不同工況下錨桿支護(hù)過程力學(xué)性能實驗分析

白君卿

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

0 引言

煤礦進(jìn)行地下開采的過程中，對圍巖的支護(hù)是影響煤礦安全的重要因素，錨桿支護(hù)是我國礦井開采中常用的圍巖控制方式。錨桿在進(jìn)行支護(hù)的過程中，通過錨桿的抗拉及抗剪作用實現(xiàn)對圍巖的主動控制[1]，減小圍巖結(jié)果面的變形及強度的變化，保證圍巖的完整性，從而保持圍巖的承載能力，保護(hù)煤礦的開采安全。在礦井開采過程中，隨著煤礦開采深度及長度地不斷增加[2]，錨桿在進(jìn)行支護(hù)的過程中受到多種因素的影響對其承載性能造成復(fù)雜的作用，形成不同的承載工況。針對錨桿在不同工況下的力學(xué)性能，采用實驗分析的形式對錨桿不同工況進(jìn)行模擬分析[3]，從而研究錨桿的變化規(guī)律，對錨桿的設(shè)計使用提供參考，保證煤礦的支護(hù)安全。

1 錨桿力學(xué)性能實驗分析方案

錨桿在進(jìn)行礦井的支護(hù)過程中，圍巖受到礦壓的作用產(chǎn)生碎脹變形時錨桿受到拉力作用，產(chǎn)生拉伸變形，同時當(dāng)圍巖碎脹變形后進(jìn)一步產(chǎn)生滑移，則對錨桿產(chǎn)生拉力及剪切力的作用，使錨桿產(chǎn)生拉伸變形和剪切變形[4]。針對錨桿在這兩種工況下的力學(xué)性能進(jìn)行實驗分析，對錨桿施加純拉伸作用和拉伸剪切作用模擬兩種不同的工況[5]。

采用直徑為22 mm 的錨桿進(jìn)行實驗分析，錨桿的長度為2800 mm，設(shè)定錨固長度為1200 mm，采用內(nèi)徑120 mm 的鋼管灌入料漿并預(yù)留30 mm 的孔進(jìn)行圍巖的模擬，采用螺紋鋼錨桿通過錨固劑錨固在制作的孔中作為實驗分析的試樣[6]。實驗中針對錨桿的兩種不同工況進(jìn)行分析，為研究拉伸載荷和拉剪載荷對不同預(yù)緊力的變化，共制作6 組試樣進(jìn)行實驗分析。

采用錨桿力學(xué)測試的綜合實驗臺進(jìn)行實驗的加載測試，實驗臺主要包括拉伸加載及垂直剪切作用加載模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及控制系統(tǒng)模塊組成，可通過控制系統(tǒng)進(jìn)行單個模塊的加載或兩個模塊的同時加載[7]，滿足實驗分析的需求。采用壓力傳感器對錨桿的軸向載荷及剪切載荷進(jìn)行采集，并通過激光傳感器進(jìn)行錨桿變形量的監(jiān)測，實現(xiàn)對實驗過程中數(shù)據(jù)的采集記錄，由此對錨桿在不同工況下的力學(xué)性能進(jìn)行測試分析[8]。

2 不同工況下錨桿的力學(xué)性能測試分析

2.1 拉伸工況下錨桿的力學(xué)性能分析

采用兩組錨桿進(jìn)行拉伸工況下的性能測試，在錨桿僅受到拉伸作用時，僅產(chǎn)生軸向上的變形。采用兩組錨桿試樣進(jìn)行實驗分析，得到兩組錨桿的載荷-變形曲線如圖1 所示，從圖1 中可以看出，T-1、T-2 兩組錨桿的變形曲線變化趨勢一致，錨桿的變形經(jīng)過快速的彈性變形階段后進(jìn)入屈服變形階段[9]，彈性變形在總體變形中所占的比例較??；兩者在數(shù)值上具有一定的差值，錨桿承受的最大載荷值分別為263 kN 和272 kN，產(chǎn)生的軸向最大變形量分別為192 mm 和188 mm，延伸率差值不大，約12%。采用兩組錨桿進(jìn)行實驗分析的差值不大，這表明進(jìn)行錨桿實驗具有較好的可重復(fù)性，所得的數(shù)值可參考性較強，兩者之間的差值受到試樣制備、安裝及現(xiàn)場因素的影響，不影響結(jié)果的正確性。

