[发明专利]一种深部巷道锚杆或锚索冲击拉伸破坏判断及其控制方法

权利要求书

1.一种深部巷道锚杆或锚索冲击拉伸破坏判断方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、构建几何模型：

基于锚杆或锚索的支护原理，建立“支护-围岩”局部结构简化空间模型；当所述“支护-围岩”局部结构发生破坏，巷道直接顶首先发生破坏，并逐渐向周边扩展；假想直接顶存在处于破坏状态的假想岩体，在锚杆预紧力作用下岩体间无明显间隔或分层现象，锚杆和锚固段未发生破坏，“支护-围岩”局部结构处于悬吊状态；此时，将假想岩体质量计为M，巷道锚杆支护的排距为a、间距为b，直接顶厚度为m，则对于单个锚杆来说，其控制的假想岩体体积不超过a×b×m；按最大估算，假想岩体长度×宽度×厚度＝a×b×m；

S2、构建力学模型并进行相应分析：

S21、对假想岩体受矿震产生震动速度进行分析

当厚硬岩层破断运动或覆岩空间结构失稳诱发矿震，震源能量瞬间释放并在采场和巷道围岩产生不同程度的震动响应；将震源和考察的巷道视为2个独立的“点”，震源在岩体介质中传播的是能量；设震源能量为U，震源距假想岩体中心之间直线距离为r，震源岩体介质的能量衰减是传播路径距离的幂指数衰减函数，表示为：

U_r＝U·r^-λ 式(1)；

式(1)中：U_r为距震源直线为r的岩体介质单位能量，λ为传播距离方向上岩体介质综合衰减系数；

假设震源传递至假想岩体的单位能量全部被吸收，则质量为M的假想岩体吸收能量大小U_m表示为：

U_m＝πρ²·U_r 式(2)；

式(2)中：ρ为质量为M的假想岩体当量半径，设岩体平均容重为γ，考虑质量相等4πρ³γ/3＝M或者4πρ³/3＝abm，估算

假想岩体吸收的能量全部转化成假想岩体的动能，估算假想岩体最大震动速度v_m为：

考虑震源与假想岩体的空间关系，估算假想岩体竖直向下的震动速度v_v：

式(4)中：β为震源传播方向与垂直方向之间夹角；

S22、对锚杆冲击动载力进行分析

当假想岩体冲击于底部岩体，静止的底部岩体和相连锚杆产生冲击效应；此时假设：假想岩体冲击过程中不发生明显变形，被冲击的托盘及考察构件质量远小于冲击物的质量，冲击后冲击物与被冲击物附着在一起形成统一运动系统，认为只有系统动能与势能相互转化，同时冲击过程中锚杆未发生脱锚和破断现象，并在其弹性变形范围之内；

假想岩体与托盘发生冲击的整个过程，系统减少的重力势能V：

V＝MgΔ_d 式(5)；

冲击过程中系统减少的动能T：

冲击过程中，托盘受迫与假想岩体一起运动；假定锚杆在冲击过程中产生的应力不超过其弹性极限，动载荷作用下仍然满足胡克定律，因此锚杆增加的动载应变能V_εd：

式(7)中：P_d为锚杆和托盘受到的冲击动载集中力，Δ_d为锚杆在动载情况下拉伸变形量；

锚杆单独在静载P_j＝Mg和动载P_d作用下，对应的拉伸变形量Δ_j、Δ_d分别为：

式中：l为锚杆锚固末端至托盘之间的自由段长度，E、S分别为锚杆的弹性模量和截面面积；

根据冲击过程，冲击物和被冲击物组成系统能量转化守恒关系为：

V+T＝V_εd 式(10)；

联立式(5)～(10)化简并得到Δ_d和Δ_j之间关系

求解P_d＝kMg，其中

基于分析得到则P_d≈2Mg，此时取P_d＝2Mg；

S23、锚杆冲击拉伸破坏力学判据

设锚杆直径为D，施加的预紧力为F_t，矿震引起的动载拉伸力Pd＝2Mg，再根据圣维南原理和截面法，锚杆截面上“叠加”的拉伸应力σ_tc大小为：

不考虑锚杆其他受力或变形，杆体截面上的各点处于纯拉应力状态；若锚杆极限抗拉强度为[σ_t]，则锚杆“动-静”载荷拉伸破坏力学判据为：

接着得到锚杆冲击拉伸破坏满足条件：