最新综述丨肖晓春教授：吸能锚杆支护设备研究现状及展望
最新综述丨肖晓春教授：吸能锚杆支护设备研究现状及展望
吸能支护是地下岩体工程领域中用于提高围岩稳定性和避免冲击地压等灾害发生的一种重要的防治技术。吸能支护技术的核心原理是通过特定的结构设计，使支护体系在岩体发生位移或变形时能够有效吸收或消耗能量，从而减少由冲击载荷引发的工程破坏和事故。吸能锚杆是吸能支护的一种常见形式，此技术通过锚杆将表面围岩与深部稳定岩体相结合，并在围岩内部产生预应力吸收或耗散能量从而避免矿山灾害的发生。吸能锚杆这种柔性支护方式适用于多种环境的巷道支护，现已被广泛应用于矿山灾害的防治。综述自1968年以来30余种具有代表性意义的吸能锚杆设计方式，以结构和材料2大类型为切入点进行划分，着重分析8种典型吸能锚杆的工作原理与设计优势，并以此指出现有吸能锚杆支护在应用中存在的安全性与智能性等方面的不足。结合前人研究成果与目前深部矿井支护高强度与智能化等需求，提出一种智能预警负泊松比结构吸能锚杆。该锚杆利用负泊松比吸能结构实现增阻效果，具有双向恒阻吸能与双向监测预警等特性，能够满足复杂的非线性软岩巷道强阻支护、可视化预警等需求，有助于加快支护体系一体化，促进安全、智慧矿山的发展。最后，对吸能锚杆支护设备的优化革新趋势进行了展望。
0 引 言
吸能支护是地下岩体工程领域中用于提高围岩稳定性和避免冲击地压等灾害发生的一种重要的防治技术。吸能支护技术的核心原理是通过特定的结构设计，使支护体系在岩体发生位移或变形时能够有效吸收或消耗能量，从而减少由冲击载荷引发的工程破坏和事故。吸能锚杆是吸能支护的一种常见形式，此技术通过锚杆将表面围岩与深部稳定岩体相结合，并在围岩内部产生预应力吸收或耗散能量从而避免矿山灾害的发生。吸能锚杆这种柔性支护方式适用于多种环境的巷道支护，现已被广泛应用于矿山灾害的防治。
1 吸能锚杆发展历程与分类
1.1 吸能锚杆发展历程
吸能锚杆技术最早可追溯至20世纪60年代，当时主要应用于铁路隧道和地下工程的支护。随着矿山开采深度的不断增加，冲击地压等灾害问题日益突出，吸能锚杆技术逐渐被引入矿山工程领域。自1968年以来，已有30余种具有代表性的吸能锚杆设计方式被提出，这些设计主要围绕结构和材料两大类型展开。
1.2 吸能锚杆的分类
吸能锚杆主要可分为结构型和材料型两大类：
- 结构型吸能锚杆：通过特殊结构设计实现能量吸收，如摩擦型、压缩型和摩擦与压缩复合型等。
- 材料型吸能锚杆：利用特殊材料的力学性能实现能量吸收，如高分子材料、形状记忆合金等。
1.2.1 结构摩擦型吸能锚杆
结构摩擦型吸能锚杆主要通过摩擦副之间的相对滑动来吸收能量。这种类型的锚杆在岩体发生位移时，通过摩擦副的相对滑动产生摩擦力，从而消耗能量。常见的结构摩擦型吸能锚杆包括滑动式、滚珠式和螺旋式等。
1.2.2 结构压缩型吸能锚杆
结构压缩型吸能锚杆主要通过弹性元件的压缩变形来吸收能量。这种类型的锚杆在岩体发生位移时，通过弹性元件的压缩变形产生反力，从而消耗能量。常见的结构压缩型吸能锚杆包括弹簧式、橡胶垫式和波纹管式等。
1.2.3 结构摩擦与压缩型吸能锚杆
结构摩擦与压缩型吸能锚杆结合了摩擦型和压缩型的特点，通过摩擦副的相对滑动和弹性元件的压缩变形共同实现能量吸收。这种类型的锚杆在岩体发生位移时，既能通过摩擦副的相对滑动产生摩擦力，又能通过弹性元件的压缩变形产生反力，从而更有效地消耗能量。
1.2.4 材料型吸能锚杆
材料型吸能锚杆主要利用特殊材料的力学性能实现能量吸收。这种类型的锚杆通常采用高分子材料、形状记忆合金等特殊材料，通过材料的塑性变形或相变过程来吸收能量。常见的材料型吸能锚杆包括高分子材料锚杆、形状记忆合金锚杆等。
1.3 存在的问题
尽管吸能锚杆技术在矿山工程中得到了广泛应用，但仍存在一些问题：
- 安全性问题：部分吸能锚杆在高应力条件下容易失效，影响支护效果。
- 智能性问题：现有吸能锚杆缺乏实时监测和预警功能，难以及时发现潜在风险。
- 适应性问题：部分吸能锚杆对复杂地质条件的适应性较差，难以满足不同工况的需求。
2 一种智能预警负泊松比结构吸能锚杆
