基于物質(zhì)-場分析的可拆卸礦用錨具的優(yōu)化設(shè)計研究

羅 文，毛愛菊，楊俊彩，范潤喜，彭 鵬

(1.國能神東煤炭有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719315；2.天津市振華預(yù)應(yīng)力技術(shù)有限公司，天津 300385)

預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)在建筑、橋梁、隧道、水利工程等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，可以有效地提高各種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及安全性[1，2]。預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)將可承受拉力的構(gòu)件(錨索或錨桿)設(shè)計布置在巖土層中，將較穩(wěn)定的巖土地層與被加固件緊密結(jié)合，通過對被加固件主動施加壓應(yīng)力而構(gòu)成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)復(fù)合體[3，4]。在煤礦巷道支護(hù)使用過程中，錨固技術(shù)對原巖擾動較小，具有承載能力高、施工技術(shù)成熟、安全可靠等特點[5，6]。

預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)在煤礦支護(hù)中的應(yīng)用具有重要意義，采用預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)的煤礦在其綜采工作面回采后，由于錨索的錨固及錨索的懸吊作用，工作面后方巷道頂板不能隨采面放頂而冒落，從而形成工作面上下端頭后部的較大范圍懸頂，導(dǎo)致懸頂三角區(qū)瓦斯聚集超限、區(qū)段煤柱壓力增大等，給回采帶來較大安全隱患。此外，拆除的托盤可以二次使用，從而降低巷道支護(hù)與維護(hù)費用[7，8]。

國內(nèi)外學(xué)者針對預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)方式采用理論、仿真、實驗室及現(xiàn)場試驗進(jìn)行系統(tǒng)研究?？导t普團(tuán)隊針對高應(yīng)力圍巖巷道提出了“支護(hù)-改性-卸壓”[9]、“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”[10]等協(xié)同控制技術(shù)，并針對支護(hù)材料進(jìn)行詳細(xì)研究[11，12]。此外，眾多學(xué)者對預(yù)應(yīng)力錨具進(jìn)行研究，黃毅等[13]設(shè)計了緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨具，通過實驗室試驗及仿真研發(fā)了配套緩黏結(jié)筋的錨具產(chǎn)品；董昊等[14]對反拉法測試曲線的突變段原因進(jìn)行探討，提出了反拉荷載在夾片拉脫過程中需克服錨具握裹力從而導(dǎo)致突變段產(chǎn)生的觀點；張峰等[15，16]為研究張拉力荷載測試曲線突變段和夾片咬合力的關(guān)系，采用拉脫法檢測預(yù)應(yīng)力鋼絞線受力，并結(jié)合電阻式壓力傳感器測試了混凝土梁錨具下與錨具之間的受力狀態(tài)，此外，提出了塑性變形導(dǎo)致的咬合力測試方案；劉中沛[17]對錨具產(chǎn)生影響的鋼絞線、樣品處理、組件安裝、組件預(yù)緊、加載速度控制及設(shè)備影響等六種因素進(jìn)行系統(tǒng)分析；曾勝武[18]對錨具進(jìn)行靜載試驗發(fā)現(xiàn)，錨具本身性能及設(shè)備精度、長期穩(wěn)定性對試驗的影響較大；褚曉威等[19]發(fā)現(xiàn)錨索與夾片硬度差不合理、錨索直徑誤差偏大、錨索強(qiáng)度和硬度偏大、限位距離不合理和錨具質(zhì)量是影響錨固效果的主要因素；費漢兵等[20]對我國現(xiàn)行預(yù)應(yīng)力鋼絞線用錨具的夾片進(jìn)行對比分析，并對規(guī)范中夾片錨具的硬度取值范圍和測試方法給予建議；李健等[21]借助正交試驗對可拆卸錨具非自鎖性能的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行試驗研究，并尋找到一組合理的設(shè)計參數(shù)；馬振乾等[22]采用有限差分法軟件FLAC2D從動力擾動的角度分析錨具滑移機(jī)制，通過擠壓錨具和螺紋錨具相互結(jié)合解決錨具滑移問題。

綜上所述，為了解決錨索錨具拆除存在的問題，現(xiàn)有的研究成果主要從巷道圍巖控制角度出發(fā)，不斷完善巷道圍巖控制理論，提高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)，針對錨具構(gòu)件主要從實驗室試驗角度出發(fā)，鮮有從物質(zhì)-場角度進(jìn)行錨具結(jié)構(gòu)優(yōu)化。因此，作者分析了錨環(huán)-夾片-錨索三者之間物質(zhì)-場關(guān)系，從消除非有效完整功能的物質(zhì)-場模型、減緩有害功能的物質(zhì)-場模型等兩個方面進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行二次錨具結(jié)構(gòu)改進(jìn)，分析了張拉力與破斷負(fù)荷比和拆卸錨具剩余載荷，從而研發(fā)出一種新型錨具，實現(xiàn)安全高效的預(yù)應(yīng)力錨索錨具拆除，解決回采巷道頂板安全問題，保障正?；夭珊桶踩a(chǎn)。

