(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211421372.2 (22)申请日 2022.11.15 (71)申请人 中国矿业大 学 （北京） 地址 100083 北京市海淀区学院路丁1 1号 申请人 山东能源集团有限公司 　 北京力岩科技有限公司 　 北京数字岩石科技有限公司 (72)发明人 王琦　王鸣子　章冲　江贝　 薛浩杰　王帅　 (74)专利代理 机构 北京中北知识产权代理有限 公司 11253 专利代理师 袁亚杰 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) E21D 11/00(2006.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 地下工程锚固围岩抗冲吸能支护设计方法 (57)摘要 本申请涉及地下工程锚固围岩抗冲吸能支 护设计方法， 涉及地下工程安全技术领域。 方法 包括： 基于动静耦合试验系统， 对地下工程锚固 围岩对应的锚固岩体开展动静耦合力学试验， 确 定锚固岩体的吸收能密度， 并结合隧道或巷道断 面尺寸参数与围岩支护范围， 得到锚固 围岩所能 吸收的能量； 根据现场锚固围岩吸收能设计值与 不同锚固支护方案下的锚固围岩所能吸收的能 量， 确定满足现场设计要求的锚固支护方案， 并 通过建立经济性评价指标比选出最优锚固支护 方案。 采用本申请可以指导地下工程围岩支护设 计， 降低地下工程受动力灾害作用的影响， 保证 工程安全稳定 。 权利要求书3页 说明书14页 附图5页 CN 115495937 A 2022.12.20 CN 115495937 A 1.地下工程锚固围岩抗冲吸能支护设计方法， 其特 征在于， 所述方法包括： 基于动静耦合试验系统， 对地下工程锚固围岩对应的锚固岩体开展动静耦合力学试 验， 确定锚固岩 体的吸收能密度， 并结合隧道或巷道断面尺 寸参数与围岩支护范围， 得到锚 固围岩所能吸 收的能量； 根据现场锚固围岩吸收能设计值与不同锚固支护方案下的锚固围岩所能吸收的能量， 确定满足现场设计要求的锚固支护方案， 并通过建立经济性评价指标比选出最优锚固支护 方案。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 锚固岩体为规则六面体试件， 由锚固构件 在原岩试件上进行锚固得到， 包括顶面、 底面、 第一侧面、 第二侧面、 第三侧面和第四侧面； 动静耦合试验系统包括动静耦合试验加载子系统和动静耦合试验监测子系统； 动静耦合试验加载子系统包括加载基座、 第一加载杆、 第二加载杆、 第三加载杆、 竖向 加载杆、 反力板和冲击头； 通过第一加载杆、 第二加载杆和 第三加载杆分别作用于锚固岩 体 的第一侧面、 第二侧面和 第三侧面上， 以对锚固岩体施加侧向静载荷； 通过竖向加载杆作用 于锚固岩体的顶面， 对锚固岩 体施加竖向静载荷； 在静力加载保持不变的条件下， 通过冲击 头冲击竖向加载 杆， 间接对 锚固岩体施加冲击作用力； 动静耦合试验监测子系统包括激光测速仪和动态数据采集仪； 激光测速仪， 用于获取 冲击头冲击竖向加载杆时的冲击速度和回弹速度； 动态数据采集仪， 用于获取冲击头在冲 击过程中的冲击位移和冲击力。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于， 基于动静耦合试验系统， 对地下工程锚固 围岩对应的锚固岩体开展动静耦合力学 试验， 确定锚固岩体的吸 收能密度， 包括： 通过第一加载杆、 第二加载杆、 第 三加载杆和竖向加载杆对原岩试件施加静载荷， 静载 荷由围岩初始地应力参数确定； 在静载荷稳定后， 将第二加载杆的荷载卸载至零， 并采用锚 固构件在第二侧 面上对原岩试件进行侧向锚固， 构成锚固岩体； 在静力加载保持不变的条 件下， 通过冲击 头对竖向加载 杆施加冲击作用力， 直至锚固构件失效破断； 在动静耦合力学 试验过程中， 记录锚固构件失效破断所需要的冲击次数； 通过激光测速仪， 获取各冲击过程中的第一试验数据， 并结合冲击头的质量、 冲击次数 和锚固岩体的体积， 确定锚固岩 体的第一吸收能密度试验值； 通过动态数据采集仪， 获取各 冲击过程中的第二试验数据， 并结合冲击次数和锚固岩体的体积， 确定锚固岩体的第二吸 收能密度试验值； 将第一吸收能密度试验值和第 二吸收能密度 试验值中的最小值， 确定为锚固岩体的吸 收能密度。 