矿用锚杆托板动静载力学特性试验研究

2022-11-24王书文付玉凯周鹏赫

煤炭工程 2022年11期

王书文，付玉凯，金峰，周鹏赫，姚伟

(1.中国中煤能源集团有限公司，北京 100120；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；3.鄂尔多斯市伊化矿业资源有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017318)

锚杆支护已成为我国煤矿巷道的主体支护方式，支护占比已达90%[1]。影响巷道锚杆支护效果的因素主要有支护参数、支护构件的选取、支护构件的匹配性、支护构件强度及预紧扭矩等因素，其中支护构件的强度是影响巷道支护效果的关键因素之一[2，3]。随着巷道埋深和赋存地质条件的日益复杂，国内许多单位相继开发了系列高强度锚杆、热处理锚杆及钢棒等支护材料[4，5]。虽然锚杆支护材料取得了快速的发展，但相应的锚杆支护构件托板结构和强度却变化不大，导致井下诸多锚杆托板破坏失效，严重影响了巷道锚杆支护效果[6，7]。

目前学者对托板的研究主要包括以下三个方面：一是，在托板支护作用方面，陆士良[8，9]和林健[10]分别研究了托板在锚杆预应力传递中的作用；张剑、李中伟[11，12]针对沿空留巷中托板强度低、锚杆(索)预应力低等问题，通过调整托板尺寸、结构和锚杆预应力，有效控制了沿空留巷围岩变形破坏。二是，在托板力学性能方面，康红普[13，14]测试了煤矿常用托板的力学性能，并确定了影响托板承载力的关键因素；贾西阁和刘少伟等[15，16]研究了不同材质托板的破坏形式，并分析了影响托板变形破坏的因素。三是：在托板结构研究方面。马永忠[17]研究了纤维增强复合材质托板的力学特性，获取了非金属托板合理的结构和参数；刘双跃[18]和郑仰发[19]采用理论计算和实验室测试的方法，研究了托板形状、拱高、厚度等参数对托板强度和稳定性的影响。

从现有的研究成果来看，锚杆托板的研究主要集中在其支护作用、力学特性和结构等方面，并且主要以静态或准静态为主，很少涉及冲击动载对锚杆托板力学的影响。鉴于冲击地压巷道锚杆托板动载失效问题，选取了蒙陕深部矿井三种常用的锚杆托板，采用伺服压力试验机和落锤冲击试验机开展静动载力学性能测试，获取锚杆托板结构的力-位移曲线、冲击力时程曲线等，分析不同托板结构的动静载力学特性，通过研究从而为冲击地压巷道锚杆支护托板的选取提供试验依据。

1 锚杆托板静动载力学性能实验

1.1 锚杆支护系统及静动载破坏特征

锚杆支护系统组成如图1所示，锚杆支护系统主要包括锚杆、金属网、钢带、托板、球垫、垫圈及螺母等附件。

图1 锚杆支护系统

在普通巷道中，锚杆支护结构托板主要受静载荷作用，而在冲击地压巷道中，托板不仅受围岩静载载荷的作用，还会受到冲击动载荷的影响[20-21]。冲击地压发生时，强烈的冲击造成托板与围岩间的作用力剧增，进而造成托板接触区域围岩破裂、垮落，托板悬空失效。对于强度较高的围岩，托板出现过载弯折、撕裂，甚至造成锚杆破断。因此，在冲击地压巷道中如何选取合适的托板是实现锚杆支护防冲效果的关键因素之一。

1.2 锚杆托板静载测试装置

锚杆托板静载力学特性测试采用JAW-1500型压力试验机，JAW-1500型压力试验机最大静载压力1500kN。测试时，将试样放置在试验机支座上，托板在上，缓冲垫层在下，加载过程中采用力控制的方法加载，加载速率为1kN/s，如图2所示，监测托板失效过程中的位移-力曲线，加载直至结构失效为止。

图2 锚杆托板静载试验

1.3 锚杆托板动载测试装置

图3 落锤冲击试验机及托板冲击布置

1.4 实验试样选取

本次实验选取大海则矿、母杜柴登矿和葫芦素矿三种常用的锚杆托板，编号分别为A、B和C，均为拱形托板，材质为Q235。A托板直径197mm，厚度10mm，拱底直径119.5mm，拱高30.5mm；B托板尺寸为145mm×145mm，厚度10mm，拱底直径100.5mm，拱高34.0mm；C托板尺寸为145mm×145mm，厚度12mm，拱底直径100.5mm，拱高34.7mm。三种常用的锚杆托板实物如图4所示。

