DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35906-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41530282
تاريخ النشر: 2026-01-13
المؤلف: Hui Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: ميكانيكا الصخور والنمذجة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير جودة التثبيت على أداء أنظمة التثبيت في أنفاق الصخور الناعمة المربوطة بالطين، مع التركيز بشكل خاص على فعالية تقنيات التثبيت في قاع الحفرة. باستخدام مزيج من التحليل النظري، والتجارب المعملية، والمحاكاة العددية، تفحص الدراسة جهاز توسيع ثقب على شكل إسفين مقلوب ذو جناح واحد تم تطويره ذاتيًا. تكشف النتائج أن التثبيت الأمثل يحدث مع عامل تثبيت راتينجي K2335، وطول توسيع الثقب 100 مم، وقطر 58 مم، وزاوية إسفين مقلوب 9°، محققًا معدل تصلب قدره 92.9%. لا تعزز هذه الطريقة فقط قوة دعم قضيب التثبيت ولكنها تقلل أيضًا من تشوه النفق، مما يضمن استقرار أنفاق مناجم الفحم.
بالإضافة إلى ذلك، تؤسس الدراسة نموذجًا تحليليًا للقوة المحورية على قضيب التثبيت أثناء عملية التوسيع، موضحة أن تقنية التوسيع على شكل إسفين مقلوب تزيد بشكل كبير من إجهاد القص بين عامل التثبيت والصخور المحيطة. تشير النتائج إلى زيادة بنسبة 47.4% في متوسط إجهاد عامل التثبيت تحت الظروف المثلى. يعالج جهاز التوسيع على شكل إسفين مقلوب بشكل فعال مشاكل فشل التثبيت وانخفاض القدرة التحميلية في الطرق الضعيفة الربط، مع الحفاظ على قوة تثبيت متبقية عالية حتى بعد انزلاق التثبيت. تؤكد الاختبارات الميدانية أن هذه التقنية تعزز التفاعل بين عامل التثبيت وكتلة الصخور، مما يوفر دعمًا موثوقًا تحت الاضطرابات التعدينية.
مقدمة
في مقدمة ورقة البحث، يناقش المؤلفون التحديات المرتبطة بطرق مناجم الفحم في الصين، التي تتكون في الغالب من الصخور الناعمة المربوطة بالطين. تتميز هذه الطرق بضعف الربط، وانخفاض القوة، والتورم عند تعرضها للماء بسبب وجود معادن مثل الكاولينيت، والإلايت، والمونتموريلونيت. يؤدي مزيج من ضغط المناجم والماء إلى ظواهر زحف كبيرة في الصخور المحيطة، مما يعقد جهود السيطرة.
توفر طرق الدعم الحالية، التي تعتمد بشكل أساسي على الدعم القائم، استقرارًا مؤقتًا فقط خلال المراحل الأولية من دعم الطريق. ومع ذلك، مع ضعف الصخور الطينية بسبب ضغط المناجم والماء، تصبح مشاكل مثل ارتفاع الأرض وزيادة انهيار السقف بارزة، مما يعيق في النهاية التهوية والنقل الفعال داخل المنجم. لم تؤدِ الاستخدامات السائدة لدعم الشبكة اللولبية، التي تشمل تقنيات التثبيت المطولة والكاملة، إلى تحسينات كبيرة في قوة التثبيت، مما يدل على الحاجة إلى استراتيجيات دعم أكثر فعالية لمعالجة التحديات الفريدة التي تطرحها طرق الصخور الناعمة المربوطة بالطين.
النتائج
تشير النتائج إلى أنه مع طول قسم التوسيع 100 مم وقطر أقصى 58 مم، فإن الزاوية المثلى للإسفين المقلوب هي 9°. تحت هذه الظروف، يتم خلط عامل التثبيت الراتينجي بشكل موحد داخل قسم التوسيع، محققًا نسبة تصلب قدرها 92.9%. تؤدي هذه الوحدة إلى أداء تثبيت فعال، كما هو موضح في الشكل 9 (S21).
على العكس من ذلك، عندما يقترب طول قسم التوسيع من نصف طول عامل التثبيت، تظهر مشاكل. على وجه التحديد، يميل عامل التثبيت نحو قاع قسم التوسيع، مما يؤدي إلى خلط غير متساوٍ في قاع الثقب. يؤدي ذلك إلى تثبيت غير كافٍ وضغط غير كافٍ، مما يقلل في النهاية من تأثير التثبيت، كما هو موضح في الأشكال المرفقة.
المناقشة
في هذا القسم، تركز المناقشة على التحديات والتطورات في تكنولوجيا التثبيت للطرق الناعمة، مع التركيز بشكل خاص على قضايا تآكل قوة التثبيت بسبب الضغوط الديناميكية والرطوبة. تسلط الدراسة الضوء على عدم كفاية طرق التثبيت التقليدية وتقدم نهجًا جديدًا باستخدام جهاز توسيع على شكل إسفين مقلوب. يعزز هذا الجهاز آلية التثبيت من خلال تحسين إجهاد القص بين عامل التثبيت والصخور المحيطة، مما يزيد بشكل كبير من قوة التثبيت. تجمع الدراسة بين نتائج من باحثين مختلفين، موضحة أن التقنيات المبتكرة، مثل قضبان التثبيت القابلة للتوسيع وهياكل امتصاص الطاقة المزدوجة، يمكن أن تعزز الاستقرار وتقلل من التشوه في بيئات الصخور الناعمة.
