張拉預(yù)緊式錨桿錨固錨固分離體的開發(fā)與試驗(yàn)研究

張拉預(yù)緊式錨桿錨固錨固分離體的開發(fā)與試驗(yàn)研究

0新型巷道錨桿支護(hù)參數(shù)隨著煤礦地下開采深度的增加，地下道路兩側(cè)的圍巖條件逐漸惡化，尤其是在開采深度小于1000公里的情況下，圍巖強(qiáng)度增加。對于各種復(fù)雜的道路，如多重開采和影響道路、孤島工作面道路，對圍巖控制技術(shù)提出了更高的要求，需要不斷改進(jìn)和探索新的維護(hù)技術(shù)。預(yù)緊力作為巷道錨桿支護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)，在支護(hù)參數(shù)對圍巖應(yīng)力狀態(tài)影響的敏感性分析中，預(yù)緊力的敏感性尤為重要因此，筆者創(chuàng)新性地提出采用鎖具緊固錨桿，并配合千斤頂張拉完成高預(yù)緊力的施加，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室安全穩(wěn)定性測試及高能錨固體儲能機(jī)制分析后，在王莊煤礦開展了工業(yè)性試驗(yàn)，并取得了較好的應(yīng)用效果。1傳統(tǒng)扭轉(zhuǎn)鉤的預(yù)緊力現(xiàn)狀1.1錨桿合理預(yù)緊力值實(shí)現(xiàn)錨桿高預(yù)緊力的施加既可以保證巷道的支護(hù)效果，又可充分提高錨桿利用率。錨桿預(yù)應(yīng)力與錨桿屈服強(qiáng)度之比大于0.5時屬于高主動支護(hù)1.2高預(yù)應(yīng)力錨桿破斷問題分析1)預(yù)緊力施工要求與預(yù)緊方式不匹配，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力的效率普遍較低。2)錨桿加工缺陷及錨桿復(fù)合受力破斷。由于錨桿尾部螺紋、螺母和墊片的材質(zhì)以及加工缺陷等問題，若采用過度提高轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)高預(yù)應(yīng)力的方式，會造成錨桿桿體服務(wù)期間受較大的側(cè)向扭轉(zhuǎn)載荷、軸向拉伸載荷和橫向剪切載荷的復(fù)合作用，導(dǎo)致錨桿破斷3)錨桿預(yù)緊范圍有限，失效錨桿無法重復(fù)預(yù)緊。巷道擴(kuò)幫、巖層松軟、振動等原因引起錨桿預(yù)緊失效時，受尾部細(xì)螺紋長度局限，錨桿無法再次預(yù)緊，造成了支護(hù)材料的浪費(fèi)。2新安裝的預(yù)緊式錨架支護(hù)系統(tǒng)2.1張拉預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)為了有效解決傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式錨桿施加高預(yù)緊力困難的缺點(diǎn)，提出采用千斤頂張拉施加錨桿預(yù)緊力的方法，基于摩擦自鎖原理開發(fā)了錨桿鎖具，同時配套開發(fā)了張拉千斤頂與錨桿攪拌器，具體系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。