錨桿桿體動態(tài)力學(xué)特性及應(yīng)變率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

吳擁政，付玉凱，鄭建偉

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013; 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

沖擊地壓作為深部煤礦開采過程中常遇到的典型煤巖動力災(zāi)害，其發(fā)生的強(qiáng)度和頻次逐步增加。沖擊地壓還有可能誘發(fā)諸多次生災(zāi)害，如煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸以及突水等。沖擊地壓巷道圍巖控制作為實(shí)現(xiàn)巷道防沖的重要手段之一，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1-3]。

與其他支護(hù)形式相比，錨桿支護(hù)對于防控巷道沖擊地壓具有獨(dú)特的優(yōu)勢。沖擊地壓巷道對錨桿材質(zhì)要求更高，既要求錨桿具有靜載下的高強(qiáng)度，又要求具有動載荷下瞬時(shí)延伸吸能特性[4]。在防控沖擊地壓巷道方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作:康紅普等[1]研究了沖擊地壓巷道圍巖變形破壞特征，提出沖擊地壓巷道錨桿支護(hù)原則，認(rèn)為錨桿支護(hù)控制沖擊地壓巷道的本質(zhì)在于形成支護(hù)應(yīng)力場、降低應(yīng)力集中程度和改善圍巖受力狀態(tài);姜耀東等[5]采用環(huán)形可收縮支架來控制巷道沖擊地壓;何滿潮等[6]采用橫阻變形錨桿和錨索吸收沖擊地壓產(chǎn)生的能量，通過吸能減沖來減弱沖擊載荷對巷道的破壞效應(yīng);潘一山等[7]提出了圍巖-吸能材料-鋼支架支護(hù)系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力，均化圍巖應(yīng)力場和位移場，提高了沖擊地壓巷道的抗沖擊能力;高明仕等[8]提出沖擊地壓巷道的強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)模型，分析了其防沖抗震機(jī)理;顧金才等[9]進(jìn)行了爆炸荷載條件下錨固洞室破壞形態(tài)對比試驗(yàn)研究;吳擁政等[10-11]以實(shí)際發(fā)生沖擊失穩(wěn)的巷道為例，分析了沖擊載荷作用下錨固圍巖動載響應(yīng)特征，對比分析了沖擊載荷前后錨桿力學(xué)性能;單仁亮等[12]采用相似模型研究了爆炸作用下錨桿的力學(xué)響應(yīng);王愛文等[13-14]通過研究錨桿的靜載-動載力學(xué)特性，揭示了防沖錨桿索的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，認(rèn)為非等強(qiáng)螺紋鋼錨桿和防沖吸能錨索抵抗沖擊破壞的能力要優(yōu)于傳統(tǒng)等強(qiáng)錨桿和錨索。近幾年來，煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院針對沖擊地壓巷道，開發(fā)了高強(qiáng)度、高沖擊韌性熱處理錨桿，研究了不同錨桿的動態(tài)力學(xué)特性和微觀、宏觀破斷機(jī)理，提出沖擊地壓巷道應(yīng)優(yōu)先選用高強(qiáng)度、高沖擊韌性、高延伸率的熱處理材質(zhì)錨桿[15-19]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在沖擊地壓巷道支護(hù)的研究集中在錨桿支護(hù)材料、防沖支架等方面，但現(xiàn)場應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，有些支護(hù)材料適合在低沖擊能量或者低應(yīng)變率效應(yīng)下的沖擊地壓巷道使用，有些材料則相反。現(xiàn)有研究中對錨桿支護(hù)材料動態(tài)力學(xué)特性及應(yīng)變率效應(yīng)的內(nèi)容較少。筆者通過研究不同沖擊韌性錨桿的靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)特性，從微-細(xì)觀分析錨桿的抗沖擊性能，研究應(yīng)變率大小對錨桿動態(tài)力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，以期為不同震級沖擊地壓巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考與借鑒，最終達(dá)到?jīng)_擊地壓巷道分級防控的目的。