4.根据权利要求3所述的方法， 其特征在于， 第 一试验数据包括各冲击过程中冲击头的 冲击速度和回弹速度， 根据第一试验数据、 冲击头的质量、 冲击次数和锚固岩体的体积， 确 定锚固岩体的第一吸 收能密度试验值的公式为： 其中，E1表示第一吸收能密度试验值， t表示冲击次数， vi表示第i次冲击过程中冲击头权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115495937 A 2的冲击速度，vi’表示第i次冲击过程中冲 击头的回弹速度， m表示冲击头的质量， V表示锚固 岩体的体积。 5.根据权利要求3所述的方法， 其特征在于， 第 二试验数据包括各冲击过程中冲击头的 冲击位移和冲击力， 根据第二试验数据、 冲击次数和锚固岩 体的体积， 确定锚固岩 体的第二 吸收能密度试验值的公式为： 其中，E2表示第二吸收能密度试验值， t表示冲击次数， fi表示第i次冲击过程中冲击头 的冲击力， si表示第i次冲击过程中冲击 头的冲击位移， V表示锚固岩体的体积。 6.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 隧道或巷道断面尺寸参数包括隧道或巷道 断面半径， 围岩支护范围由现场锚固支护的长度确定； 根据锚固岩 体的吸收能密度、 隧道或 巷道断面尺寸 参数与围岩支护范围， 确定锚固围岩所能吸 收能量的公式为： Uf=U π[(L+R)2‑R2] 其中，Uf表示锚固围岩所能吸收的能量， U表示锚固岩体的吸收能密度， L表示现场锚固 支护长度， R表示隧道或巷道断面半径。 7.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 根据现场锚固围岩吸收能设计值与不同锚 固支护方案下的锚固围岩所能吸 收的能量， 确定满足现场设计要求的锚固支护方案， 包括： 针对每个锚固支护方案， 根据该锚固支护方案对应的锚固支护参数， 确定该锚固支护 方案下的锚固围岩所能吸 收的能量； 如果现场锚固围岩吸收能设计值与该锚固支护方案下的锚固围岩所能吸收的能量的 比值小于预设的安全阈值， 则确定该锚固支护方案为满足现场设计要求的锚固支护方案 。 8.根据权利要求7 所述的方法， 其特 征在于， 所述方法还 包括： 根据地下工程对应的动力灾害发生时围岩松动圈范围、 微震等级、 震距和围岩力学参 数， 确定现场锚固围岩吸 收能设计值。 9.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 通过建立经济性评价指标比选出最优锚固 支护方案， 包括： 针对每个满足现场设计要求的锚固支护方案， 将该锚固支护方案下的锚固围岩所能吸 收的能量与支护成本的比值， 确定为该锚固支护方案对应的经济性评价指标； 将经济性评价指标最大的锚固支护方案确定为 地下工程的最优 锚固支护方案 。 10.地下工程锚固围岩抗冲吸能支护设计系统， 其特 征在于， 所述系统包括： 动静耦合试验系统， 用于对地下工程锚固围岩对应的锚固岩体开展动静耦合力学试 验； 支护评价系统， 用于基于动静耦合力学试验的结果确定锚固岩体的吸收能密度， 并根 据锚固岩体的吸收能密度、 隧道或巷道断面尺寸参数与围岩支护范围， 得到锚固围岩所能 吸收的能量； 支护评价系统， 还用于根据现场锚固围岩吸收能设计值与不同锚固支护方案下的锚固 围岩所能吸收的能量， 确定满足现场设计要求的锚固支护方案， 并通过建立经济性评价指权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115495937 A 3