锚杆杆体动态力学特性及应变率效应实验研究

吴拥政，付玉凯，郑建伟

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013; 2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013; 3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

冲击地压作为深部煤矿开采过程中常遇到的典型煤岩动力灾害，其发生的强度和频次逐步增加。冲击地压还有可能诱发诸多次生灾害，如煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸以及突水等。冲击地压巷道围岩控制作为实现巷道防冲的重要手段之一，越来越受到国内外学者的关注[1-3]。

与其他支护形式相比，锚杆支护对于防控巷道冲击地压具有独特的优势。冲击地压巷道对锚杆材质要求更高，既要求锚杆具有静载下的高强度，又要求具有动载荷下瞬时延伸吸能特性[4]。在防控冲击地压巷道方面，国内外学者开展了大量的研究工作:康红普等[1]研究了冲击地压巷道围岩变形破坏特征，提出冲击地压巷道锚杆支护原则，认为锚杆支护控制冲击地压巷道的本质在于形成支护应力场、降低应力集中程度和改善围岩受力状态;姜耀东等[5]采用环形可收缩支架来控制巷道冲击地压;何满潮等[6]采用横阻变形锚杆和锚索吸收冲击地压产生的能量，通过吸能减冲来减弱冲击载荷对巷道的破坏效应;潘一山等[7]提出了围岩-吸能材料-钢支架支护系统，通过转移围岩应力，均化围岩应力场和位移场，提高了冲击地压巷道的抗冲击能力;高明仕等[8]提出冲击地压巷道的强弱强结构模型，分析了其防冲抗震机理;顾金才等[9]进行了爆炸荷载条件下锚固洞室破坏形态对比试验研究;吴拥政等[10-11]以实际发生冲击失稳的巷道为例，分析了冲击载荷作用下锚固围岩动载响应特征，对比分析了冲击载荷前后锚杆力学性能;单仁亮等[12]采用相似模型研究了爆炸作用下锚杆的力学响应;王爱文等[13-14]通过研究锚杆的静载-动载力学特性，揭示了防冲锚杆索的力学响应规律，认为非等强螺纹钢锚杆和防冲吸能锚索抵抗冲击破坏的能力要优于传统等强锚杆和锚索。近几年来，煤炭科学研究总院开采研究分院针对冲击地压巷道，开发了高强度、高冲击韧性热处理锚杆，研究了不同锚杆的动态力学特性和微观、宏观破断机理，提出冲击地压巷道应优先选用高强度、高冲击韧性、高延伸率的热处理材质锚杆[15-19]。

目前，国内外学者在冲击地压巷道支护的研究集中在锚杆支护材料、防冲支架等方面，但现场应用中发现，有些支护材料适合在低冲击能量或者低应变率效应下的冲击地压巷道使用，有些材料则相反。现有研究中对锚杆支护材料动态力学特性及应变率效应的内容较少。笔者通过研究不同冲击韧性锚杆的静态和动态力学特性，从微-细观分析锚杆的抗冲击性能，研究应变率大小对锚杆动态力学响应的影响规律，以期为不同震级冲击地压巷道支护设计提供参考与借鉴，最终达到冲击地压巷道分级防控的目的。

1 锚杆静态和动态力学特性

1.1 静载荷作用下锚杆杆体力学性能

目前煤矿巷道锚杆支护用材料分为热轧和热处理两种，热轧螺纹钢锚杆钢号为HRB400,HRB500和HRB600，热处理锚杆钢号为CRM600和CRM700。本次试验选取冲击地压巷道支护较常用的HRB500,CRM600和CRM700三种类型，采用JAW-1500型试验机对3种锚杆的力学性能进行了测试，杆体力学性能测试结果见表1，锚杆杆体强度-位移曲线如图1所示。

表1 锚杆杆体力学性能测试结果Table 1 Test results of bolt materials

图1 锚杆杆体载荷-位移曲线Fig.1 Load-displacement curves of bolt

从测试结果可以看出，3种锚杆材料强度和断后伸长率等均满足现有国家标准的要求。随着钢号的提高，钢材的屈服强度和破断强度显著提高，而延伸率随之降低，CRM600锚杆的断面收缩率最大，其次是CRM700，HRB500最小，从断面收缩率指标来看，CRM600锚杆和CRM700锚杆的韧塑性较好。

