位移釋放式錨固尾及其試驗研究

孟 達,張 梅

(1．中國科學院力學研究所，北京 100190 ；2.河北農業大學城鄉建設學院 ，河北 保定 071000)

位移釋放式錨固尾及其試驗研究

孟 達1,張 梅2

(1．中國科學院力學研究所，北京 100190 ；2.河北農業大學城鄉建設學院 ，河北 保定 071000)

本文介紹了一種新型位移釋放式錨固尾。通過使用應變式裝置作為錨固尾克服了巷道支護結構修復期短的問題，延長了錨桿(索)的使用壽命。采用柔性三軸儀分別對單碗，一對碗及三對碗進行了單軸壓縮試驗，對不同組合下碗的最大承載力，達到極限承載力的時間，及其變形進行了研究。試驗結果表明：對碗數越多，最大承載力會降低，但達到極限荷載的時間會延長，設計時可根據實際情況進行優化。

位移釋放式錨固尾；巷道支護；錨桿；柔性三軸儀

現有巷道支護開挖中，多數沿煤層底板掘進。巷道支護結構采用錨噴、錨桿等方式。這種結構在使用一段時間后，頂煤中就會發育各種層理、橫向裂隙、縱向、斜交節理與裂隙，由于淺部的煤體比較破碎，一些部位還會出現明顯的離層[1-3]。為解決上述問題，本文采用位移釋放式錨頭裝置來應對錨桿的徑向變形，以及頂煤中裂隙不斷產生、擴展的情況。

1 位移釋放式錨固尾

1.1 位移釋放式錨固尾裝置簡介

位移釋放式錨固尾裝置又稱為應力釋放式錨固尾，為一種新型錨固尾裝置。該裝置包括錨桿、松動圈、緊固螺母，其中，在松動圈與緊固螺母之間安置了中空的應力釋放裝置以及設置在應力釋放裝置外圍的保護裝置。中空應力釋放裝置為帶沿碗狀構件，構件的頂部中間位置開有圓形孔，圓孔孔徑應略大于錨桿直徑。使用時兩個碗狀帶外沿的構件為一組，兩構件一正一反碗口相對扣在一起，也就是構件的外沿部分相接觸，然后套在錨桿的一端。碗狀應力釋放裝置材質為強度韌塑性較好的低碳鋼，且應力釋放裝置的軸向抗壓強度要小于錨桿的軸向抗壓強度。保護裝置由無縫鋼管制成，該裝置可保護應力釋放裝置在使用時不受到徑向力的影響。

1.2 位移釋放式錨固尾工作原理

通過使用應變式裝置作為錨固尾可使作用于錨桿上的外力，在超過錨桿本身的強度時，通過錨固尾的變形適當釋放一定量的空間，錨桿隨松動圈內的巖體共同發生適當的位移，這樣，錨桿在極限荷載作用下仍可繼續工作，使錨桿經過變形協調之后，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為柔性變形，并可在設計中加長錨桿，從而有效延長支護時間。解決了現有技術中遇到的問題。并且隨著松動圈的擴展，巷道內部錨桿-巖體在塑性狀態下繼續承擔載荷而不會產生巖體破壞或錨桿損壞，位移釋放式錨固尾在實際應用中的示意圖見圖1。

圖1 位移釋放式錨固尾在實際應用中的示意圖

通過使用應變式裝置作為錨固尾克服了巷道支護結構修復期短的問題，延長了錨桿(索)的使用壽命。通過布置在巷道頂板垂直方向的圍巖結構觀察鉆孔，可以得到巷道在支護結構作用下的巖層之間的變化，根據在現場實際勘測結果：在煤層與巖層的交界面上，產生了顯著的離層現象；在泥巖與砂巖的交界面上離層值也比較顯著；在泥巖內部，不同層位上分布著層理、斷裂和煤線等結構，有的部位也產生了比較顯著的離層。

