高延伸率錨索動態(tài)力學特性及工程應用

付玉凱 ，吳擁政 ，周鵬赫 ，孫卓越 ，李軍臣

（1.中煤科工開采研究院有限公司, 北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部, 北京 100013；3.煤炭科學研究總院開采研究分院, 北京 100013；4.煤炭智能開采與巖層控制全國重點實驗室, 北京 100013）

0 引 言

隨著煤礦開采深度的增加，煤礦巷道在掘進過程中常面臨高應力、軟巖、強采動及強沖擊等復雜地質條件[1–3]。傳統(tǒng)的錨桿支護材料難以滿足復雜地質條件下巷道圍巖控制要求，常造成巷道支護材料斷裂失效，圍巖出現(xiàn)強烈變形，甚至出現(xiàn)坍塌冒頂事故[4–5]。為了滿足復雜地質條件下巷道的支護要求，具有高強度、高延伸率及高抗沖擊等特性錨桿(索)支護材料及技術成為研究的熱點[6–9]。

研究發(fā)現(xiàn)，深部復雜地質條件下巷道錨桿(索)支護材料應具有高強度和一定的變形能力[10–11]。支護材料的高強度是其施加高預應力的基礎。同時，支護材料的強度高，在深部巷道圍巖使用過程中能有效避免斷裂失效；支護材料的變形能力能適應巷道圍巖的變形，使巷道圍巖的能量得到一定的釋放?；谏鲜? 個方面，國內外學者開發(fā)出了不同型號的吸能錨桿系列支護材料，根據吸能錨桿工作原理的不同可分為3 種，即桿體結構型、機械結構型及材料型吸能錨桿。

1)桿體結構型吸能錨桿。桿體結構型錨桿主要是通過桿體與錨固劑或圍巖的摩擦作用來實現(xiàn)其工作阻力和變形能力。HOEK 等[12]開發(fā)了Swellex 錨桿，Swellex 錨桿由開槽無縫鋼管桿體和托板組成，無縫鋼管通過內部高壓水膨脹實現(xiàn)桿體與圍巖的接觸，桿體與圍巖間通過摩擦力來提供支護工作阻力和變形；Noranda 公司[13]改進了Cone 錨桿的錨固方式，利用錨桿桿尾錐形體與錨固劑間的摩擦來實現(xiàn)工作阻力和變形；趙東來等[14]研發(fā)了J 型錨桿，J 型錨桿由攪拌頭、變形構件及錨固構件等組成，可以利用變形構件處的錐形體與錨固劑的摩擦來實現(xiàn)變形吸能。

2)機械結構型吸能錨桿。機械結構型吸能錨桿是通過在錨桿桿尾設計特殊的機械結構來實現(xiàn)桿體在結構中摩擦滑動吸能。澳大利亞Garford Pty公司[15]開發(fā)了Garford 錨桿，該錨桿由桿體、錨箍和攪拌頭等組成，利用桿體與錨箍間的滑動摩擦來變形吸能；Atlas Copco 公司[16]研發(fā)了Roofex 錨桿，錨桿由桿體、能量吸收器及套筒組成，利用吸能吸收器中銷釘與套筒間的摩擦來實現(xiàn)變形吸能；何滿潮[10]等研發(fā)了NPR 錨桿(負泊松比效應的恒阻大變形錨桿)，錨桿由桿體、套筒、錐形體、托盤等組成，錨桿利用錐形體在套筒中的滑動摩擦來實現(xiàn)吸能，錨桿的工作阻力和變形大小可通過套筒尺寸和錐形體參數來確定。

3)材料型吸能錨桿。材料型吸能錨桿是通過改變錨桿鋼材的材質成分來實現(xiàn)錨桿強度和變形能力。何滿潮、王琦等[7，17]在第1 代NPR 錨桿的基礎上，開發(fā)了第2 代新型微觀NPR 錨桿材料，微觀NPR 錨桿材料通過增加鋼材中稀有元素的含量調制而成，大幅度提高了錨桿的破斷載荷和延伸率；開采研究院的康紅普等[18–20]開發(fā)了系列高強錨桿支護材料，其中較為常用的為BHRB500，BHTB600 和BHTB700，錨桿直徑20～25 mm，屈服強度500～700 MPa，抗拉強度670～870 MPa，斷后延伸率18%～25%。

為了增加圍巖的支護范圍和自承載能力，深部巷道圍巖通常采用錨桿和錨索聯(lián)合支護。與錨桿相比，錨索支護范圍更大，初期施加的預緊力更高，對深部圍巖的支護效果也更好[21]。由于錨索支護圍巖的范圍更大，而其延伸率又顯著小于錨桿。所以，錨索在強礦壓、沖擊地壓等復雜地質條件巷道中使用時易出現(xiàn)破斷失效的現(xiàn)象[22–23]。何滿潮等[24]針對沖擊下巷道大變形的要求，研制了恒阻大變形錨索，恒阻大變形錨索結構與NPR 錨桿相似，主要是通過錐形體在套筒內的滑動摩擦來變形吸能，工作阻力約350 kN，最大變形量超過1 000 mm。與其他利用摩擦滑動來實現(xiàn)吸能的結構型錨桿或錨索相比，材料型高延伸率錨索施工工藝簡單，操作方便，在拉、彎、剪等復合應力下更能充分發(fā)揮桿體材料的力學特性。

