对论文第 46 章中试验部分所提供的建设性意见；感谢课题组李桂臣教授和韩昌良 老师在科研上提供的建议和经费支撑；感谢课题组阚甲广副教授和赵一鸣老师在科研 上给予的鼓励和支持。 五年的研究生生活弥足珍贵， 身边不断出现许多新面孔， 又不断离开许多老面孔， 在科研和生活中得到了许多同门师兄弟的支持和帮助。值此毕业之际，谨向以下研究 生表示诚挚的谢意。他们是博士研究生郭罡业、郭玉、王晓卿、赵启峰、安铁梁、 孙元田、王洋、武精科、朱广安、田素川；硕士研究生伍业伟、王龙辉、高凯、岳炜、 付世雄、王朋、张成浩、李井、崔光俊、马鹏、赵晓松、甘江；已毕业硕士研究生洪 昊、路抗、魏英豪、蒋作涵、曹栩、麻卫、张磊、刘玉栋、夏伟、周健。 特别感谢博士研究生潘东江、张志义、杨森、魏群、吕创新在科研方面给予的建 设性意见； 特别感谢已毕业硕士刘娜、 郭利、 魏灏岩、 张名和在读硕士研究生何风贞、 谢正正、张天池、张前进在现场实践、小论文撰写、数值模拟、实验测试方面提供的 无私帮助；特别感谢化工学院的硕士研究生龚连元在科研和生活上的鼓励与支持。 感谢美国西弗吉尼亚大学的 Syd S. Peng 教授、澳大利亚新南威尔士大学的 Rudrajit Mitra 教授、英国帝国理工学院的司光耀博士后、河南理工大学的王成副教授 以及其他匿名审稿人在已发表论文提供的宝贵修改意见；感谢瑞典皇家理工学院的 Per Alvfors 教授、荷兰艾恩德霍芬大学的 David Smeulders 教授、Erik de Jong 教授在 中欧博士暑期论坛上提供的宝贵交流机会；感谢日本九州大学的 Yuichi Sugai 教授、 Masahiro Inoue 教授在国际会议上给予的指导。 万方数据 感谢中国矿业大学电力工程学院饶中浩教授、中国矿业大学矿业工程学院的蔡武 老师在科研上和实验测试方面给予的鼓励指导；感谢现远在澳大利亚工作的张念超博 士在论文投稿方面给予的鼓励和建议；感谢湖南科技大学的于宪阳老师、吴海老师在 实验室测试方面给予的建设性意见；感谢山东理工大学的李宝玉老师、绍兴文理学院 的薛飞老师、淮南矿业集团顾北煤矿技术员花锦波、课题组的钱德雨博士后在科研和 生活上给予的支持帮助。 由衷感谢巴斯夫浩珂矿业化学中国有限公司的张克虎经理、张大安经理、宋永 强技术员、赵玉新技术员，感谢你们在全长锚固材料研发和现场应用方面提供的机会 和指导；感谢青海能源发展集团有限责任公司大通煤矿的马斌科长、党战平科长、云 生祥科长在全长锚固现场应用方面给予的大力支持；感谢淮北矿业集团有限公司童 亭矿的任强科长所提供的硬岩巷道全长锚固测试实施机会。 特别感谢煤炭资源与安全开采国家重点实验室的宋万新老师，在许多个日夜加班 加点帮忙调试设备和实验参数，在实验室测试方面付出了的极为宝贵的时间、精力、 和建设性意见，这对本文数据的可靠性和精确性提供了极其重要的保障。 感谢母亲冯金英对我三十一年来的养育之恩，母亲已年近七旬，却仍未享受到子 女的孝顺，一直在背后默默支持着三个子女的选择；感谢姐姐陈晓娟、妹妹陈晓婷在 生活上、学业上、心理上给予的鼓励和支持；感谢小姨冯清萍、小姨夫袁仲先在二十 多年求学道路上给予的祝福、鼓励和无私的经济帮扶。 论文得到了国家重点基础研究发展计划项目973 计划 2013CB227904、国家自 然科学基金面上项目资助51674244, 51574224、教育部科技项目创新团队资助 IRT_14R55、 江苏高校优势学科建设工程资助项目PAPD、 江苏省研究生培养创新工 程KYLX15_1400、国家自然科学基金青年科学基金项目51404251、江苏省自然科 学 基 金 青 年 基 金 项 目 BK20140198 、 江 苏 省 基 础 研 究 计 划 自 然 科 学 基 金BK20151145的资助，在此表示感谢。 感谢感谢各位专家在百忙之中评审本文，由于作者水平有限，论文仍有不足和不 完善之处，热切希望得到您们的指导和赐教，祝安康、平安 冯晓巍 2017 年 4 月 9 日 于中国矿业大学矿业科学中心 B530-1 万方数据 I 摘摘 要要 为揭示全长锚固系统的失效机制，本文基于理论分析、实验室测试、现场实 践探讨了决定全长锚固系统耐久性的主要因素。 研究涉及了锚固对象承载力修复 细观机理、锚固界面的渐进损伤过程以及岩层离层下的损伤过程、全长预应力锚 固的可靠性测试及实施、分段钢管锚固下的锚固失效机制、以及循环载荷下锚固 系统耐久性评价， 最后对全长锚固系统的发展方向做以简要展望， 主要结论如下 （1）提出了一种新型注浆树脂材料来实现全长锚固，并采用这种材料对常 见煤系地层的煤样和砂岩试样进行了峰后强度修复测试。 测试表明该注浆树脂在 加固碎裂煤岩体方面有一定优越性，同时提出了实现全长锚固的具体流程。对全 长锚固系统锚固剂-围岩黏结界面的失效机制进行了分析研究，提出了渐进式的 失效特征，对不同黏结状态下的界面剪力和轴力分布形式展开了理论分析，从界 面黏结状态改变的角度上探讨了锚固力骤降机制。 （2）研究表明层状顶板离层条件下锚固界面保持其弹性状态时对应一个临 界离层宽度。 未超过离层宽度时，界面剪应力分布对离层位于锚固系统中的具体 位置不敏感，锚固系统也相对稳定；超过该宽度后，离层两侧界面的黏结状态将 发生改变且对离层位置变动较为敏感。当离层位于锚固系统端头位置附近时，锚 固系统受到的影响最大，而位于尾部时，受到的影响最小。实验室测试验证了离 层两侧界面剪力分布的合理性。 （3）研究提出一种新型水泥基锚固袋来实现预应力全长锚固。实验室拉拔 测试表明预拉力全长锚固系统相较于传统端锚更稳定，承载力更强。声发射测试 表明预拉力的升高带来损伤事件总数的降低， 且事件分布逐渐向杆体自身和锚固 端头方向迁移，高预拉力条件下决定全长锚固系统承载性能的为杆体抗拉强度。 研究成果在青海能源大通煤矿得到成功应用，围岩变形控制效果显著。 （4）为模拟不同厚度互层岩体下锚固系统失效特性，研究了由不同分段钢 管通过端面黏结形成的组合钢管在锚固拉拔作用下的分离机制。 研究认为锚固系 统的失效形式、拉拔力波动特点、拉拔力和拉拔位移大小都和钢管夹持端的分段 钢管长度有紧密关联，研究同时提出了钢管内应力分布的理论模型。 （5）探讨了不同直径锚杆锚固系统在循环载荷下的动力响应特性。实验证 实了锚固钢管内合理的应力分布形式，特定循环模式下锚固系统也具有“变形记 忆”特性和流变特性，但是较难观察到类似于岩石在循环动载下所表现出的“塑 性滞回环” 特征。 锚固系统的失效形式与锚固方式、 循环动载特性都有很大关系。 论文共有图 105 幅，表 14 个，参考文献 255 篇。 关键词关键词全长锚固；拉拔试验；预应力支护；失效机制；声发射 万方数据 II Abstract In order to reveal failure mechanism of fully bonded bolts, this dissertation discussed the main factors which determine durability of fully bonded bolts by theoretical analysis, laboratorial tests, and engineering field verification. A series of researches were subsequently carried out, including microcosmic mechanism of bearing strength restoration in rock/coal, serial decoupling of bonding interface and bonding failure caused by strata separation, reliability test and implementation of prestressed fully bonded bolts, failure mechanism of bolts bonded by segmented steel tube, and durability uation of fully bonded bolts suffering cyclic load. Finally, a brief outlooking regarding development of fully bonded bolts in the future was raised. The main conclusions are listed as below. 1 A new type of grouting resin was proposed to implement fully bonded bolting system, and post-peak strength restoration tests on coal and sandstone were conducted based on this kind of bonding material. Relevant results indicated that the proposed grouting resin had certain superiorities in reinforcing cracked coal/sandstone, and corresponding specific implementing process was eventually put forward. Mechanism for failure occurring along resin-rock interface of a bolting system was investigated, thus the serial decoupling process was raised. Theoretical study regarding distribution of interfacial shear stress and axial stress under different bonding states was conducted, and the mechanism for sudden drop of bolting force was discussed from a perspective of bonding states alteration. 