位移釋放式錨固尾及其試驗(yàn)研究

孟 達(dá),張 梅

(1．中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190 ；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院 ，河北 保定 071000)

位移釋放式錨固尾及其試驗(yàn)研究

孟 達(dá)1,張 梅2

(1．中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190 ；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院 ，河北 保定 071000)

本文介紹了一種新型位移釋放式錨固尾。通過(guò)使用應(yīng)變式裝置作為錨固尾克服了巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)修復(fù)期短的問(wèn)題，延長(zhǎng)了錨桿(索)的使用壽命。采用柔性三軸儀分別對(duì)單碗，一對(duì)碗及三對(duì)碗進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)不同組合下碗的最大承載力，達(dá)到極限承載力的時(shí)間，及其變形進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)碗數(shù)越多，最大承載力會(huì)降低，但達(dá)到極限荷載的時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化。

位移釋放式錨固尾；巷道支護(hù)；錨桿；柔性三軸儀

現(xiàn)有巷道支護(hù)開(kāi)挖中，多數(shù)沿煤層底板掘進(jìn)。巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用錨噴、錨桿等方式。這種結(jié)構(gòu)在使用一段時(shí)間后，頂煤中就會(huì)發(fā)育各種層理、橫向裂隙、縱向、斜交節(jié)理與裂隙，由于淺部的煤體比較破碎，一些部位還會(huì)出現(xiàn)明顯的離層[1-3]。為解決上述問(wèn)題，本文采用位移釋放式錨頭裝置來(lái)應(yīng)對(duì)錨桿的徑向變形，以及頂煤中裂隙不斷產(chǎn)生、擴(kuò)展的情況。

1 位移釋放式錨固尾

1.1 位移釋放式錨固尾裝置簡(jiǎn)介

位移釋放式錨固尾裝置又稱為應(yīng)力釋放式錨固尾，為一種新型錨固尾裝置。該裝置包括錨桿、松動(dòng)圈、緊固螺母，其中，在松動(dòng)圈與緊固螺母之間安置了中空的應(yīng)力釋放裝置以及設(shè)置在應(yīng)力釋放裝置外圍的保護(hù)裝置。中空應(yīng)力釋放裝置為帶沿碗狀構(gòu)件，構(gòu)件的頂部中間位置開(kāi)有圓形孔，圓孔孔徑應(yīng)略大于錨桿直徑。使用時(shí)兩個(gè)碗狀帶外沿的構(gòu)件為一組，兩構(gòu)件一正一反碗口相對(duì)扣在一起，也就是構(gòu)件的外沿部分相接觸，然后套在錨桿的一端。碗狀應(yīng)力釋放裝置材質(zhì)為強(qiáng)度韌塑性較好的低碳鋼，且應(yīng)力釋放裝置的軸向抗壓強(qiáng)度要小于錨桿的軸向抗壓強(qiáng)度。保護(hù)裝置由無(wú)縫鋼管制成，該裝置可保護(hù)應(yīng)力釋放裝置在使用時(shí)不受到徑向力的影響。

1.2 位移釋放式錨固尾工作原理

通過(guò)使用應(yīng)變式裝置作為錨固尾可使作用于錨桿上的外力，在超過(guò)錨桿本身的強(qiáng)度時(shí)，通過(guò)錨固尾的變形適當(dāng)釋放一定量的空間，錨桿隨松動(dòng)圈內(nèi)的巖體共同發(fā)生適當(dāng)?shù)奈灰?，這樣，錨桿在極限荷載作用下仍可繼續(xù)工作，使錨桿經(jīng)過(guò)變形協(xié)調(diào)之后，整體剛度提高，能保證巷道的正常使用，整體的變形由剛性變?yōu)槿嵝宰冃?，并可在設(shè)計(jì)中加長(zhǎng)錨桿，從而有效延長(zhǎng)支護(hù)時(shí)間。解決了現(xiàn)有技術(shù)中遇到的問(wèn)題。并且隨著松動(dòng)圈的擴(kuò)展，巷道內(nèi)部錨桿-巖體在塑性狀態(tài)下繼續(xù)承擔(dān)載荷而不會(huì)產(chǎn)生巖體破壞或錨桿損壞，位移釋放式錨固尾在實(shí)際應(yīng)用中的示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 位移釋放式錨固尾在實(shí)際應(yīng)用中的示意圖