2 技術實施方案

位移釋放式錨固尾技術改進了現有技術中錨桿的錨尾部分，使用時，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。該孔的直徑應能夠將應力釋放裝置的保護裝置設置在孔中，該孔的深度根據所需設置的中空應力釋放裝置厚度與數量來確定，而中空應力釋放裝置的數量則需根據巷道使用年限而定(使用年限越長，則使用應力釋放裝置的數量越多)。③將保護裝置設置在孔徑相對較大的孔中。④將錨桿安裝至鉆孔中。⑤碗狀帶外沿的應力釋放裝置按組通過頂部中孔設置在錨桿的桿體上。⑥根據行排間距安裝鋼筋托梁或鋼帶。⑦放好托板，擰緊螺母施加預緊力。

實際使用過程中，因為每組的應力釋放裝置其抗壓強度要略小于錨桿的抗壓強度，在受到軸向壓力超過應力釋放裝置的抗壓強度后，應力釋放裝置會先于錨桿產生變形，本實例中表現為碗狀應力釋放裝置會被壓扁，壓扁后就會在軸向釋放出一定的空間，分擔錨桿桿體在圍巖卸荷回彈量不斷增加的過程中所承受的壓力。在錨桿與松動圈之間產生相應的變形協調。使錨桿能夠繼續發揮作用，支護與巖體仍然是一個支護整體，共同作用，使錨桿支護的使用壽命延長，這樣巷道的維修周期加長，達到為生產提供安全保證，提高經濟效益的目的。

同時，對于地應力影響大，以及巖石構造發育的錨桿、錨索支護的巖石、煤等主動支護的巷道，采用目前普遍的各種錨桿的材質，用本文推薦的應變釋放法，可以將利用主動支護體系達到協調變形。根據已有支護體系的頂板、側幫的觀測數據，針對不同的巷道地應力性質、采動影響、地質構造等方面的綜合考慮，給出每個巷道的具體的應力釋放式錨頭設計方案，能夠做到充分發揮錨桿的作用，延長巷道修復周期的目的，現場施工可行。

碗狀帶外沿應力釋放裝置僅是該技術的一個實施例，其他類似的可以在受到軸向應力時產生空間釋放的結構，例如：長方形中空體，球形中空體，彈簧等均可以應用于本發明中，也是屬于本發明的保護范圍內。

3 位移釋放式對碗的試驗

3.1 室內試驗采用不同碗類型

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

圖2 碗的類型

3.2 單碗錨尾參數

1)材料參數： Q235 A 型碳素結構鋼；Q235為中碳鋼，綜合力學性能較好，可在一定程度上代替45鋼，Q235A由于其S、P含量相對高于Q235B、Q235C、Q235D，因此批量生產價位適宜。

2)加工工藝：實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。優點為不需加熱、無氧化皮，表面質量好，操作方便，費用較低。缺點是有加工硬化現象，嚴重時使金屬失去進一步變形能力。冷沖壓要求坯料的厚度均勻且波動范圍小，表面光潔、無斑、無劃傷等。

3)實物尺寸：碗壁厚3.5～3.6mm，碗直徑170mm，中孔直徑23mm，加厚碗深31mm，碗沿15mm，試驗參數設置為最大承載力200kN，壓縮速率采用應變控制時參數為0.01mm/s，最大壓縮位移為18 mm。

3.3 單碗受壓試驗

1)試驗儀器。該試驗采用微機控制電液伺服柔性加載三軸試驗系統，該系統是中國科學院力學研究所和力創公司聯合研制的一種新型的三軸試驗系統。

2)試驗過程及試驗現象。分別進行了單碗，兩對碗及三對碗的柔性三軸軸向受壓試驗。

3)試驗現象描述。

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

圖3 (a)型單碗試驗圖

圖4 (e)型兩碗對壓

(e)型兩碗對壓試驗(圖4)：①加載過程中兩碗與動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象，有類似于碳的物質滲出；③碗體葉形開口處產生收縮現象；④出現斷裂，有斷裂聲音。

(d)型兩碗對壓試驗(圖5)：①加載過程中兩碗與動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象，有類似于碳的物質滲出；③碗體葉形開口處產生收縮現象；④出現斷裂，有斷裂聲音。

(f)型六個三對碗試驗(圖6)：①加載過程中兩碗在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碗體弧頂亦沒有平下，而是逐一下陷至空腔處；③破口對稱發展，且呈逆時針旋轉。

