Al2O3陶瓷环在锚具退锚中的应用研究

刘建月，崔小朝，刘伟婧

(1.太原科技大学应用科学学院，太原 030024；2.太原理工大学应用力学与生物医学研究所，太原 030024)

Al2O3陶瓷环在锚具退锚中的应用研究

刘建月1，崔小朝1，刘伟婧2

(1.太原科技大学应用科学学院，太原 030024；2.太原理工大学应用力学与生物医学研究所，太原 030024)

通过在锚垫板和锚环间添加一个耐压且冲击易碎的陶瓷环，使锚固系统在退锚作业时安全便捷。应用有限元分析软件ABAQUS对结构中陶瓷环的应力水平进行分析，并与陶瓷环的压载试验比较。分析和实验结果表明设计合理的陶瓷环能在方便退锚的锚固系统中使用。

锚固系统；退锚；陶瓷环；有限元分析

锚杆锚索支护结构在煤矿支护中广泛应用，对煤炭安全生产起到重要作用。综放面回采过程中，由于锚索(杆)锚固力的存在，使得顶板不能随着工作面的推进及时塌落，形成悬顶和瓦斯积聚区，影响煤矿安全生产[1-2]。为了防止上述危险情况发生，对临时锚固面及时退锚，消除锚固力能很好的解决上述问题[3]。退锚作业在安全生产的同时能够回收并重复利用部分锚具，节约资源降低生产成本。

图1 MS15-180/55锚索退锚器Fig.1 MS15-180/55 type anchor

利用退锚器退锚是传统的退锚方法[4]，退锚器如图1.这种方法通过卡具卡紧、液压千斤顶拉拔使锚环和夹片分离，摘下锚具完成退锚[5]。这种退锚方法需要专业设备且工序繁琐，需多人合作作业，工作效率低[6]。本文提出了一种方便退锚的带陶瓷环锚固系统，在回采工作面需要退锚时通过击碎锚垫板与锚环间的陶瓷环，退让出张紧距离达到方便快速退锚的目的。

1 带陶瓷环锚具的设计

传统矿用锚索支护结构由夹片、锚环、钢绞线和锚垫板组成[7]如图2所示。在支护过程中，钢绞线在岩壁孔洞中通过锚固剂将活动岩体与固定岩体连接在一起，夹片锥面与锚环锥面在锥孔内相对滑动，夹片内齿咬紧钢绞线，锚环底面通过与锚垫板的接触，将锚固力转换为锚垫板与岩壁的压力。

图2 传统锚索支护结构Fig.2 Supporting structure of traditional anchor

图3 瓷环锚索支护结构Fig.3 Supporting structure of ceramic ring anchor

为了避免通过拉拔钢绞线退锚带来的不便，本文为钢绞线锚固系统添加了一个承压陶瓷环如图3所示。选用具有抗压强度高，在冲击载荷下易碎特性的环形Al2O3陶瓷，锚具正常工作时Al2O3陶瓷环承压，综放面退锚时击碎瓷环，锚垫板与锚环间的退让距离为张紧力减压，直接取下夹片、锚环和锚垫板并重复利用。

2 锚固系统中压载瓷环的有限元分析

为充分了解Al2O3陶瓷环在锚固系统中的受力状态，应用非线性有限元分析软件ABAQUS 6.12对模型进行加载分析[8]。由于夹片锚环的接触问题和夹片与钢绞线的咬合不是本文研究的重点，故将模型简化为Al2O3陶瓷环与锚环和锚垫板间的接触压载分析，如图4所示。

图4 瓷环锚固系统有限元模型Fig.4 FEM model of ceramic ring anchorsupporting structure

2.1 模型的尺寸与材料参数

锚环高65 mm，锚环外径65 mm，锥孔大口直径40 mm，小口直径25 mm；陶瓷环高30 mm，外径35 mm，内径28 mm；锚垫板边长为160 mm，厚20 mm，中心孔直径25 mm.各部件的材料参数如表1.

表1 有限元模型材料属性Tab.1 The material properties of FEM model

2.2 为模型划分有限元网格

为有限元模型划分网格，三个部件均使用三维六面体减缩积分单元(C3D8R)，锚环网格包含1 250个节点和875个单元；因为瓷环是主要分析部件，瓷环的细化网格包含15 035个节点和11 640个单元；锚垫板网格包含1 089个节点和640个单元，如图5所示。

图5 有限元网格Fig.5 FEM mesh

2.3 边界条件和载荷

钢绞线锚具工作过程中，锚垫板与岩壁接触，锚环在夹片的作用下纵向受拉，在分析瓷环的受力状态时，给有限元模型施加以下边界条件：锚垫板底部完全固定；瓷环分别与锚垫板和锚环接触，因锚环硬度较大，网格划分更为细密，瓷环的上下面设为主面，分别与之接触的锚垫板和锚环面设为从面，摩擦系数设为0.1，并约束锚环的转动自由度；锚环顶面施加15 t即150 kN压力载荷。

