深部巷道錨桿增阻讓壓裝置結(jié)構(gòu)形式分析

劉俊超，周柱武，汪頌暉

（池州學(xué)院管理與法學(xué)院，安徽池州247000）

我國是一個煤炭大國，其中一半以上的煤炭資源處于深埋部位[1]。煤炭資源開采時，巷道的支護(hù)方式常采用錨桿（索）配合鋼筋網(wǎng)和水泥防護(hù)層的支護(hù)體系[2]，其中錨桿是主要的支護(hù)手段之一。在淺部巷道中，地壓較小，傳統(tǒng)的錨桿足以使巷道安全穩(wěn)定；而深部巷道中，普通剛性錨桿不足以支撐圍巖，高地壓、高溫度應(yīng)力、高滲透應(yīng)力等特點(diǎn)導(dǎo)致開挖支護(hù)后的圍巖裂隙擴(kuò)展速度很快，容易出現(xiàn)迅速破環(huán)以及大量變形而失穩(wěn)[3]。在深部巷道錨桿支護(hù)的設(shè)計中，常采用一種“讓壓”的思路，即先使圍巖發(fā)生一定量的變形，圍巖變形后地壓減小，此時錨桿的承載能力能夠抵抗減小后的地壓，使圍巖不再繼續(xù)變形，從而達(dá)到穩(wěn)定支護(hù)圍巖的效果[4]。為此，國內(nèi)外不少專家研究設(shè)計出了不少材質(zhì)可延伸或機(jī)械裝置可延伸的錨桿形式，如前蘇聯(lián)專家研制的桿體彎曲可延伸錨桿[5]，德國學(xué)者研制的擠壓式可延伸錨桿[6]，中國礦大何滿潮研制的恒阻大變形錨桿[7]，中科院巖土研究所鄭是立研制的增阻高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿[8-9]，這些錨桿跟普通剛性錨桿相比，均能實(shí)現(xiàn)讓壓的目的。在前人研究的基礎(chǔ)上，既能實(shí)現(xiàn)圍巖的大變形，又能在大變形后增阻從而穩(wěn)定支護(hù)住圍巖[10]，是本文的研究目的，這樣更能適應(yīng)深部巷道的圍巖環(huán)境。

1 增阻讓壓裝置結(jié)構(gòu)形式的思考

在過去的設(shè)計思考過程中，需要根據(jù)深部圍巖變形量和機(jī)械裝置所能提供的阻力大小來設(shè)計錨桿的結(jié)構(gòu)形式。也就是說，錨桿外露端加入的機(jī)械裝置首先應(yīng)能在允許深部圍巖發(fā)生一定量變形，然后在此基礎(chǔ)上提供足夠的阻力，使圍巖發(fā)生緩慢的變形，而不至于在無阻狀態(tài)下迅速塌落。

在增阻讓壓裝置的設(shè)計過程中，有一些方案雖然理論上能在讓壓的同時穩(wěn)定地支護(hù)住圍巖，但是在現(xiàn)場施工時會造成一定的不便。回顧一下這些裝置的思考過程，也許會給錨桿讓壓增阻裝置的改進(jìn)帶來一些啟發(fā)和靈感。

1.1 彈簧套筒增阻裝置方案

彈簧套筒增阻裝置方案如圖1所示，此方案能夠保證較大圍巖變形量條件下的線性增阻。設(shè)置中空錨桿桿體，配合錨桿外露端處的封蓋，能夠在打入錨桿之后對軟弱破碎圍巖進(jìn)行灌漿，從而加固軟弱破碎圍巖，使之更加穩(wěn)定。

錨桿外露端設(shè)置彈簧套筒，桿體的一部分配有桿體套筒，套筒和桿體之間波紋連接，有一定的摩擦阻力。

圖1 彈簧套筒增阻裝置方案

此種方案的缺點(diǎn)在于：（1）圓柱螺旋彈簧能提供的增阻阻力有限，如果通過增大彈簧絲的直徑來增強(qiáng)彈簧的阻力，套筒的內(nèi)徑也需相應(yīng)增大；（2）彈簧套筒占用錨桿外露端的長度較長，而巷道空間有限；（3）施工時需要從封蓋向錨桿孔內(nèi)灌漿，且錨桿一般配合鋼筋網(wǎng)和水泥噴層形成支護(hù)系統(tǒng)，注漿時水泥砂漿的壓力通常有幾MPa，砂漿在壓力作用下容易進(jìn)入彈簧套筒內(nèi)腔，使圓柱螺旋彈簧失去應(yīng)有的功能。

