錨桿支護(hù)系統(tǒng)構(gòu)件力學(xué)性能研究

錨桿支護(hù)系統(tǒng)構(gòu)件力學(xué)性能研究

三焦回采道路貨塔欄桿保護(hù)系統(tǒng)受采動(dòng)影響后，道路上兩個(gè)幫的坍塌很大，導(dǎo)致幫錨桿之間的煤體混合、壓縮、采礦和幫吊桿故障，影響礦山前面受傷人員和行人的安全。此外，在回采道路上，尤其是在空白道路上，都發(fā)生了嚴(yán)重的有害行為，如拉索、拉伸和牽引。這些是回采道路使用中的主要安全隱患?；诖?2006年4月,筆者專門從濟(jì)三煤礦掘進(jìn)工區(qū)抽取一批錨桿錨索構(gòu)件,在河南理工大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)錨桿支護(hù)構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn),力求找出發(fā)生錨桿錨索破壞的部分原因。1錨桿體力學(xué)實(shí)驗(yàn)1.1材料錨桿直徑研究錨桿的拉伸性能。主要包括兩種直徑系列的建筑螺紋鋼錨桿,錨桿直徑分別為?20mm和?22mm。實(shí)驗(yàn)工作在力學(xué)實(shí)驗(yàn)室100t材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為錨桿整體拉伸實(shí)驗(yàn)和錨桿桿體拉伸實(shí)驗(yàn)。1.2結(jié)果及其分析1.2.1破壞載荷的模擬錨桿整體拉伸實(shí)驗(yàn)中的桿體長(zhǎng)度都是1000mm,錨桿整體拉伸的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果匯總見表1。分析錨桿整體拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表1可得:1)錨桿失效均為桿體發(fā)生破壞,螺母與錨尾螺紋部分存在脫落現(xiàn)象。在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)中,錨桿發(fā)生破壞的部位一般是錨尾,這是由于現(xiàn)場(chǎng)中絕大部分錨桿尾部是偏心載荷的受力狀態(tài)。在本實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有模擬偏心載荷的受力狀態(tài),并且此實(shí)驗(yàn)的錨桿拉伸模擬與現(xiàn)場(chǎng)錨固時(shí)桿體受力有所不同,所以存在這種現(xiàn)象是正常的。2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:直徑?20mm的建筑螺紋鋼錨桿桿體破壞載荷最大為207kN,最小為204.90kN,平均為205.80kN。直徑?22mm的建筑螺紋鋼錨桿桿體破壞載荷最大為266.10kN,最小為263.40kN,平均為264.93kN。所以,錨桿材料符合安全規(guī)程的規(guī)定,錨桿材料是合格的。1.2.2錨桿拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)論由于錨桿整體拉伸情況下不能夠準(zhǔn)確測(cè)量錨桿桿體的延伸率,所以專門對(duì)桿體的力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用的直徑?20mm的建筑螺紋鋼錨桿桿體長(zhǎng)度是100mm,直徑?22mm的建筑螺紋鋼錨桿桿體長(zhǎng)度是110mm。利用100t材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后,得出的部分有代表性的結(jié)果如圖1、2及表2所示。分析錨桿桿體拉伸實(shí)驗(yàn)可以得出如下結(jié)論:1)錨桿桿體拉力與變形量關(guān)系曲線符合金屬材料的彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、頸縮階段等發(fā)展過(guò)程,并且無(wú)論是直徑?20mm的還是直徑?22mm的桿體,其屈服載荷及極限載荷離散性都很小。2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:直徑?20mm的桿體屈服載荷最大為153kN,最小為151kN,平均為152.33kN。直徑?22mm的建筑螺紋鋼錨桿屈服載荷最大為188kN,最小為185kN,平均為186.33kN。直徑?20mm的桿體極限破壞載荷為209.33kN,直徑?22mm的桿體極限破壞載荷為259.30kN,與錨桿支護(hù)系統(tǒng)整體拉伸情況下數(shù)值相當(dāng),說(shuō)明鋼材的質(zhì)量比較穩(wěn)定。3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,桿體的延伸率在27%左右,符合安全規(guī)程的規(guī)定。2硬盤壓縮性能實(shí)驗(yàn)2.1硬盤疲勞測(cè)試煤礦安全規(guī)程規(guī)定,在回采巷道的頂板支護(hù)中,與頂板錨桿相配套的托盤應(yīng)采用蝶型。