邱鹏奇：冲击动载作用下加锚岩体抗冲时效试验研究

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创新点

（1）通过不同加锚岩石冲击破坏实验，从时空角度阐释了动载应力波作用下锚固岩石的损伤破坏演化过程，并将其划分为“协同变形阶段”、“不协同变形阶段”和“失效阶段”。

（2）结合锚杆与岩石动态应变演化特征及锚固界面滑移破坏形态，揭示了加锚岩石在特定时段内抵抗冲击动载发挥的效用，提出了抗冲时效的概念。

冲击动载作用下加锚岩体抗冲时效试验研究

作者：邱鹏奇1,2，宁建国1,2，王俊1,2，杨尚1,2，胡善超1,2，谭云亮1,2,3，韦欣4，闫顺尚4

单位：1.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地；2.山东科技大学 能源与矿业工程学院；3.山东科技大学 矿业工程国家级实验教学示范中心；4.山东省煤田地质局第五勘探队

背 景

时效是指作用物体在一定时期内能够产生的效用，该效用可使作用物体在特定时期内保持一定属性而不受外界环境的干扰。锚杆支护是维护煤矿巷道及硐室围岩稳定常用的方法之一。深部巷道锚固围岩在高应力、强扰动环境下易发生变形失稳，其失稳破坏过程实质上是锚杆锚固效用丧失，锚固岩体从连续到非连续，从弹塑性小变形到结构性大变形的过程。尽管该过程中动载应力波作用于锚固围岩的时间极短，但在一定时间内锚固围岩仍然发挥了抵抗动载冲击的效用，本文称之为抗冲时效（英文简称：EPRD）。深入研究冲击动载作用下锚固围岩的时效作用对于更好的理解和控制受动载影响的深部巷道围岩稳定以及保证煤矿安全生产具有重要意义。

目前，已有不少研究人员对冲击动载作用下锚杆锚固界面的剪切破坏进行了研究，但对动载作用时锚杆的有效作用时长鲜有深入分析。动载应力波的传递是与时间相关的波函数，其作用于锚固围岩需要一个时间过程。在这个过程当中，锚固围岩是在哪个时段中有效抵抗动载应力波，又是如何降低动载应力波对围岩变形的影响，目前尚鲜有人做出解释。

摘 要

冲击动载作用下巷道围岩锚固承载结构的破坏是深部煤炭资源开采的突出问题，深入研究动载作用下锚固围岩的抗冲机制具有重要意义。采用分离式霍普金森压杆研究了冲击动载作用下无锚、端锚、全锚和全锚＋柔性锚杆4种锚固岩石试件的冲击破坏响应，获得了不同锚固岩石动态应力应变曲线，分析了锚固方式对加锚岩石试件动态裂纹扩展发育的影响，通过对比锚固岩石冲击破坏过程中锚杆与岩石的动态应变演化特征，结合锚固界面滑移破坏形态，提出了锚固岩石抗冲时效的概念，并以锚杆与岩体两者协同变形为原则提出冲击动载作用下保障锚固围岩稳定的合理建议。研究结果表明：

①冲击动载作用下锚固岩石应力应变曲线呈“闭口型”，锚固岩石动态强度与应变峰值的排序为：无锚岩石＜端锚岩石＜全锚岩石＜全锚＋柔性锚杆岩石。

②冲击动载作用下锚杆与岩石之间的变形可分为“协同变形阶段”、“不协同变形阶段”和“失效阶段”，其中锚固岩石在前两个阶段抵抗动载冲击的作用为“抗冲时效”。

③锚固岩石抗冲时效与岩石/锚固剂和锚固剂/锚杆之间不协同变形直接相关，提高岩石、锚固剂和锚杆的抗滑移特性及协调变形能力可有效延长锚固岩石抗冲时效的时长，降低冲击动载对锚固围岩支护结构的影响。研究成果对深部巷道锚固支护工程具有一定的理论指导和借鉴意义。

图 片

加锚岩石模型选取

试件制备

锚杆及岩石环向应变监测布置

SHPB动载冲击试验系统

分离式霍普金森压杆试验系统示意

不同锚固岩石试件的应力应变曲线

不同加锚试件最大主应变云图

锚固试件锚杆与试件径向应变特征（选取试件ＷＭ-２，ＤＭ-３，ＱＭ-２ 和ＢＭ-１进行分析）

不同锚固方式下锚杆-岩体“协同变形阶段”和“不协同变形阶段”时间特征

不同锚固岩石试件受冲击破坏特征

试件BM-2 和BM-3破坏特征

锚固界面破坏特征示意

第一作者简介

邱鹏奇，男，1992年10月生，山西平遥人，博士。作为核心成员参加国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省重点研发计划及企业委托横向课题20余项；授权发明/实用新型专利30余项，发表高水平学术期刊论文20余篇，其中以第一或通讯作者在国内外优秀SCI/EI期刊发表论文10余篇，担任多个国际SCI期刊审稿人，获得中国岩石力学与工程学会、中国煤炭工业协会等省部级科技进步奖4项，获得博士研究生国家奖学金、山东科技大学研究生“十大科技精英”等称号。

研究方向

巷道围岩控制、冲击地压防治、岩石动力学

主要成果

致力于动载作用下煤矿巷道围岩控制方面的研究，结合锚杆与岩石动态应变演化特征及锚固界面滑移破坏形态提出了加锚岩石抗冲时效，擅长采用数值模拟的方法研究深部巷道锚固围岩由局域破坏到整体冲击失稳的动态演化过程，明确了巷道锚固围岩有效抵抗动载的时空范围。

通讯作者简介

宁建国，男，1975年3月生，博士（后），教授，博士生导师，现为山东科技大学能源与矿业工程学院采矿工程系主任，中国岩石力学与工程学会理事、山东岩石力学与工程学会常务理事、中国煤炭学会理事。获“山东煤炭学会突出贡献工程师”、“青岛西海岸新区拔尖人才”等称号。近年来，主持省部级以上课题10余项。获得国家科技进步二等奖1项，省部级科学技术奖10余项，发表学术论文60余篇，授权专利50余项。

研究方向

矿井冲击地压监测与防治、深部巷道围岩稳定性控制

主要成果

致力于矿井冲击地压监测与防治、深部巷道围岩稳定性控制方面的研究，在深部巷道冲击地压防治方面，提出“卸（大直径钻孔、定向水力切割等）-锚（锚固结构）”协同防冲机理及技术；在沿空巷道围岩支护方面，提出沿空巷道支护系统协调变形、共同承载原理及设计方法。研究成果在山东、山西、内蒙古、新疆等矿区应用，多项研究成果达到国际领先水平。

来源：

邱鹏奇，宁建国，王俊，等. 冲击动载作用下加锚岩体抗冲时效试验研究[J]． 煤炭学报，2021,46(11)：3433－3444．

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