地下工程吸能錨桿研究現(xiàn)狀與展望

江貝王琦魏華勇辛忠欣何滿潮吳文瑞馬鳳林許碩王業(yè)泰

1.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;3.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心,山東濟(jì)南 250061

隨著地下工程的迅速發(fā)展,工程建設(shè)過(guò)程中經(jīng)常面臨高應(yīng)力、極軟巖、強(qiáng)采動(dòng)等復(fù)雜條件[1-3],極易出現(xiàn)軟巖緩慢大變形、巖爆與沖擊地壓瞬時(shí)大變形等破壞現(xiàn)象[4-5]。緩慢和瞬時(shí)大變形是圍巖能量積聚和釋放的結(jié)果,解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵是利用支護(hù)體系吸收圍巖釋放的能量,減少能量積聚[6]。

錨桿作為錨網(wǎng)索、錨網(wǎng)噴等支護(hù)體系的核心[7-11],被廣泛應(yīng)用于地下工程建設(shè)中。傳統(tǒng)錨桿在復(fù)雜條件下易出現(xiàn)桿體破斷等現(xiàn)象[12],難以滿足復(fù)雜條件下的吸能支護(hù)要求。因此,研發(fā)具有良好吸能效果的錨桿對(duì)于圍巖大變形控制具有重要意義。相關(guān)研究表明,吸能錨桿應(yīng)具備高恒阻力和大變形能力,一方面能夠改善圍巖本身的力學(xué)狀態(tài),提高圍巖強(qiáng)度;另一方面吸收巖體變形能,使圍巖中的能量得到釋放[13]。同時(shí),必須對(duì)開挖后的圍巖施加盡可能高的預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償支護(hù),最大限度地恢復(fù)圍巖強(qiáng)度,保持巷道圍巖穩(wěn)定[14]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)吸能錨桿進(jìn)行了大量研究,研發(fā)了不同種類的吸能錨桿。根據(jù)工作機(jī)理吸能錨桿可分為結(jié)構(gòu)型和材料型2 種。其中,結(jié)構(gòu)型錨桿又可分為桿體結(jié)構(gòu)型和機(jī)械結(jié)構(gòu)型。桿體結(jié)構(gòu)型吸能錨桿是指通過(guò)桿體-錨固劑摩擦或桿體-圍巖摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)其工作阻力,吸收圍巖變形能量的錨桿,如Swellex 錨桿[15]、Cone 錨桿[15-17]、Modified Cone錨桿[18-19]、J 型錨桿[20]等。機(jī)械結(jié)構(gòu)型吸能錨桿是指通過(guò)桿體在機(jī)械結(jié)構(gòu)中摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)其工作阻力,吸收圍巖變形能量的錨桿,如Garford 錨桿[21-22]、Roofex 錨桿[23]、恒阻大變形錨桿[24-25]等。材料型吸能錨桿是指通過(guò)桿體自身變形,吸收圍巖變形能量的錨桿,如D 型錨桿[26]、BHRB 錨桿[27]、PAR1 錨桿[28]等。吸能錨桿分類及典型錨桿如圖1所示。

圖1 吸能錨桿分類Fig.1 Classification of energy-absorbing bolt

本文總結(jié)了吸能錨桿的構(gòu)件組成、工作原理、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等研究?jī)?nèi)容,同時(shí)對(duì)吸能錨桿試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、施工與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)以及在不同領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 吸能錨桿研發(fā)歷程

自20世紀(jì)80年代吸能錨桿問(wèn)世以來(lái),眾多學(xué)者不斷對(duì)吸能錨桿進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新,取得了一系列成果。