2.4 有限元分析结果

将上述模型提交给ABAQUS 6.12的Standard处理器，分析求解。整个模型的Mises等效应力云图如图6所示。

由图6，陶瓷环应力水平明显高于锚环和锚垫板。读取陶瓷环的分析结果，如图7～9所示。

由图7，陶瓷环上下接触面摩擦力的存在，加剧了陶瓷环在压载下的鼓状变形，由于这种变形陶瓷环的外表面将有大于0的拉应力存在。

图6 Mises等效应力云图Fig.6 Mises equivalent stress nephogram

图7 陶瓷环的变形云图Fig.7 The deformation nephogram of ceramic ring

图8 陶瓷环的拉应力云图Fig.8 The maximum principal stress of ceramic ring

由图8，陶瓷环在15 t载荷下锚环在接近接触对的部分出现最大拉应力的应力集中。

由图9，在15 t载荷作用下，陶瓷环的最大压应力为2 072 MPa，小于Al2O3陶瓷的强度极限。陶瓷环压载安全。

由有限元分析可知，钢绞线锚固系统中陶瓷环在压载作用下的失效形式主要是陶瓷的拉伸损伤，该尺寸瓷环在10 t载荷下能安全使用。

图9 陶瓷环的压应力云图Fig.9 The minimum principal stress of ceramic ring

3 陶瓷环的压载试验

为了验证有限元分析的可靠性，通过万能试验机压载，对Al2O3陶瓷的承载性能进行试验。将内28 mm，外35 mm，高30 mm的陶瓷环在WDW-E300D微机控制电子式万能试验机的上下平板压头上进行压载试验，如图10所示。

图10 陶瓷环的压载试验Fig.10 The loading test of ceramic ring

试验研究表明该尺寸陶瓷环在12 t压载下承载性能完好，在12.57 t时出现损伤，在14.35 t载荷下瓷环被压坏，如图11所示。

图11 陶瓷环在压载下的损伤和破坏Fig.11 The damage and failure of ceramic ring under load

试验结果表明，陶瓷环的损坏从靠近接触面处的拉伸剥离开始，破坏形式为拉应力破坏，与ABAQUS的仿真计算结果一致。10 t载荷下陶瓷环承载性能良好，初步表明陶瓷环在钢绞线锚固系统中能够使用。

4 结论

(1)通过对压载陶瓷环的有限元分析，得到了陶瓷环在压载下的应力场、位移场，瓷环在上下接触面摩擦作用下，发生鼓状变形，使其外表面存在拉应力，瓷环压载作用下，将以拉伸损伤的形式失效。

(2)陶瓷环的压应力水平能够满足其在钢绞线支护系统中的应用。

(3)试验分析表明，ABAQUS对陶瓷环的受力分析的正确性，该尺寸Al2O3陶瓷环能够在10 t载荷下使用，在12.57 t载荷下瓷环出现损伤，14.35 t载荷下陶瓷环损坏。

(4)本文的研究结果对退锚作业提供了一种新的思路，对煤矿安全生产具有指导作用。

[1] 张日林，李少华，张建荣.退锚索机在综放工作面的应用[J].机械管理开发，2008，23(3)：81-82.

[2] 陈胜利，沈玉旭，康天合.顶板深孔预裂爆破提高宗芳孤岛工作面初采率研究[J].煤炭工程，2013(11)：47-49.

[3] 姚辉苗，王成帅，杨凯.综放面快速退锚装置及应用[J].山西煤炭，2014，34(4)：70-72.

[4] 王建立.煤巷小锚索施工工艺优化及退锚技术研究[J].河北煤炭，2008(1)：26-27.

[5] 张新怀，王任杰.回采工作面两端头退锚技术改造[J].山西煤炭，2013，33(4)：75-76.

[6] 王利京，李五强，郭灵喜.简易退锚装置的研制与使用[J].煤，2007，16(11)：26-28.

[7] 牛同会.退锚索(锚杆)技术在布尔台煤矿的应用[J].内蒙古煤炭经济，2014(4)：171-173.

[8] 石亦平.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

第36卷 第1期

Research on Application of Al2O3Ceramic Ring in Anchorage System Unload

LIU Jian-yue1，CUI Xiao-chao1，LIU Wei-jing2

(1.School of Applied Science，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China；2.Institute of Applied Mechanics and Biomedical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

A ceramic ring with high compressive strength and brittle under impulse load between anchor plate and anchor ring was added to make the anchor system safe and convenient when unloading the cable bolts.The finite element analysis software ABAQUS was used to analyze the stress level of ceramic ring，and the results were compared with ballast test.Analysis and experiment results show that the reasonable design of ceramic ring can be used in a convenient back anchor system.

anchor supporting structure，unload anchor，ceramic ring，finite element analysis

1673-2057(2015)01-0068-04

2014-07-02

山西省研究生科技创新项目(20133111)

刘建月(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向为复合材料结构设计。

TD355

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.01.014