張拉預(yù)緊式錨桿支護(hù)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩式錨桿具有以下3點(diǎn)優(yōu)勢:(1)利用張拉千斤頂可實(shí)現(xiàn)任意數(shù)值預(yù)緊力的施加，提高錨桿的主動支護(hù)系數(shù)與強(qiáng)度利用系數(shù);(2)能有效改善預(yù)緊力施加過程中錨桿有害受力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)圍巖的高阻讓壓，大幅抑制不協(xié)調(diào)變形;(3)細(xì)螺紋段失效錨桿可重復(fù)預(yù)緊。2.2錨環(huán)和夾片之間的運(yùn)動關(guān)系錨桿鎖具作為整套系統(tǒng)的核心，主要由錨環(huán)和夾片等2個部分組成。錨環(huán)為筒形結(jié)構(gòu)，中間通孔為倒圓臺形。夾片外壁與錨環(huán)內(nèi)壁貼合，夾片共有3片，曲率半徑為120°，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。以ue54f22mm的HRB335MPa左旋螺紋鋼錨桿為研究對象，經(jīng)過金相顯微試驗(yàn)、落錘沖擊韌性試驗(yàn)確定了錨環(huán)和夾片的物理參數(shù):錨環(huán)選用40Cr鋼，夾片選用20CrMnTi鋼。鎖具工作原理如圖3所示，在錨桿服務(wù)期間，托盤受圍巖作用力P傳遞至錨環(huán)，在錨環(huán)內(nèi)錐面的作用下，將P轉(zhuǎn)化為沿斜面的正壓力N式中:μ為錨桿與夾片之間的摩擦因數(shù);θ為夾片的錐度。當(dāng)錨環(huán)內(nèi)錐的角度θ達(dá)到臨界值時，夾片與錨桿間實(shí)現(xiàn)摩擦自鎖，此時錨環(huán)受力再增大，夾片與錨桿間也不會產(chǎn)生相對位移。而且錨環(huán)內(nèi)壁的倒錐形設(shè)計使錨環(huán)相對運(yùn)動時在錐形夾片支撐力下實(shí)現(xiàn)靜止，最終錨環(huán)、夾片和錨桿桿體之間相互卡牢達(dá)到鎖定。2.3基于“鎖”的千斤頂自鎖張拉技術(shù)采用張拉方式提高預(yù)緊力時，很多張拉千斤頂存在缺陷，即不具備“臺階加載裝置”，容易造成張拉過程中千斤頂前端面直接作用在夾片端面上，如圖4所示，此時夾片與錨桿間“摩擦自鎖”效應(yīng)不僅造成了千斤頂張拉功率的最大損失，而且還會使錨桿桿體遭受夾片刻蝕而受損。即有缺陷的千斤頂在張拉時，輸出的張力很大部分消耗在了鎖具與錨桿間的摩擦與刻蝕上，而桿體實(shí)際獲得的預(yù)緊力較小。因此，在克服上述缺陷后，自主研發(fā)了適用于錨桿鎖具的張拉千斤頂。由于采用鎖具鎖定錨桿的方式桿體尾部無需車細(xì)螺紋，因此也配套開發(fā)了無尾紋抱鎖式攪拌器，其工作原理是利用夾片與錨桿之間的摩擦進(jìn)行錨桿鎖定，具體實(shí)物如圖5所示。2.4錨桿無拉拔力至雙基本錨具鎖具失效期為了試驗(yàn)錨桿鎖具在張拉過程中與錨桿的摩擦自鎖匹配性，根據(jù)文獻(xiàn)此時在錨桿受拉伸變形直至破壞期間，即平均拉拔力達(dá)215kN時鎖具能一直保持鎖定狀態(tài)，直至錨桿發(fā)生破斷時，鎖具后退量僅為3.3mm，足以滿足錨桿服務(wù)期間的使用。3張拉預(yù)緊式鋼筋混凝土固結(jié)法的分析3.1預(yù)應(yīng)力錨固分離體模型基于研制的張拉式高預(yù)緊力支護(hù)系統(tǒng)，從能量與裂隙演化的角度研究高預(yù)緊力下錨桿對錨固體強(qiáng)度強(qiáng)化作用，分別建立無預(yù)緊力、普通預(yù)緊力和張拉式高預(yù)緊力錨桿的錨固分離體模型。設(shè)計模型尺寸為:高×寬=2m×1m，模型下部固定，在模型頂部每次迭代施加垂直荷載為0.01kN，圍巖網(wǎng)格采用Trigon劃分，根據(jù)實(shí)際，取錨桿直徑為22mm、長度為2000mm，設(shè)計普通錨桿預(yù)緊力為40kN，張拉式預(yù)緊力為90kN。