锚杆支护金属网力学性能及传力机制试验研究

2022-05-27原贵阳高富强娄金福李建忠王晓卿

煤炭学报 2022年4期

原贵阳，高富强，娄金福，李建忠,3，王晓卿

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083)

原岩应力状态的岩体由于受到巷道开挖的影响，在巷道表面形成塑性圈，塑性圈内破碎岩体的易冒落特征严重制约巷道的安全可靠性。高预紧力锚杆支护技术在有效抑制围岩变形的同时，由于其简单的点支护特征导致支护系统无法对巷道表面破碎围岩进行支护，金属网作为锚杆支护系统中的重要护表构件，可将锚杆的点支护转化为面支护，有效抑制破碎围岩的冒落，确保巷道的安全可靠。护表构件在发挥支护效应的同时，自身受力极其复杂，破坏形式多种多样，井下金属网的变形破坏随处可见，却没有引起足够的重视，存在巨大的安全隐患。

鉴于金属网变形破坏引发支护失效的严重问题，国内外较多学者针对金属网力学性能进行了大量的研究工作。孙志勇等采用液压千斤顶针对3种不同种类金属网进行垂直载荷测试，得到了3类金属网在垂直载荷作用下的载荷位移曲线，研究结果表明钢筋网相比于其他两类金属网具有高强度及高刚度支护特征；原贵阳等分析了不同种类组合构件对钢筋网强度及刚度的加固作用，并提出边界网丝的概念进一步分析了组合构件对钢筋网的加固机理；葛凤忠分析了金属网网孔大小、网丝直径对支护系统力学性能的影响规律。国外以澳大利亚、加拿大及美国为代表的学者针对金属网进行了较为系统的研究，ORTLEPP等对矿用钢筋网进行了实验室试验，研究结果表明钢筋网的支护薄弱区为焊接部位，焊点开裂及焊热影响区剪切破坏是造成钢筋网支护效果急剧下降的主要原因。PAKALNIS和AMES研发了金属网原位强度测试装置，并分别针对钢筋网与菱形网2种不同结构金属网进行现场原位强度测试，研究结果表明金属网网孔结构是影响其强度的主要因素，网孔结构包括焊接或链接方式，菱形网相比于钢筋网具有更大的承载能力与变形位移；PLAYER等研究了不同加载角度对金属网力学性能的作用规律，研究结果表明当加载盘与金属网成45°时，金属网的承载能力大幅度提高，试验过程中钢筋网的变形呈现出“边界保持平行、顶角处扭曲变形”的变化趋势；NEMCIK等通过对钢筋网单一网格进行单向拉伸测试，结果表明钢筋网网格在45°方向施加载荷时，网格的极限承载能力约为钢筋网网丝抗拉强度的40%，当钢筋网网格变形量达到极限变形量的60%时，焊点开始发生剪切破坏，焊点的破坏将严重制约钢筋网网格的承载能力；TIMOTHY等进行了大尺度钢筋网力学性能测试，6个加载点同时加载模拟金属网在围岩载荷作用下出现的多点鼓包变形，研究结果表明钢筋网在多点同时加载时，金属网的承载能力明显低于单个载荷加载，多点加载时钢筋网的传力机制与单点加载类似；DOLINAR测试了不同尺寸、不同材质托盘条件下金属网的力学性能差异，并研究了钢筋网的屈服、失效机制，结果表明托盘面积大小、接触面材质等是影响金属网支护刚度的重要构件，位于托盘底部的网丝滑移是降低支护刚度的重要因素。

以上学者对金属网进行了较为系统的研究工作，所得成果对进一步认识金属网支护作用起到了一定的推动作用。但是针对不同结构金属网在垂直载荷作用下曲线变化分析、传力机制及应用研究成果较少。为此笔者以锚杆支护金属网力学性能试验机开发为基础，创新性地采用了一种“搭接加双边绑丝连接”的边界固定方式对3类金属网进行了实验室试验，进一步采用数值模拟及理论分析的方法得到了3类金属网的应力分布特征及传力机制问题，并紧密围绕研究成果针对3类金属网分别提出了应用建议，以期为巷道锚杆支护设计中金属网选型及安装提供一定的参考。