圖1 拉伸工況下錨桿的載荷-變形曲線

2.2 拉伸剪切工況下錨桿的力學(xué)性能分析

對錨桿在拉伸剪切工況下的變形進(jìn)行分析，選取一組錨桿同時施加拉伸及剪切作用，經(jīng)過實驗測試，得到錨桿的載荷-變形曲線如圖2 所示。從圖2 中可以看出，在拉伸剪切載荷的作用下，經(jīng)過預(yù)拉伸后進(jìn)行剪切作用，錨桿產(chǎn)生軸向變形和徑向變形，將錨桿的累計總變形量作為分析的參數(shù)。拉伸作用對錨桿進(jìn)行預(yù)緊拉伸，圖2 中所示為預(yù)緊力42kN時的變形曲線。

從圖2 中可以看出，在錨桿承受拉伸剪切作用時，軸向載荷的變化可分為四個階段，初始的AB 段為平穩(wěn)階段，錨桿的軸向載荷變化較小，BC 段為緩慢增加的階段，隨著剪切載荷的作用，造成錨固面的剪切破壞[10]，錨桿開始產(chǎn)生彎曲變形使得軸向載荷增加；在CD 段軸向載荷急劇增加，這是由于錨桿產(chǎn)生塑性變形，塑性區(qū)域向內(nèi)部延伸，錨桿的彎曲變形增加使得剪切位移增加，軸向載荷近似呈線性增加的趨勢[11]，然后進(jìn)入DE 段的緩慢增加階段，錨桿的軸向載荷達(dá)到最大值，然后發(fā)生錨桿斷裂。

錨桿的剪切載荷的變化可分為三個階段，其中ab 段為急劇增加的階段，bc 段為近似減小的階段，cd段為快速增加的階段。剪切載荷及軸向載荷的作用與錨桿與鉆孔之間的變形相關(guān)，在較小的剪切載荷作用下，鉆孔提供支撐抗力作用，錨桿的變形小，隨著剪切作用的增加，則錨桿的鉆孔發(fā)生破壞[12]，則此時錨桿產(chǎn)生彎曲變形，則使得剪切載荷減小，而軸向載荷緩慢增加；當(dāng)繼續(xù)增加剪切載荷時，則鉆孔受到的破壞增大，錨桿依靠自身變形使得受到的載荷量不斷增加直到達(dá)到破壞。

2.3 預(yù)拉伸載荷的作用分析

在進(jìn)行拉伸剪切載荷實驗分析中，不同的預(yù)拉伸載荷作用對錨桿的性能具有不同的影響，選取預(yù)拉伸作用力分別為42 kN、84 kN、126 kN 及168 kN 進(jìn)行四組不同的錨桿測試，得到錨桿的剪切載荷及軸向載荷與位移的變化曲線如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在不同的預(yù)拉伸載荷下，錨桿的曲線分布趨勢均保持一致，這說明預(yù)拉伸載荷對錨桿的位移影響一致；在圖3 中，隨著預(yù)拉伸載荷的增加，錨桿的最大剪切載荷呈較小的增加后減小的趨勢，剪切位移呈減小的趨勢，剪切位移由90 mm 減小至55 mm，減小幅度達(dá)39%；而軸向載荷的最大軸向載荷則變化不大，且軸向位移也相差不大，僅在168 kN 預(yù)拉伸載荷時的減小量較大。

圖3 不同預(yù)拉伸載荷的變化曲線

3 結(jié)語

采用實驗分析的形式對拉伸及剪切作用下錨桿的性能變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在拉伸載荷作用下，錨桿經(jīng)過彈塑性變形的階段達(dá)到破壞，其載荷作用不斷增加；在拉伸剪切作用下，錨桿的剪切載荷及軸向載荷均受到鉆孔的影響作用，對于錨桿施工中的鉆孔及錨固具有較高的要求；錨桿的預(yù)拉伸作用不同，對錨桿的性能也具有重要的影響，應(yīng)選擇合理的預(yù)拉伸載荷作用，提高錨桿承受的載荷，保證煤礦的支護(hù)安全。