2 Pertinent research on separation of layered strata indicated that elastic state of bonding interface corresponded to a critical separation width. Below the width, shear stress distribution was insensitive to the exact locations of separation along the bolting system, and the stability could be guaranteed. Beyond the width, bonding force bilateral the separation would be altered and this alteration was fairly sensitive to locations hereinbefore mentioned. Stability of bolting system suffered dramatically when separation located around embedded end, whereas it was negligibly impacted when the separation located near rock surface. Reasonability of shear stress distribution bilateral the separation was calibrated at last by laboratorial test. 3 A new type of cement-based anchoring bag was proposed to implement prestressed fully bonded bolting system. Pullout tests proved that this system was much more stable and stronger than traditional end-encapsulated resin bonded bolting system. 万方数据 III AE tests indicated that increase of pretension force brought decrease of total damage events, and events distribution tended to migrate to bolt rod itself and embedded direction. What determined the bearing property of bolting system under high pretension force was tensile strength of bolt. Relevant laboratorial results were generalized to Datong coal mine in Qinghai province, which turned out as a big success and brought significant effects considering controlling effects of surrounding rock. 4 In order to simulate failure characteristics of fully bonded bolt installed in strata with different thicknesses, segmented steel tubes were adopted and bonded together end by end to a combined steel tube, then their separation mechanism was analyzed by pullout test. It was acknowledged in the end that failure s, fluctuation properties, specific amount for pullout load and displacement were closely related to the length of the last segmented steel tube. Moreover, theoretical model for stress distribution inner the steel tube was also built. 5 Dynamic response properties of fully bonded bolts under cyclic load were studied, and reasonable stress distribution inner steel tube was proved by experiment. It found that bolting system also had deation-memory and rheological properties, however, hysteresis loop similar to rock response under cyclic loading was rarely observed. Failure s and anchoring configurations were closely related to properties of cyclic load. There are 105 figures, 14 tables and 255 references in this dissertation. Keywords fully bonded bolt; pullout test; pretensioned support; failure mechanism; acoustic emission 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................... I 目目 录录 ........................................................................................................................ IV 图清单图清单 .......................................................................................................................... X 表清单表清单 .................................................................................................................. XVIII 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................. XIX 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 研究背景................................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状..................................................................................................... 3 1.3 我国全长锚固锚杆发展回顾............................................................................... 10 1.4 存在的主要问题................................................................................................... 12 1.5 主要研究内容及方法........................................................................................... 14 2 全长锚固注浆树脂对碎裂煤岩体的加固效应全长锚固注浆树脂对碎裂煤岩体的加固效应 .................................................... 16 2.1 开挖巷道周边破坏岩体分区............................................................................... 17 2.2 声发射探测技术简介........................................................................................... 19 2.3 测试设备、材料及方法....................................................................................... 