1 金属网分类及变形破坏特征

井下使用的金属网主要包括钢筋网、经纬网及菱形网3种类型，钢筋网由冷拔钢筋相互焊接而成，网孔强度及刚度较高，网丝直径一般为6～8 mm，网孔边长为100 mm；经纬网由八号铁丝互相编制而成，正交网丝接触部位无约束作用，导致其在支护过程中相互正交的网丝容易产生滑动，网丝直径一般为4 mm，网孔边长为40～50 mm；菱形网由扁螺旋状的网丝相互缠绕而成，网丝之间形成环扣连接，网丝直径为4 mm，网孔为边长50 mm的菱形结构。

井下支护所用金属网的破坏方式主要分为2类：强度失效和刚度失效，强度失效主要是指金属网在上部破碎围岩载荷作用下，因自身强度不足导致金属网结构发生破坏。井下较为典型的破坏方式主要分为网丝拉伸破坏、网丝剪切破坏及边界绑丝破断3类，金属网强度失效破坏方式如图1(a)所示；刚度失效是指支护所用的金属网由于自身刚度不足，导致其在外部载荷作用下网丝发生大量的变形，但自身结构没有发生明显的破坏，致使金属网在巷道空间内产生较大的网兜变形，严重影响巷道空间的运输及通风安全问题，人为判定为支护失效。金属网典型的刚度失效方式如图1(b)所示。

图1 金属网支护失效模式Fig.1 Failure mode of metal mesh support

2 金属网力学性能试验

金属网的强度及刚度是决定支护是否失效的重要指标，为了明确金属网在真实边界条件下的力学性能，针对3类金属网进行了实验室试验。

2.1 金属网力学性能实验室测试

锚杆支护金属网静载力学性能试验主机情况如图2所示，其中法向油缸加载能力300 kN，油缸最大位移量550 mm，油缸底部分别布置压力及位移传感器，用于监测载荷-位移曲线。新研发设备相比于原有的测试仪器，对测试金属网的边界固定系统进行了进一步优化。试验过程中共涉及到5张金属网，包括1张测试金属网、4张边界金属网，测试金属网与边界金属网分别进行搭接100 mm，并采用绑丝(14号铁丝)进行双边连接，边界金属网与试验机之间采用U型卡头进行固定连接，U型卡头可在铰接部位进行小范围旋转，有效降低边界应力集中程度，边界条件约束情况如图3所示。

图2 锚杆支护金属网静载力学性能试验台Fig.2 Static load mechanical performance test bench of metal mesh supported by bolt

图3 金属网边界固定连接示意Fig.3 Schematic diagram of metal mesh boundary fixed connection

试验所用钢筋网网丝直径6 mm、网孔边长100 mm，经纬网及菱形网网丝直径4 mm，经纬网网孔边长40 mm，菱形网网孔边长50 mm。3组试验中测试金属网尺寸均为1.2 m×1.2 m的方形试样，四周与边界金属网搭接100 mm，采用绑丝(14号铁丝)进行双边孔孔相连，其中绑丝间距为100 mm。支护系统中锚杆间排距为1 000 mm，锚杆预紧力为80 kN。测试过程中，以10 mm/min的位移控制方式对金属网进行加载，加载面积为直径300 mm的圆形区域。