濟(jì)三煤礦使用的即為蝶形托盤。1實(shí)驗(yàn)的目的本實(shí)驗(yàn)的目的就是研究托盤從開始受載至破壞的全過(guò)程受力與變形之間關(guān)系,從而判斷錨固系統(tǒng)破壞的原因。2如表3所示實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)所用材料是目前濟(jì)三煤礦回采巷道使用的2種系列托盤,本實(shí)驗(yàn)是在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室RMT150b電液伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)下完成的。2.2兩種盤高度比較,2.通過(guò)對(duì)二種系列的托盤進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到不同系列的托盤球殼在不同荷載情況下變形規(guī)律,如圖3、圖4所示。根據(jù)伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)獲取的數(shù)據(jù),分析圖3與圖4可得出如下結(jié)論:1)在無(wú)偏心垂直載荷作用下,8mm厚三個(gè)幫錨桿托盤球殼最大承載能力的偏差很大,說(shuō)明此系列的托盤質(zhì)量不夠穩(wěn)定,有些托盤在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中可能出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象。10mm厚的頂板錨桿托盤球殼最大承載能力比較接近,平均為200kN左右,球殼相對(duì)應(yīng)的變形量約9mm。從以上數(shù)據(jù)看,10mm厚的托盤加工質(zhì)量比8mm厚的托盤好。2)兩種系列托盤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知,在彈性階段,8mm厚的幫錨桿托盤剛度大于10mm厚的頂板錨桿托盤剛度,這種是不正常的。由于剛度較小,所以在錨桿支護(hù)初期,托盤不能夠提供錨固系統(tǒng)足夠的初錨力,致使圍巖破壞不能夠及時(shí)控制。隨著巷道兩幫圍巖收縮量的進(jìn)一步加大,致使幫錨桿托盤破壞失效。3)因此改善幫錨桿托盤的材料,增大托盤的剛度,并且提高托盤球殼的沖壓高度,預(yù)留大的變形,防止托盤的失效。3錨索連接性能實(shí)驗(yàn)3.1錨索的鋼絞線和索具力學(xué)實(shí)驗(yàn)由于濟(jì)三煤礦沿空巷道和開切眼曾經(jīng)發(fā)生過(guò)頂板大面積垮落事故,錨索被拉斷或拉出的嚴(yán)重惡性事件,因此有必要對(duì)錨索的鋼絞線和索具進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)。受實(shí)驗(yàn)室條件的限制,本次實(shí)驗(yàn)僅對(duì)鎖具進(jìn)行了性能研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。3.2錨索的安全性能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論:1)錨索的索具在壓縮過(guò)程中,壓力達(dá)到600kN的時(shí)候,預(yù)緊的螺片已經(jīng)完全進(jìn)入索具套中,鎖具套發(fā)生了一定的變形,變形后鎖具套的直徑比變形前增大0.5mm,但索具套仍然沒(méi)有發(fā)生破壞,說(shuō)明錨索的索具符合標(biāo)準(zhǔn),可以安全使用。2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以證明錨索索具安全性能較好,所以現(xiàn)場(chǎng)錨索失效的主要原因是錨索桿體延伸率較小,難以適應(yīng)圍巖大變形的要求。由于錨索一般是由7股鋼絞線纏繞而成,這種材料和結(jié)構(gòu)決定了錨索的延伸率很低,所以當(dāng)巷道圍巖變形發(fā)展到一定程度后,錨索必然破斷。3)錨索延伸率受錨索材料的影響,現(xiàn)場(chǎng)難以改變,為此可以通過(guò)增加錨索整體變形量的辦法,來(lái)提高錨索適應(yīng)圍巖大變形的要求。在現(xiàn)場(chǎng)可采用在托盤與索具間增加木墊板、滯后掘進(jìn)頭支護(hù)、將錨索安裝在距巷道角部1/4頂板寬度處等方法。4防止幫錨桿托盤失效的措施1)無(wú)論是直徑?20mm的還是直徑?22mm的桿體,屈服載荷及極限載荷離散性都很小,錨桿桿體材料符合安全規(guī)程的規(guī)定。2)厚度為8mm的幫錨桿托盤的質(zhì)量不夠穩(wěn)定,在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中可能出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象,托盤的剛度都不能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。通過(guò)提高托盤球殼