1 礦用錨具受力及卸錨分析

預(yù)應(yīng)力錨索是用柔性的預(yù)應(yīng)力材料制作，由錨索、錨具、錨固段及其錨固的圍巖、預(yù)開的錨索孔等組成。礦用錨具作為預(yù)應(yīng)力錨索核心構(gòu)件，主要由夾片和錨環(huán)組成，其中錨環(huán)內(nèi)孔為錐面，夾片外部也制備出相適配的錐面。錨具的受力符合楔塊原理，夾片越往內(nèi)徑小的錨環(huán)方向受力，兩者之間的夾持力越大，錨具對錨索的鎖止越緊。將礦用錨具簡化后的受力分析如圖1所示。

圖1 礦用錨具受力簡圖Fig.1 Stress diagram of mine anchorage

其中，θ為夾片與錨環(huán)的錐角，f1為夾片與錨環(huán)之間的總壓應(yīng)力反力、α為夾片與錨環(huán)之間的摩擦角，f2為夾片與錨索之間的夾持力、β為夾片與錨索之間的摩擦角。對錨索結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析可知：

f1h=f1cos(θ+α)

(1)

f1v=f1sin(θ+α)

(2)

式中，f1h和f1v分別為f1在水平方向和豎直方向的分力。

分析可知，對于夾片的整體受力而言，其水平方向的受力大小相同，即：

f1h=f2

(3)

工作狀態(tài)下，夾片與錨索之間不能夠產(chǎn)生相對的滑動，也就是必須滿足f1v≤f2tanβ，即：

θ+α≤β

(4)

根據(jù)已有的研究成果[23]發(fā)現(xiàn)，一種錨具的結(jié)構(gòu)相較于其他類型錨具在錨固效果上具有優(yōu)勢，錨具具體尺寸見表1。

表1 礦用錨具具體尺寸Table 1 Specific dimensions of mine anchors

在實際支護(hù)過程中，對礦用錨具進(jìn)行拆卸時，通常采用限位、張拉的方式使用千斤頂對錨索施加載荷，在正常預(yù)應(yīng)力載荷條件下，需要的卸錨力較大，且張拉后錨索上的夾片咬合錨索，無法彈出，錨索內(nèi)仍存留部分殘余預(yù)應(yīng)力，存在較大的安全隱患。雖然此錨具夾片和錨環(huán)之間存在0.1°的錐角，接觸面積不全面，但在卸載時仍需要較大的張拉力，因此論文將在表1型號錨具的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

2 礦用錨具物質(zhì)-場模型分析

為了進(jìn)一步對礦用錨具的受力進(jìn)行分析，可以采用物質(zhì)-場模型來描述其使用和拆卸過程中的各種要素及其相互作用。

2.1 物質(zhì)-場模型介紹

物質(zhì)-場模型[24]是TRIZ方法的重要分析工具，用于分析與現(xiàn)存技術(shù)相關(guān)的模型類問題。所有技術(shù)系統(tǒng)的功能都是為了實現(xiàn)某種功能，而所有的系統(tǒng)都可以分解成三個基本元素：兩個物質(zhì)(S1，S2)和一個場(F)，復(fù)雜系統(tǒng)可以通過連接多個“物場”三角形來建模。其中物質(zhì)S1是系統(tǒng)動作的接收者，場F通過物質(zhì)S2作用于物質(zhì)S1，改變S1，場是一個能量的概念，包括各種類型的場。本研究中的場主要為力場，如圖2所示。

圖2 最小系統(tǒng)的物質(zhì)-場模型Fig.2 Sub-field model of the smallest system

TRIZ中將基本物質(zhì)-場模型分為4類，如圖3所示。

圖3 物質(zhì)-場模型的分類Fig.3 Classification of matter-field models

2.2 基于物質(zhì)-場模型錨具使用分析

礦用預(yù)應(yīng)力錨索的物質(zhì)-場模型表現(xiàn)為錨索-夾片-錨環(huán)相互作用模型，在錨具的使用和拆卸情境下，物質(zhì)場分析可以分別從使用過程和拆卸過程兩個角度展開。退錨即將錨索端部的錨具拆卸下來，使其失去張拉功能其方法是利用專用退錨器對鎖具外套施加向上的作用力，使錨環(huán)與夾片同時脫離，夾片脫離后錨索與索具脫離，錨索的錨固隨即失效。