1 錨桿靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)特性

1.1 靜載荷作用下錨桿桿體力學(xué)性能

目前煤礦巷道錨桿支護(hù)用材料分為熱軋和熱處理兩種，熱軋螺紋鋼錨桿鋼號為HRB400,HRB500和HRB600，熱處理錨桿鋼號為CRM600和CRM700。本次試驗(yàn)選取沖擊地壓巷道支護(hù)較常用的HRB500,CRM600和CRM700三種類型，采用JAW-1500型試驗(yàn)機(jī)對3種錨桿的力學(xué)性能進(jìn)行了測試，桿體力學(xué)性能測試結(jié)果見表1，錨桿桿體強(qiáng)度-位移曲線如圖1所示。

表1 錨桿桿體力學(xué)性能測試結(jié)果Table 1 Test results of bolt materials

圖1 錨桿桿體載荷-位移曲線Fig.1 Load-displacement curves of bolt

從測試結(jié)果可以看出，3種錨桿材料強(qiáng)度和斷后伸長率等均滿足現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。隨著鋼號的提高，鋼材的屈服強(qiáng)度和破斷強(qiáng)度顯著提高，而延伸率隨之降低，CRM600錨桿的斷面收縮率最大，其次是CRM700，HRB500最小，從斷面收縮率指標(biāo)來看，CRM600錨桿和CRM700錨桿的韌塑性較好。

從錨桿強(qiáng)度-位移曲線來看，3種錨桿的強(qiáng)度-位移曲線形態(tài)基本相同，錨桿鋼號越高，峰值強(qiáng)度越大，破斷位移越小。

1.2 沖擊載荷作用下錨桿桿體力學(xué)性能分析

采用ASME示波沖擊試驗(yàn)機(jī)對桿體制作的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行示波沖擊，試驗(yàn)依據(jù)GB2106《金屬夏比(U型缺口)沖擊試驗(yàn)方法》測定。試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，缺口深度2 mm。通過示波沖擊可以獲取金屬材料的最大破斷力、沖擊吸收功及沖擊載荷曲線，3種錨桿材料的示波沖擊曲線如圖2所示。

示波沖擊結(jié)果顯示，HRB500,CRM600和CRM700的沖擊吸收功分別為128,145和166 J，CRM700的沖擊吸收功分別是HRB500和CRM600的1.30倍和1.14倍，與HRB500和CRM600相比，CRM700錨桿鋼材在沖擊載荷作用下能吸收更多的能量。

從錨桿載荷實(shí)測曲線來看，3種錨桿形態(tài)基本相同，CRM700錨桿載荷曲線的峰值載荷最大，為23.5 kN，HRB500和CRM600的峰值載荷分別為20和22 kN。CRM700的峰值載荷是HRB500和CRM600的1.18倍和1.07倍，與其他2種錨桿相比，CRM700號錨桿在沖擊載荷作用下承載能力更強(qiáng)。

從示波沖擊曲線來看，CRM700錨桿沖擊載荷下的瞬時(shí)變形量(瞬時(shí)變形量是指試樣受到?jīng)_擊載荷作用開始至試樣完全斷裂所產(chǎn)生的總變形)達(dá)到20 mm，HRB500和CRM600的瞬時(shí)變形量分別為15和22 mm，與其他兩種錨桿相比，CRM700錨桿鋼材的瞬時(shí)變形量是HRB500錨桿的1.33倍，而略小于CRM600錨桿。

總體來看，CRM700錨桿的載荷實(shí)測曲線和沖擊功曲線比較平滑，CRM600次之，HRB500最差。這主要由錨桿材質(zhì)的斷裂方式?jīng)Q定，CRM700錨桿韌性較好，裂紋緩慢擴(kuò)展后斷裂，載荷曲線表現(xiàn)出平滑特征;HRB500錨桿鋼材產(chǎn)生裂紋后，出現(xiàn)突然斷裂，載荷曲線表現(xiàn)為急劇跌落特征。主裂紋的擴(kuò)展致使載荷曲線急劇跌落，HRB500 和CRM600兩種錨桿材料受到?jīng)_擊載荷作用后，材料斷裂主要由主裂紋的擴(kuò)展引起的，急劇跌落后的曲線是由次生裂紋引起的，次生裂紋擴(kuò)展也能吸收少部分的能量。與前面2種錨桿相比，CRM700的載荷曲線比較平滑，這說明其主裂紋和次生裂紋差別不大，裂紋擴(kuò)展較均勻，吸能特性更優(yōu)。