图4 三种常用的锚杆托板

2 锚杆托板静载实验结果分析

2.1 托板静载破坏特征

利用伺服压力试验机测试了3个矿的锚杆托板力学性能，加载至托板拱部结构被压平、四角翘起为止。3个矿的锚杆托板加载前后的形态如图5所示，从图中可以看出，3种托板均出现了变形破坏，但变形形态略有不同。A托板在加载过程中，四角没有出现明显的翘起，而拱部降低比较明显，随着拱高的降低，托板逐步失去承载能力；B托板四角翘起比较明显，随着加载力的增加，托板拱高急剧降低，托板四角已完全脱离底座，拱部结构坍塌，托板的拱形结构被压平，托板失去承载能力；C托板四角略有翘起，但翘起程度要明显小于母杜柴登煤矿，随着加载力的增加，拱部结构降低比较明显，托板破坏主要以拱高降低为主。

图5 3种锚杆托板加载前后变形形态

整体来看，不同矿的托板在静载作用下的变形形态明显不同。A托板为圆形结构，托板受力状态最好，在加载过程中托板底部能保持平整，现场使用时与围岩接触面积大，受力状态好；B托板为方形结构，厚度较低，再加上四角区域受力较大，在受力较大时易出现四角翘起的现象，在现场使用时，托板受力不易过高，否则影响托板与围岩的接触效果；C托板虽然也为方形结构，但托板厚度较大，承载能力高，在加载过程中，托板也主要以拱高降低为主，四角翘起不明显，现场使用时与围岩接触面积大，使用效果较好。

2.2 托板静载力学特性分析

试验过程中监测了锚杆托板的位移-载荷曲线，3种锚杆托板载荷曲线如图6所示。从图中可以看出，3种锚杆托板最大承载力、承载特性明显不同。A托板承载力特性曲线可分为3个阶段，分别为承载力快速增加阶段、承载力平稳阶段和承载力二次增加阶段，托板最大承载力平均为212kN，最大变形量为14mm；B托板承载力特性曲线与A托板的显著不同，3个阶段不明显，托板承载力呈现出逐步增加趋势，未有明显的承载力平稳阶段，托板最大承载力平均为231kN，最大变形量为13.9mm；C托板承载力特性曲线与其它两个矿的明显不同，C托板承载力曲线可分为2个阶段，分别为承载力快速增加阶段和承载力平稳阶段，托板最大承载力平均为276kN，最大变形量为12mm。

图6 锚杆托板静载载荷-位移曲线

整体来看，由于C托板厚度最大，拱部结构最为合理，其最大承载力要明显大于A和B托板，并且托板承载过程中，C托板底部平整，四角在受载过程中仍能保持平整，与围岩接触好，有利于锚杆预紧力在围岩中的传递；B托板由于厚度较小，承载力中等，托板在承载过程中易出现四角翘起的显现，这会导致托板与围岩的接触由面接触转化为线接触，不利于锚杆预紧力在围岩中的传递，托板在现场使用过程中载荷不宜超过200kN；A托板由于拱部尺寸小，厚度较小，其承载力最低，并且其承载力曲线变化较大，托板在现场使用过程中载荷不宜超过120kN。

3 锚杆托板动载实验结果分析

3.1 试样冲击破坏特征

根据落锤重量和冲击速度设定，本次测试的冲击能量选择为500J、1000J、1500J、2000J、2500J、3000J、3500J、4000J、4500J和5000J。采用落锤冲击试验机对3种锚杆托板进行冲击测试，由于测试方案较多，仅对部分冲击能量下的托板变形形态进行分析，冲击能量分别为500J、2500J和4500J的托板变形破坏照片如图7所示。从图中可以看出，3种锚杆托板随着冲击能量的增加，托板拱部结构逐步降低，四角逐步翘起，其破坏形态与静载变形有一定的相似性。但3种锚杆托板在冲击能量下的变形破坏形态也略有不同，A托板抗冲击能力最差，在2500J冲击能量下托板拱部结构已坍塌，托板已由拱形变为平面形状，失去承载能力；与A托板相比，B托板抗冲击能力略高，托板在500J冲击能量下基本没有出现明显变形，在2500J冲击能量下托板拱部出现明显变形，并且四角翘起明显，4500J冲击能量下托板拱部完全坍塌，托板由拱形变为平面形状，托板失去承载能力；C托板抗冲击能力最强，托板在2500J冲击能量下拱部有一定降低，但托板整体拱形结构变化不大，托板四角也未出现明显翘起，托板整体形态保持较好。