綜上所述，為了使錨索具有高強度、高延伸率及高抗沖擊等特性，筆者團隊自主開發(fā)了材料型高延伸率錨索，采用拉伸試驗機和落錘試驗機，測試了高延伸率錨索的靜、動載力學特性，并分析了錨索化學成分、金相組織及夾雜物等對其力學性能的影響，從微細觀研究了高延伸率錨索的抗沖擊性能，提出了高延伸率錨索支護吸能原理，并選擇典型沖擊地壓礦井開展了現(xiàn)場試驗，初步驗證了新型錨索的適用性。

1 沖擊地壓巷道錨索破斷特征

1.1 沖擊地壓巷道變形破壞典型案例分析

為了分析我國典型沖擊地壓巷道變形破壞特征，調研了我國義馬、蒙陜、彬長及吉林等沖擊地壓礦區(qū)的巷道變形情況，分析了深部沖擊地壓巷道沖擊破壞的共性特征。4 個礦區(qū)的典型沖擊地壓事故案例見表1。

表1 巷道沖擊地壓典型事故案例Table 1 Typical accident cases of roadway rock burst

通過調研我國典型礦區(qū)沖擊地壓巷道變形破壞情況，沖擊地壓巷道支護主要存在以下幾個方面問題：

1)巷道支護系統(tǒng)受高動、靜疊加載荷影響。沖擊地壓巷道埋深普遍超過600 m，埋深較大，即使在未出現(xiàn)動載影響下，巷道支護系統(tǒng)已承受高靜載荷，巷道局部出現(xiàn)強烈變形。同時，由于煤層上方厚層堅硬巖層的斷裂會產生高能量的動載荷，巷道支護系統(tǒng)在高動、靜載荷下易出現(xiàn)破壞失效。

2)巷道多級支護系統(tǒng)不匹配。沖擊地壓巷道通常采用錨桿(索)、鋼棚及支架等多種支護方式聯(lián)合支護，各個支護系統(tǒng)的變形能力不同，在動載下經常出現(xiàn)各個被擊破的現(xiàn)象。沖擊地壓礦井通常重視鋼棚和支架等被動支護方式，而對錨桿(索)一級支護重視不足，錨桿(索)支護未能發(fā)揮主動支護作用，沖擊地壓發(fā)生前錨桿(索)支護系統(tǒng)已接近失效。

3)錨桿整體推出，而錨索出現(xiàn)大量破斷?，F(xiàn)場使用的錨桿長度通常為2.3～2.5 m，錨桿延伸率約20%，錨桿長度短，控制的巖層范圍較小，在動載作用下易整體推出。而現(xiàn)場使用的錨索長度通常大于6 m，最大力總延伸率為3.5%～5%，錨索控制的巖層范圍較大，在動載作用下破斷的較多。

1.2 沖擊地壓巷道錨索破斷特征

從現(xiàn)場錨索破斷情況來看，錨索破斷位置主要位于鎖具附近，部分錨索被剪切破斷，同一根錨索中鋼絲破斷的位置也不完全相同，呈現(xiàn)分股破斷的現(xiàn)象。實驗室靜載下傳統(tǒng)的錨索破斷通常位于試樣中部，破斷照片如圖1 所示，鋼絲基本同時破斷，鋼絲屬于拉伸破斷，斷口處有明顯頸縮現(xiàn)象。而現(xiàn)場沖擊地壓發(fā)生后錨索的斷口未發(fā)生明顯的頸縮，這說明錨索在動載下出現(xiàn)了脆性破斷，破斷形式與靜載拉伸破斷明顯不同。同時，還測量了現(xiàn)場錨索破斷后的總長度，與原始錨索長度相比，沖擊破斷后錨索的長度沒有出現(xiàn)明顯的變化，這主要是由于現(xiàn)場錨索受力狀態(tài)更加復雜，除受靜載拉伸、剪切等方式外，還要受到動載的影響，錨索在動載作用下延伸率并沒有得到有效的發(fā)揮，錨索在動載下會出現(xiàn)脆性破斷。

圖1 常規(guī)錨索靜載拉伸破斷照片F(xiàn)ig.1 Photo of static tensile fracture of cables

1.3 沖擊地壓巷道對錨索的功能性要求

從沖擊地壓巷道破壞方式和錨索破斷情況來看，沖擊地壓巷道支護系統(tǒng)不但受高靜載荷作用，而且圍巖具有瞬間沖擊性，錨索支護結構不僅要控制圍巖靜載變形，還要能控制沖擊動能。這就要求錨索支護材料不但應具有常規(guī)錨索的功能要求，還要具有高強度、高延伸率和高抗沖擊特性。沖擊地壓巷道對錨索的功能性要求有以下幾個方面：

1)錨索應具有高強度。錨索要在靜載下保持穩(wěn)定，不能出現(xiàn)破斷，這就要求錨索強度不能太低，傳統(tǒng)的錨索強度位于1 770～1 860 MPa，高延伸率錨索強度不能低于1 770 MPa。

2)錨索要具有高延伸率。傳統(tǒng)錨索動載下錨索的延伸率較低。沖擊地壓巷道錨索延伸率要適當提高，現(xiàn)場巷道在沖擊下變形不宜超過500 mm，巷道變形過大會影響巷道支護結構穩(wěn)定，根據現(xiàn)場使用錨索長度可以確定出錨索合適的延伸率在8%～12%為宜，延伸率越高，其制造成本也相應越高。