2.2 试验结果及曲线分析

试验所得3类金属网在垂直载荷作用下的载荷-位移曲线如图4所示，对曲线变化的分析是明确其受力特点的重要途经。

图4 3类金属网载荷-位移曲线Fig.4 Load displacement curves of three kinds of metal mesh

不同结构的金属网在垂直载荷作用下力学响应特征差别较大。3类金属网载荷-位移曲线以峰值载荷为分界线，可将曲线分为峰前区域与峰后区域。在峰前区域内，3类曲线均呈现出下凹并逐渐增加的变化趋势。峰后阶段由于金属网结构发生了破坏，导致曲线出现不同幅度的上下波动。不同的破坏方式，曲线波动幅度及频率也不一致，但总体上金属网支护系统的载荷-位移曲线变化趋势可分为以下3个阶段：

(1)载荷传递阶段。金属网承载过程中，直接位于压力盘下部的网丝最先受力，随后载荷通过网丝、网丝节点、边界连接部位逐渐向其他不受力网丝进行传递。最初载荷仅由少数受力网丝向周边传递，曲线上升速度较慢，随着受力网丝数目逐渐增加，载荷传递速度逐渐加快，该阶段内曲线上升形态呈现出“下凹”的变化趋势。

(2)网丝变形阶段。当金属网所有网丝在水平方向上被张紧并受力之后，随着上部载荷的持续施加，钢筋网、菱形网的载荷-位移曲线呈现出近似直线的上升趋势，经纬网由于在此期间内出现了网丝的相对滑移，曲线表现出小幅度的上下波动趋势，但整体上升速度较为一致。

(3)结构破坏阶段。在经历过网丝变形阶段之后，载荷达到金属网支护系统的屈服载荷，并开始出现不同程度的破坏。金属网每出现一次明显的破坏，曲线都会呈现不同幅度的上下波动特征。破坏阶段内，曲线总体呈现逐步降低的趋势，其中菱形网支护系统的载荷-位移曲线降低幅度远高于钢筋网及经纬网支护系统。

通过提取3类曲线中的峰值载荷、屈服载荷、绑丝破断载荷及对应位移量，统计结果见表1。其中屈服载荷是指金属网首次发生结构破坏时对应的承载能力，该值代表支护系统在未发生大规模结构破坏的情况下能承受的最大载荷，用以评判支护系统在峰前区域内的承载稳定性。

表1 3种金属网试验结果统计

2.3 支护强度及破坏分析

由测试结果可知，3类金属网在垂直载荷作用下的峰值载荷分别为37.2，38.2，52.6 kN。其中钢筋网与经纬网峰值载荷相差不大，菱形网峰值载荷高于钢筋网及经纬网41.4%，37.7%。3类金属网在垂直载荷作用下主要由于锚杆固定位置处网丝破坏导致支护失效，其中钢筋网及菱形网的网丝发生剪切破断，经纬网网丝发生拉伸破断。由此表明菱形网相比于其他2类金属网具有高强度支护特征，且3类金属网在支护过程中位于锚杆托盘位置处的网丝是主要的强度薄弱区，试验过程中3类金属网的破坏失效方式如图5所示。

图5 金属网支护系统变形破坏Fig.5 Deformation and failure of metal mesh support system

井下金属网的固定主要由锚杆及边界绑丝连接强度决定，现场对锚杆施加高预紧力，通过托盘将金属网紧压于巷道顶板及两帮。钢筋网由于网孔较大，直接位于锚杆托盘下部的网丝数量较少，试验过程中，当位于托盘下部的网丝发生破断时，支护系统承载能力迅速下降。经纬网及菱形网网孔较小，直接位于托盘下部的网丝较多，可有效提高金属网在托盘处的抗剪切能力以及抗滑移能力，充分发挥锚杆托盘的固定作用。文献[15]中分析不同的托盘尺寸对钢筋网力学性能的影响规律，结果表明托盘尺寸越大(在本质上也属于直接位于托盘底部的网丝越多)，钢筋网强度越高，测试数据可为本文分析内容提供理论支撑。关于边界绑丝连接，由表1数据可得，菱形网边界绑丝破断位移及破断载荷远高于经纬网及钢筋形网，表明边界绑丝对菱形网的约束能力更强；从金属网结构及金属材料用量进行分析，钢筋网相比于经纬网及菱形网，网丝直径较粗、网孔较大，菱形网网孔较小，且具有一定的厚度，在相同面积金属网前提下，菱形网金属材料用量更高；菱形网特殊的网孔结构及高柔性，使其在承载过程中受力更加均匀。当上部围岩变形产生载荷时，菱形网的高柔性使得支护系统对变形围岩具有更好的包裹性，外部载荷可均匀地分配到每一根网丝上，更有利于发挥自身的材料及结构优势。