為了進(jìn)一步分析錨具受力狀況，建立了礦用錨具使用和拆卸情境下的問題物質(zhì)-場模型，如圖4所示。

圖4 礦用錨具使用和拆卸情景下的物質(zhì)-場模型Fig.4 Sub-field model of use and disassembly of mine anchors

圖6 夾片和錨環(huán)作用的問題模型Fig.6 Problem model of the action of clip and anchor ring

對礦用錨具使用和拆卸情景下的物質(zhì)-場模型進(jìn)一步分析，可知錨具在實際使用和拆卸情境下存在的問題主要包括以下三個方面：

1)卸錨工具張拉錨索時需要先夾固錨索，鋼絞線不易夾持，導(dǎo)致施力困難，表現(xiàn)出非有效完成功能的物質(zhì)-場模型，場主要為夾拉機(jī)械場，如圖5所示。

圖5 卸錨工具和錨索作用的問題模型
Fig.5 Problem model of the action of anchor unloading tools and anchor cables

3)卸錨后夾片從錨環(huán)脫出，但夾片與錨索咬合，使夾片從錨索脫離困難，夾片對錨索表現(xiàn)出有效的物質(zhì)-場模型，場主要為咬合機(jī)械場，錨索對夾片表現(xiàn)出有害功能的物質(zhì)-場模型，場主要為摩擦機(jī)械場，如圖7所示。

圖7 錨索和夾片作用的問題模型Fig.7 Problem model of anchor cable and clip action

錨具優(yōu)化將從消除非有效完整功能的物質(zhì)-場模型、減緩有害功能的物質(zhì)-場模型等兩個角度出發(fā)，進(jìn)一步完善錨具結(jié)構(gòu)，可滿足支護(hù)過程中錨具的預(yù)緊力和退錨的要求。

2.3 礦用錨具卸錨問題的解決和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

礦用錨具在卸錨過程中，通常拆用張拉千斤頂?shù)刃跺^工具夾持并張拉錨索，使錨索延展，帶動夾片從錨索中脫離，但鋼絞線本身的材質(zhì)和表面結(jié)構(gòu)特性使其不易被夾持，張拉力施加困難?；谏鲜龇治?，本研究提出的新型可拆卸礦用錨具應(yīng)克服上述問題，具備以下性能：預(yù)應(yīng)力加載情況下，錨具應(yīng)具備良好的錨固性能，滿足國標(biāo)GB/T14370要求的靜載錨固性能；拆卸錨索時，拆卸力低于錨索張拉錨固力的50%，錨具拆卸后錨索的剩余力為0；錨具拆卸過程不產(chǎn)生火花，安全可靠。

根據(jù)上述分析，建立錨具的物質(zhì)-場模型，基于物質(zhì)-場模型變換規(guī)則對其進(jìn)行轉(zhuǎn)化解決，主要通過消除非有效完整功能的物質(zhì)-場模型，優(yōu)化錨具，具體優(yōu)化過程如圖8所示。

圖8 礦用錨具物質(zhì)-場模型轉(zhuǎn)換過程Fig.8 Process of sub-field model conversion of mine anchorage

根據(jù)圖8的礦用錨具物質(zhì)-場模型轉(zhuǎn)換中，對卸錨工具夾持拉拔錨索的不足作用場進(jìn)行了裁剪，將此功能使用卸錨工具對錨環(huán)的夾拉作用來替代，同時基于此功能需求對錨環(huán)進(jìn)行了改良設(shè)計。將錨環(huán)分割為外錨環(huán)和內(nèi)錨芯的分體式結(jié)構(gòu)，外錨環(huán)增加T型特征臺，可供卸錨工具拉拔使用；錨芯內(nèi)孔錐角6.0°，外部為圓柱形，與外錨環(huán)緊配合。拆錨時，用卸錨工具拉動錨環(huán)的T型臺，可順利的將錨環(huán)和錨芯脫離。重新設(shè)計的錨環(huán)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 錨環(huán)改良后的錨具結(jié)構(gòu)Fig.9 The anchorage structure after the improved anchor ring