3)錨索在動載下要具有高吸能能力。傳統(tǒng)的錨索動載下吸能量較低，在動載下易出現(xiàn)脆性破斷，新型的錨索的動載吸能能力要明顯提高，吸能能力要不低于傳統(tǒng)錨索的2～3 倍。

2 高延伸率錨索研發(fā)及動態(tài)力學特性

2.1 高延伸率錨索研發(fā)

傳統(tǒng)的錨索盤條原料為無扭控冷高熱軋盤條，盤條鋼中碳、硫等元素含量較高，導致鋼絞線強度高，而延伸率偏低。針對傳統(tǒng)錨索延伸率低的問題，通過控制盤條中化學元素的含量，降低盤條中碳、硫等元素的含量，適當增加錳、硅等元素的含量，開發(fā)出了高延伸率錨索[25]，高延伸率錨索實物圖如圖2 所示。錨索直徑21.8 mm，1×19 股結構，橫截面積313 mm2，捻距225 mm，抗拉強度1 790 MPa，最大力總延伸率大于8%。在煤炭工業(yè)北京錨桿產品檢驗中心檢測了不同錨索的力學性能，測試結果見表2。

圖2 高延伸率錨索實物Fig.2 Physical image of high elongation cables

表2 錨索力學性能測試結果Table 2 Test results of mechanical properties of anchor cable bearing capacity

由表2 中可以看出，普通的1×7 股錨索抗拉強度1 860 MPa，最大力平均530 kN，最大力延伸率3.6%。普通的1×19 股錨索(錨索A、錨索B 和錨索C)抗拉強度略低于1×7 股錨索，而最大力和延伸率確有一定程度的提高。與普通錨索相比，高延伸率錨索抗拉強度略低于1×7 股錨索，與1×19 股錨索基本相同，而最大力總延伸率明顯大于另外2 種錨索，高延伸率錨索延伸率是1×7 股錨索的2.25 倍，是1×19 股錨索的1.61 倍，高延伸率錨索的最大力總延伸率要明顯大于普通錨索。

2.2 高延伸率錨索動態(tài)力學特性

2.2.1 試驗設備

開采研究院自主研發(fā)的30 000 J 落錘沖擊試驗機，該落錘沖擊試驗機主要包括主機框架、抓脫錘裝置、提升裝置、錘體組件、液壓緩沖裝置、安全防護裝置、電氣裝置等部分。整機實物如圖3 所示。試驗機地面以上高度8.0 m，地下部分高度2.0 m，試驗機內部空間尺寸為1.2 m×1.2 m，最大有效沖擊高度4 000 mm，落錘質量350～1 000 kg，落錘重量可根據實際需要進行調整。落錘沖擊能量E=mgh，m為落錘質量，g為重力加速度，h為落錘提升高度。落錘下部安裝有動態(tài)力傳感器，用于監(jiān)測沖擊過程中錨索的受力，試驗機框架立柱上安裝有激光位移計，用于采集沖擊過程中錨索的變形量。

圖3 落錘沖擊試驗系統(tǒng)Fig.3 Drop hammer impact test system

2.2.2 試驗方案

試樣選用3 個廠家的錨索和高延伸率錨索，試樣名稱編號分別為錨索A、錨索B、錨索C 和高延伸率錨索，4 種錨索抗拉強度均大于1 770 MPa，直徑21.8 mm，1×19 股結構，長度2 200 mm，有效沖擊長度2 m。將錨索與套筒進行連接，套筒長度2 m，連接處與夾具固定，固定完成后錨索試樣有效沖擊長度為1 900 mm，沖擊試驗的落錘質量1 000 kg。由于每種錨索的最大抗沖擊能量無法有效確定，每種錨索都是從5 000 J 能量開始沖擊，每個試樣僅沖擊一次，每種工況重復3 次，能量增加梯度1 250 J，直至錨索沖擊破斷。鑒于數據較多，為了便于分析，僅選取每種錨索達到其最大抗沖擊能量前的5 組數據進行對比分析。A 試樣沖擊破斷前的沖擊能量分別為7 500、8 750、10 000、11 250 和12 500 J；B 試樣沖擊能量分別為11 250、12 500、13 750、15 000和16 250 J；C 試樣沖擊能量分別為15 000、16 250、17 500, 18 750 和20 000 J；高延伸率錨索沖擊能量分別為20 000、22 500, 25 000、27 500 和30 000 J。

2.3 試驗結果分析

2.3.1 錨索破斷形態(tài)

錨索A、錨索B、錨索C 和高延伸率錨索分別在沖擊能量為11 250、15 000、18 750 和30 000 J 時出現(xiàn)了破斷，錨索破斷形態(tài)如圖4 所示。

圖4 錨索試樣沖擊后變形破壞情況Fig.4 Deformation and damage of anchor cable sample after impact

由圖4 可以看出，不同錨索的抗沖擊性能明顯不同。錨索A 抗沖擊能力最差，在沖擊能量11 250 J時出現(xiàn)了整體破斷。錨索B 次之，錨索C 抗沖擊性能相對較好。與另外3 種錨索相比，高延伸率錨索抗沖擊性能最好，沖擊能量達到30 000 J 時錨索鋼絲僅破斷1 根。其他錨索受到沖擊載荷后鋼絲散開，鋼絲破斷斷口的頸縮不明顯，這與現(xiàn)場錨索動載破斷形態(tài)較為吻合。而高延伸率錨索在沖擊下鋼絲不易散開，鋼絲斷后出現(xiàn)了明顯的頸縮，這說明高延伸率錨索的塑性變形能力更強。