以上内容分别从锚杆托盘固定作用、边界绑丝连接强度、金属网材料用量及金属网自身结构4方面阐述了菱形网具有高强度支护特征的原因。

2.4 支护刚度及变形分析

支护刚度是指金属网在上部载荷作用下的抗变形能力，也是判别井下网兜变形量的重要指标。为了便于分析，参考文献[15]中金属网支护刚度计算方法将其量化，支护刚度计算方法如图6及式(1)所示，计算结果见表2。

图6 金属网刚度计算方法(改自文献[15])Fig.6 Stiffness method of metal mesh(Modified from Reference[15])

=(-)(-)

(1)

式中，为金属网的支护刚度；为金属网支护系统的峰值载荷；为金属网支护系统20%峰值载荷；为金属网支护系统峰值载荷对应位移量；为金属网支护系统20%峰值载荷对应位移量。

表2 金属网支护系统支护刚度统计

若单独从金属网结构进行分析，不考虑边界搭接方式及水平张紧力对支护刚度的影响，3类金属网支护刚度由高到低依次为钢筋网、经纬网、菱形网，该结论在文献[19]中得到了试验验证，但金属网结构刚度并不能代表井下金属网支护系统的支护刚度。通过实验室测试，认为金属网边界搭接方式对支护系统的刚度影响较大。在经纬网的搭接部位，由于纵向网丝与横向网丝之间无连接关系，在绑丝未发生变形破断的情况下，搭接区域内网丝随着中心载荷的施加逐渐向中心区域聚集，最终形成一股由4～5根网丝组成的高柔性、高强度加固筋，该加固筋同时在水平及垂直方向上产生较大的位移，由此大幅度降低了经纬网支护系统的支护刚度。经纬网支护系统在加载过程中，自身网丝不断产生滑移，导致曲线出现一定幅度的上下振动现象，该特性也会大幅度降低经纬网支护系统的支护刚度。菱形网在水平方向张紧的前提下(即网丝与网丝之间无明显间隙)，由于边界部位网丝相互链接以及孔孔相连的绑丝连接方式，有效约束了边界网丝的位移量。因此在水平方向上施加足够张紧力的前提下，菱形网支护系统的刚度高于经纬网支护系统。钢筋网自身结构刚度较高，且网丝之间通过焊点连接，网丝及网孔抗变形能力显著高于经纬网及菱形网；钢筋网边界约束部位刚度高、网孔难变形，在加载过程中边界钢筋在水平方向上位移量较小，因此钢筋网支护系统具有高刚度支护特征。

综上所述，在同时考虑金属网结构与边界连接强度的情况下，3种支护系统的支护刚度依次为：钢筋网支护系统、菱形网支护系统、经纬网支护系统。

3 金属网应力分布数值模拟研究

前文通过实验室试验的方法得到3类金属网在垂直载荷作用下的力学性能，但限于监测手段的欠缺，无法对其应力分布特征进行监测，通过有限元分析软件对金属网进行模拟计算，以期得到其应力分布规律，为传力机制理论分析提供基础。

3.1 数值模型材料参数

数值模型参数设置中，金属网及托盘等材料均设置为各向同性，弹性模量200 GPa，切线模量10 GPa，泊松比0.3，强度参数与Q235结构钢一致，屈服强度为235 MPa，其余模型几何参数均与试验参数一致。采用非线性大变形静态分析方法进行计算，本构模型选取为双线性等强硬化弹塑性模型，屈服准则设置为Von Mises准则。加载设置中，以中心直径为300 mm的圆形区域为加载区域，载荷分别施加于“梁”单元节点位置，加载能力设置为35 kN。

