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
時間：2024-02-23 09:50 來源： IJCST 作者：admin 閱讀：次
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，結合聲發射（AE）和數字圖像相關技術（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，并通過數值模擬及現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。在錨桿聯合支護系統中，護表構件（如托盤、鋼帶和金屬網等）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節，即一個單元失效，整個支護系統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，結合聲發射技術（AE）與數字散斑相關技術（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的影響，研究了應力-應變曲線變化特征與聲發射振鈴計數的分布規律，以及不同加載階段Lagrange主應變場的分布特征和演化過程。通過數值模擬及現場實測，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；錨固體的聲發射振鈴計數、能量均高于未錨固試件，但隨著護表構件面積的增大聲發射特征值減小，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揮。
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、水射流切割等傳統方法在制備試樣時對巖石結構性二次損傷、復雜節理產狀難以重現等問題，在巖石工程領域具備巨大前景。后續可以利用其技術優勢，進一步開展復雜節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更加經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“青年人才托舉工程”入選者、山東省優青、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；發表高水平SCI檢索論文50余篇，25篇發表于JCR一、二區期刊，1篇入選ESI熱點論文，8篇入選ESI高被引論文，發表《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、中國煤炭工業協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，曾獲中國煤炭工業協會科學技術二等獎等獎勵，在Lithosphere、Processes、IJCST等國際期刊發表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
錨桿支護仍然是當前煤礦巷道的主要支護方法。在錨桿聯合支護系統中，護表構件（如托盤、鋼帶和金屬網等）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節，即一個單元失效，整個支護系統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，結合聲發射技術（AE）與數字散斑相關技術（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的影響，研究了應力-應變曲線變化特征與聲發射振鈴計數的分布規律，以及不同加載階段Lagrange主應變場的分布特征和演化過程。通過數值模擬及現場實測，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；錨固體的聲發射振鈴計數、能量均高于未錨固試件，但隨著護表構件面積的增大聲發射特征值減小，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/累計振鈴計數曲線、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、現場驗證及監測
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、水射流切割等傳統方法在制備試樣時對巖石結構性二次損傷、復雜節理產狀難以重現等問題，在巖石工程領域具備巨大前景。后續可以利用其技術優勢，進一步開展復雜節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更加經濟有效的綜合支護設計提供思路。
作 者 簡 介
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，曾獲中國煤炭工業協會科學技術二等獎等獎勵，在Lithosphere、Processes、IJCST等國際期刊發表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
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