深部巷道錨桿增阻讓壓裝置結構形式分析

劉俊超，周柱武，汪頌暉

（池州學院管理與法學院，安徽池州247000）

我國是一個煤炭大國，其中一半以上的煤炭資源處于深埋部位[1]。煤炭資源開采時，巷道的支護方式常采用錨桿（索）配合鋼筋網(wǎng)和水泥防護層的支護體系[2]，其中錨桿是主要的支護手段之一。在淺部巷道中，地壓較小，傳統(tǒng)的錨桿足以使巷道安全穩(wěn)定；而深部巷道中，普通剛性錨桿不足以支撐圍巖，高地壓、高溫度應力、高滲透應力等特點導致開挖支護后的圍巖裂隙擴展速度很快，容易出現(xiàn)迅速破環(huán)以及大量變形而失穩(wěn)[3]。在深部巷道錨桿支護的設計中，常采用一種“讓壓”的思路，即先使圍巖發(fā)生一定量的變形，圍巖變形后地壓減小，此時錨桿的承載能力能夠抵抗減小后的地壓，使圍巖不再繼續(xù)變形，從而達到穩(wěn)定支護圍巖的效果[4]。為此，國內(nèi)外不少專家研究設計出了不少材質可延伸或機械裝置可延伸的錨桿形式，如前蘇聯(lián)專家研制的桿體彎曲可延伸錨桿[5]，德國學者研制的擠壓式可延伸錨桿[6]，中國礦大何滿潮研制的恒阻大變形錨桿[7]，中科院巖土研究所鄭是立研制的增阻高強預應力錨桿[8-9]，這些錨桿跟普通剛性錨桿相比，均能實現(xiàn)讓壓的目的。在前人研究的基礎上，既能實現(xiàn)圍巖的大變形，又能在大變形后增阻從而穩(wěn)定支護住圍巖[10]，是本文的研究目的，這樣更能適應深部巷道的圍巖環(huán)境。

1 增阻讓壓裝置結構形式的思考

在過去的設計思考過程中，需要根據(jù)深部圍巖變形量和機械裝置所能提供的阻力大小來設計錨桿的結構形式。也就是說，錨桿外露端加入的機械裝置首先應能在允許深部圍巖發(fā)生一定量變形，然后在此基礎上提供足夠的阻力，使圍巖發(fā)生緩慢的變形，而不至于在無阻狀態(tài)下迅速塌落。

在增阻讓壓裝置的設計過程中，有一些方案雖然理論上能在讓壓的同時穩(wěn)定地支護住圍巖，但是在現(xiàn)場施工時會造成一定的不便?；仡櫼幌逻@些裝置的思考過程，也許會給錨桿讓壓增阻裝置的改進帶來一些啟發(fā)和靈感。

1.1 彈簧套筒增阻裝置方案

彈簧套筒增阻裝置方案如圖1所示，此方案能夠保證較大圍巖變形量條件下的線性增阻。設置中空錨桿桿體，配合錨桿外露端處的封蓋，能夠在打入錨桿之后對軟弱破碎圍巖進行灌漿，從而加固軟弱破碎圍巖，使之更加穩(wěn)定。

錨桿外露端設置彈簧套筒，桿體的一部分配有桿體套筒，套筒和桿體之間波紋連接，有一定的摩擦阻力。

圖1 彈簧套筒增阻裝置方案

此種方案的缺點在于：（1）圓柱螺旋彈簧能提供的增阻阻力有限，如果通過增大彈簧絲的直徑來增強彈簧的阻力，套筒的內(nèi)徑也需相應增大；（2）彈簧套筒占用錨桿外露端的長度較長，而巷道空間有限；（3）施工時需要從封蓋向錨桿孔內(nèi)灌漿，且錨桿一般配合鋼筋網(wǎng)和水泥噴層形成支護系統(tǒng)，注漿時水泥砂漿的壓力通常有幾MPa，砂漿在壓力作用下容易進入彈簧套筒內(nèi)腔，使圓柱螺旋彈簧失去應有的功能。

1.2 碟形彈簧增阻錨桿方案

碟形彈簧的形狀如圖2所示，通過對合和疊合的組合，碟形彈簧的組合具有如下特點：對合時，能增加變形量，而發(fā)生破壞時的阻力無明顯增大；疊合時，能增強發(fā)生破壞時的阻力，而對變形量沒有提高。

圖2 碟形彈簧示意圖

碟形彈簧增阻錨桿方案如圖3所示，與上一套方案類似的地方在于，也設置了桿的套筒，能通過恒定的桿筒摩擦滑移阻力使圍巖發(fā)生緩慢的大變形，然后卡住，再繼續(xù)通過碟形彈簧實現(xiàn)增阻條件下的圍巖小變形。

圖3 碟形彈簧增阻錨桿方案

此方案設置多個碟形彈簧進行對合或疊合的組合，而且在制作碟形彈簧時可以通過靈活調整碟形彈簧的厚高比，從而在實際施工過程中根據(jù)需要得到想要的增阻階段阻力值和變形量。

此方案的不足在于：（1）單片碟簧能提供的阻力和變形較小，進行多片碟簧組合時又會占用較長的錨桿外露端長度，而巷道空間本身就有限。經(jīng)過在礦井中巷道的現(xiàn)場調查得知，通常錨桿外露端長度會限制在250mm以內(nèi)，以防影響正常施工和作業(yè)。（2）進行多片碟簧組合時，會存在對中性的問題，錨桿的組裝難度提高。（3）由力學常識可以判斷，圍巖的壓力通過圖3中的螺母傳遞到錨桿上，那么對螺母的質量要求也會很高。

