馬道頭礦玻璃鋼錨桿煤幫支護分析★

李國宸，高 峰

（1.山西大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037054；2.山西大同大學建筑與測繪學院，山西 大同 037054）

引言

目前在煤層巷道支護中，普遍采用金屬錨桿加固煤幫，但是，傳統的金屬錨桿存在諸多弊端。一是在采煤機割煤時易產生火花，從而引發煤塵、瓦斯爆炸等事故。二是在采煤過程中對人員及運輸帶等設備會造成一定的損傷[1]。鑒于以上問題，可切割、輕質高強、耐化學腐蝕、表面性能良好的玻璃鋼錨桿應運而生，并在我國神東礦區、陽曲礦區以及大同礦區等礦區得到有效應用[2]。

馬道頭礦3～5號層北四盤區8403工作面中煤幫支護采用了玻璃鋼錨桿。本文基于馬道頭礦玻璃鋼錨桿煤幫支護的項目，對比測試了玻璃鋼錨桿的力學性能和支護效果，為馬道頭礦玻璃鋼錨桿煤幫支護提供理論依靠，也為推廣玻璃鋼錨桿奠定基礎。

1 玻璃鋼錨桿抗拉試驗

1.1 試驗目的

通過在實驗室的拉伸實驗，研究玻璃鋼錨桿的極限破壞荷載（極限抗拉強度）、應力應變曲線、延伸率等力學性能，研究分析玻璃鋼錨桿的破壞機理和破壞規律[3]。

1.2 實驗材料與設備

1.2.1 實驗材料

采用Φ16 mm、Φ20 mm、Φ27 mm的玻璃鋼錨桿，長度為500 mm，兩端夾持部分為100 mm，中間實驗部分為300 mm。采用直徑為Φ16 mm、Φ20 mm、Φ27 mm的螺紋鋼錨桿，長度為500 mm。

1.2.2 實驗主要設備

本次錨桿試驗的主要設備如下：

1）中海建工程質量檢測有限公司生產的WE-300B電液式萬能試驗機，如圖1所示。

圖1 WE-300B電液式萬能試驗機

2）中海建工程質量檢測有限公司生產的WEW-600B微機控制電液伺服萬能試驗機，如圖2所示。

圖2 WEW-600B微機控制電液伺服萬能試驗機

3）山西誠達工程質量檢測有限公司生產的CXWSC-300拉伸應力松弛試驗機。

1.3 實驗過程

第一次試驗時，在玻璃鋼錨桿未被破壞的情況下，夾持部分已經被試驗機夾片破壞，導致了實驗失敗。如下頁圖3所示。

圖3 玻璃鋼錨桿夾持部分破壞

之后更換了兩端帶有鋼套管桿體的金屬套管式錨尾的玻璃鋼錨桿[4]，用一段或幾段帶有錐度的金屬套管錨尾推入玻璃鋼錨桿，使金屬外殼和玻璃鋼錨桿之間建立緊密連接[5]。玻璃鋼錨桿整體長度為500 mm，兩端的鋼套管長度為100 mm，中間實驗部分長度為300 mm。如圖4所示。

圖4 帶鋼套管的玻璃鋼錨桿

在制作拉伸試件時，對試件正中間部位進行打磨，這是為了防止兩端鋼套管與設備夾片之間打滑，玻璃鋼錨桿得不到充分的夾持，導致實驗失敗[6]。考慮到標距儀的強大沖擊力可能會破壞玻璃鋼錨桿的內部結構，導致實驗數據的不準確，用筆在桿體上每隔100 mm劃線標記。實驗完成后，再次重新測量玻璃鋼錨桿每段的拉伸量，得到玻璃鋼錨桿的延伸率。

2 實驗結果分析

2.1 實驗結果

實驗最終結果因試驗材料不同分為兩種不同的情況：螺紋鋼錨桿在持續加壓中，突然從中間斷裂，形成“脆性”斷裂。玻璃鋼錨桿在持續加壓中，桿體突然發生破壞，其形式為尾部螺紋破壞，發生“脫芯”現象。如圖5所示。