1.1 桿體結(jié)構(gòu)型吸能錨桿

1982年,瑞典Atlas Copco 公司的Hoek 等[15]研發(fā)了一種水脹式錨桿——Swellex 錨桿,由帶有凹槽的無(wú)縫鋼管桿體和托盤等組成,高壓注水使桿體膨脹,從而利用桿體和圍巖之間的摩擦提供工作阻力,吸收圍巖變形能量;1987年,Chamber of Mines Research Organization[15-17]研發(fā)了Cone 錨桿,由金屬桿體和錐形端頭等組成,在錨桿尾部添加錐形體,利用錐形體與錨固劑之間的摩擦提供工作阻力,吸收圍巖變形能量;2000年,Noranda 公司在Cone 錨桿的基礎(chǔ)上增加了樹脂錨固劑攪拌裝置,研發(fā)了Modified Cone 錨桿[18-19];此后,針對(duì)桿體結(jié)構(gòu)型錨桿的研究多以Cone 錨桿為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn),2020年,趙興東等[20]研發(fā)了具有多點(diǎn)錨固作用和整體滑移釋能能力的J 型錨桿,由攪拌模塊、變形模塊和錨固模塊等組成,能夠同時(shí)利用錨桿錐形體-錨固劑的摩擦做功和桿體變形吸收圍巖變形能量。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)型吸能錨桿

1995年,澳大利亞Garford Pty 公司[21-22]研發(fā)了Garford 錨桿,由光滑桿柄、錨箍和樹脂攪拌器等組成,利用錨桿桿體與錨箍之間的摩擦提供工作阻力,吸收圍巖變形能量。此后,針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)型錨桿的研究較少,直至2009年,Atlas Copco 公司Plouffe 等[23]研發(fā)了Roofex 錨桿,由桿體、能量吸收部件以及彈性套筒等組成,利用能量吸收部件中銷釘與桿體的摩擦提供工作阻力,吸收圍巖變形能量。同年,何滿潮等[24-25]研發(fā)了具有負(fù)泊松比效應(yīng)的恒阻大變形(Constant resistance large deformation,CRLD)錨桿,由錐體、桿體、套管、托盤等組成,利用錐體與套管之間的摩擦提供工作阻力,吸收圍巖變形能量,具有高恒阻力和大變形能力。

1.3 桿體材料型吸能錨桿

2006年,Li[26]研發(fā)了D 型錨桿,由多個(gè)分布不均勻的錨固結(jié)構(gòu)和桿體等組成,利用錨固結(jié)構(gòu)間桿體的伸長(zhǎng)來(lái)吸收圍巖變形能,部分桿體破斷并不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)錨桿的失效;2010年,康紅普等[27]研發(fā)了BHRB 錨桿,由桿體、托盤、減摩墊圈、螺母等組成,通過(guò)優(yōu)化桿體材料提高了錨桿桿體物理力學(xué)性能,從而提高了錨桿的吸能能力;2018年,New Concept Mining 公司[28]研發(fā)了PAR1 錨桿,由桿體、槳形錨固結(jié)構(gòu)、托盤等組成,利用槳形錨固結(jié)構(gòu)間桿體的變形來(lái)吸收圍巖變形能。

將典型吸能錨桿的研發(fā)時(shí)間、構(gòu)件組成、技術(shù)革新等進(jìn)行總結(jié),匯總至表1。

分析表1 可知:機(jī)械結(jié)構(gòu)型錨桿利用桿體與機(jī)械裝置摩擦做功吸收能量,相比于利用桿體-圍巖或桿體-錨固劑摩擦做功吸收能量的桿體結(jié)構(gòu)型錨桿,機(jī)械裝置提供的摩擦力更加穩(wěn)定,能夠更好地控制圍巖變形。

表1 吸能錨桿研發(fā)歷程Tab.1 Research and development history of energy-absorbing bolt

材料型吸能錨桿通過(guò)桿體自身變形吸收圍巖變形能量,相比于利用摩擦滑移做功吸收能量的結(jié)構(gòu)型錨桿,施工工藝簡(jiǎn)單,能夠充分發(fā)揮桿體材料本身的力學(xué)性能。

2 吸能錨桿力學(xué)性能研究

為研究吸能錨桿在圍巖緩慢變形和瞬時(shí)變形時(shí)的力學(xué)性能,眾多學(xué)者開展了吸能錨桿的靜力拉伸與動(dòng)力沖擊試驗(yàn)。

