礦用錨桿托板動(dòng)靜載力學(xué)特性試驗(yàn)研究

王書文，付玉凱，金 峰，周鵬赫，姚 偉

(1.中國中煤能源集團(tuán)有限公司，北京 100120；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017318)

錨桿支護(hù)已成為我國煤礦巷道的主體支護(hù)方式，支護(hù)占比已達(dá)90%[1]。影響巷道錨桿支護(hù)效果的因素主要有支護(hù)參數(shù)、支護(hù)構(gòu)件的選取、支護(hù)構(gòu)件的匹配性、支護(hù)構(gòu)件強(qiáng)度及預(yù)緊扭矩等因素，其中支護(hù)構(gòu)件的強(qiáng)度是影響巷道支護(hù)效果的關(guān)鍵因素之一[2，3]。隨著巷道埋深和賦存地質(zhì)條件的日益復(fù)雜，國內(nèi)許多單位相繼開發(fā)了系列高強(qiáng)度錨桿、熱處理錨桿及鋼棒等支護(hù)材料[4，5]。雖然錨桿支護(hù)材料取得了快速的發(fā)展，但相應(yīng)的錨桿支護(hù)構(gòu)件托板結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度卻變化不大，導(dǎo)致井下諸多錨桿托板破壞失效，嚴(yán)重影響了巷道錨桿支護(hù)效果[6，7]。

目前學(xué)者對(duì)托板的研究主要包括以下三個(gè)方面：一是，在托板支護(hù)作用方面，陸士良[8，9]和林健[10]分別研究了托板在錨桿預(yù)應(yīng)力傳遞中的作用；張劍、李中偉[11，12]針對(duì)沿空留巷中托板強(qiáng)度低、錨桿(索)預(yù)應(yīng)力低等問題，通過調(diào)整托板尺寸、結(jié)構(gòu)和錨桿預(yù)應(yīng)力，有效控制了沿空留巷圍巖變形破壞。二是，在托板力學(xué)性能方面，康紅普[13，14]測(cè)試了煤礦常用托板的力學(xué)性能，并確定了影響托板承載力的關(guān)鍵因素；賈西閣和劉少偉等[15，16]研究了不同材質(zhì)托板的破壞形式，并分析了影響托板變形破壞的因素。三是：在托板結(jié)構(gòu)研究方面。馬永忠[17]研究了纖維增強(qiáng)復(fù)合材質(zhì)托板的力學(xué)特性，獲取了非金屬托板合理的結(jié)構(gòu)和參數(shù)；劉雙躍[18]和鄭仰發(fā)[19]采用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的方法，研究了托板形狀、拱高、厚度等參數(shù)對(duì)托板強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響。

從現(xiàn)有的研究成果來看，錨桿托板的研究主要集中在其支護(hù)作用、力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)等方面，并且主要以靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)為主，很少涉及沖擊動(dòng)載對(duì)錨桿托板力學(xué)的影響。鑒于沖擊地壓巷道錨桿托板動(dòng)載失效問題，選取了蒙陜深部礦井三種常用的錨桿托板，采用伺服壓力試驗(yàn)機(jī)和落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)開展靜動(dòng)載力學(xué)性能測(cè)試，獲取錨桿托板結(jié)構(gòu)的力-位移曲線、沖擊力時(shí)程曲線等，分析不同托板結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜載力學(xué)特性，通過研究從而為沖擊地壓巷道錨桿支護(hù)托板的選取提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 錨桿托板靜動(dòng)載力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

1.1 錨桿支護(hù)系統(tǒng)及靜動(dòng)載破壞特征

錨桿支護(hù)系統(tǒng)組成如圖1所示，錨桿支護(hù)系統(tǒng)主要包括錨桿、金屬網(wǎng)、鋼帶、托板、球墊、墊圈及螺母等附件。

圖1 錨桿支護(hù)系統(tǒng)

在普通巷道中，錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)托板主要受靜載荷作用，而在沖擊地壓巷道中，托板不僅受圍巖靜載載荷的作用，還會(huì)受到?jīng)_擊動(dòng)載荷的影響[20-21]。沖擊地壓發(fā)生時(shí)，強(qiáng)烈的沖擊造成托板與圍巖間的作用力劇增，進(jìn)而造成托板接觸區(qū)域圍巖破裂、垮落，托板懸空失效。對(duì)于強(qiáng)度較高的圍巖，托板出現(xiàn)過載彎折、撕裂，甚至造成錨桿破斷。因此，在沖擊地壓巷道中如何選取合適的托板是實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)防沖效果的關(guān)鍵因素之一。