通過(guò)使用應(yīng)變式裝置作為錨固尾克服了巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)修復(fù)期短的問(wèn)題，延長(zhǎng)了錨桿(索)的使用壽命。通過(guò)布置在巷道頂板垂直方向的圍巖結(jié)構(gòu)觀察鉆孔，可以得到巷道在支護(hù)結(jié)構(gòu)作用下的巖層之間的變化，根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘測(cè)結(jié)果：在煤層與巖層的交界面上，產(chǎn)生了顯著的離層現(xiàn)象；在泥巖與砂巖的交界面上離層值也比較顯著；在泥巖內(nèi)部，不同層位上分布著層理、斷裂和煤線等結(jié)構(gòu)，有的部位也產(chǎn)生了比較顯著的離層。

2 技術(shù)實(shí)施方案

位移釋放式錨固尾技術(shù)改進(jìn)了現(xiàn)有技術(shù)中錨桿的錨尾部分，使用時(shí)，需首先將錨桿安裝至使用位置，其安裝步驟具體如下所述。①在錨桿的安裝過(guò)程中首先打與安裝錨桿適配孔徑的鉆孔。②在孔端部打孔徑相對(duì)較大的孔，孔徑較大的孔與錨桿適配孔徑的孔為同心孔。該孔的直徑應(yīng)能夠?qū)?yīng)力釋放裝置的保護(hù)裝置設(shè)置在孔中，該孔的深度根據(jù)所需設(shè)置的中空應(yīng)力釋放裝置厚度與數(shù)量來(lái)確定，而中空應(yīng)力釋放裝置的數(shù)量則需根據(jù)巷道使用年限而定(使用年限越長(zhǎng)，則使用應(yīng)力釋放裝置的數(shù)量越多)。③將保護(hù)裝置設(shè)置在孔徑相對(duì)較大的孔中。④將錨桿安裝至鉆孔中。⑤碗狀帶外沿的應(yīng)力釋放裝置按組通過(guò)頂部中孔設(shè)置在錨桿的桿體上。⑥根據(jù)行排間距安裝鋼筋托梁或鋼帶。⑦放好托板，擰緊螺母施加預(yù)緊力。

實(shí)際使用過(guò)程中，因?yàn)槊拷M的應(yīng)力釋放裝置其抗壓強(qiáng)度要略小于錨桿的抗壓強(qiáng)度，在受到軸向壓力超過(guò)應(yīng)力釋放裝置的抗壓強(qiáng)度后，應(yīng)力釋放裝置會(huì)先于錨桿產(chǎn)生變形，本實(shí)例中表現(xiàn)為碗狀應(yīng)力釋放裝置會(huì)被壓扁，壓扁后就會(huì)在軸向釋放出一定的空間，分擔(dān)錨桿桿體在圍巖卸荷回彈量不斷增加的過(guò)程中所承受的壓力。在錨桿與松動(dòng)圈之間產(chǎn)生相應(yīng)的變形協(xié)調(diào)。使錨桿能夠繼續(xù)發(fā)揮作用，支護(hù)與巖體仍然是一個(gè)支護(hù)整體，共同作用，使錨桿支護(hù)的使用壽命延長(zhǎng)，這樣巷道的維修周期加長(zhǎng)，達(dá)到為生產(chǎn)提供安全保證，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