2.1 吸能錨桿靜力試驗(yàn)研究進(jìn)展

2.1.1 桿體結(jié)構(gòu)型吸能錨桿

Xu 等[29]對(duì)Swellex 錨桿進(jìn)行了靜力學(xué)試驗(yàn),得到其極限荷載為235 kN,伸長(zhǎng)量為153 mm;Ortlepp[17]開展了Cone 錨桿的靜力學(xué)試驗(yàn),得到其屈服荷載為181～253 kN,伸長(zhǎng)量大于30 mm;Cai等[30]對(duì)Modified Cone 錨桿進(jìn)行了靜力學(xué)試驗(yàn),得到其極限荷載約為150 kN,伸長(zhǎng)量大于150 mm;趙興東等[20]利用靜力拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)J 型錨桿進(jìn)行了靜力拉伸試驗(yàn),得到其屈服荷載為172 kN,極限荷載為196 kN,伸長(zhǎng)量為15 mm。桿體結(jié)構(gòu)型吸能錨桿試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2 序號(hào)1-1～1-4。

2.1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)型吸能錨桿

Sengani[31]對(duì)Garford 錨桿進(jìn)行了靜力學(xué)試驗(yàn),得到其屈服荷載為153～165 kN,極限荷載為184～233 kN,伸長(zhǎng)量為252～280 mm;Ozbay 等[23]對(duì)Roofex 錨桿進(jìn)行了靜力拉伸試驗(yàn),得到其屈服荷載為80 kN,極限荷載為100 kN,伸長(zhǎng)量為300 mm;何滿潮等[13]利用錨桿靜力拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)恒阻大變形錨桿進(jìn)行了靜力學(xué)試驗(yàn),得到其屈服荷載約為150 kN,極限荷載為160 kN,伸長(zhǎng)量為627 mm。機(jī)械結(jié)構(gòu)型吸能錨桿試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2 序號(hào)2-1～2-3。

2.1.3 桿體材料型吸能錨桿

Li[26]利用靜力拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)D 型錨桿進(jìn)行了靜力學(xué)試驗(yàn),得到其屈服荷載為51 kN,極限荷載為69 kN,伸長(zhǎng)量為22 mm;王愛(ài)文等[32]對(duì)BHRB錨桿進(jìn)行了靜力學(xué)試驗(yàn),得到其屈服荷載為200～210 kN,極限荷載為360～370 kN,伸長(zhǎng)量為360～370 mm;New Concept Mining 公司[33]對(duì)PAR1 錨桿進(jìn)行了靜力學(xué)試驗(yàn),得到其極限荷載為210 kN,伸長(zhǎng)量為185 mm。桿體材料型吸能錨桿試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2 序號(hào)3-1～3-3。

典型吸能錨桿靜力學(xué)試驗(yàn)具體參數(shù)與相關(guān)結(jié)果匯總至表2,對(duì)比分析得到如下結(jié)論:

表2 典型吸能錨桿靜力學(xué)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Static test statistics of typical energy-absorbing bolt

(1)在承載能力方面,BHRB 錨桿的極限承載能力最高,屬于材料型吸能錨桿,其承載能力可達(dá)370 kN,是結(jié)構(gòu)型吸能錨桿的1.57～3.70 倍,表明材料型吸能錨桿能夠具有更強(qiáng)的承載能力。

(2)在變形能力方面,恒阻大變形錨桿的變形能力最強(qiáng),屬于結(jié)構(gòu)型吸能錨桿,其伸長(zhǎng)量可達(dá)627 mm,是材料型吸能錨桿的1.69～28.50 倍,表明結(jié)構(gòu)型吸能錨桿能夠具有更強(qiáng)的變形能力。

2.2 吸能錨桿動(dòng)力試驗(yàn)研究進(jìn)展

2.2.1 桿體結(jié)構(gòu)型吸能錨桿

Charette[34]開展了Swellex 錨桿的動(dòng)力沖擊試驗(yàn),得到其伸長(zhǎng)量為80 mm,吸收的能量為2.9×104J;Ortlepp[35]開展了Cone 錨桿的爆炸沖擊試驗(yàn),炸藥質(zhì)量為1.0 kg,得到其吸收的能量為3.9×104J;St-Pierre 等[36]開展了Modified Cone 錨桿的落錘沖擊試驗(yàn),落錘高度為0.5 m,落錘質(zhì)量為1 016 kg,得到其伸長(zhǎng)量為250 mm,吸收的能量為3.0×104J;趙興東等[20]開展了J 型錨桿的落錘沖擊試驗(yàn),落錘高度為1.5 m,落錘質(zhì)量為2 006 kg,得到其伸長(zhǎng)量為184 mm,吸收的能量為4.7×104J。桿體結(jié)構(gòu)型吸能錨桿試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3 序號(hào)1-1～1-4。