3.2 金属网抗变形能力分析

图7为3类金属网在35 kN载荷作用下的位移云图，由图7可知，支护系统以加载区域为变形最大值，向四周扩散过程中，位移值逐渐减小，在整体区域内形成网兜状变形。其中3类金属网由于网丝直径、网孔大小及形状具有一定的差异，在相同载荷作用下表现出不同的变形量。由模拟结果可知，相同载荷作用下，最大变形量依次为经纬网、菱形网及钢筋网支护系统。

图7 金属网支护系统位移云图Fig.7 Displacement nephogram of metal mesh support system

3.3 “梁”单元应力分析

数值模拟过程中，金属网所用单元为“梁”单元，根据“梁”单元的轴向及径向应力分布特征可以得到金属网支护系统在垂直载荷作用下的应力分布规律。以钢筋网为例，将其应力分布规律分别与试验结果进行比对，数值模拟中钢筋网以中心“十”字区域内的网丝承受轴向应力对应试验中边界绑丝破断首先从中心开始，并逐渐向两侧扩展延伸；径向应力分布规律中以锚杆托盘位置及加载边缘部位受到剪切应力集中，且加载中心与托盘之间的网格受到较为严重的水平扭曲作用，数值模拟计算结果与实验室试验结果具有较高的一致性，两者对比情况如图8所示。

图8 应力分布规律与试验对比情况Fig.8 Stress distribution and test comparison

由图9，10三类金属网轴向及径向应力分布结果可知，钢筋网及经纬网由于数值模型较为类似，其主要以中心“十”字区域内的网丝承受较高的轴向应力，以加载边缘处及托盘固定位置承受较高的剪切作用，在加载区域与托盘固定位置之间的网丝受到一定量的剪切作用，试验中表现出轻微的水平扭曲变形。菱形网支护系统由于网孔结构及形状的不同，在垂直载荷作用下表现出不同的应力分布规律，其主要以中心“X”字型区域内的网丝承受轴向应力，以加载边缘部位及边界约束位置承受较高的剪切作用。

方案优点：在10G GPON标准尚未成熟商用的阶段，采用的一种过渡的方案。GPON网络下行有效带宽为2250M；按照64的分光比，控制实际承载用户数后，同等条件下用户忙时平均带宽能达到35M，足以满足未来视频业务的发展需求；

图9 网丝轴向应力Fig.9 Axial stress of mesh

图10 网丝径向应力Fig.10 Radial stress of mesh

4 理论分析

从金属网载荷-位移曲线变化3个阶段出发，以实验室试验及数值模拟结果为基础，分析金属网支护系统的传力机制及受载变形趋势，并分别提出了防止破坏失效的改进建议。

4.1 金属网传力机制分析

在金属网支护系统的载荷传递阶段，压力由受力网丝逐渐向其余网丝进行传递，不同结构的金属网，载荷传递方式差异较大。

钢筋网支护系统在加载过程中，直接与压力盘接触的网丝为主要传力钢筋，外部载荷通过中心“十”字区域内的网丝进行传递，当传递到边界绑丝约束部位时，边界连接中心首先出现绑丝破断，随后沿着边界中心部位开始向两侧进行传递。在4个顶点处由于锚杆的固定作用，钢筋网在施载压力盘与锚杆之间的网格由矩形变为菱形结构，表明此处的钢筋网焊点受到了较大的扭曲剪切作用，而中心“十”字区域内的钢筋在边界绑丝的约束作用下受到较大的拉伸作用。