同時(shí)，對(duì)于地應(yīng)力影響大，以及巖石構(gòu)造發(fā)育的錨桿、錨索支護(hù)的巖石、煤等主動(dòng)支護(hù)的巷道，采用目前普遍的各種錨桿的材質(zhì)，用本文推薦的應(yīng)變釋放法，可以將利用主動(dòng)支護(hù)體系達(dá)到協(xié)調(diào)變形。根據(jù)已有支護(hù)體系的頂板、側(cè)幫的觀測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的巷道地應(yīng)力性質(zhì)、采動(dòng)影響、地質(zhì)構(gòu)造等方面的綜合考慮，給出每個(gè)巷道的具體的應(yīng)力釋放式錨頭設(shè)計(jì)方案，能夠做到充分發(fā)揮錨桿的作用，延長(zhǎng)巷道修復(fù)周期的目的，現(xiàn)場(chǎng)施工可行。

碗狀帶外沿應(yīng)力釋放裝置僅是該技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例，其他類似的可以在受到軸向應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生空間釋放的結(jié)構(gòu)，例如：長(zhǎng)方形中空體，球形中空體，彈簧等均可以應(yīng)用于本發(fā)明中，也是屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

3 位移釋放式對(duì)碗的試驗(yàn)

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)采用不同碗類型

為了測(cè)試碗的力學(xué)性能，分別制作了不同類型碗如圖2所示，其中碗體開(kāi)口為應(yīng)變釋放口，有葉形應(yīng)變釋放口如圖2(b)、圖2(c)所示，長(zhǎng)圓形應(yīng)變釋放口如圖2(d)所示。碗沿開(kāi)口為應(yīng)力釋放槽，有4應(yīng)力釋放槽口如圖2(e)所示,有8應(yīng)力釋放槽口如圖2(f)所示。

圖2 碗的類型

3.2 單碗錨尾參數(shù)

1)材料參數(shù)： Q235 A 型碳素結(jié)構(gòu)鋼；Q235為中碳鋼，綜合力學(xué)性能較好，可在一定程度上代替45鋼，Q235A由于其S、P含量相對(duì)高于Q235B、Q235C、Q235D，因此批量生產(chǎn)價(jià)位適宜。

2)加工工藝：實(shí)物采用冷沖沖壓制樣，金屬在常溫下的加工，冷沖一般適用于厚度小于4mm的坯料。優(yōu)點(diǎn)為不需加熱、無(wú)氧化皮，表面質(zhì)量好，操作方便，費(fèi)用較低。缺點(diǎn)是有加工硬化現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)使金屬失去進(jìn)一步變形能力。冷沖壓要求坯料的厚度均勻且波動(dòng)范圍小，表面光潔、無(wú)斑、無(wú)劃傷等。

3)實(shí)物尺寸：碗壁厚3.5～3.6mm，碗直徑170mm，中孔直徑23mm，加厚碗深31mm，碗沿15mm，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為最大承載力200kN，壓縮速率采用應(yīng)變控制時(shí)參數(shù)為0.01mm/s，最大壓縮位移為18 mm。

3.3 單碗受壓試驗(yàn)

1)試驗(yàn)儀器。該試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服柔性加載三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所和力創(chuàng)公司聯(lián)合研制的一種新型的三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。

2)試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)現(xiàn)象。分別進(jìn)行了單碗，兩對(duì)碗及三對(duì)碗的柔性三軸軸向受壓試驗(yàn)。

3)試驗(yàn)現(xiàn)象描述。

(a)型單碗試驗(yàn)(圖3)：①加載過(guò)程中無(wú)破口等損壞現(xiàn)象出現(xiàn)；②碗體弧頂沒(méi)有平下，而是逐圈下陷至空腔處 。

圖3 (a)型單碗試驗(yàn)圖

圖4 (e)型兩碗對(duì)壓

(e)型兩碗對(duì)壓試驗(yàn)(圖4)：①加載過(guò)程中兩碗與動(dòng)力源近的碗先被破壞，然后頂部碗破壞；②碗體弧頂不平整有下陷現(xiàn)象，有類似于碳的物質(zhì)滲出；③碗體葉形開(kāi)口處產(chǎn)生收縮現(xiàn)象；④出現(xiàn)斷裂，有斷裂聲音。