从锚杆强度-位移曲线来看，3种锚杆的强度-位移曲线形态基本相同，锚杆钢号越高，峰值强度越大，破断位移越小。

1.2 冲击载荷作用下锚杆杆体力学性能分析

采用ASME示波冲击试验机对杆体制作的标准试样进行示波冲击，试验依据GB2106《金属夏比(U型缺口)冲击试验方法》测定。试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，缺口深度2 mm。通过示波冲击可以获取金属材料的最大破断力、冲击吸收功及冲击载荷曲线，3种锚杆材料的示波冲击曲线如图2所示。

示波冲击结果显示，HRB500,CRM600和CRM700的冲击吸收功分别为128,145和166 J，CRM700的冲击吸收功分别是HRB500和CRM600的1.30倍和1.14倍，与HRB500和CRM600相比，CRM700锚杆钢材在冲击载荷作用下能吸收更多的能量。

从锚杆载荷实测曲线来看，3种锚杆形态基本相同，CRM700锚杆载荷曲线的峰值载荷最大，为23.5 kN，HRB500和CRM600的峰值载荷分别为20和22 kN。CRM700的峰值载荷是HRB500和CRM600的1.18倍和1.07倍，与其他2种锚杆相比，CRM700号锚杆在冲击载荷作用下承载能力更强。

从示波冲击曲线来看，CRM700锚杆冲击载荷下的瞬时变形量(瞬时变形量是指试样受到冲击载荷作用开始至试样完全断裂所产生的总变形)达到20 mm，HRB500和CRM600的瞬时变形量分别为15和22 mm，与其他两种锚杆相比，CRM700锚杆钢材的瞬时变形量是HRB500锚杆的1.33倍，而略小于CRM600锚杆。

总体来看，CRM700锚杆的载荷实测曲线和冲击功曲线比较平滑，CRM600次之，HRB500最差。这主要由锚杆材质的断裂方式决定，CRM700锚杆韧性较好，裂纹缓慢扩展后断裂，载荷曲线表现出平滑特征;HRB500锚杆钢材产生裂纹后，出现突然断裂，载荷曲线表现为急剧跌落特征。主裂纹的扩展致使载荷曲线急剧跌落，HRB500 和CRM600两种锚杆材料受到冲击载荷作用后，材料断裂主要由主裂纹的扩展引起的，急剧跌落后的曲线是由次生裂纹引起的，次生裂纹扩展也能吸收少部分的能量。与前面2种锚杆相比，CRM700的载荷曲线比较平滑，这说明其主裂纹和次生裂纹差别不大，裂纹扩展较均匀，吸能特性更优。

图2 锚杆示波冲击曲线Fig.2 Impact test curves of bolts

对比3种锚杆的静态和动态力学特性，CRM700锚杆不仅能满足静载条件下巷道支护的材料要求，且强度更高，同时也能满足冲击地压巷道支护材料所要求的瞬时变形和吸能特性，CRM700锚杆对冲击地压巷道具有较好的适应性。

1.3 锚杆断口形态和金相组织分析

委托国家钢铁材料测试中心对不同冲击韧性锚杆材料的断口组织和金相组织进行了测试与分析，鉴于CRM600锚杆和CRM700锚杆均为热处理加工工艺制作，其断口形态和金相组织基本相同，因此，仅对HRB500和CRM700的断口组织和金相组织进行对比分析，HRB500锚杆和CRM700锚杆断口形貌如图3,4所示，锚杆断口金相组织如图5所示。

图3 HRB500锚杆断口形貌Fig.3 Microscopic image of HRB500 bolt

图4 CRM700锚杆断口形貌Fig.4 Microscopic image of CRM700 bolt

图5 锚杆断口金相组织Fig.5 Metallographic structure of bolt fracture

由图3和4断口形貌可以看出:HRB500锚杆断口源区为韧窝形态，中部扩展区为准解理+少量韧窝，终断区为韧窝形态;而CRM700锚杆断口附近全部为韧窝形态;由图5可以看出，HRB500锚杆金相组织为铁素体+珠光体，而CRM700锚杆金相组织为回火索氏体+贝氏体+铁素体，金相组织的差异导致两者吸收冲击能量不同。HRB500锚杆的晶粒度为6级，而CRM700锚杆的晶粒度为10级。晶粒度越高，晶粒越小，强化效果越好;晶粒减小后晶体界面增多，有效阻碍了裂纹的扩展，晶界面面积相应也增大，晶界上的夹杂物浓度降低，从而避免了沿晶断裂，大大提高了锚杆的抗冲击性能。