圖5 玻璃鋼錨桿破壞的“脫芯”現象

將實驗數據進行匯總，如表1所示。

從表1可以看出，在錨桿材料相同的情況下，錨桿的極限錨固力和錨桿的直徑有一定的關系，錨桿的直徑越大，極限錨固力越高。在相同的直徑下，玻璃鋼錨桿的錨固力要優于螺紋鋼錨桿，進一步說明了玻璃鋼錨桿在未來的發展中具有更好的經濟性和更好的實用性。

表1 錨桿拉拔試驗數據匯總表

根據公式（1）可算出錨桿延伸率：

式中：Lu為斷后標距；L0為原始標距；A為錨桿延伸率。

玻璃鋼錨桿的延伸率比螺紋鋼錨桿的延伸率低約1.5%。

2.2 加載過程分析

試件在加載過程中，開始階段會聽到試件損傷發出微小的持續的脆響，當加載到極限荷載的60%～70%時，可聽到纖維剝離樹脂和部分纖維絲斷裂的聲音。隨著荷載的施加，響聲隨之增大而漸密，最后突然發出很大的斷裂聲，試件陡然被破壞。在此過程中，玻璃鋼錨桿的應變隨著應力的增大而線性增長，伴隨著桿體發出“噼啪”的聲音，能明顯看到桿體中間部分發黑，是由于桿端內部結構斷裂產生熱量灼燒外部套層。取出試件后觀察發現：桿體表面有白斑狀裂紋，有一明顯破壞區域，整個試件在較大范圍內發生片狀撕裂，且有小部分的纖維絲未發生斷裂，失去其承載能力。多次實驗表明：玻璃鋼錨桿破壞主要表現為兩種形式：一是斷口處玻璃絲全部被拉斷的“剪斷型”斷口，二是斷口處玻璃絲大部分被拉斷，雖仍有部分未斷纖維，但強度已經較低，并且桿體伴隨劈裂現象。

2.3 抗拉拔力與延伸率

玻璃鋼錨桿的工作狀態可分為急增阻、恒阻和降阻3個工作階段。

1）急增阻工作階段。在變形很小時，抗拉拔力上升很快，達到其極限抗拉拔峰值后，錨桿桿體將產生一個較大的延伸量，使錨桿中積聚的能量釋放。

2）恒阻工作階段。錨桿的抗拉拔力基本在35～50 kN之間變化，主要特征是錨桿抗拉拔力達到一定值（該值小于極限抗拉拔峰值）后，錨桿即產生一定的延伸量。其實質是錨桿在拉伸應力的作用下，錨桿內部積聚的彈性能發生積聚—釋放—再積聚—再釋放，并多次反復。能量積聚時抗拉拔力迅速升高，能量釋放時錨桿出現延伸。

3）降阻工作階段。錨桿的抗拉拔力瞬間降低至零，錨桿完全破壞。

上述3個工作狀態是由壓痕式金屬套管錨尾玻璃鋼錨桿的特殊結構決定的。在金屬套管錨尾與玻璃鋼桿體未發生相對滑動之前，錨桿的抗拉拔力一直保持上升狀態，直至達到峰值。一旦外部載荷超過該峰值，金屬套管錨尾與玻璃鋼桿體之間就會發生相對滑動，二者之間的固結強度遭到一定程度的損失[7]。玻璃鋼錨桿的荷載—位移曲線如圖6所示，在初期施加荷載時有一個明顯的彈性變形過程，在經過一個直線的屈服階段后，又出現了一個明顯的塑性屈服階段，最后試件破壞，卸載。

圖6 玻璃鋼錨桿荷載—位移關系曲線

3 數值模擬分析

3.1 數值模型建立

利用FLAC3D軟件模擬分析馬道頭煤業公司3～5號層北四盤區8403工作面2403順槽及系統巷,掘進工作面大部分為3～5號煤層合并區，局部分層。煤層賦存穩定，厚度為16.43～22.55 m，平均為19.32 m。夾雜3～8層黑色泥巖，厚度為0.1～1.59 m，平均為0.55 m，大部分為3～5號煤。其地質狀況與數值模型圖如圖7所示。

