《IJCST》山東科技大学の江麗帥教授チーム：砂型3Dプリント試料に基づく固定岩盤表面補強効果

出典: IJCST

山東科技大学の江麗帥教授と博士課程の馮浩氏は、砂型3Dプリントで岩石状の試験片を作成し、アコースティックエミッション（AE）とデジタル画像相関技術（DIC）を組み合わせて、表面保護部品を備えた大型3Dプリントアンカー試験片の室内力学試験を実施しました。表面保護部品の面積がアンカー本体の機械的特性に与える影響を分析し、数値シミュレーションと現場測定を通じて表面保護部品の周囲の岩石補強効果をさらに調査しました。関連する結果は、「岩石の安定性に対する表面保持要素の影響：砂粉末 3D プリントによる実験室調査」というタイトルで、International Journal of Coal Science & Technology に掲載されました (https://doi.org/10.1007/s40789-023-00607-3、または記事の最後にある「元のテキストを読む」をクリックしてください)。

背景

アンカー支持は今でも炭鉱トンネルの主な支持方法です。アンカー複合支持システムでは、表面保護部品（トレイ、スチールベルト、金属メッシュなど）が不可欠な部分であり、さまざまな支持部品を統合し、周囲の岩盤の完全性を維持し、アンカーと周囲の岩盤の間で荷重を伝達する上で重要な役割を果たします。特に、地盤応力が高い、動荷重が強い、レオロジーが強いなど、トンネルの安定性を維持することが難しい条件下では、表面保護部品の役割を無視することはできません。たとえば、ほとんどの岩盤破裂や衝突事故では、アンカー支持システムが故障するのは、アンカーの支持力が十分でないからではなく、表面保護コンポーネントが最も弱い部分だからです。つまり、1 つのユニットが故障すると、支持システム全体で周囲の岩盤の変形や損傷を抑制できなくなります。そのため、アンカーロッドと同様に重要な表面保護部品の研究を行うことが必須となります。

研究の進捗

砂型3Dプリント技術に基づいて岩石のような試験片を作製し、同様の屋内スケールでアンカーロッドと表面保護部品をシミュレートしてアンカー本体を構築しました。アコースティックエミッション（AE）とデジタルスペックル相関（DIC）技術を使用して、一軸圧縮下でのアンカー本体の変形と破損を監視しました。表面保護部品の面積がアンカー本体の弾性係数やピーク強度などの機械的パラメータに与える影響を分析しました。応力-ひずみ曲線の変化特性とアコースティックエミッションリンギングカウントの分布則、および異なる荷重段階でのラグランジュ主ひずみ場の分布特性と進化プロセスを研究しました。数値シミュレーションと現場測定を通じて、アンカープレストレスの伝達と拡散における表面保護部材の役割を研究し、表面保護部材の周囲の岩盤補強効果をさらに調査しました。

結果によると、アンカー本体のピーク強度と弾性率は表面保護部品の面積と正の相関関係にあります。アンカー本体のアコースティックエミッションの鳴動回数とエネルギーは、アンカーされていない試験片よりも高いですが、表面保護部品の面積が増加するとアコースティックエミッション特性値が低下し、アンカーされた試験片の完全性がさらに向上します。表面保護面積が増加すると、アンカー本体試験片の亀裂発生閾値が増加し、部品の亀裂伝播に対する抑制効果により、亀裂の発生と発達が遅れます。表面保護部品は、アンカーロッド間の有効圧縮応力アーチ範囲を改善するのに役立ち、アンカーロッドの予荷重を周囲の深部岩盤に拡散させ、支持部品の期待される機能を確保します。

図1. 砂型3Dプリントによる岩石試料とアンカー本体の作成

図2 応力-ひずみ曲線、AEリング数/累積リング数曲線、ラグランジュ主ひずみ進展場

図3 コンポーネントのプレストレス拡散シミュレーション、アンカー表面コンポーネントの相互補強、現場検証および監視

今後の展望

砂型3Dプリント技術で作製した岩石サンプルの均質性と再現性により、サンプルの繰り返し機械試験が可能になります。同時に、鋳造やウォータージェット切断などの従来の方法でサンプルを作製する場合に問題となる、岩石構造への二次損傷や複雑な節理の再現の難しさなどの問題を補うこともできます。これは、岩石工学の分野で大きな可能性を秘めています。将来的には、その技術的利点を利用して、複雑な関節や亀裂標本の固定特性をさらに研究することができます。