2 应变率对锚杆力学性能的影响

煤矿井下现场监测发现，冲击地压发生后，巷道表面围岩的震动速度通常为0～10 m/s内，冲击速度不同，在支护材料锚杆上表现出冲击应变率不同，部分锚杆在低应变率下抗冲击能量强，反之则较弱。因此，仅采用拉伸测试和示波冲击对于分析锚杆材料的抗冲击性能有一定的局限性。开展应变率对锚杆动态力学特性和抗冲击性能的影响研究很有必要。

2.1 实验装置

3种锚杆的室温准静态力学性能测试在InstronF5581万能实验机上进行，试样尺寸采用商业标准JIS-13B型号尺寸，每种锚杆进行3次准静态拉伸试验，以确保试验结果的可重复性。

高速动态拉伸实验在拉伸装置ZwickFHTMF5020上进行，试验装置如图6所示。在实验过程中，获取试样载荷-位移曲线(或强度-应变曲线)。

图6 快速拉伸试验装置Fig.6 High-speed tensile impact tester

2.2 试样制作及试验方案

本次实验试样采用国家标准制作，试样应保持均匀光滑以确保材料的单向应力状态，均匀部分的有效工作长度称为标距，试样的过渡部分应有适当的圆角以降低应力集中，两端的夹持部分用以传递载荷。尺寸如图7所示，试样工作部分长度为15 mm，宽度为6 mm，厚度为3 mm，标距为15 mm，圆角半径为10 mm。

图7 试样照片及其尺寸Fig.7 Photographs and dimensions of samples

井下冲击地压所造成巷道围岩震动速度通常为0～10 m/s，所对应的应变率为0～600 s-1，考虑快速拉伸试验机的应变率测试范围，本次实验所采用的试验机的拉伸应变率选为4种，分别为0.05,33,200,300 s-1。为研究锚杆材料拉伸试样断裂模式的应变率效应，对3种锚杆材料各进行了4种应变率效应下的快速拉伸试验，每个加载速度做3组重复性实验。

2.3 不同应变率下锚杆力学性能分析

获取了3种锚杆在4种不同应变率下的拉伸工程应力-工程应变曲线，3种锚杆的工程应力-工程应变曲线如图8所示。

图8 不同应变率下3种锚杆应力-应变曲线Fig.8 Stress-strain curves of three kinds bolts under different strain rates

由图8(a)中可以看出，HRB500锚杆在不同应变率下的应力-应变曲线形态基本相同，随着应变率的提高，HRB500锚杆的屈服强度和抗拉强度显著提高，应变率为0.05 s-1时，锚杆的屈服强度和抗拉强度分别为590和748 MPa，应变率为300 s-1时，锚杆的屈服强度和抗拉强度分别为797和916 MPa，HRB500锚杆应变率敏感性较强，应变率对其屈服强度和抗拉强度影响较大;随着应变率的增大，锚杆的应变并不呈线性增加，而是呈先减小后增大的趋势，应变率为300 s-1时，锚杆的应变最大，达到0.38。

由图8(b)中可以看出，CRM600锚杆的应力-应变曲线形态与HRB500锚杆的基本相同，随着应变率的提高，CRB600锚杆的屈服强度和抗拉强度有一定提高，应变率为0.05 s-1时，锚杆的屈服强度和抗拉强度分别为680和821 MPa，应变率为300 s-1时，锚杆的屈服强度和抗拉强度分别为812和916 MPa，CRB600锚杆应变率敏感性相对HRB500锚杆较弱，应变率对其屈服强度和抗拉强度有一定影响，但影响不大;随着应变率的增大，锚杆的应变呈现先增大后减小的趋势，应变率为300 s-1时，锚杆的应变最小，达到0.29。

由图8(c)中可以看出，CRM700锚杆的应力-应变曲线形态与前两种锚杆基本相同，随着应变率的提高，CRB700锚杆的屈服强度和抗拉强度比准静态下的有一定提高，但当应变率超过33 s-1时，其屈服强度和抗拉强度基本保持不变;随着应变率的增大，锚杆的应变呈现增大的趋势，应变率为300 s-1时，锚杆的应变最大，达到0.34;应变率对CRM700锚杆的应力影响不大，而对其应变影响较为显著。