20 2.4 砂岩测试结果及分析........................................................................................... 26 2.5 煤样测试结果及分析........................................................................................... 35 2.6 美固 364 测试及分析........................................................................................... 41 2.7 基于新型注浆树脂的全长锚固实施流程........................................................... 43 2.8 本章小结............................................................................................................... 44 3 煤巷全长锚固支护系统的渐进式破坏分析煤巷全长锚固支护系统的渐进式破坏分析......................................................... 46 3.1 全长锚固系统渐进式脱黏机制........................................................................... 48 3.2 界面脱黏失效分析............................................................................................... 53 3.3 全长锚固系统渐进式破坏验证........................................................................... 58 3.4 本章小结............................................................................................................... 59 4 层状顶板离层对全长锚固的界面损伤影响层状顶板离层对全长锚固的界面损伤影响......................................................... 61 4.1 锚固界面上剪切力分布特征............................................................................... 62 4.2 锚固区域内岩层离层对界面剪应力的影响....................................................... 64 万方数据 V 4.3 离层两侧剪应力分布合理性的实验性验证....................................................... 73 4.4 本章小结............................................................................................................... 77 5 全长预应力锚固系统承载性能测试及现场验证全长预应力锚固系统承载性能测试及现场验证 ................................................ 78 5.1 实施全长锚固支护的背景................................................................................... 79 5.2 实验设备、材料及方法....................................................................................... 81 5.3 测试结果及讨论................................................................................................... 87 5.4 预拉力全长锚固锚杆的实施方案....................................................................... 96 5.5 工程实践............................................................................................................... 98 5.6 本章小结............................................................................................................. 104 6 不同不同长度分段长度分段钢管钢管锚固锚固下全长锚固系统失效机制下全长锚固系统失效机制 .......................................... 105 6.1 实验室尺度下锚固系统锚固机理..................................................................... 106 6.2 测试设备、材料及方法..................................................................................... 107 6.3 测试结果与讨论................................................................................................. 110 6.4 拉拔数据综合比对分析..................................................................................... 120 6.5 本章小结............................................................................................................. 123 7 循环循环载荷载荷下全长锚固系统失效机制下全长锚固系统失效机制 ................................................................... 124 7.1 试验设备及材料................................................................................................. 124 7.2 不同直径锚杆全长锚固系统极限值检测及钢管应力分布............................. 126 7.3 循环载荷下 18 mm 锚杆全长锚固系统力学特征 ........................................... 130 7.4 循环载荷下 20 mm 锚杆全长锚固系统力学特征 ........................................... 136 7.5 循环载荷下 22 mm 锚杆全长锚固系统力学特征 ........................................... 140 7.6 本章小结............................................................................................................. 142 8 全长锚固系统全长锚固系统发展方向及发展方向及展望展望 ........................................................................... 144 8.1 实施全长锚固的新构件、新材料..................................................................... 144 8.2 全长锚固系统展望............................................................................................. 147 8.3 本章小结............................................................................................................. 150 9 结论结论 ....................................................................................................................... 151 9.1 研究结论............................................................................................................. 151 9.2 创新点.............................................................................