主要對比不同預(yù)緊力錨固體受載破壞期間的能量與裂隙演化規(guī)律，評價張拉式高預(yù)緊力錨桿對錨固體的高能強(qiáng)化機(jī)理。圍巖塊體力學(xué)參數(shù)如下:圍巖節(jié)理力學(xué)參數(shù)如下:錨桿力學(xué)參數(shù)如下:3.2錨固體強(qiáng)度及張拉式錨桿錨固段塑性區(qū)模擬結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，無預(yù)緊力錨桿巖體塑性區(qū)分布范圍最大，且基本遍布整體;拉伸破壞區(qū)分布較少，位于模型側(cè)邊。普通低預(yù)緊力錨桿巖體塑性區(qū)主要分布在模型下半?yún)^(qū)，上半?yún)^(qū)域較少分布，主要是因?yàn)殄^桿的主動預(yù)緊力提高了錨固體強(qiáng)度，有效減少了巖體的破壞;屈服區(qū)主要沿錨桿軸向分布，分布面積相較于無預(yù)緊力錨桿巖體略有增加，主要是因?yàn)閹r體壓縮變形時，由于錨固劑的粘結(jié)作用，約束錨桿附近巖體位移，從而造成了周圍巖體發(fā)生屈服;張拉破壞區(qū)相對不明顯。對于張拉式預(yù)緊力錨桿，塑性區(qū)與屈服區(qū)主要分布在模型遠(yuǎn)離錨桿的巖體兩側(cè)，塑性區(qū)范圍相較普通錨桿更小，說明張拉式高預(yù)緊力錨桿很大程度上提高了錨固體的承載能力，有效減少了巖體的破壞;張拉破壞區(qū)僅在錨桿沿軸向附近少量出現(xiàn)。3.3錨固體高值能通過監(jiān)測無預(yù)緊力、低預(yù)緊力、高預(yù)緊力錨固體受載變形破壞期間的能量變化，監(jiān)測結(jié)果如圖10所示，由圖10可得，3個模型的應(yīng)變能儲存可以分為3個階段:峰值前的穩(wěn)定線性增長階段(巖體受載儲能應(yīng)變能增加，少有能量耗散)、峰值階段(受載能量輸入與巖體損傷破壞的耗散能平衡)、峰后速損階段(巖體損傷破壞的能量耗散加快)。3種錨固體的能量變化具有相同的3個階段，但無預(yù)緊力錨固體能量峰值為2.98kJ，最終巖體內(nèi)儲存的應(yīng)變能為0.66J，普通錨桿錨固體能量峰值為3.31kJ，最終儲存的應(yīng)變能為0.95J，相比無預(yù)緊力錨固體能量峰值提高了0.11倍，峰后能量提高了0.45倍;張拉預(yù)緊式錨桿錨固體能量峰值為3.50kJ，最終儲存的應(yīng)變能為1.32J，相比無預(yù)緊力錨固體能量峰值提高了0.17倍，峰后能量提高了1.0倍，相比低預(yù)緊力錨桿峰值提高了0.06倍，峰后能量提高了0.39倍。由此說明預(yù)緊力越高，錨固體受載時儲存的應(yīng)變能峰值越高，即抵抗外界破壞的能力越強(qiáng)，且最終錨固體發(fā)生破壞時，能量速損階段巖體發(fā)生破壞的程度越低，錨固體峰后的完整性越高。4工業(yè)試驗(yàn)4.1試驗(yàn)方案及支護(hù)效果為進(jìn)一步檢驗(yàn)張拉式高預(yù)緊力錨桿控制巷道圍巖變形的效果，選取試驗(yàn)地點(diǎn)為王莊煤礦91采區(qū)運(yùn)輸大巷2的延伸段，所屬煤層為3號煤層，埋深約為450m，煤層厚度為7.0m，煤層傾角為1°～10°，直接頂為厚度3.4m泥巖，基本頂為厚度15.5m的砂巖與砂質(zhì)泥巖，直接底為厚度1.2m泥巖，基本底為厚度2.6m粉砂巖。