圖7 北四盤區8403工作面綜合柱狀圖

為了更好地了解玻璃鋼錨桿的實際支護效果，采用對比分析的方法，以實際支護方案為基礎，設計兩種不同錨桿的支護方案進行測試和分析，即左幫中下兩排錨桿分別采用Φ27 mm的玻璃鋼錨桿和Φ22 mm的螺紋鋼錨桿，巷幫其他錨桿均采用Φ22 mm的螺紋鋼錨桿，頂板為Φ20 mm的螺紋鋼錨桿。支護斷面模型圖如圖8所示。

圖8 支護斷面模型圖

巷道斷面支護體參數如表2所示。

表2 支護體參數表

3.2 煤幫變形分析

玻璃鋼錨桿和螺紋鋼錨桿支護煤幫變形量如圖9所示。由圖9-1可以看出，采用玻璃鋼錨桿支護，煤幫最大變形量為2.09 mm。圖9-2為螺紋鋼錨桿支護模型，煤幫最大變形量為2.50 mm。對比兩種不同支護方案發現，采用玻璃鋼錨桿支護后，煤幫變形量減小了19.62%，玻璃鋼錨桿對于煤幫的支護效果成效顯著。

圖9 兩種不同支護方案煤幫表面位移圖（m）

3.3 煤幫應力分析

下頁圖10所示為玻璃鋼錨桿和螺紋鋼錨桿煤巷縱向斷面的x方向的應力圖。兩種錨桿的煤幫應力分布相似，支護變化趨勢也相似。玻璃鋼錨桿支護煤幫最大應力為0.216 9 MPa、螺紋鋼錨桿支護煤幫最大應力為0.217 2 MPa。兩者應力大小雖相差不多，但結合煤幫變形量發現：玻璃鋼錨桿與螺紋鋼錨桿在煤幫應力大小基本相同的情況下，煤幫變形量減小了19.62%。這主要得益于玻璃鋼錨桿抗拉強度高、變形量小的特點，相同支護效果的情況下，玻璃鋼錨桿能結合圍巖更好地形成協同支護。

圖10 玻璃鋼錨桿與螺紋鋼錨桿支護煤幫應力（Pa）分布

4 結論

本文通過抗拉試驗、數值模擬的方案，對比測試了玻璃鋼錨桿和螺紋鋼錨桿的力學性能和支護效果，得出以下結論：

1）玻璃鋼錨桿在拉伸時，抗拉強度要優于普通的螺紋鋼錨桿。但是，玻璃鋼錨桿的延伸率低于螺紋鋼錨桿，玻璃鋼錨桿的延伸率約為1.5%。

2）玻璃鋼錨桿的破壞過程主要分為三個階段。初級階段中，錨桿整體應力應變呈現線性增長，也是玻璃鋼錨桿應力增加的主要階段。第二階段，錨桿應力不再提升，桿體內部“能量積聚”。第三階段，玻璃鋼錨桿進入“能量釋放”階段。

3）馬道頭礦玻璃鋼錨桿煤幫支護方案行之有效，其煤幫變形量為2.09 mm。玻璃鋼錨桿抗拉強度高、變形量小的特點與圍巖形成了較好的協同支護。圍巖的應力變化趨勢為：初始階段在兩側煤幫產生了較大的變形，隨后趨于平穩，圍巖應力呈現出“漏斗形”的分布狀態。

4）玻璃鋼錨桿支護方案優于螺紋鋼錨桿。從圍巖應力狀態來看，玻璃鋼錨桿具有更好的屈服極限和強度極限，能承受更大的拉拔力。從煤幫變形來看，玻璃鋼錨桿支護方案的煤幫變形量較螺紋鋼錨桿的煤幫變形量，減少了19.62%。

5）玻璃鋼錨桿具有較高的性價比，可以大幅節約巷道支護成本。具有質量輕、強度高等優點，可降低工人勞動強度、減少回采工序、提高工作效率。實踐表明，馬道頭礦玻璃鋼錨桿支護方案取得了良好的效果。