2.2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)型吸能錨桿

Varden 等[37]開展了Garford 錨桿的落錘沖擊試驗(yàn),沖擊速度分別為6 m/s 和8 m/s,得到其伸長(zhǎng)量為180 mm,吸收的能量為(6.5～7.0)×104J;Charette 等[38]開展了Roofex 錨桿的動(dòng)力沖擊試驗(yàn),得到其伸長(zhǎng)量為200 mm,吸收的能量為2.7×104J;何滿潮團(tuán)隊(duì)[13,39]開展了恒阻大變形錨桿的落錘沖擊試驗(yàn),落錘高度為700～1 000 mm,落錘質(zhì)量為1 000 kg,得到其伸長(zhǎng)量為580 mm,吸收的能量為5.4×104J。機(jī)械結(jié)構(gòu)型吸能錨桿試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3 序號(hào)2-1～2-3。

2.2.3 桿體材料型吸能錨桿

Li[26,40]開展了D 型錨桿的落錘沖擊試驗(yàn),落錘高度為1.5 m,落錘質(zhì)量為2 006 kg,得到其伸長(zhǎng)量為140 mm,吸收的能量為(2.0～3.7)×104J;王愛(ài)文等[32]對(duì)BHRB 錨桿開展了高能量一次沖擊加載方式下的動(dòng)力沖擊研究,得到其伸長(zhǎng)量為385 mm,吸收的能量為6.0×104J;Knox 等[41]開展了PAR1 錨桿的落錘沖擊試驗(yàn),落錘高度為1.5 m,落錘質(zhì)量為2 071 kg,得到其伸長(zhǎng)量為254 mm,吸收的能量為(9.8～10.2)×104J。桿體材料型吸能錨桿試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3 序號(hào)3-1～3-3。

典型吸能錨桿動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)具體參數(shù)與相關(guān)結(jié)果匯總至表3,對(duì)比分析得到如下結(jié)論:

表3 典型吸能錨桿動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Dynamic test statistics of typical energy-absorbing bolt

(1)在變形能力方面,恒阻大變形錨桿的變形能力最強(qiáng),屬于結(jié)構(gòu)型吸能錨桿,其伸長(zhǎng)量最高可達(dá)580 mm,是材料型吸能錨桿的1.51～4.06 倍,表明結(jié)構(gòu)型吸能錨桿能夠具有更強(qiáng)的變形能力。

(2)在吸能能力方面,PAR1 錨桿的吸能能力最強(qiáng),屬于材料型吸能錨桿,其吸收能量最高可達(dá)10.2×104J,是結(jié)構(gòu)型吸能錨桿的1.46～3.78 倍,表明材料型吸能錨桿能夠具有更強(qiáng)的吸能能力。

2.3 恒阻吸能新材料錨桿試驗(yàn)研究

在已有試驗(yàn)研究中,材料型吸能錨桿具有較高的承載能力和動(dòng)力吸能能力,但與結(jié)構(gòu)型吸能錨桿中的恒阻大變形(CRLD)錨桿相比,其變形能力相對(duì)不足。為使材料型吸能錨桿同時(shí)具有高強(qiáng)、高延伸率和高吸能特性,筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)了恒阻吸能(Constant Resistance Energy Absorption,CREA)新材料錨桿[42-44],通過(guò)開展室內(nèi)試驗(yàn),研究該類錨桿的靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性。

2.3.1 試驗(yàn)方案

選取CRLD 錨桿作為對(duì)比對(duì)象,開展CREA 錨桿與CRLD 錨桿的靜力拉伸與動(dòng)力沖擊對(duì)比試驗(yàn),CRLD 錨桿的恒阻器長(zhǎng)度為400 mm,試驗(yàn)方案見(jiàn)表4。

