山東科技大學蔣力帥教授團隊：基于砂型3D打印試樣的錨固巖體護表強化效應

來源： IJCST

山東科技大學蔣力帥教授、博士生馮昊等研究通過砂型3D打印制備類巖石試樣，結合聲發(fā)射（AE）和數(shù)字圖像相關技術（DIC），對大尺寸含護表構件的3D打印加錨試樣開展室內力學試驗，分析護表構件面積對錨固體力學性能的影響，并通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測進一步探究了護表構件的圍巖加固效果。相關成果以“Effect of surface retaining elements on rock stability: laboratory investigation with sand powder 3D printing”為題發(fā)表在International Journal of Coal Science & Technology，https://doi.org/10.1007/s40789-023-00607-3）。

錨桿支護仍然是當前煤礦巷道的主要支護方法。在錨桿聯(lián)合支護系統(tǒng)中，護表構件（如托盤、鋼帶和金屬網(wǎng)等）是必不可少的一部分，起到了整合各部分支護構件、保持圍巖完整性、傳遞錨桿與圍巖間載荷的關鍵作用。特別是在一些巷道穩(wěn)定性難以維持的條件下，如高地應力、強動載、強流變等，護表構件的作用更加不可忽視。例如，在大多數(shù)巖爆及沖擊事件中，錨桿支護體系失效并不是因為錨桿沒有足夠的承載能力，而是因為護表構件是其最薄弱的環(huán)節(jié)，即一個單元失效，整個支護系統(tǒng)將無法抑制圍巖的變形破壞。因此，開展與錨桿同等重要的護表構件研究勢在必行。

基于砂型3D打印技術制備類巖石試樣，通過室內尺度相似模擬錨桿及護表構件構筑錨固體，結合聲發(fā)射技術（AE）與數(shù)字散斑相關技術（DIC）對錨固體在單軸壓縮下的變形破壞進行監(jiān)測，分析護表構件面積對錨固體彈性模量、峰值強度等力學參數(shù)的影響，研究了應力-應變曲線變化特征與聲發(fā)射振鈴計數(shù)的分布規(guī)律，以及不同加載階段Lagrange主應變場的分布特征和演化過程。通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測，研究了護表構件在錨桿預應力傳遞和擴散中的作用，進一步探究了護表構件的圍巖加固效果。

結果表明，錨固體的峰值強度、彈性模量與護表構件面積呈正相關；錨固體的聲發(fā)射振鈴計數(shù)、能量均高于未錨固試件，但隨著護表構件面積的增大聲發(fā)射特征值減小，進一步提高了錨固試件的完整性；隨著護表面積的增加，錨固體試件的裂紋起裂閾值提高，構件對裂紋擴展的抑制作用延緩了裂紋的生成和發(fā)育；護表構件有助于改善錨桿間有效壓應力拱范圍，在擴散錨桿預緊力到圍巖深部的同時，確保支護構件預期功能的發(fā)揮。

圖1 砂型3D打印類巖石試樣及錨固體制備

圖2 應力-應變曲線、AE振鈴計數(shù)/累計振鈴計數(shù)曲線、Lagrange主應變演化場

圖3 構件預應力擴散模擬、錨桿-護表構件相互加固、現(xiàn)場驗證及監(jiān)測

未 來 展 望
砂型3D打印技術所制備類巖石試樣的均質性、可重復性使得試樣進行重復性力學試驗成為了可能，同時其也彌補了澆筑法、水射流切割等傳統(tǒng)方法在制備試樣時對巖石結構性二次損傷、復雜節(jié)理產(chǎn)狀難以重現(xiàn)等問題，在巖石工程領域具備巨大前景。后續(xù)可以利用其技術優(yōu)勢，進一步開展復雜節(jié)理裂隙試樣的錨固特性研究。

在巖石支護實踐中，為了提高巖石的穩(wěn)定性，通常會額外安裝錨桿/錨索或使用更長更強的錨桿。然而，這肯定會增加巖石支護的經(jīng)濟和時間成本，例如考慮鉆孔成本、人工成本和巷道掘進工序。研究結果表明，護表構件不僅僅是輔助構件，在不增加錨桿數(shù)量和其他額外成本和勞動條件的情況下，添加護表構件仍然可以達到良好的支護效果。提高護表構件的重視程度將為實現(xiàn)更加經(jīng)濟有效的綜合支護設計提供思路。

作 者 簡 介

蔣力帥，山東科技大學教授，“泰山學者”青年專家、中國科協(xié)“青年人才托舉工程”入選者、山東省優(yōu)青、煤炭青年科技獎獲得者，擔任礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室（培育）主任助理、礦山空區(qū)災害與塌陷地治理“111”引智基地秘書長。先后獲中國巖石力學與工程學會優(yōu)秀博士學位論文獎、山東省高校青年教師教學比賽一等獎、全國礦業(yè)高校青年教師講課比賽一等獎等科研與教學獎勵，兼任中國巖石力學與工程學會軟巖工程與深部災害控制分會、采礦巖石力學分會理事、International Journal of Coal Science &Technology科學編輯等職務。主持國家自然科學基金2項、山東優(yōu)秀青年科學基金、中國博士后基金特別資助項目等省部級項目6項；發(fā)表高水平SCI檢索論文50余篇，25篇發(fā)表于JCR一、二區(qū)期刊，1篇入選ESI熱點論文，8篇入選ESI高被引論文，發(fā)表《煤炭學報》等EI檢索期刊論文9篇，出版專著2部；獲中國巖石力學與工程學會科學技術一等獎、中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學技術二等獎等獎勵10項。

馮昊，東北大學在讀博士研究生，2023年6月獲山東科技大學碩士學位，從事錨固巖體、礦山壓力與巖層控制研究，參與國家自然科學基金面上項目等縱向課題2項，曾獲中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學技術二等獎等獎勵，在Lithosphere、Processes、IJCST等國際期刊發(fā)表SCI/EI論文多篇。

引用格式： Feng, H., Jiang, L., Wang, Q. et al. Effect of surface retaining elements on rock stability: laboratory investigation with sand powder 3D printing. Int J Coal Sci Technol 10, 46 (2023). https://doi.org/10.1007/s40789-023-00607-3