针对现有吸能锚杆存在的问题，本文提出了一种智能预警负泊松比结构吸能锚杆。该锚杆利用负泊松比吸能结构实现增阻效果，具有双向恒阻吸能与双向监测预警等特性，能够满足复杂的非线性软岩巷道强阻支护、可视化预警等需求。
2.1 工作原理
智能预警负泊松比结构吸能锚杆的工作原理如下：
- 负泊松比效应：当岩体发生位移时，负泊松比结构会产生反向变形，从而增加支护阻力。
- 双向恒阻吸能：通过特殊设计的结构，实现双向恒阻吸能，既能吸收岩体位移产生的能量，又能保持稳定的支护阻力。
- 双向监测预警：内置传感器实时监测岩体位移和应力变化，通过无线通信将数据传输至监控中心，实现可视化预警。
2.2 锚杆特性
智能预警负泊松比结构吸能锚杆具有以下特性：
- 结构特性：采用负泊松比结构设计，具有双向恒阻吸能功能。
- 力学特性：通过特殊材料和结构设计，实现高能量吸收能力和稳定支护阻力。
3 展望
未来吸能锚杆支护设备的发展趋势主要包括：
- 智能化：集成更多传感器和智能控制系统，实现远程监测和预警。
- 多功能化：开发具有多种功能的复合型吸能锚杆，满足不同工况需求。
- 绿色化：采用环保材料和节能设计，降低能源消耗和环境污染。
部分附图
图1 典型锚杆发展历程
图2 恒阻大变形锚杆结构示意
图3 一种新型消能抗震锚杆结构示意
图4 一种挤压、摩擦式吸能锚杆结构示意
图5 Durabar锚杆结构示意
图6 一种具有负泊松比效应的吸能预警锚杆结构示意
图7 新型锚杆理想工作曲线
作者简介
肖晓春
教授
博士生导师
肖晓春，1979年生，内蒙古化德人，博士，教授，博士生导师。现任辽宁工程技术大学力学与工程学院院长，辽宁省力学学会副秘书长、理事，中国岩石力学与工程学会软岩工程与深部灾害控制分会理事。担任《Geohazard Mechanics》和《中国矿业大学学报》期刊编委，以及《International Journal of Mining Science and Technology》、《岩石力学与工程学报》、《岩土力学》、《岩土工程学报》、《煤炭学报》、《固体力学》和《采矿与安全工程学报》等国内外行业内重要期刊的审稿专家
研究方向
主要从事冲击地压发生机理、预测与防治方法等方面研究
主要成果
在煤岩动力失稳及灾变研究领域，创新性地提出了基于声发射和电荷感应复合信号的煤岩失稳灾变预测方法，深入研究了真三轴条件下，煤岩冲击-突出灾害的启动、发生和转化机制。在冲击地压防治研究领域，设计了泡沫铝填充多胞方管和凹槽锥管吸能构件，提出了多胞方管和凹槽锥管等效轴向载荷理论模型，开展了不同结构类型泡沫铝填充多胞方管和凹槽锥管在轴向压溃作用下屈曲变形和能量吸收规律的研究工作。自主研制了静动组合加载实验装置，深入研究了静动组合加载条件下，防冲支架吸能构件的吸能防冲机制。近五年来，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、国家973计划项目、国家重点实验室、辽宁省百千万人才工程资助项目等国家级省部级项目和企业合作课题20余项。在国内外重要学术期刊上公开发表学术论文100余篇，其中，SCI、EI收录70余篇，获批国家发明专利20余项，软件著作权5项。入选辽宁省“百千万人才工程”百人层次，获辽宁省高校优秀人才，辽宁省优秀科技工作者称号，中国煤炭工业协会五四青年奖章获得者。研究成果获教育部高等学校科学研究优秀成果(科学技术)二等奖1项，中国煤炭工业协会科学技术奖一等奖1项，中国市政工程协会科学技术奖一等奖1项，中国岩石力学与工程协会科学技术奖二等奖一项，中国商业联合会科学技术奖二等奖1项，中国发明协会“发明创业奖”项目金奖2项。
引用格式
肖晓春，徐政茂，樊玉峰，等. 吸能锚杆支护设备研究现状及展望[J]. 煤炭科学技术，2025，53（1）：54−64.
XIAO Xiaochun，XU Zhengmao，FAN Yufeng，et al. Research status and prospects of energy-absorbing anchor support equipment[J]. Coal Science and Technology，2025，53（1）：54−64.