《NPR新型锚杆/索综合技术及其工程应用》

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我国作为矿业大国,由于矿山开采引发的岩体大变形灾害始终高居不下,造成大量的生命、财产损失,严重制约矿产资源的安全高效开发。研究表明,大多岩体灾害都是由小变形发展到非线性大变形,进而导致灾害发生。现有工程性控制钢铁材料为具有泊松比效应的材料(Poisson Ratio材料,简称PR材料),即受拉时发生颈缩变形从而破断的小变形材料,不适应致灾岩体的大变形特性而破断和功能失效,无法有效控制灾害的发生。因此,研究能够忍受岩体大变形的控制材料、技术和方法,对于岩体大变形灾害控制至关重要。为此,该项成果在国家973计划和国家自然基金重大项目支持下,开展了具有负泊松比效应(Negative Poisson Ratio效应,简称NPR效应)的NPR新型锚索的研制,突破了一系列技术难题,取得以下重要技术发明:

1、发明了具有特殊结构的NPR新型锚索复合材料,突破了岩体大变形灾害控制受制于传统PR材料抵抗变形能力不足的技术瓶颈。NPR新型锚索通过具有特殊结构的恒阻装置在拉伸过程中产生的NPR结构效应(受拉时发生恒阻大变形颈胀现象),实现了恒定阻力下拉而不断的材料变形目标,结合建立的恒阻结构力学和数学模型,推导了恒阻力的设计公式,研发了适应不同岩体变形特性的系列化NPR新型锚索材料。

2、发明了配套力学特性测试系统及实验方法,验证了NPR新型锚索材料具备高恒阻下忍受岩体大变形的超常力学特性。静力拉伸和动力冲击室内与现场实验表明,NPR新型锚索恒阻值达850kN,恒阻行程达到2000mm,能承受多次冲击而不断,各项指标均优于现有大变形控制材料。

3、发明了以NPR锚杆/索为主体的综合技术,解决了矿山岩体大变形灾害控制难题。以NPR锚索为主体的滑坡灾害防治-加固-监测-预报一体化控制技术,实现了露采滑坡短临预报,解决了世界难题;以NPR锚杆/索为主体的煤矿井下巷道支护技术,解决了软岩大变形以及冲击地压、岩爆大变形等工程灾害控制难题,为矿山安全高效开釆提供了有效的技术保障。

NPR新型锚索及其配套技术已在吉林、辽宁、黑龙江、内蒙古、河南、山西、陕西、新疆、甘肃、河北等16个省份的露天煤矿,金属矿开采以及煤矿地下井工开采等工程进行了应用。其中,共设置342个滑坡灾害监测点,先后成功预报滑坡11次,撤出人员220名、设备79台套。近三年累计新增销售额12.5651亿元,新增利润7.9277亿元,经济和社会效益显著。

该项成果授权发明专利、软件著作权18件,其中,国家专利10件、国外专利5件,软件著作权3件;发表学术论文70余篇(SCI收录10篇、EI收录31篇),先后获中国岩石力学与工程学会技术发明奖特等奖(2015年)、教育部高等学校科学研究优秀成果技术发明奖一等奖(2012年)。

本项成果突破了岩体非线性大变形灾害控制受制于材料变形能力不足的技术瓶颈,在矿山岩体大变形灾害控制及预测预报技术方面取得了跨越式发展,整体达到了国际领先水平。对于矿山、冶金、交通、国防、水利等工程岩体大变形灾害控制,具有重要的实际意义和广阔的推广应用前景。

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