2.3.2 錨索試樣的動態(tài)力學特性

由于試驗方案較多，下面僅列出了錨索在破斷前的5 種沖擊能量的測試結果，4 種錨索試樣的部分沖擊力–位移曲線如圖5 所示。

圖5 錨索試樣沖擊力–位移曲線Fig.5 Impact force displacement curve of anchor cable sample

由圖5 可以看出，錨索沖擊力–位移曲線可分為第1 次波峰階段、線性增加階段、穩(wěn)定變形階段和衰減階段。4 種錨索的沖擊力–位移曲線形態(tài)呈一定的波動上升狀態(tài)，這主要是由于錨索特殊結構造成的，錨索由多股鋼絲組成，在動載下會出現(xiàn)不均勻變形。4 種錨索的線性增加階段的變形量差別不大，而穩(wěn)定變形階段的變形量差別較大，A、B、C 和高延伸率錨索在穩(wěn)定變形階段的最大變形量分別為0、10.95、11.82 和42.10 mm，高延伸率錨索的穩(wěn)定變形量最大，C 錨索次之，B 錨索中等，A 錨索最小。A、B、C 錨索在破斷前位移均有一定的回彈，當錨索破斷后回彈消失。而高延伸率錨索達到破斷后位移也出現(xiàn)了回彈，這主要是由于高延伸率錨索僅破斷1 根鋼絲，錨索整體結構仍具有一定的承載能力。

4 種錨索破斷時的沖擊力峰值基本相同，錨索A、B、C 和高延伸率錨索的破斷沖擊力峰值分別為523.21、529.37、549.53 和524.38 kN，這說明高延伸率錨索在沖擊載荷下吸能不是依靠沖擊力的增加，而主要是依靠變形吸能。與另外3 種錨索相比，高延伸率錨索的變形量主要集中在穩(wěn)定變形階段，并且動態(tài)破斷載荷也與其他3 種錨索基本相同，這就使高延伸率錨索在沖擊載荷下即能保持高剛度，還能在高承載下變形吸能。

整體來看，高延伸率錨索抗沖擊能力最強，破斷下的沖擊能量分別達到了錨索A、B、C 的2.67 倍、2.00 倍和1.60 倍。高延伸率錨索不但能保持高的破斷載荷，還具有高的剛度，其主要通過高阻力下的變形來吸收沖擊動能。

2.3.3 錨索試樣的變形和吸能特性

統(tǒng)計了4 種錨索的斷后伸長率，單位長度吸能量等指標統(tǒng)計結果見表3 所示，錨索斷后伸長率和單位長度吸能量對比如圖6 所示。

圖6 4 種錨索斷后伸長率和吸能特性對比Fig.6 Comparison of elongation and energy absorption characteristics of four kinds of anchor cables after fracture

表3 4 種錨索斷后伸長率和單位長度吸能量Table 3 Elongation and energy absorption per unit length of four kinds of anchor cables after breaking

由表3 和圖6 中可以看出，錨索在沖擊載荷下的伸長率要明顯小于靜載，約等于靜載下伸長率的1/2。與錨索A、B、C 相比，高延伸率錨索的斷后伸長率分別達到錨索A、B、C 的1.82 倍、1.68 倍和1.52 倍，這表明高延伸率錨索具有高延伸率特性。錨索A、B、C 和高延伸率錨索的單位長度吸能量分別為6.01 kJ、7.67 kJ、8.95 kJ 和15.24 kJ，與另外3種錨索相比，高延伸率錨索的單位長度吸能量分別是錨索A、B、C 的2.54 倍、1.99 倍和1.70 倍，這表明高延伸率錨索在沖擊載荷下具有明顯的吸能能力。

3 高延伸率錨索抗沖擊機理

由于錨索鋼材的化學成分、金相組織和夾雜物等對其抗沖擊性能起主導作用，因此，測試了上述4種錨索的化學成分、金相組織和夾雜物，分析了高延伸率錨索的抗沖擊機理。

3.1 不同錨索的化學成分

研究[26]發(fā)現(xiàn)，鋼材中不同元素的含量對其力學性能的影響不同。碳元素對鋼材的強度和韌性起主導作用，碳含量的增加會提高鋼材的強度，同時也會降低鋼材的韌性；硅元素和錳元素屬于有益元素，可以細化珠光體片層距離，從而提高鋼材的強度和韌性；磷元素和銅元素主要是提高錨索在電化學環(huán)境和自然環(huán)境中的耐腐蝕能力，對錨索強度和韌性影響不大；硫元素屬于有害元素，硫元素含量越高，錨索塑性越差，越容易出現(xiàn)脆性破斷；鉻元素和鎳元素對錨索的強度和韌性影響不大。4 種錨索的化學成分測試結果見表4。