(d)型兩碗對(duì)壓試驗(yàn)(圖5)：①加載過(guò)程中兩碗與動(dòng)力源近的碗先被破壞，然后頂部碗破壞；②碗體弧頂不平整有下陷現(xiàn)象，有類似于碳的物質(zhì)滲出；③碗體葉形開(kāi)口處產(chǎn)生收縮現(xiàn)象；④出現(xiàn)斷裂，有斷裂聲音。

(f)型六個(gè)三對(duì)碗試驗(yàn)(圖6)：①加載過(guò)程中兩碗在8槽口薄壁處破裂前上下變形均一致，之后與動(dòng)力源相近的碗先被破壞，然后中間一組碗破壞，頂部碗最后破壞；②碗體弧頂亦沒(méi)有平下，而是逐一下陷至空腔處；③破口對(duì)稱發(fā)展，且呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖5 (d)型兩碗對(duì)壓

圖6 (f)型六個(gè)三對(duì)碗的受壓及破壞過(guò)程

4)各組試驗(yàn)負(fù)荷-時(shí)間、變形-時(shí)間曲線(圖7～10)。

圖7 (a)型單碗受壓負(fù)荷-時(shí)間、變形-時(shí)間曲線

圖8 (c)型兩碗對(duì)壓負(fù)荷-時(shí)間、變形-時(shí)間曲線

圖9 8槽口碗兩碗對(duì)壓負(fù)荷-時(shí)間、變形-時(shí)間曲線

圖10 (e)型三對(duì)碗的受壓負(fù)荷-時(shí)間曲線

由圖7～10可以看出，單碗的最大抗壓承載力約為100kN ,達(dá)到最大承載力的時(shí)間約為1000s；兩碗對(duì)壓試驗(yàn)第一峰值壓力約為70kN ,第二峰值壓力約為90kN ,能夠承受的最大荷載約為70kN，達(dá)到第二峰值的時(shí)間約為3500s；6個(gè)三對(duì)碗對(duì)壓試驗(yàn)的第一峰值壓力約為50kN ,第二峰值壓力約為60kN ,第三峰值壓力約為70kN，能夠承受的最大荷載約為50kN ,達(dá)到第三峰值壓力的時(shí)間約為8000s。

由以上數(shù)據(jù)可知，對(duì)碗數(shù)越多，最大承載力會(huì)降低，但達(dá)到極限荷載的時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。因此，在進(jìn)行錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)錨固尾、錨桿的錨固力及達(dá)到破壞的時(shí)間對(duì)錨固尾進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由煤礦巷道支護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，砂巖煤礦支護(hù)型錨桿錨固力一般在80k～100kN，采用更改設(shè)計(jì)后的兩個(gè)應(yīng)力釋放盤(pán)對(duì)扣單軸壓縮試驗(yàn)，力第一峰值控制在70kN左右，力第二峰值控制在90kN左右，總之，雙盤(pán)對(duì)扣、六盤(pán)三扣的單軸壓縮試驗(yàn)力峰值均大于或等于煤礦錨桿的錨固力，換言之，錨桿被拉斷了，應(yīng)力釋放盤(pán)仍然完好無(wú)損。所以應(yīng)在此次試驗(yàn)基礎(chǔ)上，減小制作應(yīng)力釋放盤(pán)鋼板的厚度，實(shí)現(xiàn)其應(yīng)力峰值的降低，達(dá)到控制其應(yīng)力峰值保持在

50kN以下，這樣，不僅完成應(yīng)力釋放盤(pán)的壓縮，還可最大限度地發(fā)揮錨桿的抗拉強(qiáng)度，達(dá)到材盡其用，優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

1)本文介紹了一種新型位移釋放式錨固尾。通過(guò)使用應(yīng)變式裝置作為錨固尾克服了巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)修復(fù)期短的問(wèn)題，延長(zhǎng)了錨桿(索)的使用壽命。位移釋放錨固尾裝置包括錨桿、松動(dòng)圈、緊固螺母。其中，在松動(dòng)圈與緊固螺母之間安置了中空的應(yīng)力釋放裝置以及設(shè)置在應(yīng)力釋放裝置外圍的保護(hù)裝置。

