山東科技大學(xué)蔣力帥教授團(tuán)隊：基于砂型3D打印試樣的錨固巖體護(hù)表強(qiáng)化效應(yīng)

來源： IJCST

山東科技大學(xué)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(jié)合聲發(fā)射（AE）和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC），對大尺寸含護(hù)表構(gòu)件的3D打印加錨試樣開展室內(nèi)力學(xué)試驗，分析護(hù)表構(gòu)件面積對錨固體力學(xué)性能的影響，并通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測進(jìn)一步探究了護(hù)表構(gòu)件的圍巖加固效果。相關(guān)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(hù)仍然是當(dāng)前煤礦巷道的主要支護(hù)方法。在錨桿聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)中，護(hù)表構(gòu)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(hù)構(gòu)件、保持圍巖完整性、傳遞錨桿與圍巖間載荷的關(guān)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(yīng)力、強(qiáng)動載、強(qiáng)流變等，護(hù)表構(gòu)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(hù)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(hù)表構(gòu)件是其最薄弱的環(huán)節(jié)，即一個單元失效，整個支護(hù)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(hù)表構(gòu)件研究勢在必行。

基于砂型3D打印技術(shù)制備類巖石試樣，通過室內(nèi)尺度相似模擬錨桿及護(hù)表構(gòu)件構(gòu)筑錨固體，結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)（AE）與數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)（DIC）對錨固體在單軸壓縮下的變形破壞進(jìn)行監(jiān)測，分析護(hù)表構(gòu)件面積對錨固體彈性模量、峰值強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)的影響，研究了應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)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(hù)表構(gòu)件在錨桿預(yù)應(yīng)力傳遞和擴(kuò)散中的作用，進(jìn)一步探究了護(hù)表構(gòu)件的圍巖加固效果。

結(jié)果表明，錨固體的峰值強(qiáng)度、彈性模量與護(hù)表構(gòu)件面積呈正相關(guān)；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(hù)表構(gòu)件面積的增大聲發(fā)射特征值減小，進(jìn)一步提高了錨固試件的完整性；隨著護(hù)表面積的增加，錨固體試件的裂紋起裂閾值提高，構(gòu)件對裂紋擴(kuò)展的抑制作用延緩了裂紋的生成和發(fā)育；護(hù)表構(gòu)件有助于改善錨桿間有效壓應(yīng)力拱范圍，在擴(kuò)散錨桿預(yù)緊力到圍巖深部的同時，確保支護(hù)構(gòu)件預(yù)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(yīng)力-應(yīng)變曲線、AE振鈴計數(shù)/累計振鈴計數(shù)曲線、Lagrange主應(yīng)變演化場

圖3 構(gòu)件預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散模擬、錨桿-護(hù)表構(gòu)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(shù)所制備類巖石試樣的均質(zhì)性、可重復(fù)性使得試樣進(jìn)行重復(fù)性力學(xué)試驗成為了可能，同時其也彌補(bǔ)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(jié)構(gòu)性二次損傷、復(fù)雜節(jié)理產(chǎn)狀難以重現(xiàn)等問題，在巖石工程領(lǐng)域具備巨大前景。后續(xù)可以利用其技術(shù)優(yōu)勢，進(jìn)一步開展復(fù)雜節(jié)理裂隙試樣的錨固特性研究。

在巖石支護(hù)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(qiáng)的錨桿。然而，這肯定會增加巖石支護(hù)的經(jīng)濟(jì)和時間成本，例如考慮鉆孔成本、人工成本和巷道掘進(jìn)工序。研究結(jié)果表明，護(hù)表構(gòu)件不僅僅是輔助構(gòu)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(hù)表構(gòu)件仍然可以達(dá)到良好的支護(hù)效果。提高護(hù)表構(gòu)件的重視程度將為實現(xiàn)更加經(jīng)濟(jì)有效的綜合支護(hù)設(shè)計提供思路。

作 者 簡 介

蔣力帥，山東科技大學(xué)教授，“泰山學(xué)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(dān)任礦山災(zāi)害預(yù)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(zāi)害與塌陷地治理“111”引智基地秘書長。先后獲中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎、山東省高校青年教師教學(xué)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(xué)獎勵，兼任中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會軟巖工程與深部災(zāi)害控制分會、采礦巖石力學(xué)分會理事、International Journal of Coal Science &Technology科學(xué)編輯等職務(wù)。主持國家自然科學(xué)基金2項、山東優(yōu)秀青年科學(xué)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(xué)報》等EI檢索期刊論文9篇，出版專著2部；獲中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會科學(xué)技術(shù)一等獎、中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學(xué)技術(shù)二等獎等獎勵10項。

馮昊，東北大學(xué)在讀博士研究生，2023年6月獲山東科技大學(xué)碩士學(xué)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(xué)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(xué)技術(shù)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