锚杆支护作为保持巷道围岩稳定的重要手段,已广泛应用于矿井的安全开挖过程中,然而传统强度锚杆由于自身材料的限制,无法有效防治岩爆冲击和控制软岩巷道缓慢大变形,为深井开采埋下了严重安全隐患。具有粘滑结构的恒阻大变形锚杆自研发成功以来,已经广泛应用于现场矿井支护,在深部动力灾害防治、深部软岩巷道缓慢大变形控制以及滑坡的监测与预警等方面,取得了优异的效果。同时,大量的室内外实验研究得到了恒阻大变形锚杆恒定阻力、超大变形、负泊松比结构和吸能等特性。但是,关于恒阻大变形锚杆的理论研究却相当缺乏,仅仅得到了恒阻大变形锚杆在缓变载荷作用下的静态本构关系,缺少恒阻大变形锚杆的动态理论研究,以及恒阻大变形锚杆嵌入工程岩体后锚固岩体的力学行为研究,使得一切动载实验和现场支护应用缺乏理论支撑。因此,本文进一步深入开展了恒阻大变形锚杆的动力学特性研究及其支护岩体的力学行为分析,并在以下几方面取得了一些进展:1.基于恒阻大变形锚杆的粘滑结构和变形特点,建立了恒阻大变形锚杆在冲击载荷作用下的力学模型,通过霍普金森冲击拉伸实验验证后,进一步分析了不同冲击载荷下恒阻大变形锚杆的动力学响应特性。(1)恒阻大变形锚杆在冲击载荷作用下,运动分为三个阶段:弹性变形阶段,杆柄和套筒相对静止,锚杆仅仅产生弹性变形;结构变形阶段,杆柄内力超过锚杆最大恒阻力,杆柄和套筒产生相对滑移,锚杆输出结构变形;弹性恢复阶段,当套筒速度减为零后,与杆柄再次相对静止共同回弹振荡。(2)基于恒阻大变形锚杆在不同冲击作用下受力和变形的不同,将冲击载荷分为弹性冲击、稳定冲击和非稳定冲击三种类型。弹性冲击载荷下杆柄和套筒没有滑移运动,整个冲击过程仅是杆柄自身的弹性拉伸和压缩,最终变形完全恢复。在稳定冲击和非稳定冲击载荷下,杆柄和套筒都发生相对滑动而输出结构变形,锚杆最终稳定时存在一定滑移位移。不同的是,在稳定冲击作用下,冲击载荷结束之前滑动已停止,而非稳定冲击作用下,冲击载荷结束之后滑动仍在继续。2.考虑到组合锚杆彼此间的相互联系,基于双锚杆的并联支护原理,建立了不同强度冲击载荷下双根锚杆并联作用的力学模型,通过并联双锚杆的冲击拉伸实验验证后,进一步讨论了不同强度冲击载荷下并联作用双锚杆的动力学响应特性。在弹性冲击载荷和稳定冲击载荷作用下,并联双锚杆的载荷-位移特性都出现回包的特点(即曲线具有负斜率)。不同的是,弹性冲击载荷下,位移最终恢复到起始原点,形成一个闭包曲线;而稳定冲击载荷下,由于结构变形的输出,位移最终未恢复到起始原点,没有形成闭包曲线。而在非稳定冲击载荷下,载荷作用结束后,位移仍然增加,没有出现回包的特点。3.基于恒阻大变形锚杆支护岩体的物理模型,求解得到不同形式载荷(阶跃载荷、线性载荷、波动载荷和阶梯载荷)作用下恒阻大变形锚杆支护岩体的力学行为关系。(1)恒阻大变形锚固岩体在外载荷作用下,经过初始阶段、滑动阶段和粘合阶段三个过程后,进入周期性滑动阶段和粘合阶段,直到锚固岩体失稳破坏。在初始阶段,由恒阻大变形锚杆的弹性变形提供支护。当杆柄内力达到恒阻大变形锚杆最大恒阻力后,椎体和套筒相对滑动,进入滑动阶段。在滑动阶段,锚固岩体变形保持不变,恒阻大变形锚杆内力下滑,同时岩体受力出现松弛。滑动停止,恒阻大变形锚杆椎体和套筒粘合在一起,再次依靠杆柄的弹性变形提供支护。随着变形的增加,锚固岩体周期性发生滑动和粘合,直到最终失稳破坏。(2)不同形式载荷作用下,恒阻大变形锚杆支护岩体的力学行为有着很大的区别。阶跃载荷作用下,锚固岩体应变不断增加,应变率不断减小,属于稳定蠕变,应力呈阶梯状减小;线性载荷作用下,锚固岩体应变不断增加,应变率近似为零,属于不稳定变形,应力呈锯齿形上升;波动载荷作用下,锚固岩体的应变和应力都表现出波动特性,应变呈稍微的上升趋势,而应力呈稍微的下降趋势;阶梯载荷作用下,锚固岩体的应变不断增加,应力呈凹凸形变化。(3)与传统强度锚杆支护岩体在每种载荷形式下的力学行为相比,恒阻大变形锚固岩体由于滑动阶段的存在,使得锚固岩体的应变增长率降低,因此在同等条件下,恒阻大变形锚杆相较于传统强度锚杆能够更加有效地控制岩体的变形量;同时恒阻大变形锚杆支护下,岩体的应力随着滑动而阶段性下降,缓解了锚杆的支护负担,因此同等条件下,恒阻大变形锚杆相较于传统强度锚杆能够提供的安全支护周期更长。4.基于绿塘矿6中煤层S204工作面回风巷道支护过程中恒阻大变形锚杆/索和传统强度锚杆/索锚固岩体的现场受力、变形监测数据,验证了恒阻大变形锚杆/索支护岩体理论模型的可靠性以及力学行为理论求解分析的正确性。(1)传统强度锚杆因为完全依靠材料自身变形提供支护,其锚固岩体的受力与外载荷相同,而恒阻大变形锚杆由于结构变形的输出,改变了外载荷作用而出现受力下降。(2)两种锚杆支护下岩体的变形量均随时间的推移而增加,但是由于恒阻大变形锚杆支护岩体在滑动阶段,锚杆椎体和套筒的相对滑移是恒阻锚杆自身内部结构的变形,不引起锚固岩体变形量的增加,因此减缓了恒阻锚杆支护岩体变形量的增长速率,说明相同支护时间内,恒阻大变形锚固岩体的变形量要小于强度锚杆锚固岩体的变形量,进一步说明了恒阻大变形锚杆支护更加有效。5.以口孜东矿13-1煤层121302工作面回风巷道为地质力学原型的恒阻大变形锚杆支护巷道物理模型实验,进一步验证了恒阻大变形锚杆/索支护岩体理论模型的可靠性以及力学行为理论求解分析的正确性。在模型恒阻大变形锚索的有效支护阶段,应力加载时段锚固岩体的受力不再呈单一的线性增长,而有阶段性的下滑,降低了受力增长率,整体呈锯齿形上升;应力保持时段锚固岩体的受力并未保持恒定,同样出现阶段性下滑,整体呈阶梯形下降。锚固岩体的变形先呈近似线性增长然后为应变率不断减小的增长,符合恒阻大变形锚固岩体在线性和恒定复合载荷作用下的力学行为特征。