岩石支持の実践では、通常、追加のアンカー/ケーブルが設置されるか、より長く強力なアンカーを使用して岩石の安定性が向上します。しかし、掘削コスト、人件費、トンネル掘削手順などを考慮すると、岩盤支持の経済的コストと時間的コストは確実に増加します。研究結果によると、表面保護部品は単なる補助部品ではなく、アンカーロッドの数やその他の追加コストや労働条件を増やすことなく、表面保護部品を追加することで良好なサポート効果を達成できます。表面保護コンポーネントへの配慮を高めることで、より経済的で効果的な総合的なサポート設計を実現するためのアイデアが得られます。

著者について

江麗帥は山東科技大学教授であり、「台山学者」の若手専門家、中国科学技術協会「青年人材支援プロジェクト」候補者、山東優秀青年賞、石炭青年科学技術賞受賞者。省と部が共同で建設した鉱山災害防止管理国家重点実験室（育成）の副主任、鉱山の塊の災害と陥没地管理の「111」人材導入基地の秘書長を務めている。彼は、中国岩石力学・工学会優秀博士論文賞、山東省大学若手教員教育コンテスト一等賞、全国鉱山大学若手教員講演コンテスト一等賞など、科学研究および教育に関する賞を数多く受賞しています。また、中国岩石力学・工学会の軟岩工学および深部災害管理部門と鉱山岩石力学部門のディレクターを務め、国際石炭科学技術ジャーナルの科学編集者でもあります。彼は、国家自然科学基金プロジェクト 2 件、山東省優秀若手科学者基金、中国博士研究員基金特別資金プロジェクトなど、6 件の省および省レベルのプロジェクトを主宰し、50 件を超える高レベルの SCI 索引論文を発表し、そのうち 25 件は JCR Zone 1 と 2 つのジャーナルに掲載され、1 件は ESI ホットペーパーに選ばれ、8 件は ESI 高引用論文に選ばれ、9 件は Journal of China Coal Society などの EI 索引ジャーナルに掲載され、2 件のモノグラフが出版されました。彼は、中国岩石工学および工程学会科学技術部門第 1 位、中国石炭産業協会科学技術部門第 2 位など、10 件の賞を受賞しました。

馮昊は、東北大学の博士課程の学生です。2023年6月に山東科技大学で修士号を取得しました。彼は、固定岩盤、鉱山圧力、地層制御の研究に従事しています。彼は、中国国家自然科学基金を含む2つの垂直プロジェクトに参加しました。彼は、中国石炭産業協会から科学技術部門2等賞を受賞し、その他の賞を受賞しています。彼は、Lithosphere、Processes、IJCSTなどの国際ジャーナルに多数のSCI / EI論文を発表しています。

引用: Feng, H., Jiang, L., Wang, Q. et al. 表面保持要素が岩石の安定性に与える影響: 砂粉末 3D プリントによる実験室調査。Int J Coal Sci Technol 10, 46 (2023). https://doi.org/10.1007/s40789-023-00607-3

この出版物について

国際石炭科学技術ジャーナル（IJCST）は2014年に設立されました。中国科学技術協会が監修し、中国石炭学会が後援し、中国石炭研究所が主催しています。ダイヤモンドオープンアクセス出版モデル（著者も読者も論文処理料（APC）を支払う必要がない）を採用し、地質学、鉱業、化学工学、エネルギー、環境の分野で独自の研究成果と高品質のレビューを掲載し、世界中の関連分野に携わる学者に国際的なコミュニケーションプラットフォームを提供しています。現在、IJCSTはESCI、Ei、Scopus、CSCD、CAS、GeoBaseなど国内外の重要なデータベースや検索システムに収録されており、2019年には「中国科学技術ジャーナル優秀行動計画」に選ばれ、2022年のJCRインパクトファクターは8.3です。

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