動、靜載作用下錨索鎖具失效的動態(tài)演化過程及其影響因素研究

1、 動、靜載作用下錨索鎖具失效的動態(tài)演化過程及其影響因素研究 楊猛 胡秉昊摘 要：結(jié)合礦用小孔徑預應力錨索在承載過程中鎖具出現(xiàn)的典型失效形式，運用大型通用有限元分析軟件ABAQUS模擬動、靜載荷作用下錨索鎖具失效的動態(tài)演化過程，并分析錨索鎖具結(jié)構(gòu)、安裝預緊力對鎖具穩(wěn)定性的影響。Key：錨索鎖具失效因素;ABAQUS仿真軟件;預緊力一、項目研究背景與意義在深部巖體工程中，錨索支護是煤礦巷道中普遍采用的一種支護手段，然而難免會受到爆破振動、礦震以及某些因素造成的地殼運動等動載荷作用后，這樣極易出現(xiàn)夾片式錨具滑移，因此，在深井巷道工程實踐中錨索在實際承載過程中，錨索鎖具失效現(xiàn)象十分普遍，錨索鎖具飛出傷

2、人甚至致死的事故屢有發(fā)生。而倘若錨具出現(xiàn)滑移，錨索就會飛出，一方面造成巷道維護困難甚至引發(fā)冒頂事故，另一方面由于承載的巨大應力瞬間喪失，使得二力平衡被打破，巨大的應力致使鎖具飛出，對井下工人極易造成難以估量的傷害。所以圍繞動、靜載作用下錨索鎖具失效的動態(tài)演化過程及其影響因素展開研究具有一定的實用價值和理論意義。本次項目基于ABAQUS仿真有限元軟件通過建模調(diào)試進而構(gòu)建數(shù)值力學模型開展相關(guān)研究工作。模擬出動載荷狀態(tài)下錨索鎖具滑移的全部過程，并分析錨索鎖具結(jié)構(gòu)、安裝預緊力對鎖具穩(wěn)定性的影響。二、錨索錨具滑移機制及控制研究深部巖體工程中，錨索在圍巖變形后處于高承載應力狀態(tài)，受到爆破振動、礦震等動載荷

3、作用后，極易出現(xiàn)夾片式錨具滑移，而一旦錨具出現(xiàn)滑移，錨索則失去其加固作用，造成巷道維護困難甚至引發(fā)冒頂事故。針對錨索錨具滑移甚至拉脫的問題，根據(jù)錨索錨固過程中錨具的受力分析結(jié)果59，可在錨索錨具后方安設一種錨索錨具防滑自鎖裝置，以充分發(fā)揮錨索的錨固承載能力，實現(xiàn)錨索的及時主動支護作用，有效防止錨索錨固作用降低或喪失，力學機理分析如下：在錨索錨固過程中，錨具各部分的受力如圖2.1所示，在增設防滑自鎖裝置后錨具受力分析見圖2.2。假設錨具夾片錐角為 ，夾片與錨環(huán)之間的摩擦角為 ，夾片與錨索索體之間的摩擦角為 ，令1=tan，2=tan 。對于錨環(huán)，在水平方向上，由力的平衡可得：由上式可知，由于錐角

4、 固定，若夾片與錨環(huán)之間的摩擦角 不變，隨著N 增大，錨環(huán)與夾片之間的相互作用力N1 逐漸增大。對于夾片，在豎直方向上，由力的平衡可得：由上式可知，若錨環(huán)與夾片之間的摩擦角 不變，隨著錨環(huán)與夾片之間的相互作用力 增大，夾片與錨索索體之間相互作用力N2 也應增大。這就意味著夾片與錨索索體作用后，夾片應能提供更大的抵抗錨具滑移的力。若N1 增大， 減少，則易引起錨具滑移。由力的平衡條件可得：P=N 。假設夾片不滑動，2N2 是夾片與錨索索體作用后，夾片與錨索索體之間的摩擦力，則應有：聯(lián)立式2-4、式2-5，可得：要使錨具獲得可靠的錨固力不滑移，應滿足錨索索體與夾片之間的摩擦角 不小于錐角 和錨環(huán)與