整体来看，托板抗冲击能力与其静载承载能力有一定的相关性，托板的静载承载能力越高，其抗冲击能力也越强。

图7 3种锚杆托板冲击变形破坏形态

3.2 不同冲击能量下托板力学响应规律

冲击过程中获取3个矿锚杆托板的冲击力时程曲线如图8所示。从图中可以看出，随着冲击能量的增加，A托板冲击力峰值从161kN增加至1152kN，冲击力作用时间从9.1ms增加至13ms，冲击力作用时间增加值13ms后基本保持不变，冲击力峰值与冲击力能量成正相关关系，当冲击能量低于2500J时，冲击力时程曲线形态基本相同，冲击力峰值和作用时间略有差异，而当冲击能量超过2500J时，冲击力时程曲线形态出现明显变化，冲击力峰值急剧增加，这主要是由于托板拱部结构完全坍塌造成的；B托板时程曲线形态与A托板的基本相似，当冲击能量低于4000J时，冲击力时程曲线形态基本相同，冲击力峰值和冲击力作用时间随着冲击能量的增加而增加，冲击力峰值从240kN增加至302kN，作用时间从6.4ms增加至12ms。当冲击能量超过4000J时，冲击力曲线形态出现明显变化，冲击力峰值急剧增加，这也是由于托板拱部结构完全破坏导致的；C托板冲击力时程曲线与其它两个托板的差异性较大，随着冲击能量的增加，冲击力峰值呈先增加后稳定，冲击力作用时间呈持续增加的状态，整体的冲击力曲线形态基本相同。

图8 3种锚杆托板冲击力时程曲线

整体来看，不同的锚杆托板其冲击力时程曲线形态明显不同，在冲击载荷作用下锚杆托板的冲击力峰值略大于其静载最大承载力。静载承载力高的托板在冲击载荷作用下拱部结构能保持完整，托板冲击力峰值变化不大，主要以增加冲击力作用时间为主，而静载承载力低的托板受到冲击载荷作用后，托板拱部结构完全坍塌，托板冲击力作用时间降低，而冲击力急剧升高。

3.3 不同冲击能量下托板变形量分析

分析测试了3种锚杆托板冲击后变形情况，不同冲击能量下托板的变形量测试结果如图9所示。从图中可以看出，3种锚杆托板变形量均随冲击能量的增加呈线性增长，但不同的托板增加速率不同，在相同冲击能量下，A托板变形量最大，其次是B托板，最后是C托板。冲击能量从500J增加至5000J时，A托板变形量呈波动状态增加，这主要是由于托板动态力学特性一致性相对较差，在较高冲击能量下托板拱部已完全坍塌，从而失去抗冲击性能；B托板随着冲击能量的增加，托板变形量基本呈线性增加，与A托板相比，波动相对较小，这说明B托板动态力学性能一致性相对较好；与其它两种锚杆托板相比，C托板的变形量线性增加趋势最好，这说明C托板的动态力学特性一致性最好。

图9 不同冲击能量下托板变形量

整体来看，由于托板结构、厚度等不同，在冲击能量作用下托板的力学响应规律也明显不同。承载力高的托板抗冲击能力强，受到冲击能量作用后，托板主要以结构变形为主，冲击力峰值变化不大，而承载力低的托板由于在低冲击能量下拱部结构已完全坍塌，致使在高冲击能量下托板已失去抗冲击能力，托板冲击力急剧增加。在现场巷道锚杆支护中，要根据巷道的冲击能量选取合适结构的锚杆托板，巷道所受到的冲击能量越大，锚杆支护中应选取承载力和抗冲击能力越高的托板。