表4 靜力拉伸與動(dòng)力沖擊試驗(yàn)方案Tab.4 Static tensile and dynamic impact test scheme

靜力拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)由加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、夾持系統(tǒng)和力-位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4 部分組成。試驗(yàn)采用勻速拉伸的加載方式,拉伸速率取10 mm/min,試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 靜力拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Static tensile test system

落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)由高強(qiáng)主體框架、加載控制系統(tǒng)、落錘和沖擊加載單元4 部分組成,如圖3所示。試驗(yàn)采用等質(zhì)量、等高度落錘沖擊,落錘高度為0.8 m,落錘質(zhì)量為1 000 kg。

圖3 落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Drop hammer impact test system

2.3.2 靜力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果分析

CREA 錨桿與CRLD 錨桿的荷載-延伸率曲線如圖4所示,錨桿靜力學(xué)特性對(duì)比分析如圖5所示。

圖4 荷載-延伸率曲線Fig.4 Load-elongation curves

圖5 靜力學(xué)特性對(duì)比Fig.5 Comparison of static characteristics

由圖4 和圖5 分析可知:

(1)靜力承載能力。CREA-S 的屈服荷載為199.8 kN,破斷荷載為230.8 kN;CRLD-S 的屈服荷載為142.9 kN,破斷荷載為122.1 kN。CREA-S的屈服荷載為CRLD-S 的1.40 倍,破斷荷載為CRLD-S 的1.89 倍,表明CREA 錨桿在承載能力方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

(2)靜力變形能力。CREA-S 的屈服延伸率為1.9%,CRLD-S 的屈服延伸率為6.5%,前者相比后者降低了70.8%,表明CREA-S 在受力初始階段,能夠通過(guò)較小變形量提供較高的支護(hù)阻力。CREA-S 的斷后延伸率為26.5%,CRLD-S 的斷后延伸率為24.5%,前者相比后者斷后延伸率提高了8.2%,表明CREA 錨桿的變形能力優(yōu)于CRLD錨桿。

(3)靜力吸能能力。通過(guò)對(duì)錨桿荷載-延伸率曲線進(jìn)行積分得到其單位長(zhǎng)度能夠吸收的能量,可知CREA-S 的單位長(zhǎng)度吸收能量為5.8×104J/m,CRLD-S 的單位長(zhǎng)度吸收能量為3.3×104J/m,前者為后者的1.76 倍,表明CREA 錨桿在吸收圍巖變形能量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

綜上所述,在靜力學(xué)特性研究中,CREA 錨桿的破斷荷載為230.8 kN,延伸率為26.5%,單位長(zhǎng)度吸收能量為5.8×104J/m,分別是CRLD 錨桿的1.89、1.08、1.76 倍,表明CREA 錨桿具有良好的承載能力、變形能力和吸能特性。

2.3.3 動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果分析

各試件的單次沖擊位移-沖擊次數(shù)曲線及破壞形態(tài)如圖6所示。單次沖擊能量為落錘質(zhì)量、下落高度與重力加速度的乘積,單次沖擊能量為8×103J。各試件動(dòng)力學(xué)特性對(duì)比如圖7所示。

圖6 錨桿單次沖擊位移-沖擊次數(shù)曲線Fig.6 Bolt single impact displacement-impact times curves

由圖6 和圖7 分析可知:

圖7 動(dòng)力學(xué)特性對(duì)比Fig.7 Comparison of dynamic characteristics

(1)動(dòng)力抗沖擊性能。CREA-D 與CRLD-D單次沖擊的平均位移量為23.0 mm 與74.2 mm,定義抗沖擊指標(biāo)為單次沖擊能量與單次沖擊平均位移的比值,CREA-D 與CRLD-D 的抗沖擊指標(biāo)分別為347.8 J/mm 和107.8 J/mm,前者是后者的3.23 倍,表明CREA 錨桿在動(dòng)力沖擊作用下具有良好的抗沖擊能力。

(2)動(dòng)力變形能力。在動(dòng)力沖擊作用下,CREA-D 與CRLD-D 的伸長(zhǎng)量分別為736 mm 和387 mm,CREA-D 與CRLD-D 的延伸率分別為24.5% 和12.9%,前者是后者的1.90 倍。表明CREA 錨桿在動(dòng)力沖擊作用下的變形能力優(yōu)于CRLD 錨桿。