1.2 碟形彈簧增阻錨桿方案

碟形彈簧的形狀如圖2所示，通過對合和疊合的組合，碟形彈簧的組合具有如下特點(diǎn)：對合時，能增加變形量，而發(fā)生破壞時的阻力無明顯增大；疊合時，能增強(qiáng)發(fā)生破壞時的阻力，而對變形量沒有提高。

圖2 碟形彈簧示意圖

碟形彈簧增阻錨桿方案如圖3所示，與上一套方案類似的地方在于，也設(shè)置了桿的套筒，能通過恒定的桿筒摩擦滑移阻力使圍巖發(fā)生緩慢的大變形，然后卡住，再繼續(xù)通過碟形彈簧實(shí)現(xiàn)增阻條件下的圍巖小變形。

圖3 碟形彈簧增阻錨桿方案

此方案設(shè)置多個碟形彈簧進(jìn)行對合或疊合的組合，而且在制作碟形彈簧時可以通過靈活調(diào)整碟形彈簧的厚高比，從而在實(shí)際施工過程中根據(jù)需要得到想要的增阻階段阻力值和變形量。

此方案的不足在于：（1）單片碟簧能提供的阻力和變形較小，進(jìn)行多片碟簧組合時又會占用較長的錨桿外露端長度，而巷道空間本身就有限。經(jīng)過在礦井中巷道的現(xiàn)場調(diào)查得知，通常錨桿外露端長度會限制在250mm以內(nèi)，以防影響正常施工和作業(yè)。（2）進(jìn)行多片碟簧組合時，會存在對中性的問題，錨桿的組裝難度提高。（3）由力學(xué)常識可以判斷，圍巖的壓力通過圖3中的螺母傳遞到錨桿上，那么對螺母的質(zhì)量要求也會很高。

2 錨桿增阻讓壓裝置結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化

考慮到之前兩個方案的優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)過反復(fù)思考，錨桿增阻讓壓裝置的結(jié)構(gòu)形式圖如圖4所示。錨桿整體由外露端到錨桿孔內(nèi)的部分共分為：螺母和墊片、墊片和碟簧組成的讓壓環(huán)、球墊和半球狀托盤、桿筒波紋滑移連接和桿體尾部的連接套。

圖4 錨桿增阻讓壓裝置優(yōu)化方案

桿體尾部的連接套可接錨桿或錨索，實(shí)際施工中根據(jù)需要靈活設(shè)置。恒阻滑移連接主要包括桿體和套筒，桿筒之間時有一段波紋滑移連接，能在圍巖緩慢大變形階段提供足夠的恒阻滑移阻力。托盤做成半球狀，可以在增阻小變形階段提供一定的變形量。萬向球墊如圖4中所示，設(shè)置萬向球墊的目的主要在于，有些情況下錨桿孔并不是垂直于巖壁打入，萬向球墊有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.1 錨桿與圍巖之間的作用機(jī)理

此方案中錨桿與圍巖相互作用的過程分為兩個階段：

錨桿剛打入圍巖中時，由于深部巷道圍巖的高地壓需要得到釋放，圍巖向巷道空間方向運(yùn)動，錨桿桿體和套筒之間的波紋連接會阻止圍巖的運(yùn)動，但該阻力小于深部圍巖的地壓，該壓力仍能夠使圍巖以較小的速度向巷道空間運(yùn)動，即使圍巖緩慢地發(fā)生變形，而不至于使圍巖在沒有阻力的狀態(tài)下迅速塌落，通常在錨桿設(shè)計時設(shè)置500mm的恒阻滑移段，然后通過錨桿桿頭的加粗塊和套筒尾端的鋸齒狀加厚段來卡住，阻止進(jìn)一步的摩擦滑移，此階段稱為恒阻滑移階段。