1.2 錨桿托板靜載測(cè)試裝置

錨桿托板靜載力學(xué)特性測(cè)試采用JAW-1500型壓力試驗(yàn)機(jī)，JAW-1500型壓力試驗(yàn)機(jī)最大靜載壓力1500kN。測(cè)試時(shí)，將試樣放置在試驗(yàn)機(jī)支座上，托板在上，緩沖墊層在下，加載過程中采用力控制的方法加載，加載速率為1kN/s，如圖2所示，監(jiān)測(cè)托板失效過程中的位移-力曲線，加載直至結(jié)構(gòu)失效為止。

圖2 錨桿托板靜載試驗(yàn)

1.3 錨桿托板動(dòng)載測(cè)試裝置

圖3 落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)及托板沖擊布置

1.4 實(shí)驗(yàn)試樣選取

本次實(shí)驗(yàn)選取大海則礦、母杜柴登礦和葫蘆素礦三種常用的錨桿托板，編號(hào)分別為A、B和C，均為拱形托板，材質(zhì)為Q235。A托板直徑197mm，厚度10mm，拱底直徑119.5mm，拱高30.5mm；B托板尺寸為145mm×145mm，厚度10mm，拱底直徑100.5mm，拱高34.0mm；C托板尺寸為145mm×145mm，厚度12mm，拱底直徑100.5mm，拱高34.7mm。三種常用的錨桿托板實(shí)物如圖4所示。

圖4 三種常用的錨桿托板

2 錨桿托板靜載實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 托板靜載破壞特征

利用伺服壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了3個(gè)礦的錨桿托板力學(xué)性能，加載至托板拱部結(jié)構(gòu)被壓平、四角翹起為止。3個(gè)礦的錨桿托板加載前后的形態(tài)如圖5所示，從圖中可以看出，3種托板均出現(xiàn)了變形破壞，但變形形態(tài)略有不同。A托板在加載過程中，四角沒有出現(xiàn)明顯的翹起，而拱部降低比較明顯，隨著拱高的降低，托板逐步失去承載能力；B托板四角翹起比較明顯，隨著加載力的增加，托板拱高急劇降低，托板四角已完全脫離底座，拱部結(jié)構(gòu)坍塌，托板的拱形結(jié)構(gòu)被壓平，托板失去承載能力；C托板四角略有翹起，但翹起程度要明顯小于母杜柴登煤礦，隨著加載力的增加，拱部結(jié)構(gòu)降低比較明顯，托板破壞主要以拱高降低為主。

圖5 3種錨桿托板加載前后變形形態(tài)

整體來看，不同礦的托板在靜載作用下的變形形態(tài)明顯不同。A托板為圓形結(jié)構(gòu)，托板受力狀態(tài)最好，在加載過程中托板底部能保持平整，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)與圍巖接觸面積大，受力狀態(tài)好；B托板為方形結(jié)構(gòu)，厚度較低，再加上四角區(qū)域受力較大，在受力較大時(shí)易出現(xiàn)四角翹起的現(xiàn)象，在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，托板受力不易過高，否則影響托板與圍巖的接觸效果；C托板雖然也為方形結(jié)構(gòu)，但托板厚度較大，承載能力高，在加載過程中，托板也主要以拱高降低為主，四角翹起不明顯，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)與圍巖接觸面積大，使用效果較好。

2.2 托板靜載力學(xué)特性分析

試驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)了錨桿托板的位移-載荷曲線，3種錨桿托板載荷曲線如圖6所示。從圖中可以看出，3種錨桿托板最大承載力、承載特性明顯不同。A托板承載力特性曲線可分為3個(gè)階段，分別為承載力快速增加階段、承載力平穩(wěn)階段和承載力二次增加階段，托板最大承載力平均為212kN，最大變形量為14mm；B托板承載力特性曲線與A托板的顯著不同，3個(gè)階段不明顯，托板承載力呈現(xiàn)出逐步增加趨勢(shì)，未有明顯的承載力平穩(wěn)階段，托板最大承載力平均為231kN，最大變形量為13.9mm；C托板承載力特性曲線與其它兩個(gè)礦的明顯不同，C托板承載力曲線可分為2個(gè)階段，分別為承載力快速增加階段和承載力平穩(wěn)階段，托板最大承載力平均為276kN，最大變形量為12mm。