原支護(hù)方案(圖11):頂板每排采用ue54f22mm×3000mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿7根，錨桿間排距為850mm×800mm,(CK+Z)2360、Z2360型藥卷各1支加長錨固，鋪設(shè)金屬網(wǎng)和雙筋雙梁鋼筋梯子梁。加強(qiáng)支護(hù)采用ue54f22mm×8300mm錨索，“3-2-3”布置方式，排距800mm，使用雙筋雙梁鋼筋梯子梁聯(lián)鎖。兩幫各打設(shè)4根ue54f22mm×2400mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨桿間距為1000mm，排距為800mm,Z2335、Z2360型藥卷各1支加長錨固，ue54f22mm×5300mm錨索加強(qiáng)支護(hù)，采用“1-0-1”的布置方式，排距1600mm。為對比分析張拉式預(yù)緊力錨桿與傳統(tǒng)錨桿的支護(hù)效果，考察張拉式預(yù)緊力錨桿支護(hù)的合理性，試驗(yàn)方案設(shè)置為保持原支護(hù)的錨桿(索)間排距等參數(shù)不變，只將原兩幫錨桿更換為張拉預(yù)緊式錨桿，張拉預(yù)緊時使用張拉千斤頂施加95kN預(yù)緊力(考慮一定的預(yù)緊力損失，設(shè)置超張拉系數(shù)為1.05)進(jìn)行支護(hù)，試驗(yàn)長度為100m。在試驗(yàn)效果較好的情況下，將張拉預(yù)緊式錨桿的排距放大到1000mm，并對3種支護(hù)參數(shù)下的礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。4.2張拉式錨桿支護(hù)效果分析1)錨桿軸力監(jiān)測。在現(xiàn)場對施加預(yù)緊力的錨桿進(jìn)行軸力監(jiān)測，結(jié)果如圖12所示，普通錨桿軸力普遍較小，一般只有45kN左右，張拉式預(yù)緊錨桿軸力普遍達(dá)到85kN左右。對比分析張拉式預(yù)緊力錨桿的軸力情況，結(jié)果顯示，張拉式預(yù)緊力錨桿在自由段預(yù)緊力下降比轉(zhuǎn)矩式預(yù)緊力錨桿要平緩，可以保持較高的預(yù)緊力。2)表面位移監(jiān)測。對不同試驗(yàn)巷道錨桿支護(hù)效果監(jiān)測，該巷道表面位移監(jiān)測如圖13所示。由圖14可知，排距為800mm的普通錨桿支護(hù)段，巷道兩幫變形量大約為190mm，而排距為800mm的張拉式錨桿支護(hù)段，其巷道兩幫的變形量明顯大幅減小，約為130mm。在排距放大為1000mm的張拉式錨桿支護(hù)段，兩幫的變形量與800mm的普通錨桿支護(hù)相差不大，證明其仍然對圍巖有較好的控制效果。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際礦壓觀測結(jié)果，張拉式預(yù)緊力錨桿系統(tǒng)的支護(hù)效果明顯高于普通錨桿支護(hù)，在適當(dāng)放大間排距后，仍然具有良好的圍巖控制能力。5高預(yù)緊力錨桿錨索錨固定模型驗(yàn)證1)提出采用張拉方式提高錨桿預(yù)緊力，開發(fā)了整套張拉預(yù)緊式錨桿成套技術(shù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室錨桿拉伸試驗(yàn)得出當(dāng)錨環(huán)錐度為6°時，直至錨桿破斷過程中，鎖具未發(fā)生明顯變形破壞，且全程鎖具退錨量約為3mm，成功驗(yàn)證了鎖具的可靠性與穩(wěn)定性。2)數(shù)值模擬研究表明，高預(yù)緊力錨桿