恒阻滑移階段結(jié)束后，錨桿整體延伸到最長，圍巖內(nèi)部蘊(yùn)藏的地壓也釋放了很多，此時，圍巖開始對半球狀托盤和讓壓環(huán)施加更大的壓力，使半球狀托盤和讓壓環(huán)發(fā)生受壓變形，地壓得到進(jìn)一步釋放，同時錨桿自身剛性材料的延伸提供更大的阻力，穩(wěn)定支護(hù)住圍巖。此階段可稱為增阻小變形階段。

2.2 單根整體錨桿支護(hù)可行性的初步數(shù)值模擬

圖5 錨桿模擬模型的整體組裝圖

數(shù)值模擬選用的錨桿整體組裝圖如圖5所示，由于幾何構(gòu)造和荷載的對稱性，采用半邊結(jié)構(gòu)。根據(jù)力學(xué)常識和施工現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)選用錨桿部件尺寸和其他數(shù)值模擬參數(shù)如下：（1）套筒較薄處厚7mm，設(shè)置2個2mm/50mm的臺階鋸齒在筒的末端；托盤厚度10mm，托盤與托盤上端的萬向球墊總共高70mm，托盤頂部與萬向球墊下部圓弧接觸。球墊外端與高50mm的讓壓裝置接觸，讓壓裝置上接有厚10mm的墊片和螺母，球墊做減摩墊片用。（2）圍巖設(shè)置為偏向與剛性的彈性體，錨桿桿體與套筒相比材料偏向于剛性一些，托盤和套筒采用彈塑性體，具體材料力學(xué)參數(shù)設(shè)置根據(jù)力學(xué)常識進(jìn)行判斷。

圖6 變形終止時單根錨桿整體的合應(yīng)力云圖

模擬采用的是Mises屈服準(zhǔn)則，模擬得出的錨桿整體合應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖中可看出，最大應(yīng)力發(fā)生在托盤和讓壓裝置連接處，除此之外，套筒尾端、托盤底部、套筒頂端等部位也有較大的合應(yīng)力，這些部位對材料強(qiáng)度的要求較高。

圖7 錨桿整體模擬的錨桿阻力與圍巖變形關(guān)系曲線

錨桿阻力與圍巖變形關(guān)系的曲線如圖7所示。由圖中看出，初始0.01mm分析步中，錨桿阻力基本成線性增長；在500mm位移分析步中，通過筒桿滑移，錨桿阻力基本保持約160kN的恒阻；在后續(xù)40mm分析步中，錨桿阻力逐步增長至約580kN破壞。從曲線中看出，該單根整體錨桿的阻力變形曲線與理想的圍巖變形-所需阻力曲線的變化趨勢相一致。由此，從初步的數(shù)值模擬結(jié)果來看，該單根整體錨桿對深部圍巖的支護(hù)具有可行性。

3 結(jié)論

考慮到深部巷道的特殊地壓環(huán)境和實(shí)際施工時的需要，通過反復(fù)修改，經(jīng)過了彈簧套筒和碟簧組合的版本，最終確定了目前的增阻大變形方案。與前兩個方案相比進(jìn)行了如下改進(jìn)：

（1）對桿筒之間的恒阻滑移連接進(jìn)行了很大程度的優(yōu)化，固定長度的恒阻滑移連接能保證在恒阻滑移階段提供足夠的阻力。

（2）對錨桿外露端的增阻讓壓裝置進(jìn)行了合理的改進(jìn)，在250mm外露端長度的限制下，球狀托盤和讓壓環(huán)的設(shè)置能夠在增阻小變形階段提供增長的阻力和一定量的小變形。

后續(xù)的工作中，如何設(shè)置恒阻滑移連接的長度以滿足不同深部巷道地壓的要求，錨桿各個部件尺寸參數(shù)的選用等等，都需要進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，來進(jìn)行考察和優(yōu)化。本方案所考慮的僅是單根錨桿和深部圍巖相互作用的機(jī)理，那么，如果是多根此類錨桿錨索和鋼筋網(wǎng)水泥噴層組成的耦合支護(hù)系統(tǒng)的情況，也需進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)研究。