圖2 錨桿示波沖擊曲線Fig.2 Impact test curves of bolts

對比3種錨桿的靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)特性，CRM700錨桿不僅能滿足靜載條件下巷道支護(hù)的材料要求，且強(qiáng)度更高，同時(shí)也能滿足沖擊地壓巷道支護(hù)材料所要求的瞬時(shí)變形和吸能特性，CRM700錨桿對沖擊地壓巷道具有較好的適應(yīng)性。

1.3 錨桿斷口形態(tài)和金相組織分析

委托國家鋼鐵材料測試中心對不同沖擊韌性錨桿材料的斷口組織和金相組織進(jìn)行了測試與分析，鑒于CRM600錨桿和CRM700錨桿均為熱處理加工工藝制作，其斷口形態(tài)和金相組織基本相同，因此，僅對HRB500和CRM700的斷口組織和金相組織進(jìn)行對比分析，HRB500錨桿和CRM700錨桿斷口形貌如圖3,4所示，錨桿斷口金相組織如圖5所示。

圖3 HRB500錨桿斷口形貌Fig.3 Microscopic image of HRB500 bolt

圖4 CRM700錨桿斷口形貌Fig.4 Microscopic image of CRM700 bolt

圖5 錨桿斷口金相組織Fig.5 Metallographic structure of bolt fracture

由圖3和4斷口形貌可以看出:HRB500錨桿斷口源區(qū)為韌窩形態(tài)，中部擴(kuò)展區(qū)為準(zhǔn)解理+少量韌窩，終斷區(qū)為韌窩形態(tài);而CRM700錨桿斷口附近全部為韌窩形態(tài);由圖5可以看出，HRB500錨桿金相組織為鐵素體+珠光體，而CRM700錨桿金相組織為回火索氏體+貝氏體+鐵素體，金相組織的差異導(dǎo)致兩者吸收沖擊能量不同。HRB500錨桿的晶粒度為6級，而CRM700錨桿的晶粒度為10級。晶粒度越高，晶粒越小，強(qiáng)化效果越好;晶粒減小后晶體界面增多，有效阻礙了裂紋的擴(kuò)展，晶界面面積相應(yīng)也增大，晶界上的夾雜物濃度降低，從而避免了沿晶斷裂，大大提高了錨桿的抗沖擊性能。

2 應(yīng)變率對錨桿力學(xué)性能的影響

煤礦井下現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，沖擊地壓發(fā)生后，巷道表面圍巖的震動速度通常為0～10 m/s內(nèi)，沖擊速度不同，在支護(hù)材料錨桿上表現(xiàn)出沖擊應(yīng)變率不同，部分錨桿在低應(yīng)變率下抗沖擊能量強(qiáng)，反之則較弱。因此，僅采用拉伸測試和示波沖擊對于分析錨桿材料的抗沖擊性能有一定的局限性。開展應(yīng)變率對錨桿動態(tài)力學(xué)特性和抗沖擊性能的影響研究很有必要。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

3種錨桿的室溫準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能測試在InstronF5581萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸采用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS-13B型號尺寸，每種錨桿進(jìn)行3次準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，以確保試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性。

高速動態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)在拉伸裝置ZwickFHTMF5020上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖6所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，獲取試樣載荷-位移曲線(或強(qiáng)度-應(yīng)變曲線)。

圖6 快速拉伸試驗(yàn)裝置Fig.6 High-speed tensile impact tester

2.2 試樣制作及試驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)試樣采用國家標(biāo)準(zhǔn)制作，試樣應(yīng)保持均勻光滑以確保材料的單向應(yīng)力狀態(tài)，均勻部分的有效工作長度稱為標(biāo)距，試樣的過渡部分應(yīng)有適當(dāng)?shù)膱A角以降低應(yīng)力集中，兩端的夾持部分用以傳遞載荷。尺寸如圖7所示，試樣工作部分長度為15 mm，寬度為6 mm，厚度為3 mm，標(biāo)距為15 mm，圓角半徑為10 mm。