2 錨桿增阻讓壓裝置結構形式的優(yōu)化

考慮到之前兩個方案的優(yōu)缺點，經(jīng)過反復思考，錨桿增阻讓壓裝置的結構形式圖如圖4所示。錨桿整體由外露端到錨桿孔內(nèi)的部分共分為：螺母和墊片、墊片和碟簧組成的讓壓環(huán)、球墊和半球狀托盤、桿筒波紋滑移連接和桿體尾部的連接套。

圖4 錨桿增阻讓壓裝置優(yōu)化方案

桿體尾部的連接套可接錨桿或錨索，實際施工中根據(jù)需要靈活設置。恒阻滑移連接主要包括桿體和套筒，桿筒之間時有一段波紋滑移連接，能在圍巖緩慢大變形階段提供足夠的恒阻滑移阻力。托盤做成半球狀，可以在增阻小變形階段提供一定的變形量。萬向球墊如圖4中所示，設置萬向球墊的目的主要在于，有些情況下錨桿孔并不是垂直于巖壁打入，萬向球墊有更強的適應性。

2.1 錨桿與圍巖之間的作用機理

此方案中錨桿與圍巖相互作用的過程分為兩個階段：

錨桿剛打入圍巖中時，由于深部巷道圍巖的高地壓需要得到釋放，圍巖向巷道空間方向運動，錨桿桿體和套筒之間的波紋連接會阻止圍巖的運動，但該阻力小于深部圍巖的地壓，該壓力仍能夠使圍巖以較小的速度向巷道空間運動，即使圍巖緩慢地發(fā)生變形，而不至于使圍巖在沒有阻力的狀態(tài)下迅速塌落，通常在錨桿設計時設置500mm的恒阻滑移段，然后通過錨桿桿頭的加粗塊和套筒尾端的鋸齒狀加厚段來卡住，阻止進一步的摩擦滑移，此階段稱為恒阻滑移階段。

恒阻滑移階段結束后，錨桿整體延伸到最長，圍巖內(nèi)部蘊藏的地壓也釋放了很多，此時，圍巖開始對半球狀托盤和讓壓環(huán)施加更大的壓力，使半球狀托盤和讓壓環(huán)發(fā)生受壓變形，地壓得到進一步釋放，同時錨桿自身剛性材料的延伸提供更大的阻力，穩(wěn)定支護住圍巖。此階段可稱為增阻小變形階段。

2.2 單根整體錨桿支護可行性的初步數(shù)值模擬

圖5 錨桿模擬模型的整體組裝圖

數(shù)值模擬選用的錨桿整體組裝圖如圖5所示，由于幾何構造和荷載的對稱性，采用半邊結構。根據(jù)力學常識和施工現(xiàn)場經(jīng)驗選用錨桿部件尺寸和其他數(shù)值模擬參數(shù)如下：（1）套筒較薄處厚7mm，設置2個2mm/50mm的臺階鋸齒在筒的末端；托盤厚度10mm，托盤與托盤上端的萬向球墊總共高70mm，托盤頂部與萬向球墊下部圓弧接觸。球墊外端與高50mm的讓壓裝置接觸，讓壓裝置上接有厚10mm的墊片和螺母，球墊做減摩墊片用。（2）圍巖設置為偏向與剛性的彈性體，錨桿桿體與套筒相比材料偏向于剛性一些，托盤和套筒采用彈塑性體，具體材料力學參數(shù)設置根據(jù)力學常識進行判斷。

圖6 變形終止時單根錨桿整體的合應力云圖

模擬采用的是Mises屈服準則，模擬得出的錨桿整體合應力云圖如圖6所示。由圖中可看出，最大應力發(fā)生在托盤和讓壓裝置連接處，除此之外，套筒尾端、托盤底部、套筒頂端等部位也有較大的合應力，這些部位對材料強度的要求較高。

圖7 錨桿整體模擬的錨桿阻力與圍巖變形關系曲線

錨桿阻力與圍巖變形關系的曲線如圖7所示。由圖中看出，初始0.01mm分析步中，錨桿阻力基本成線性增長；在500mm位移分析步中，通過筒桿滑移，錨桿阻力基本保持約160kN的恒阻；在后續(xù)40mm分析步中，錨桿阻力逐步增長至約580kN破壞。從曲線中看出，該單根整體錨桿的阻力變形曲線與理想的圍巖變形-所需阻力曲線的變化趨勢相一致。由此，從初步的數(shù)值模擬結果來看，該單根整體錨桿對深部圍巖的支護具有可行性。

3 結論

考慮到深部巷道的特殊地壓環(huán)境和實際施工時的需要，通過反復修改，經(jīng)過了彈簧套筒和碟簧組合的版本，最終確定了目前的增阻大變形方案。與前兩個方案相比進行了如下改進：

（1）對桿筒之間的恒阻滑移連接進行了很大程度的優(yōu)化，固定長度的恒阻滑移連接能保證在恒阻滑移階段提供足夠的阻力。

（2）對錨桿外露端的增阻讓壓裝置進行了合理的改進，在250mm外露端長度的限制下，球狀托盤和讓壓環(huán)的設置能夠在增阻小變形階段提供增長的阻力和一定量的小變形。

后續(xù)的工作中，如何設置恒阻滑移連接的長度以滿足不同深部巷道地壓的要求，錨桿各個部件尺寸參數(shù)的選用等等，都需要進行數(shù)值模擬和實驗研究相結合的方法，來進行考察和優(yōu)化。本方案所考慮的僅是單根錨桿和深部圍巖相互作用的機理，那么，如果是多根此類錨桿錨索和鋼筋網(wǎng)水泥噴層組成的耦合支護系統(tǒng)的情況，也需進行詳細的數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗研究。