经纬网网丝之间无约束作用，相互接触呈正交状态的横向及纵向网丝可以相互沿着金属表面进行滑移。经纬网支护系统在承载过程中，锚杆托盘固定处及压力盘边缘位置为主要应力集中部位。试验过程中，位于锚杆托盘固定处与压力盘边缘部位的网丝开始在外力作用下逐渐向中心区域滑移聚集，网丝聚集区域如图11(b)所示。经纬网中网丝聚集区域是整个金属网支护系统中应力降低区，表明经纬网在加载过程中，网丝为了避免受到较大的应力，会由高应力区向低应力区滑移，最终造成网兜底部及锚杆固定位置处只有若干根网丝在单独承载，这样的受力状态导致主要承受载荷的网丝极易发生拉伸破断，其中某根网丝的破坏，对经纬网支护系统的承载性能影响较大，不利于经纬网支护系统整体结构性能的发挥。

菱形网由螺旋状网丝相互缠绕而成，在菱形网未被水平张紧的情况下，横向刚度与纵向刚度差异较大。金属网在横向方向为单一螺旋状网丝结构，纵向方向为网丝铰接可错动状态，此时纵向刚度低于横向刚度。将菱形网在水平方向上进行张紧之后，纵向方向上的网丝铰接可错动状态转变为点接触，由于四周锚杆的固定作用，使其在加载部位与锚杆固定区域之间的金属网抗变形能力增强。在横向方向，由于菱形网螺旋状结构网丝以及边界绑丝连接的存在，使其在加载过程中首先出现螺旋状网丝被拉直，其次边界绑丝连接位置朝着变形区域产生一定量的水平位移。在纵向方向上，由于边界连接部位具有较高的柔性，允许金属网进行一定量的变形，该变形量对载荷传递起到一定的阻碍作用。由此分析可得，菱形网支护系统中载荷主要沿着中心“X”型区域进行传递。该传力方式分析结果与试验中菱形网横向边界绑丝破断及“X”型区域内网丝的剪切破断结果具有一致性。

3类金属网的传力机制如图11，12所示。

图11 金属网传力机制Fig.11 Force transmission mechanism of metal mesh

图12 金属网变形破坏对比Fig.12 Comparison of deformation and failure of metal mesh

4.2 金属网受载变形分析

在网丝变形阶段，3类金属网均在外部载荷作用下产生较大的变形量，此阶段内金属网的强度薄弱区是第3阶段最容易发生破坏的位置。通过寻求金属网的强度薄弱区及受力方式并进行改进可有效提高其结构强度。

在不考虑金属网网孔形状及结构的前提下，以单根网丝为对象建立金属网在锚杆托盘固定作用下，中心受垂直载荷工况的力学模型如图13所示。

图13 网丝变形模型Fig.13 Mesh deformation model

在垂直于金属网平面侧进行观测，其整体结构如图13所示，值得注意的是，直接位于托盘底部的网丝是固定其整体结构的主要网丝，外部载荷作用下，随着金属网网兜结构的形成，其直接位于托盘底部的网丝成为“Z”字形结构，“Z”形结构中间段为主要的拉伸变形段，而托盘及网兜底部由于具有较大的摩擦力，整体变形量较小。在拉伸段两侧，由于锚杆托盘及加载压力盘的应力集中效应，此处产生了较为严重的剪切作用，同时也容易发生破坏进一步导致支护失效。实验室测试中发现，在这2处发生剪切破坏时，金属网的承载能力将持续下降。

图14 金属网平面变形Fig.14 Plane deformation of metal mesh

由此可得，变形阶段内决定金属网是否能有效支护的边界网丝同时在垂直及水平方向上受到剪切作用以及扭曲作用。在水平方向上，绑丝的强度直接决定位于边界网丝的扭曲程度，且该2处作用方式在应力上均表现为剪切作用。

4.3 防止金属网支护失效的改进方法分析

金属网的结构破坏阶段内曲线出现了较高幅度的上下波动现象，严重制约金属网的支护性能。根据以上2个阶段分析结果，分别从金属网传力机制及受载变形2个角度针对金属网进行结构优化，提出了防止金属网支护失效的改进建议。

