不同工況下錨桿支護過程力學性能實驗分析

白君卿

（晉能控股煤業集團永定莊煤業公司，山西 大同 037003）

0 引言

煤礦進行地下開采的過程中，對圍巖的支護是影響煤礦安全的重要因素，錨桿支護是我國礦井開采中常用的圍巖控制方式。錨桿在進行支護的過程中，通過錨桿的抗拉及抗剪作用實現對圍巖的主動控制[1]，減小圍巖結果面的變形及強度的變化，保證圍巖的完整性，從而保持圍巖的承載能力，保護煤礦的開采安全。在礦井開采過程中，隨著煤礦開采深度及長度地不斷增加[2]，錨桿在進行支護的過程中受到多種因素的影響對其承載性能造成復雜的作用，形成不同的承載工況。針對錨桿在不同工況下的力學性能，采用實驗分析的形式對錨桿不同工況進行模擬分析[3]，從而研究錨桿的變化規律，對錨桿的設計使用提供參考，保證煤礦的支護安全。

1 錨桿力學性能實驗分析方案

錨桿在進行礦井的支護過程中，圍巖受到礦壓的作用產生碎脹變形時錨桿受到拉力作用，產生拉伸變形，同時當圍巖碎脹變形后進一步產生滑移，則對錨桿產生拉力及剪切力的作用，使錨桿產生拉伸變形和剪切變形[4]。針對錨桿在這兩種工況下的力學性能進行實驗分析，對錨桿施加純拉伸作用和拉伸剪切作用模擬兩種不同的工況[5]。

采用直徑為22 mm 的錨桿進行實驗分析，錨桿的長度為2800 mm，設定錨固長度為1200 mm，采用內徑120 mm 的鋼管灌入料漿并預留30 mm 的孔進行圍巖的模擬，采用螺紋鋼錨桿通過錨固劑錨固在制作的孔中作為實驗分析的試樣[6]。實驗中針對錨桿的兩種不同工況進行分析，為研究拉伸載荷和拉剪載荷對不同預緊力的變化，共制作6 組試樣進行實驗分析。

采用錨桿力學測試的綜合實驗臺進行實驗的加載測試，實驗臺主要包括拉伸加載及垂直剪切作用加載模塊、數據采集模塊及控制系統模塊組成，可通過控制系統進行單個模塊的加載或兩個模塊的同時加載[7]，滿足實驗分析的需求。采用壓力傳感器對錨桿的軸向載荷及剪切載荷進行采集，并通過激光傳感器進行錨桿變形量的監測，實現對實驗過程中數據的采集記錄，由此對錨桿在不同工況下的力學性能進行測試分析[8]。

2 不同工況下錨桿的力學性能測試分析

2.1 拉伸工況下錨桿的力學性能分析

采用兩組錨桿進行拉伸工況下的性能測試，在錨桿僅受到拉伸作用時，僅產生軸向上的變形。采用兩組錨桿試樣進行實驗分析，得到兩組錨桿的載荷-變形曲線如圖1 所示，從圖1 中可以看出，T-1、T-2 兩組錨桿的變形曲線變化趨勢一致，錨桿的變形經過快速的彈性變形階段后進入屈服變形階段[9]，彈性變形在總體變形中所占的比例較小；兩者在數值上具有一定的差值，錨桿承受的最大載荷值分別為263 kN 和272 kN，產生的軸向最大變形量分別為192 mm 和188 mm，延伸率差值不大，約12%。采用兩組錨桿進行實驗分析的差值不大，這表明進行錨桿實驗具有較好的可重復性，所得的數值可參考性較強，兩者之間的差值受到試樣制備、安裝及現場因素的影響，不影響結果的正確性。

圖1 拉伸工況下錨桿的載荷-變形曲線

2.2 拉伸剪切工況下錨桿的力學性能分析

對錨桿在拉伸剪切工況下的變形進行分析，選取一組錨桿同時施加拉伸及剪切作用，經過實驗測試，得到錨桿的載荷-變形曲線如圖2 所示。從圖2 中可以看出，在拉伸剪切載荷的作用下，經過預拉伸后進行剪切作用，錨桿產生軸向變形和徑向變形，將錨桿的累計總變形量作為分析的參數。拉伸作用對錨桿進行預緊拉伸，圖2 中所示為預緊力42kN時的變形曲線。

從圖2 中可以看出，在錨桿承受拉伸剪切作用時，軸向載荷的變化可分為四個階段，初始的AB 段為平穩階段，錨桿的軸向載荷變化較小，BC 段為緩慢增加的階段，隨著剪切載荷的作用，造成錨固面的剪切破壞[10]，錨桿開始產生彎曲變形使得軸向載荷增加；在CD 段軸向載荷急劇增加，這是由于錨桿產生塑性變形，塑性區域向內部延伸，錨桿的彎曲變形增加使得剪切位移增加，軸向載荷近似呈線性增加的趨勢[11]，然后進入DE 段的緩慢增加階段，錨桿的軸向載荷達到最大值，然后發生錨桿斷裂。

錨桿的剪切載荷的變化可分為三個階段，其中ab 段為急劇增加的階段，bc 段為近似減小的階段，cd段為快速增加的階段。剪切載荷及軸向載荷的作用與錨桿與鉆孔之間的變形相關，在較小的剪切載荷作用下，鉆孔提供支撐抗力作用，錨桿的變形小，隨著剪切作用的增加，則錨桿的鉆孔發生破壞[12]，則此時錨桿產生彎曲變形，則使得剪切載荷減小，而軸向載荷緩慢增加；當繼續增加剪切載荷時，則鉆孔受到的破壞增大，錨桿依靠自身變形使得受到的載荷量不斷增加直到達到破壞。

2.3 預拉伸載荷的作用分析

在進行拉伸剪切載荷實驗分析中，不同的預拉伸載荷作用對錨桿的性能具有不同的影響，選取預拉伸作用力分別為42 kN、84 kN、126 kN 及168 kN 進行四組不同的錨桿測試，得到錨桿的剪切載荷及軸向載荷與位移的變化曲線如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在不同的預拉伸載荷下，錨桿的曲線分布趨勢均保持一致，這說明預拉伸載荷對錨桿的位移影響一致；在圖3 中，隨著預拉伸載荷的增加，錨桿的最大剪切載荷呈較小的增加后減小的趨勢，剪切位移呈減小的趨勢，剪切位移由90 mm 減小至55 mm，減小幅度達39%；而軸向載荷的最大軸向載荷則變化不大，且軸向位移也相差不大，僅在168 kN 預拉伸載荷時的減小量較大。

圖3 不同預拉伸載荷的變化曲線

3 結語

采用實驗分析的形式對拉伸及剪切作用下錨桿的性能變化進行分析。結果表明，在拉伸載荷作用下，錨桿經過彈塑性變形的階段達到破壞，其載荷作用不斷增加；在拉伸剪切作用下，錨桿的剪切載荷及軸向載荷均受到鉆孔的影響作用，對于錨桿施工中的鉆孔及錨固具有較高的要求；錨桿的預拉伸作用不同，對錨桿的性能也具有重要的影響，應選擇合理的預拉伸載荷作用，提高錨桿承受的載荷，保證煤礦的支護安全。