表4 錨索鋼材化學成分Table 4 Chemical composition of anchor cable steel

由表4 可以看出，與其他3 種錨索相比，高延伸率錨索碳元素、硫含量較低，而硅、錳元素含量較高，高延伸率錨索在有益元素含量方面控制的較好，有害元素也控制在較低水平，這說明高延伸率錨索通過控制鋼材中有益和有害化學元素含量大幅度提高了錨索的抗沖擊性能。

3.2 不同錨索的斷口金相組織分析

將4 種錨索制成金相試樣，經機械磨制、拋光，用3%的硝酸酒精腐蝕，通過金相顯微鏡觀察4 種錨索的金相組織，4 種錨索的金相組織如圖7 所示。并測試了4 種錨索的晶粒度和晶粒形貌，晶粒形貌如圖8 所示。

圖7 4 種錨索金相組織形貌Fig.7 Metallographic morphology of 4 kinds of anchor cables

圖8 4 種錨索晶粒形貌Fig.8 Grain morphology of four kinds of anchor cables

鋼材的金相組織越多、越均勻，鋼材的強度和塑性越好。由圖7 中可以看出，錨索A 和錨索B 金相組織中局部存在粗大的組織和異常的網狀物質，使鋼材的索氏體、馬氏體組織不均勻，且含量有一定降低，這樣會影響錨索的抗拉強度和塑性變形，在沖擊載荷下錨索易出現(xiàn)脆性破斷。錨索C 和高延伸率錨索金相組織較細，組織網狀物多、均勻，這樣可以使錨索在動載斷裂下能吸收能多的能量，可顯著提高錨索的抗沖擊性能。

晶粒度大小對錨索鋼材和塑性有明顯影響，晶粒度越小，錨索鋼材的強度和塑性越好。晶粒尺寸越小，晶體界面就會增多，可有效組織鋼材在動載斷裂下的裂紋擴展。晶粒尺寸小，晶體界面上的夾雜物濃度也會相應降低，可大幅度提高錨索鋼材的抗沖擊性能。結合圖8 和晶粒度測試結果來看，錨索A 和錨索B 的晶粒度為10.5 級，錨索C 和高延伸率錨索晶粒度為11.5 級，錨索C 和高延伸率錨索的晶粒度級別較高，其晶粒尺寸也越小。所以，與另外2種錨索相比，錨索C 和高延伸率錨索的抗沖擊性能也越好。

3.3 不同錨索夾雜物分析

采用金屬夾雜物測試設備對4 種錨索斷口的夾雜物的級別、夾雜物數量和分布形態(tài)進行了測試，4種錨索的夾雜物主要有3 種，分別為A(硫化物類)、B(氧化鋁類)和D(球狀氧化物類)。3 種夾雜物的等級見表5，夾雜物分布形態(tài)如圖9 所示。

圖9 4 種錨索夾雜物形態(tài)Fig.9 Inclusion morphology of kinds of anchor cables

表5 4 種錨索夾雜物等級Table 5 Inclusion level of 4 kinds of anchor cables

由于金屬夾雜物與基體金屬的力學特性有一定差異，當金屬在沖擊載荷作用下出現(xiàn)變形時，基體金屬會在夾雜物周圍形成應力集中，基體金屬會首先在夾雜物附近出現(xiàn)開裂、破壞[27]。夾雜物級別大小對金屬抗沖擊性能有明顯影響，級別越高，夾雜物的尺寸越大或數量越多。夾雜物會使鋼材的塑性變形能力降低，在高應變率下易出現(xiàn)脆性斷裂，其抗彎、抗剪能力也會大幅度降低。水平。除化學元素外，鋼絲的金相組織也會影響錨索的抗沖擊性能，金相組織的不同主要由鋼絲的加工處理工藝不同造成的。在鋼絲線材加工過程中，要合理控制鋼絲線材的冶煉及軋制工藝，使線材的金相組織更細、更均勻，降低晶粒尺寸，減少夾雜物尺寸和數量，這樣不但可提高鋼絲的強度，還能提高鋼絲的塑性變形能力，從而提高錨索整體的抗沖擊性能。

4 高延伸率錨索支護吸能原理及現(xiàn)場應用

4.1 高延伸率錨索工作阻力特性

由表5 和圖9 可以看出，錨索鋼材中主要有3種夾雜物，分別為硫化物類、氧化鋁類和球狀氧化物類，不同的夾雜物級別也不同，錨索A 的3 種夾雜物級別均較高，錨索B 和C 的夾雜物級別中等，而高延伸率錨索的夾雜物級別最低。夾雜物中主要為MnS 夾雜物，呈長條狀，沿軋制方向分布，尤其是錨索A 和B 含量較高。與其他錨索相比，高延伸率錨索夾雜物含量少，且夾雜物尺寸小，在沖擊載荷下基體金屬受力更均勻，能產生顯著的塑性變形，抗沖擊能力最強。