总体来看，3种锚杆对应变率均有一定程度的应变率敏感性，但敏感程度不同。热处理锚杆对应变率敏感性较低，即使在高应变率下也保持了良好了延伸吸能特性，而热轧锚杆则与之相反。

2.4 应变率对锚杆延伸率和断口收缩率的影响

为了分析应变率对不同锚杆的瞬时延伸率和断口收缩率的影响，对试验后试样的延伸率和断口收缩率进行了测量，测量结果如图9,10所示。

图9 不同应变率下锚杆试样延伸率Fig.9 Elongation of bolt specimen at different strain rates

图10 不同应变率下锚杆试样的断面收缩率Fig.10 Section shrinkage of bolt specimens at different strain rates

由图9中可以看出，应变率对3种锚杆的延伸率影响较大，HRB500锚杆延伸率对高应变率比较敏感，而对低应变率敏感性差;CRM600锚杆在低应变率下延伸率较大，表现出了良好的吸能特性，但在高应变率下(300 s-1)延伸率急剧减小，影响了其吸能特性;CRM700锚杆随着应变率的增加，其延伸率逐渐增大，对不同应变率下的冲击载荷均有良好的吸能特性。

由图10可以看出，应变率对3种锚杆试样的断面收缩率也有一定影响。HRB500锚杆的断面收缩率随着应变率的增加先减少后增大，CRM600锚杆和CRM700锚杆的断面收缩率随着应变率的增大而减小，而CRM600号锚杆衰减程度更快，表明其在高应变率冲击下不易变形吸能，CRM700号锚杆断面收缩率衰减程度较小，对不同应变率下的冲击载荷均有良好的适应性。

2.5 应变率对锚杆动态力学性能影响的微观作用机制

对于金属材料来说，在受到高应变率冲击载荷作用下，金相组织中大量的位错积聚在第2相周围，晶粒间的位错会受到抑制作用，导致金属材料屈服强度和抗拉强度随应变率的增加而提高。比如HRB500锚杆材料，其铁素体晶粒尺寸大，晶粒级别为6级，在不同的应变率冲击载荷作用下，金相组织中的铁素体内部位错在第2相周围积聚的梯度不同，其在力学特性上表现为屈服强度和抗拉强度对应变率敏感性较强;而对CRM700锚杆来说，其金相组织中的铁素体晶粒尺寸为10级，晶粒尺寸小，且铁素体较均匀的环绕在第2相晶粒周围，其受到不同应变率冲击载荷作用后，金相组织中的位错积聚程度降低，力学特性表现为屈服强度和抗拉强度对应变率敏感性较弱。

3种材料试样的断面收缩率随应变率的提高而减小，而CRM700锚杆的延伸率反随着应变率的提高而增加，这主要是由于在高应变率作用下，金相组织中铁素体中位错在极短时间内受到极高的切应力作用，极高的切应力超过了晶粒滑移系的临界分切应力，所以晶粒会产生更大的位错滑移，大幅度提高了材料的延伸率。

3 结 论

(1)CRM700锚杆的冲击吸收功分别是HRB500和CRM600的1.30倍和1.14倍;峰值载荷分别是两种锚杆的1.18倍和1.07倍;瞬时变形量分别是两种锚杆的1.33倍和0.91倍。CRM700锚杆的载荷曲线和冲击功曲线比较平滑，材料受到冲击载荷后呈现出缓慢断裂的特性，对冲击载荷具有良好的适应性。

(2)应变率对3种锚杆的力学特性影响规律差异较大，应变率对HRB500锚杆的屈服强度、抗拉强度和应变影响显著，对CRM600锚杆的影响较小，对CRM700锚杆的影响最小。CRM700锚杆应变随应变率的提高显著增大，很好的适应了高应变率下的冲击载荷，在高应变率冲击载荷作用下，能通过增加瞬时变形提高吸能能力。

(3)锚杆动态力学特性的差异本质在于金相组织的不同，金相组织中的铁素体晶粒尺寸越大，位错在第2相周围积聚的梯度就越高，在力学特性表现为屈服强度和抗拉强度对应变率敏感性越强;反之，铁素体晶粒尺寸小，那么其位错积聚规律与之相反。高应变率使铁素体中位错在极短时间内受到极高的切应力作用，致使晶粒会产生更大的位错滑移，大幅度提高了材料的延伸率，从而使材料能够吸收更多的能量。