圖6 錨桿托板靜載載荷-位移曲線

整體來看，由于C托板厚度最大，拱部結(jié)構(gòu)最為合理，其最大承載力要明顯大于A和B托板，并且托板承載過程中，C托板底部平整，四角在受載過程中仍能保持平整，與圍巖接觸好，有利于錨桿預(yù)緊力在圍巖中的傳遞；B托板由于厚度較小，承載力中等，托板在承載過程中易出現(xiàn)四角翹起的顯現(xiàn)，這會(huì)導(dǎo)致托板與圍巖的接觸由面接觸轉(zhuǎn)化為線接觸，不利于錨桿預(yù)緊力在圍巖中的傳遞，托板在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中載荷不宜超過200kN；A托板由于拱部尺寸小，厚度較小，其承載力最低，并且其承載力曲線變化較大，托板在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中載荷不宜超過120kN。

3 錨桿托板動(dòng)載實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試樣沖擊破壞特征

根據(jù)落錘重量和沖擊速度設(shè)定，本次測(cè)試的沖擊能量選擇為500J、1000J、1500J、2000J、2500J、3000J、3500J、4000J、4500J和5000J。采用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)3種錨桿托板進(jìn)行沖擊測(cè)試，由于測(cè)試方案較多，僅對(duì)部分沖擊能量下的托板變形形態(tài)進(jìn)行分析，沖擊能量分別為500J、2500J和4500J的托板變形破壞照片如圖7所示。從圖中可以看出，3種錨桿托板隨著沖擊能量的增加，托板拱部結(jié)構(gòu)逐步降低，四角逐步翹起，其破壞形態(tài)與靜載變形有一定的相似性。但3種錨桿托板在沖擊能量下的變形破壞形態(tài)也略有不同，A托板抗沖擊能力最差，在2500J沖擊能量下托板拱部結(jié)構(gòu)已坍塌，托板已由拱形變?yōu)槠矫嫘螤?，失去承載能力；與A托板相比，B托板抗沖擊能力略高，托板在500J沖擊能量下基本沒有出現(xiàn)明顯變形，在2500J沖擊能量下托板拱部出現(xiàn)明顯變形，并且四角翹起明顯，4500J沖擊能量下托板拱部完全坍塌，托板由拱形變?yōu)槠矫嫘螤?，托板失去承載能力；C托板抗沖擊能力最強(qiáng)，托板在2500J沖擊能量下拱部有一定降低，但托板整體拱形結(jié)構(gòu)變化不大，托板四角也未出現(xiàn)明顯翹起，托板整體形態(tài)保持較好。

整體來看，托板抗沖擊能力與其靜載承載能力有一定的相關(guān)性，托板的靜載承載能力越高，其抗沖擊能力也越強(qiáng)。

圖7 3種錨桿托板沖擊變形破壞形態(tài)

3.2 不同沖擊能量下托板力學(xué)響應(yīng)規(guī)律

沖擊過程中獲取3個(gè)礦錨桿托板的沖擊力時(shí)程曲線如圖8所示。從圖中可以看出，隨著沖擊能量的增加，A托板沖擊力峰值從161kN增加至1152kN，沖擊力作用時(shí)間從9.1ms增加至13ms，沖擊力作用時(shí)間增加值13ms后基本保持不變，沖擊力峰值與沖擊力能量成正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)沖擊能量低于2500J時(shí)，沖擊力時(shí)程曲線形態(tài)基本相同，沖擊力峰值和作用時(shí)間略有差異，而當(dāng)沖擊能量超過2500J時(shí)，沖擊力時(shí)程曲線形態(tài)出現(xiàn)明顯變化，沖擊力峰值急劇增加，這主要是由于托板拱部結(jié)構(gòu)完全坍塌造成的；B托板時(shí)程曲線形態(tài)與A托板的基本相似，當(dāng)沖擊能量低于4000J時(shí)，沖擊力時(shí)程曲線形態(tài)基本相同，沖擊力峰值和沖擊力作用時(shí)間隨著沖擊能量的增加而增加，沖擊力峰值從240kN增加至302kN，作用時(shí)間從6.4ms增加至12ms。當(dāng)沖擊能量超過4000J時(shí)，沖擊力曲線形態(tài)出現(xiàn)明顯變化，沖擊力峰值急劇增加，這也是由于托板拱部結(jié)構(gòu)完全破壞導(dǎo)致的；C托板沖擊力時(shí)程曲線與其它兩個(gè)托板的差異性較大，隨著沖擊能量的增加，沖擊力峰值呈先增加后穩(wěn)定，沖擊力作用時(shí)間呈持續(xù)增加的狀態(tài)，整體的沖擊力曲線形態(tài)基本相同。