3.4 高延伸率錨索抗沖擊影響因素分析

影響錨索抗沖擊力學性能的因素較多，除制作錨索過程中的拉拔工藝和穩(wěn)定化處理外，鋼絞線線材質量是關鍵，鋼絞線線材質量受鋼材化學成分、金相組織及夾雜物等控制。線材中碳含量高會提高鋼絲的初始強度，從而降低鋼絲的塑性，并且其他元素對鋼絲的力學性能都有不同程度的影響。在生產錨索鋼絲的過程中，為了能提高錨索的抗沖擊能力，要合理控制鋼絲中各化學元素的含量，盡可能將有益元素含量控制在較高水平，而有害元素控制在較低高延伸率錨索具有高強度、高延伸率及高抗沖擊等特性，可通過桿體的變形來吸收沖擊動能。桿體變形吸能效果好，可大幅度提高支護系統(tǒng)的抗沖擊性能。根據3.3 節(jié)中普通錨索和高延伸率錨索的動態(tài)力學性能，將其簡化為理想化的工作阻力特性曲線，工作阻力曲線如圖10 所示，圖中S1、S2和S3分別表示普通錨索、常規(guī)結構變形錨索和高延伸率錨索的變形量；F1、F2、F1max和F2max分別表示常規(guī)結構變形錨索(普通錨索)初始預緊力、高延伸率錨索初始預緊力、常規(guī)結構變形錨索最大載荷和高延伸率錨索/普通錨索最大載荷。

圖10 錨索的工作阻力特性曲線Fig.10 Working resistance characteristic curve of anchor cable

普通錨索初始預緊力為F1，當普通錨索受到沖擊載荷作用時，錨索工作載荷增加，當工作載荷達到最大載荷F2max時，普通錨索出現(xiàn)破斷。普通錨索破斷載荷高，但變形量通常較小，破斷載荷下的變形量為s1，在強沖擊作用極易出現(xiàn)脆性破斷。為了解決常規(guī)錨索變形量小的問題，國內外學者相繼開發(fā)了常規(guī)結構變形錨索，通過在錨索尾部安裝讓壓結構來實現(xiàn)普通錨索的大變形，讓壓結構錨索的變形載荷遠低于其錨索桿體的最大載荷F2max，通常結構變形錨索的工作阻力F1max約等于F2max的60%，這樣就導致常規(guī)結構變形錨索的支護剛度通常較低。與普通錨索和常規(guī)結構變形錨索相比，高延伸率錨索不但具有高的峰值載荷，同時在高的峰值載荷下還具有大的變形能力。

在深部巷道圍巖中，錨桿、錨索支護材料承受拉、剪、彎等復合應力狀態(tài)[28]，結構性錨索有時很難發(fā)揮理想的吸能作用。與結構性吸能錨索相比，高延伸率錨索桿體具有高強度、高延伸率和高抗沖擊等特性，在復合受力環(huán)境下也能充分發(fā)揮錨索的力學性能。同時，高延伸率錨索在施加高預緊力后，支護剛度高，能有效抑制錨索支護范圍內破碎圍巖的碎脹變形[29]。

4.2 錨桿和錨索聯(lián)合支護吸能原理

錨桿和錨索聯(lián)合支護是沖擊地壓巷道常用的支護方式，由于錨桿和錨索所控制的巖層范圍、力學屬性等不同，難以實現(xiàn)錨桿和錨索支護系統(tǒng)在圍巖變形過程中的協(xié)同支護作用，現(xiàn)場發(fā)生沖擊載荷時，錨桿和錨索支護形式易被各個擊破。要想實現(xiàn)2 種支護形式的協(xié)同支護，關鍵在于合理設計兩種支護形式的強度、延伸率和預緊力。錨桿和錨索聯(lián)合支護吸能原理如圖11 所示，圖中F1和F3分別為錨桿的預緊力和工作阻力，S3為錨桿的最大變形量；F2和F22為錨索預緊力和工作阻力，S1和S2為錨索初始變形和最終變形量；F4、Fi和F5分別為錨桿和錨索聯(lián)合支護系統(tǒng)的初始預緊力、工作阻力和最終工作阻力，Si為錨桿和錨索支護系統(tǒng)的變形量。

圖11 錨桿和錨索聯(lián)合支護吸能曲線示意Fig.11 Schematic diagram of energy absorption curve for combined support of bolts and cables

由于錨索的延伸率遠小于錨桿，所以錨桿的工作范圍要大于錨索，錨桿和錨索聯(lián)合支護的工作曲線范圍可分為3 個區(qū)，分別為Ⅰ區(qū)(錨桿工作區(qū))、Ⅱ區(qū)(錨桿和錨索協(xié)同工作區(qū))和Ⅲ區(qū)(錨桿工作、錨索失效區(qū))。

1)當巷道僅采用錨桿支護時，沖擊地壓發(fā)生時，僅有錨桿支護吸能，由于錨桿支護范圍有限，易出現(xiàn)支護結構整體垮塌。

2)當錨桿和錨索聯(lián)合支護系統(tǒng)變形位于S1和S2范圍內時，錨桿和錨索可實現(xiàn)協(xié)同支護效果，此時，支護系統(tǒng)吸能能力最大。要想使錨桿和錨索聯(lián)合支護發(fā)揮最大吸能防沖功效，就要適當增加錨索的延伸率和吸能特性，增加兩者的協(xié)同支護的工作區(qū)間，避免被各個擊破。

3)當圍巖變形量大于S2時，如果錨索延伸率較低，錨索會先于錨桿發(fā)生破斷。此時，錨桿支護結構會單獨承載，也易出現(xiàn)整體垮塌破壞。

在沖擊地壓巷道支護材料選取和設計時，要考慮現(xiàn)場沖擊地壓能量和圍巖條件，合理確定錨索的延伸率，要做到錨桿和錨索強度、延伸率及預緊力的匹配，使Fi=FGi+FSi，這樣可以有效發(fā)揮錨桿和錨索聯(lián)合支護的協(xié)同防沖作用。FGi為錨桿工作阻力；G為錨桿；FSi為錨索工作阻力；S 為錨索。