(3)動(dòng)力吸能特性。CREA-D 在第27 次發(fā)生破斷,斷口處未出現(xiàn)明顯頸縮,CRLD-D 在第4 次發(fā)生破斷,桿體從恒阻器中滑出。錨桿單位長(zhǎng)度吸收能量為沖擊次數(shù)與單次沖擊能量的乘積與錨桿長(zhǎng)度的比值,CREA-D 與CRLD-D 單位長(zhǎng)度吸收的能量分別為7.2×104J/m 和1.1×104J/m,前者是后者的6.55 倍,表明CREA 錨桿在吸收動(dòng)能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述,在動(dòng)力學(xué)特性研究中,CREA 錨桿的抗沖擊指標(biāo)為347.8 J/mm、伸長(zhǎng)量為736 mm、單位長(zhǎng)度吸收能量為7.2×104J/m,分別是恒阻大變形錨桿的3.23、1.90、3.55 倍。表明CREA 錨桿在動(dòng)力沖擊作用下具有良好的抗沖擊能力、變形能力和吸能特性。

3 吸能錨桿現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過(guò)前期大量的試驗(yàn)研究,吸能錨桿支護(hù)技術(shù)得到了快速發(fā)展并應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng),典型現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用見(jiàn)表5。

表5 吸能錨桿典型現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Tab.5 Typical field application of energy-absorbing bolt

3.1 桿體結(jié)構(gòu)型吸能錨桿

1999年,Turner 等[45]將Cone 錨桿在具有高應(yīng)力和強(qiáng)沖擊傾向性的Dig Bell 礦中應(yīng)用,在等級(jí)M=1.7(里氏震級(jí))的微震影響下,該類錨桿支護(hù)區(qū)域圍巖最大變形為500 mm,保證了巷道穩(wěn)定;2000年,Simser 等[19]將Modified Cone 錨桿在具有高應(yīng)力和強(qiáng)沖擊傾向性的Brunswick 礦中應(yīng)用,該類錨桿最大變形量為180 mm,有效吸收了圍巖變形釋放的能量;2008年,Yao 等[18]將Modified Cone 錨桿在Vale Inco Copper Cliff North 礦中應(yīng)用,在等級(jí)Mn=2.9(納特里震級(jí))的微震影響下,該類錨桿未發(fā)生破斷失效。

上述錨桿施工工藝[18-19,45]為圍巖鉆孔、桿體潤(rùn)滑材料涂抹、錨固劑裝填、桿體旋轉(zhuǎn)安裝、托盤及螺母安裝。上述錨桿在施工時(shí)圍巖鉆孔直徑較大,旋轉(zhuǎn)安裝錨桿時(shí)潤(rùn)滑涂層極易剝離桿體。

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)型吸能錨桿

2011年,張國(guó)鋒等[25]將恒阻大變形錨桿在強(qiáng)動(dòng)壓擾動(dòng)的芙蓉礦區(qū)白皎煤礦中應(yīng)用,監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,巷道變形穩(wěn)定時(shí),頂?shù)滓平?50 mm,該類錨桿對(duì)強(qiáng)動(dòng)壓擾動(dòng)的煤礦具有良好的圍巖控制效果;2014年,楊曉杰等[46]將恒阻大變形錨桿在新安煤礦軟巖巷道中應(yīng)用,監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,巷道變形穩(wěn)定時(shí),巷道頂?shù)滓平?2～92 mm,兩幫收斂量98～110 mm,有效控制了軟弱圍巖變形;2018年,Sengani 等[31]將Garford 錨桿在南非某深部金屬礦中應(yīng)用,結(jié)果表明,該類錨桿支護(hù)區(qū)域受6 次微震影響,微震等級(jí)M=0.5～2.6(里氏震級(jí)),錨桿未發(fā)生破斷失效。

上述錨桿施工工藝[25,31]為圍巖鉆孔及擴(kuò)孔、錨固劑裝填、桿體旋轉(zhuǎn)安裝、托盤及螺母安裝。相比于傳統(tǒng)錨桿,該施工工藝增加了圍巖擴(kuò)孔等步驟。