2)單獨(dú)采用帽沿式托盤(pán)，在單軸壓縮過(guò)程中，隨著壓縮位移量的增大，應(yīng)力釋放盤(pán)帽頂塌落至盤(pán)內(nèi)部，造成兩個(gè)應(yīng)力釋放盤(pán)的中心圓環(huán)對(duì)接，抑制變形的進(jìn)一步發(fā)展，致使壓縮量減小，不能達(dá)到預(yù)設(shè)效果。

3)通過(guò)減小外邊緣寬度、并在外邊緣等距離刻4個(gè)(或8個(gè))弧形銑槽(圓弧半徑5.85mm，銑槽底面距離底面控制在1mm左右)。使應(yīng)力釋放盤(pán)中部圓環(huán)的變形可以向4個(gè)(或8個(gè))銑槽處轉(zhuǎn)移，并造成沿銑槽邊緣的拉裂，此時(shí)，圓環(huán)中部的變形得以向圓環(huán)邊緣擴(kuò)散，滿足擴(kuò)大壓縮位移量的目的。單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果顯示該應(yīng)力釋放盤(pán)不僅能最大限度的壓縮空間，為錨桿拉伸提供釋放空間，而且還能節(jié)省板材，最大限度的利用原材料，并且加工成本底，加工工藝簡(jiǎn)單。

4)對(duì)碗數(shù)越多，最大承載力會(huì)降低，但達(dá)到極限荷載的時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。因此，在進(jìn)行錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)錨固頭、錨桿的錨固力及達(dá)到破壞的時(shí)間對(duì)錨固頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)在進(jìn)行錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，可采用雙盤(pán)對(duì)扣、六盤(pán)三扣的錨固頭進(jìn)行錨固。

5)考慮到煤礦開(kāi)挖支護(hù)時(shí)，部分巷道變形過(guò)大，錨桿在支護(hù)過(guò)程中需要釋放位移要求較高，采用增大應(yīng)力釋放盤(pán)凈空達(dá)到此目的，在增大凈空的同時(shí)，等比例的擴(kuò)大圓盤(pán)直徑，達(dá)到受力性能的最優(yōu)化。

[1] 康紅普，王金華，林健.煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(11)：1809-1814.

[2] 賈文青，劉中華，胡耀青.巷道支護(hù)破壞機(jī)理的分析研究[J].化工礦物與加工，2010(9)：38-39.

[3] 高永格，王浩澤，趙炎.松動(dòng)圈測(cè)試技術(shù)及其在巷道支護(hù)中的應(yīng)用[J].同煤科技,2013(3)：1-3.

[4] 李世海,范永波,孟達(dá).位移釋放式錨固尾裝置[Z].中國(guó)專利：ZL2010102496978，2012.

Study on displacement release anchors tail and its experiment

MENG Da1,ZHANG Mei2

(1.Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190,China;2.Agricultural University of Hebei，College of Urban and Rural Construction，Baoding 071000,China)

This paper introduces a new displacement release anchors tail.By using the strain gauge device as anchoring tail overcomes the problem that the cycle time of fixing the roadway is too short，and extended the bolt (cable) service life simultaneously.Using flexible triaxial apparatus，single bowl，a pair of bowls and three pairs of bowls uniaxial compression tests were carried out.The maximum bearing capacity for different combinations of the bowl，the time to reach the ultimate bearing capacity，and its variants have been studied.The results showed：With increasing the number of bowls，the maximum bearing capacity will be reduced，but to reach the ultimate load time will be extended，and when designs it can be optimized according to actual conditions.

displacement release anchors tail；roadway support；bolt；flexible triaxial

2014-05-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào):51274185)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目資助(編號(hào):2010CB731500)

孟達(dá)(1969-)，女，遼寧蓋州人，副教授，博士，主要從事巖土工程和采礦工程方面的研究。E-mail:mengfanda@126.com。

張梅(1973-)，河北保定人，副教授，主要從事巖土工程及采礦工程方面的研究。E-mail:zhangmei@hebau.edu.cn。

TD-0

A

1004-4051(2015)03-0102-04