4.3 沖擊地壓巷道錨索支護材料適應性分析

通過對我國典型礦區(qū)巷道在沖擊地壓發(fā)生時出現(xiàn)的破壞形式來看，主要有3 種破壞形式：

1)大能量沖擊巷道整體坍塌破壞。當巷道受到的沖擊能量較大(沖擊能量通常大于105J)時，巷道會出現(xiàn)整體坍塌破壞，錨桿和錨索支護結構出現(xiàn)大量破斷失效。巷道圍巖破壞深度大，單獨依靠支護難以控制巷道沖擊破壞，此類沖擊破壞形式主要依靠通過卸壓手段來降低巷道發(fā)生的沖擊能量。

2)中等能量巷道發(fā)生大變形破壞。當巷道受到的沖擊能量處于中等水平(沖擊能量位于104～105J)時，巷道圍巖會出現(xiàn)突然變形，變形量通常能達到0.3～1 m，錨桿和錨索支護結構易出現(xiàn)破斷失效。通過提高錨桿和錨索的支護強度和抗沖擊性能可有效降低巷道的變形量。

3)低能量累積沖擊圍巖損傷破壞。當巷道多次受到低能量沖擊(沖擊能量小于104J)時，巷道圍巖在單次沖擊下變形不明顯，但多次沖擊致使圍巖內部損傷逐步積累，當損傷達到臨界值時，巷道圍巖會出現(xiàn)較大變形。

沖擊地壓巷道與傳統(tǒng)巷道最大的區(qū)別在于具有瞬間沖擊性，這就要求支護結構和材料不但要具有高的強度，還應具有高的抗沖擊特性，尤其是強沖擊危險巷道，更容易發(fā)生大能量沖擊事件。根據煤礦現(xiàn)場錨索破斷情況和不同錨索的抗沖擊特性，現(xiàn)場選用的錨索強度不宜低于1 770 MPa，不同類型煤礦對錨索的選擇應符合表6 的要求。

表6 不同類型煤礦對錨索選擇的要求Table 6 Requirements for cable selection in different types of coal mines

由表6 可以看出，對于無沖擊危險和弱沖擊危險的巷道，可以選擇普通錨索；對于中等沖擊危險的巷道，錨索不但要能滿足巷道圍巖靜載下的強度要求，還應具有較高的延伸率；對于強沖擊危險巷道，一定要選擇最大力延伸率大于8%的高強錨索，避免錨索在動載下出現(xiàn)破斷。

4.4 沖擊地壓巷道支護能量校核計算

常村礦21220 下巷具有強沖擊傾向性，評估得出發(fā)生沖擊地壓的最大震級為2.8 級，在該震級下巷道圍巖出現(xiàn)破壞的震動速度最大值為6.1 m/s[23]。頂板泥巖破壞深度定為1.5 m，密度約為2 500 kg/m3。則發(fā)生沖擊地壓時頂板單位面積釋放的沖擊動能為

頂板錨桿(MG500 號)吸收的能量為6 kJ/m2，高延伸率錨索吸收的能量為15.0 kJ/m，自由段為4 m的高延伸率錨索吸收的能量為60.0 kJ，單位面積上打設的錨索數量按照0.5 根計算，則高延伸率錨索吸收的能量為30.0 kJ/m2，高強金屬網吸收的能量為2.2 kJ/m2，則頂板單位面積上總吸收的能量為38.2 kJ/m2，每臺U 型鋼棚吸收能量約60 kJ，排距1.2 m，巷寬5 m，單位面積吸收能量為10 kJ/m2，液壓抬棚和門式支架共吸收能量約為1 000 kJ，排距和巷寬按照5 m 計算，單位面積吸收能量為40 kJ/m2，則錨桿(索)、U 型棚及防護支架的吸收能量共計88.2 kJ/m2，聯(lián)合支護體系按照上述支護參數基本能夠滿足防控要求。

4.5 現(xiàn)場應用

為驗證新開發(fā)高延伸率錨索的力學性能，高延伸率錨索分別在義馬、蒙陜和晉城等礦區(qū)展了現(xiàn)場試驗。限于篇幅限制，現(xiàn)僅介紹高延伸率錨索在義馬礦區(qū)的試驗效果。

義馬礦區(qū)是我國沖擊地壓災害最為嚴重的礦區(qū)之一，由于該礦區(qū)受F16 斷層和巨厚堅硬礫巖的影響，該礦區(qū)多個礦井發(fā)生過沖擊地壓災害。當巷道出現(xiàn)大能量事件后，巷道震動明顯，頂板大量巖塊掉落，煤塵飛揚，能見度極低，巷道局部圍巖出現(xiàn)鼓包，錨桿和錨索出現(xiàn)大量破斷，尤其是錨索破斷數量較多。巷道在動靜疊加載荷作用下的變形破壞情況如圖12 所示。

圖12 義馬礦區(qū)典型巷道變形破壞情況Fig.12 Deformation and failure of typical roadways in Yima mining area