圖8 3種錨桿托板沖擊力時(shí)程曲線

整體來看，不同的錨桿托板其沖擊力時(shí)程曲線形態(tài)明顯不同，在沖擊載荷作用下錨桿托板的沖擊力峰值略大于其靜載最大承載力。靜載承載力高的托板在沖擊載荷作用下拱部結(jié)構(gòu)能保持完整，托板沖擊力峰值變化不大，主要以增加沖擊力作用時(shí)間為主，而靜載承載力低的托板受到?jīng)_擊載荷作用后，托板拱部結(jié)構(gòu)完全坍塌，托板沖擊力作用時(shí)間降低，而沖擊力急劇升高。

3.3 不同沖擊能量下托板變形量分析

分析測(cè)試了3種錨桿托板沖擊后變形情況，不同沖擊能量下托板的變形量測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，3種錨桿托板變形量均隨沖擊能量的增加呈線性增長(zhǎng)，但不同的托板增加速率不同，在相同沖擊能量下，A托板變形量最大，其次是B托板，最后是C托板。沖擊能量從500J增加至5000J時(shí)，A托板變形量呈波動(dòng)狀態(tài)增加，這主要是由于托板動(dòng)態(tài)力學(xué)特性一致性相對(duì)較差，在較高沖擊能量下托板拱部已完全坍塌，從而失去抗沖擊性能；B托板隨著沖擊能量的增加，托板變形量基本呈線性增加，與A托板相比，波動(dòng)相對(duì)較小，這說明B托板動(dòng)態(tài)力學(xué)性能一致性相對(duì)較好；與其它兩種錨桿托板相比，C托板的變形量線性增加趨勢(shì)最好，這說明C托板的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性一致性最好。

圖9 不同沖擊能量下托板變形量

整體來看，由于托板結(jié)構(gòu)、厚度等不同，在沖擊能量作用下托板的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律也明顯不同。承載力高的托板抗沖擊能力強(qiáng)，受到?jīng)_擊能量作用后，托板主要以結(jié)構(gòu)變形為主，沖擊力峰值變化不大，而承載力低的托板由于在低沖擊能量下拱部結(jié)構(gòu)已完全坍塌，致使在高沖擊能量下托板已失去抗沖擊能力，托板沖擊力急劇增加。在現(xiàn)場(chǎng)巷道錨桿支護(hù)中，要根據(jù)巷道的沖擊能量選取合適結(jié)構(gòu)的錨桿托板，巷道所受到的沖擊能量越大，錨桿支護(hù)中應(yīng)選取承載力和抗沖擊能力越高的托板。

4 結(jié) 論

1)在靜載作用下A托板受力狀態(tài)最好，加載過程中托板底部能保持平整，B托板在受力較大時(shí)易出現(xiàn)四角翹起，C托板承載能力高，主要以拱高降低為主，四角翹起不明顯。

2)靜載作用下，A托板最大承載力212kN，最大變形量為14mm；B托板最大承載力231kN，最大變形量13.9mm；C托板最大承載力平均為276kN，最大變形量為12mm。由于托板的結(jié)構(gòu)和厚度不同，3種托板靜載承載力特性明顯不同，與其它兩種相比，C托板的靜載承載特性最好。

3)3種錨桿托板的抗沖擊能力不同，托板抗沖擊能力與其靜載承載能力有一定的相關(guān)性，托板的靜載承載能力越高，其抗沖擊能力也越強(qiáng)。C托板抗沖擊能力最強(qiáng)，托板在2500J沖擊能量下拱部有一定降低，但托板整體拱形結(jié)構(gòu)變化不大，托板四角也未出現(xiàn)明顯翹起，托板整體形態(tài)保持較好。

4)承載力高的托板抗沖擊能力強(qiáng)，受到?jīng)_擊能量作用后，托板主要以結(jié)構(gòu)變形為主，沖擊力峰值變化不大，而承載力低的托板由于在低沖擊能量下拱部結(jié)構(gòu)已完全坍塌，致使在高沖擊能量下托板已失去抗沖擊能力，托板沖擊力急劇增加。