圖7 試樣照片及其尺寸Fig.7 Photographs and dimensions of samples

井下沖擊地壓所造成巷道圍巖震動速度通常為0～10 m/s，所對應(yīng)的應(yīng)變率為0～600 s-1，考慮快速拉伸試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)變率測試范圍，本次實(shí)驗(yàn)所采用的試驗(yàn)機(jī)的拉伸應(yīng)變率選為4種，分別為0.05,33,200,300 s-1。為研究錨桿材料拉伸試樣斷裂模式的應(yīng)變率效應(yīng)，對3種錨桿材料各進(jìn)行了4種應(yīng)變率效應(yīng)下的快速拉伸試驗(yàn)，每個(gè)加載速度做3組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。

2.3 不同應(yīng)變率下錨桿力學(xué)性能分析

獲取了3種錨桿在4種不同應(yīng)變率下的拉伸工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線，3種錨桿的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線如圖8所示。

圖8 不同應(yīng)變率下3種錨桿應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of three kinds bolts under different strain rates

由圖8(a)中可以看出，HRB500錨桿在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)基本相同，隨著應(yīng)變率的提高，HRB500錨桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著提高，應(yīng)變率為0.05 s-1時(shí)，錨桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為590和748 MPa，應(yīng)變率為300 s-1時(shí)，錨桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為797和916 MPa，HRB500錨桿應(yīng)變率敏感性較強(qiáng)，應(yīng)變率對其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度影響較大;隨著應(yīng)變率的增大，錨桿的應(yīng)變并不呈線性增加，而是呈先減小后增大的趨勢，應(yīng)變率為300 s-1時(shí)，錨桿的應(yīng)變最大，達(dá)到0.38。

由圖8(b)中可以看出，CRM600錨桿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)與HRB500錨桿的基本相同，隨著應(yīng)變率的提高，CRB600錨桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有一定提高，應(yīng)變率為0.05 s-1時(shí)，錨桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為680和821 MPa，應(yīng)變率為300 s-1時(shí)，錨桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為812和916 MPa，CRB600錨桿應(yīng)變率敏感性相對HRB500錨桿較弱，應(yīng)變率對其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有一定影響，但影響不大;隨著應(yīng)變率的增大，錨桿的應(yīng)變呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，應(yīng)變率為300 s-1時(shí)，錨桿的應(yīng)變最小，達(dá)到0.29。

由圖8(c)中可以看出，CRM700錨桿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)與前兩種錨桿基本相同，隨著應(yīng)變率的提高，CRB700錨桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比準(zhǔn)靜態(tài)下的有一定提高，但當(dāng)應(yīng)變率超過33 s-1時(shí)，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度基本保持不變;隨著應(yīng)變率的增大，錨桿的應(yīng)變呈現(xiàn)增大的趨勢，應(yīng)變率為300 s-1時(shí)，錨桿的應(yīng)變最大，達(dá)到0.34;應(yīng)變率對CRM700錨桿的應(yīng)力影響不大，而對其應(yīng)變影響較為顯著。

總體來看，3種錨桿對應(yīng)變率均有一定程度的應(yīng)變率敏感性，但敏感程度不同。熱處理錨桿對應(yīng)變率敏感性較低，即使在高應(yīng)變率下也保持了良好了延伸吸能特性，而熱軋錨桿則與之相反。

2.4 應(yīng)變率對錨桿延伸率和斷口收縮率的影響

為了分析應(yīng)變率對不同錨桿的瞬時(shí)延伸率和斷口收縮率的影響，對試驗(yàn)后試樣的延伸率和斷口收縮率進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖9,10所示。

圖9 不同應(yīng)變率下錨桿試樣延伸率Fig.9 Elongation of bolt specimen at different strain rates

圖10 不同應(yīng)變率下錨桿試樣的斷面收縮率Fig.10 Section shrinkage of bolt specimens at different strain rates

由圖9中可以看出，應(yīng)變率對3種錨桿的延伸率影響較大，HRB500錨桿延伸率對高應(yīng)變率比較敏感，而對低應(yīng)變率敏感性差;CRM600錨桿在低應(yīng)變率下延伸率較大，表現(xiàn)出了良好的吸能特性，但在高應(yīng)變率下(300 s-1)延伸率急劇減小，影響了其吸能特性;CRM700錨桿隨著應(yīng)變率的增加，其延伸率逐漸增大，對不同應(yīng)變率下的沖擊載荷均有良好的吸能特性。