試驗巷道為常村礦的21220 下巷，21220 工作面主 采2–3 煤，煤 層 厚 度7.9 m，傾 角11.5°，埋 深815 m。煤層上方直接頂為泥巖，泥巖厚度32.1 m，直接底為炭質泥巖，厚度6.2 m。21220 下巷最大水平主應力達到25.25 MPa，垂直主應力19.08 MPa，最小水平主應力13.46 MPa，最大水平主應力與巷道夾角23°。21220 下巷為實體煤巷道，巷道沿煤層頂板掘進，留底煤1～2 m，三心拱斷面，巷寬6.9 m，高4.25 m，直墻高1.7 m。巷道原支護方案中采用的錨索結構為1×7 股，直徑17.8 mm，長8.0 m，最大力延伸率3.5%，間排距為1 500 mm×1 500 mm，錨索預緊力250 kN，受到強沖擊載荷作用下，大量錨索出現(xiàn)了破斷。

為了控制21220 下巷的巷道圍巖沖擊破壞，巷道在卸壓和防護的基礎上，采用高延伸率錨索進行圍巖控制，卸壓、支護和防護控制方案如下：

1)卸壓方案：巷幫采用大直徑鉆孔卸壓，鉆孔直徑118 mm，孔深22 m，排距0.9 m；底板采用爆破方式卸壓，鉆孔直徑75 mm，孔深6～8 m，排距1 m。

2)支護方案：錨桿強度500 MPa，直徑22 m，長度2.4 m，扭矩400 N.m，頂板錨桿間排距為900 mm×900 mm；高延伸率錨索結構為1×19 股，直徑21.8 mm，最大力延伸率8%，長度6.3 m，預緊力不低于250 kN，間排距1 800 mm×900 mm；巷幫錨桿間排距900 mm×900 mm，巷幫高延伸率錨索長度4.3 m，預緊力不低于150 kN，間排距1 800 mm×900 mm；頂板和巷幫均采用菱形網。

3)防護措施：掘進時及時架設36U 鋼棚，排距1.2 m，鋼棚與圍巖預留500 mm 空間，中間用枕木背實，確保鋼棚與枕木有效接觸。工作面回采前，巷道中架設液壓抬棚或門式支架，排距5 m，巷道掘進時支護效果如圖13 所示。

圖13 高延伸率錨索巷道支護效果Fig.13 Field application effect of high elongation anchor cable

為監(jiān)測支護結構受力的差異，在普通錨索和高延伸率錨索(除錨索材料不同外，其他支護參數相同) 支護區(qū)域分別安裝了在線連續(xù)受力監(jiān)測系統(tǒng)。同時，也布置了微震傳感器來監(jiān)測巷道周圍的沖擊能量。在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，部分普通錨索和高延伸率錨索的受力監(jiān)測曲線形態(tài)相似，但有些存在明顯的差異，普通錨索和高延伸率錨索存在明顯差異的受力和沖擊能量監(jiān)測關系曲線如圖14 所示。

圖14 錨索受力和沖擊能量關系曲線Fig.14 Relation curve between axial force and impact energy of anchor cable

由圖14 可以看出：

1)巷幫錨索受力要明顯低于頂板錨索受力，巷幫高延伸率錨索在出現(xiàn)多次沖擊能量的情況下軸力基本保持穩(wěn)定，而普通錨索在受到沖擊能量作用下軸力出現(xiàn)明顯的波動，最后軸力卸載至0。

2)與巷幫錨索相比，頂板錨索受力相對較高，尤其是頂板普通錨索在沖擊能量作用下軸力達到430 kN，最后發(fā)生了破斷，錨索軸力降至0。而高延伸率錨索受力較為穩(wěn)定，受到多次大能量沖擊事件后，錨索受力也變化不大。

整體來看，沖擊地壓巷道由于常受到沖擊動載的影響，普通錨索支護結構受力會出現(xiàn)突然增加，這主要是由于普通錨索受到沖擊載荷作用時，各股鋼絲容易錯動，導致錨索受力急劇變化。當錨索支護材料延伸率較低時，常出現(xiàn)動載脆性斷裂的現(xiàn)象。采用高延伸率錨索后，由于高延伸率錨索延伸率高，在沖擊動載下具有很好的緩沖吸能特性，并且各股鋼絲約束性好，受到沖擊載荷時各股鋼絲同步受力，錨索受力較為穩(wěn)定。巷道經受了多次大能量沖擊，高延伸率錨索受力也較為穩(wěn)定，錨索支護材料未出現(xiàn)破斷的現(xiàn)象，巷道支護效果良好。

5 結 論

1)高延伸率錨索在動載下鋼絲不易散開，破斷載荷與普通錨索基本相同，斷后伸長率分別是錨索A、B、C 的1.82 倍、1.68 倍和1.52 倍，單位長度吸能量分別是錨索A、B、C 的2.54 倍、1.99 倍和1.70 倍，高延伸率錨索具有高延伸率特性和高吸能能力。

2)通過在冶煉和軋制工藝過程中有效控制有害化學元素含量，使有益元素含量較高，細化、均化金相組織，減小晶粒尺寸，有效減少夾雜物尺寸和數量，提高鋼絲的塑性變形能力，從而提高高延伸率錨索整體的抗沖擊性能。

3)提出了高延伸率錨索支護吸能原理，并將高延伸率錨索在義馬礦區(qū)進行了應用，應用結果表明：高延伸率錨索經受多次大能量沖擊后，巷道支護效果良好，高延伸率錨索未出現(xiàn)破斷。