5、夾片之間的摩擦角之和，即：綜合上述錨具受力公式式2-4、式2-5可知，在錨索錨固過程中，由于巷道圍巖變形或圍巖體受到新的擾動圍巖產(chǎn)生變形后錨索索體所受拉力P 增加，即圍巖與托盤或者錨環(huán)之間的相互作用力N 增大，隨即錨環(huán)與夾片之間的相互作用力N1 增大，夾片與錨索索體之間的相互作用力N2亦會增大，此時為了與錨索索體所受拉力P平衡，要求夾片提供更大的摩擦力，即錨索索體與夾片之間要有更大的摩擦力，以發(fā)揮和保持錨具的錨固作用。然而實際情況是，錨具銹蝕以后，由于錨環(huán)與夾片屬同一種材質(zhì)，有相互侵蝕作用，夾片與錨環(huán)之間的摩擦角 呈增大傾向，而夾片與錨索索體接觸處，由于夾片上的螺紋銹蝕以后，夾片與錨索索體之間

6、的摩擦角呈下降趨勢，即夾片與鋼絞線之間的摩擦力和咬合力減小，導致錨具產(chǎn)生滑移。導致錨具產(chǎn)生滑移的條件是：此時，為保證錨具夾片與索體之間不滑動，需要給夾片提供一個額外的補償力F，其受力分析如圖2.2所示，此時由夾片水平方向的受力平衡分析可得：聯(lián)立式2-5、式2-7可得：假設1 ，2 某一時刻保持不變，而 是常數(shù)，則隨著錨索索體所受拉力P 增加， N1 不斷增大，F(xiàn) 必然不斷增大，從而阻止錨具的滑移，進一步的，由式2-5可知，N2也應增大，錨具的錨固作用和自鎖防滑作用增強，充分發(fā)揮錨索的錨固承載能力。此時由錨索體受力平衡分析應有：由上述錨具受力分析可知，由于圍巖變形導致錨索索體受到的拉力P 增大。

7、為了防止錨具滑移，增加一套附屬裝置后，這套裝置除為錨具提供一個額外的防滑力F ，平衡錨具受到的過載外，還有效提高了錨具的錨固作用效果，保證夾片與索體間不發(fā)生滑動，以發(fā)揮和充分利用錨索的錨固承載能力，阻止銹蝕錨具在錨索索體受力增大或錨具銹蝕后夾片與錨索索體間摩擦力和咬合力下降導致錨具滑移的現(xiàn)象?；谏鲜鲥^具的受力分析，說明了安設錨索錨具防滑自鎖裝置的必要性。三、軟件建模基于ABAQUS仿真模擬軟件對錨索鎖具進行建模，夾片、索體、以及鎖具，最后將三者進行裝配，通過復雜的調(diào)試過后，完成對動載荷作用下鎖具失效的過程演示，通過建模過程中對各個模型的參數(shù)設置，進而了解各個受力部分，通過參數(shù)設置施加應力模擬

8、出現(xiàn)實情況下的礦震沖擊，地震等自然條件下意外的動載荷應力施加，根據(jù)鎖具模型上圖2.1受力情況分析，可以得到使得錨索鎖具脫落的極限值。四、課題的研究價值我國煤礦使用的小孔徑預應力錨索一般采用夾片式錨具，由于礦井井下空氣濕度大、成分復雜，會使得鋼絞線及錨具銹蝕嚴重，在工作面回采巷道中，錨索在地應力及采場擾動下，銹蝕的錨具會不斷滑移，導致錨索失效。隨著工作面回采，采場圍巖會發(fā)生劇烈的松動和破碎，變形量很大，巖體內(nèi)部剪脹變形使得錨索索體產(chǎn)生不均勻變形，如果錨索所承受的軸向力和剪切力在短時間內(nèi)快速增加，索體集聚的彈性勢能也會快速增加，當錨索索體其臨界抗拉強度時錨索便會斷裂失效，并且可能出現(xiàn)彈射現(xiàn)象，嚴重影響礦井生產(chǎn)安全。因此研究錨具滑移原因及控制原理和方法、錨索破斷彈射防護方法具有重要的工程意義和價值。Reference：1褚曉威，鞠文君，吳擁政.礦用小孔徑預