由圖10可以看出，應(yīng)變率對3種錨桿試樣的斷面收縮率也有一定影響。HRB500錨桿的斷面收縮率隨著應(yīng)變率的增加先減少后增大，CRM600錨桿和CRM700錨桿的斷面收縮率隨著應(yīng)變率的增大而減小，而CRM600號錨桿衰減程度更快，表明其在高應(yīng)變率沖擊下不易變形吸能，CRM700號錨桿斷面收縮率衰減程度較小，對不同應(yīng)變率下的沖擊載荷均有良好的適應(yīng)性。

2.5 應(yīng)變率對錨桿動態(tài)力學(xué)性能影響的微觀作用機(jī)制

對于金屬材料來說，在受到高應(yīng)變率沖擊載荷作用下，金相組織中大量的位錯(cuò)積聚在第2相周圍，晶粒間的位錯(cuò)會受到抑制作用，導(dǎo)致金屬材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而提高。比如HRB500錨桿材料，其鐵素體晶粒尺寸大，晶粒級別為6級，在不同的應(yīng)變率沖擊載荷作用下，金相組織中的鐵素體內(nèi)部位錯(cuò)在第2相周圍積聚的梯度不同，其在力學(xué)特性上表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度對應(yīng)變率敏感性較強(qiáng);而對CRM700錨桿來說，其金相組織中的鐵素體晶粒尺寸為10級，晶粒尺寸小，且鐵素體較均勻的環(huán)繞在第2相晶粒周圍，其受到不同應(yīng)變率沖擊載荷作用后，金相組織中的位錯(cuò)積聚程度降低，力學(xué)特性表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度對應(yīng)變率敏感性較弱。

3種材料試樣的斷面收縮率隨應(yīng)變率的提高而減小，而CRM700錨桿的延伸率反隨著應(yīng)變率的提高而增加，這主要是由于在高應(yīng)變率作用下，金相組織中鐵素體中位錯(cuò)在極短時(shí)間內(nèi)受到極高的切應(yīng)力作用，極高的切應(yīng)力超過了晶?；葡档呐R界分切應(yīng)力，所以晶粒會產(chǎn)生更大的位錯(cuò)滑移，大幅度提高了材料的延伸率。

3 結(jié) 論

(1)CRM700錨桿的沖擊吸收功分別是HRB500和CRM600的1.30倍和1.14倍;峰值載荷分別是兩種錨桿的1.18倍和1.07倍;瞬時(shí)變形量分別是兩種錨桿的1.33倍和0.91倍。CRM700錨桿的載荷曲線和沖擊功曲線比較平滑，材料受到?jīng)_擊載荷后呈現(xiàn)出緩慢斷裂的特性，對沖擊載荷具有良好的適應(yīng)性。

(2)應(yīng)變率對3種錨桿的力學(xué)特性影響規(guī)律差異較大，應(yīng)變率對HRB500錨桿的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和應(yīng)變影響顯著，對CRM600錨桿的影響較小，對CRM700錨桿的影響最小。CRM700錨桿應(yīng)變隨應(yīng)變率的提高顯著增大，很好的適應(yīng)了高應(yīng)變率下的沖擊載荷，在高應(yīng)變率沖擊載荷作用下，能通過增加瞬時(shí)變形提高吸能能力。

(3)錨桿動態(tài)力學(xué)特性的差異本質(zhì)在于金相組織的不同，金相組織中的鐵素體晶粒尺寸越大，位錯(cuò)在第2相周圍積聚的梯度就越高，在力學(xué)特性表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度對應(yīng)變率敏感性越強(qiáng);反之，鐵素體晶粒尺寸小，那么其位錯(cuò)積聚規(guī)律與之相反。高應(yīng)變率使鐵素體中位錯(cuò)在極短時(shí)間內(nèi)受到極高的切應(yīng)力作用，致使晶粒會產(chǎn)生更大的位錯(cuò)滑移，大幅度提高了材料的延伸率，從而使材料能夠吸收更多的能量。