圖5 (d)型兩碗對壓

圖6 (f)型六個三對碗的受壓及破壞過程

4)各組試驗負荷-時間、變形-時間曲線(圖7～10)。

圖7 (a)型單碗受壓負荷-時間、變形-時間曲線

圖8 (c)型兩碗對壓負荷-時間、變形-時間曲線

圖9 8槽口碗兩碗對壓負荷-時間、變形-時間曲線

圖10 (e)型三對碗的受壓負荷-時間曲線

由圖7～10可以看出，單碗的最大抗壓承載力約為100kN ,達到最大承載力的時間約為1000s；兩碗對壓試驗第一峰值壓力約為70kN ,第二峰值壓力約為90kN ,能夠承受的最大荷載約為70kN，達到第二峰值的時間約為3500s；6個三對碗對壓試驗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 ,達到第三峰值壓力的時間約為8000s。

由以上數據可知，對碗數越多，最大承載力會降低，但達到極限荷載的時間會延長。因此，在進行錨桿設計時，可根據錨固尾、錨桿的錨固力及達到破壞的時間對錨固尾進行優化設計。

由煤礦巷道支護設計經驗可知，砂巖煤礦支護型錨桿錨固力一般在80k～100kN，采用更改設計后的兩個應力釋放盤對扣單軸壓縮試驗，力第一峰值控制在70kN左右，力第二峰值控制在90kN左右，總之，雙盤對扣、六盤三扣的單軸壓縮試驗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，應力釋放盤仍然完好無損。所以應在此次試驗基礎上，減小制作應力釋放盤鋼板的厚度，實現其應力峰值的降低，達到控制其應力峰值保持在

50kN以下，這樣，不僅完成應力釋放盤的壓縮，還可最大限度地發揮錨桿的抗拉強度，達到材盡其用，優化設計。

4 結論

1)本文介紹了一種新型位移釋放式錨固尾。通過使用應變式裝置作為錨固尾克服了巷道支護結構修復期短的問題，延長了錨桿(索)的使用壽命。位移釋放錨固尾裝置包括錨桿、松動圈、緊固螺母。其中，在松動圈與緊固螺母之間安置了中空的應力釋放裝置以及設置在應力釋放裝置外圍的保護裝置。

2)單獨采用帽沿式托盤，在單軸壓縮過程中，隨著壓縮位移量的增大，應力釋放盤帽頂塌落至盤內部，造成兩個應力釋放盤的中心圓環對接，抑制變形的進一步發展，致使壓縮量減小，不能達到預設效果。

3)通過減小外邊緣寬度、并在外邊緣等距離刻4個(或8個)弧形銑槽(圓弧半徑5.85mm，銑槽底面距離底面控制在1mm左右)。使應力釋放盤中部圓環的變形可以向4個(或8個)銑槽處轉移，并造成沿銑槽邊緣的拉裂，此時，圓環中部的變形得以向圓環邊緣擴散，滿足擴大壓縮位移量的目的。單軸壓縮試驗結果顯示該應力釋放盤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，加工工藝簡單。

4)對碗數越多，最大承載力會降低，但達到極限荷載的時間會延長。因此，在進行錨桿設計時，可根據錨固頭、錨桿的錨固力及達到破壞的時間對錨固頭進行優化設計在進行錨桿設計時，可采用雙盤對扣、六盤三扣的錨固頭進行錨固。

5)考慮到煤礦開挖支護時，部分巷道變形過大，錨桿在支護過程中需要釋放位移要求較高，采用增大應力釋放盤凈空達到此目的，在增大凈空的同時，等比例的擴大圓盤直徑，達到受力性能的最優化。

[1] 康紅普，王金華，林健.煤礦巷道支護技術的研究與應用[J].煤炭學報，2010，35(11)：1809-1814.

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

[3] 高永格，王浩澤，趙炎.松動圈測試技術及其在巷道支護中的應用[J].同煤科技,2013(3)：1-3.

[4] 李世海,范永波,孟達.位移釋放式錨固尾裝置[Z].中國專利：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

國家自然科學基金項目資助(編號:51274185)；國家重點基礎研究發展計劃(973)項目資助(編號:2010CB731500)

孟達(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