يؤكد المؤلفون على أهمية معالجة الفجوات البحثية الحالية، وخاصة نقص الفهم المنهجي لآليات تعزيز التثبيت في الصخور الناعمة المربوطة بالطين. يقترحون نموذجًا شاملاً يدمج التحليل النظري، والاختبارات المعملية، والمحاكاة العددية لتحسين معلمات التوسيع واستنتاج صيغ القوة المحورية. تشير النتائج إلى أن تقنية التوسيع على شكل إسفين مقلوب لا تحسن فقط قوة التثبيت الأولية ولكنها أيضًا تحافظ على قوة تثبيت متبقية عالية بعد الفشل، مما يضمن دعمًا فعالًا تحت الاضطرابات التعدينية. توفر هذه الدراسة رؤى حاسمة وإرشادات عملية لتطبيقات الهندسة في حفر الصخور الناعمة، مما يساهم في تقدم ممارسات الهندسة الجيوتقنية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35906-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41530282
Publication Date: 2026-01-13
Author(s): Hui Zhang et al.
Primary Topic: Rock Mechanics and Modeling
Overview
The research investigates the impact of anchor quality on the performance of anchoring systems in mudstone cemented soft rock tunnels, particularly focusing on the effectiveness of bottom-hole anchoring techniques. Utilizing a combination of theoretical analysis, laboratory experiments, and numerical simulations, the study examines a self-developed bottom-hole single-wing inverted wedge-shaped hole-expanding device. The findings reveal that optimal anchoring occurs with a K2335 resin anchoring agent, a hole-expanding length of 100 mm, a diameter of 58 mm, and an inverted wedge angle of 9°, achieving a solidification rate of 92.9%. This method not only enhances the anchor rod’s support strength but also mitigates tunnel deformation, thereby ensuring the stability of coal mine tunnels.
Additionally, the study establishes an analytical model for the axial force on the anchor rod during reaming anchorage, demonstrating that the inverted wedge-shaped reaming technique significantly increases the interfacial shear stress between the anchoring agent and surrounding rock. Results indicate a 47.4% increase in average stress of the anchoring agent under optimal conditions. The inverted wedge reaming device effectively addresses issues of anchoring failure and low bearing capacity in weakly cemented roadways, maintaining high residual anchoring force even after anchor sliding. Field tests confirm that this technique enhances the interaction between the anchoring agent and rock mass, providing reliable support under mining disturbances.
Introduction
In the introduction of the research paper, the authors discuss the challenges associated with coal mine roadways in China, which predominantly consist of argillaceous cemented soft rock. These roadways are characterized by poor cementation, low strength, and swelling when exposed to water due to the presence of minerals such as Kaolinite, Illite, and Montmorillonite. The combination of mine pressure and water leads to significant creep phenomena in the surrounding rock, complicating control efforts.
Current support methods, primarily shed support, provide only temporary stabilization during the initial stages of roadway support. However, as mine pressure and water weaken the argillaceous rock, issues such as floor heave and increased roof caving become pronounced, ultimately hindering effective ventilation and transportation within the mine. The prevalent use of bolt-net support, which includes lengthened and full-length anchoring techniques, has not yielded significant improvements in anchoring force, indicating a need for more effective support strategies to address the unique challenges posed by argillaceous cemented soft rock roadways.
Results
The results indicate that with a reaming section length of 100 mm and a maximum diameter of 58 mm, the optimal angle of the inverted wedge is 9°. Under these conditions, the resin anchoring agent is uniformly mixed within the reaming section, achieving a solidification ratio of 92.9%. This uniformity leads to an effective anchoring performance, as illustrated in Figure 9 (S21).
Conversely, when the length of the reaming section approaches half the length of the anchoring agent, issues arise. Specifically, the anchoring agent tends to tilt towards the bottom of the reaming section, resulting in uneven mixing at the borehole’s bottom. This leads to inadequate anchoring and compaction, ultimately diminishing the anchoring effect, as depicted in the accompanying figures.
Discussion
In this section, the discussion centers on the challenges and advancements in bolting technology for soft rock roadways, particularly focusing on the issues of anchoring force attenuation due to dynamic pressures and moisture. The research highlights the inadequacies of traditional anchoring methods and presents a novel approach using an inverted wedge reaming device. This device enhances the anchoring mechanism by improving the interfacial shear stress between the anchoring agent and the surrounding rock, thereby significantly increasing the anchoring force. The study synthesizes findings from various scholars, demonstrating that innovative techniques, such as expandable anchor rods and dual energy absorption structures, can enhance stability and reduce deformation in soft rock environments.
The authors emphasize the importance of addressing existing research gaps, particularly the lack of systematic understanding of the anchoring enhancement mechanisms in mudstone cemented soft rock. They propose a comprehensive model that integrates theoretical analysis, laboratory tests, and numerical simulations to optimize reaming parameters and derive axial force formulas. The results indicate that the inverted wedge reaming technique not only improves the initial anchoring force but also maintains a high residual anchoring force post-failure, thus ensuring effective support under mining disturbances. This research provides critical insights and practical guidance for engineering applications in soft rock tunneling, contributing to the advancement of geotechnical engineering practices.