..钢筋网局部绑丝加固优化

钢筋网相比于经纬网及菱形网，由冷拔钢筋通过焊点连接而成，网丝材料脆性较强，且抗剪切能力较差。文献[20]中表明钢筋网网丝的抗剪切能力为单向拉伸强度的50%左右，因此在使用钢筋网进行支护的过程中，要尽量避免钢筋网出现剪切作用。从钢筋网的“十”字型传力机制出发，针对“十”字区域边界进行绑丝加固，钢筋网在承载过程中，载荷沿着中心区域进行传递，当中心绑丝不产生明显破坏的前提下，边界网丝不会在水平方向上产生水平收缩，从而可有效避免钢筋网边界网丝的水平剪切作用，从而提高钢筋网支护系统的支护强度。

..经纬网节点约束防滑优化

经纬网实验室测试结果表明经纬网在支护过程中有以下2点弊端：① 经纬网的网丝相互错动是降低自身支护强度及刚度的重要原因；② 垂直载荷作用下网丝由高应力区向低应力区滑移，最后导致网兜底部及托盘固定位置只由若干根网丝在单独承载，这样的承载方式极不利于经纬网整体结构的发挥。

因此抑制网丝的相互错动是解决经纬网支护效率低下的重要途径。美国学者DALE曾于2016年使用过一种新型“打结”类金属网，该类金属网是在网丝节点处采用一种特殊的“打结”方式处理，其节点结构及实物如图15所示。该节点结构可使得金属网在承载过程中网丝相互调整，并使得其支护强度及支护刚度提高幅度达到50%左右。因此，针对国内常用的经纬网，抑制网丝的自由错动状态是解决经纬网支护效率低下的重要途径。

图15 新型金属网结构Fig.15 New metal mesh structure

..菱形网配套锚杆间排距优化

根据菱形网的“X”字型传力机制可用来优化锚杆间排距，或根据现有的锚杆间排距选择合适的菱形网网孔角度及边长。

由菱形网数值模拟及理论分析结果可知，菱形网以中心“X”字型区域内的网丝承受轴向应力，且应力传递也主要以中心“X”字形区域内的网丝为主，表明在外部载荷作用下，菱形网以中心“X”字形区域内的网格整体承受拉伸作用。现场的菱形网固定方式主要有托盘及边界绑丝约束，若托盘布置在菱形网“X”字形区域之外，则菱形网在外部载荷作用下容易在“X”字形区域内的绑丝发生破断进而造成支护失效。因此现场在使用菱形网的过程中，应该按照菱形网网孔的边长及角度，将托盘放置在“X”字形区域内部，这样可以更好的发挥托盘的固定作用，与菱形网相互匹配的锚杆间排距布置方式如图16所示。实际情况中，由于菱形网特殊的传力方式使其更容易发挥锚杆托盘的固定作用，因此菱形网相比于钢筋网及经纬网具有高强度支护特征。

图16 锚杆间排距布置方式Fig.16 Arrangement of row spacing between anchors

5 讨论

现场情况中由于对金属网上部施加载荷的方式不确定，导致金属网上部由破碎围岩自重加岩体大变形产生的载荷大小、载荷作用方向以及围岩与金属网界面的接触方式3类重要机理问题仍然不清晰。本次试验中，以直径为300 mm的圆盘模拟破碎围岩，其两者之间的接触方式为平面结构，是一种理想化的受力模型。实验室选取的接触方式相比于现场，使得金属网受力不均匀，且加载圆盘周边的应力集中更容易导致金属网发生局部破坏进一步造成支护失效。后期针对金属网支护性能的研究主要可分为2个方面：① 通过数值模拟手段明确金属网上部破碎围岩产生载荷的大小及作用方式；② 实验室试验中，以真实岩石代表外部载荷，通过还原围岩与金属网的接触面解决金属网的受力方式问题，以此补充完善金属网支护系统方面的系统研究。