3.3 桿體材料型吸能錨桿

2012年,Li[40]將D 型錨桿在瑞典某深部金屬礦中應(yīng)用,結(jié)果表明,D 型錨桿支護(hù)區(qū)域巷道頂板穩(wěn)定;2015年,康紅普等[47]將BHRB 錨桿應(yīng)用于塔山煤礦中,監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,巷道頂?shù)滓平?52 mm,兩幫收斂量405 mm,有效控制了巷道圍巖變形;2021年,筆者團(tuán)隊(duì)[42]將CREA 錨桿在千米深井趙樓煤礦中應(yīng)用,監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,趙樓煤礦巷道最大頂?shù)滓平?65 mm,最大兩幫收斂量128 mm,有效控制了深部高應(yīng)力巷道圍巖變形。

上述錨桿施工工藝[40,47-48]為圍巖鉆孔、錨固劑裝填、桿體安裝、托盤及鎖具安裝。該工藝與傳統(tǒng)錨桿基本一致,具有較高施工效率。

由上述分析及表5 可知:

(1)早期吸能錨桿的研究以結(jié)構(gòu)型為主,與傳統(tǒng)錨桿相比,結(jié)構(gòu)型吸能錨桿施工需要圍巖擴(kuò)孔、潤(rùn)滑材料涂抹等工序,施工效率低,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究較少。材料型吸能錨桿施工工序與傳統(tǒng)錨桿基本一致,工藝簡(jiǎn)單,施工效率更高,具有良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前景,針對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的研究具有重要意義。

(2)結(jié)構(gòu)型吸能錨桿發(fā)展后期實(shí)現(xiàn)了預(yù)緊力施加并不斷提高,可施加范圍為60～100 kN,占屈服荷載的40%～50%。隨著材料型吸能錨桿的出現(xiàn),可施加的預(yù)緊力隨之提高,其中CREA 錨桿可施加的預(yù)緊力高達(dá)130 kN,占屈服荷載的65%,可更好地控制圍巖變形與破壞,保持巷道圍巖穩(wěn)定。

4 總結(jié)與展望

(1)傳統(tǒng)支護(hù)體系在圍巖大變形時(shí)易發(fā)生破斷失效,導(dǎo)致冒頂、塌方、沖擊地壓等事故頻發(fā)。為吸收圍巖變形釋放的能量,控制圍巖變形,需要研發(fā)具有高恒阻力、高延伸率和高預(yù)應(yīng)力的吸能錨桿。

(2)吸能錨桿按工作機(jī)理可分為結(jié)構(gòu)型吸能錨桿與材料型吸能錨桿,相比前者,材料型吸能錨桿結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,能夠充分地發(fā)揮材料力學(xué)性能。筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)了恒阻吸能新材料錨桿,同時(shí)具備高強(qiáng)、高延伸率和高吸能特性,初步滿足了復(fù)雜條件圍巖控制要求。隨著地下工程圍巖條件越來(lái)越復(fù)雜,研發(fā)具有更高強(qiáng)度、高延伸率和高吸能特性的材料型吸能錨桿成為未來(lái)錨桿的發(fā)展趨勢(shì)。

(3)吸能錨桿的力學(xué)性能主要通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)和落錘沖擊試驗(yàn)開展研究。由于錨桿在支護(hù)過(guò)程中受到拉、剪、扭、彎及高速?zèng)_擊等多種荷載作用,現(xiàn)有試驗(yàn)難以模擬錨桿實(shí)際受力狀態(tài),下一步應(yīng)開展吸能錨桿在多種荷載作用下的靜力學(xué)性能研究和高應(yīng)變率下的動(dòng)力學(xué)性能研究。

(4)吸能錨桿目前主要應(yīng)用于礦山工程領(lǐng)域,形成了相應(yīng)的施工工藝。但是已有文獻(xiàn)對(duì)吸能錨桿現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的研究較少,下一步應(yīng)對(duì)吸能錨桿在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)的力學(xué)性能和圍巖控制效果進(jìn)行研究,制定吸能錨桿的設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),推廣吸能錨桿在交通、市政、水利等不同領(lǐng)域地下工程中的應(yīng)用。