對錨環(huán)改良后的錨具進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力載荷下的卸錨實驗，實驗結(jié)果見表2。通過實驗過程及數(shù)據(jù)可知，改良后的錨具在卸錨過程中拆卸力有較大改善，但仍存在錨芯和錨環(huán)的摩擦力過大問題，且拆卸后錨芯與夾片緊密結(jié)合，無法破開，剩余力較大，未達(dá)到拆卸錨具剩余載荷為0 kN的要求。由于錨芯限制，夾片無法順利從錨索分離。如圖10所示。整體實驗結(jié)果顯示錨具結(jié)構(gòu)仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

表2 錨環(huán)改良后的錨具卸錨實驗數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of anchor unloading with improved anchor ring

圖10 卸錨后錨芯與夾片無法脫開Fig.10 Anchor core and clip cannot be detached after anchor unloading

基于上述實驗結(jié)果，針對圖10中最終的問題物質(zhì)-場模型，繼續(xù)對其進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，將錨芯-夾片-錨索之間的有害功能的物質(zhì)-場模型轉(zhuǎn)化為有效的物質(zhì)-場模型，如圖11所示。

圖11 礦用錨具物質(zhì)—場模型轉(zhuǎn)換過程Fig.11 The second process of sub-field model conversion of mine anchorage

根據(jù)圖11所示的礦用錨具物質(zhì)-場模型，對錨芯進(jìn)行了改良設(shè)計，將錨環(huán)和錨芯以結(jié)合面設(shè)計為角度為3°的楔形結(jié)構(gòu)，以大幅減小卸錨力，同時在錨芯上設(shè)計出彈性張裂槽，使錨芯與錨環(huán)脫離后可自行裂開，從而與夾片分離。錨芯改良的錨具結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 錨芯改良后的錨具結(jié)構(gòu)Fig.12 Anchorage structure after the improved anchor core

對錨芯改良后的錨具重新進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力載荷下的卸錨實驗，實驗結(jié)果見表3。通過實驗室試驗分析可知，錨芯改良后的錨具在卸錨過程中卸錨順暢，卸載力低于50%的張拉力，卸錨后錨芯裂開，夾片可輕易從錨索上分離，剩余載荷接近0 kN，滿足退錨設(shè)計要求。

表3 錨芯改良后的錨具卸錨實驗數(shù)據(jù)Table 3 Experimental data of anchor unloading with improved anchorcore

3 現(xiàn)場試驗

為了進(jìn)一步驗證新型可拆卸礦用錨具的現(xiàn)場使用實際效果，在蒙大礦的井下巷道的預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)作業(yè)中進(jìn)行應(yīng)用，并在局部工段進(jìn)行了卸錨實驗，檢驗新型錨具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可行性。

蒙大礦實驗現(xiàn)場使用的錨索為1×19—21.8—1860 MPa鋼絞線，破斷負(fù)荷為589 kN，支護(hù)張拉力選為295 kN?，F(xiàn)場卸錨場景如圖13所示，現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 可拆卸礦用錨具蒙大礦現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)Table 4 Field test data of detachable anchor in Mengda Mine

圖13 可拆卸礦用錨具在蒙大礦的卸錨現(xiàn)場Fig.13 Detachable mine anchors at the unloading site of Mengda Mine

現(xiàn)場試驗過程和試驗數(shù)據(jù)表明，新型可拆卸礦用錨具解決了卸載力和卸錨后剩余載荷大等問題，即新型可拆卸礦用錨具拆卸力低于50%的張拉力，卸錨后錨芯脫落、夾片彈開并與錨索分離，最終剩余載荷為0 kN，卸錨過程中無沖擊和火花現(xiàn)象。

實驗結(jié)果表明論文提出的新型可拆卸錨具符合國標(biāo)要求，實際應(yīng)用性較好，可在煤礦預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)中推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 論

1)將物質(zhì)—場模型引入錨具的使用和拆卸場景，對錨具結(jié)構(gòu)的存在的結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種新型的可拆卸礦用錨具的新結(jié)構(gòu)。

2)錨具從消除非有效完整功能的物質(zhì)—場模型、減緩有害功能的物質(zhì)—場模型等兩個方面進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計了外錨環(huán)和改良錨芯，外錨環(huán)優(yōu)化非有效完整功能物質(zhì)—場，改良錨芯將有害功能的物質(zhì)—場轉(zhuǎn)化為有效物質(zhì)—場，可滿足拆卸力低于50%的張拉力和卸錨后剩余載荷為0 kN的要求。

3)新型可拆卸錨具符合國標(biāo)要求，實際應(yīng)用性較好，現(xiàn)場應(yīng)用效果較好，可滿足巷道支護(hù)高預(yù)應(yīng)力及回采后小懸頂面積要求，保證巷道圍巖安全。