李國(guó)宸，高 峰

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037054；2.山西大同大學(xué)建筑與測(cè)繪學(xué)院，山西 大同 037054）

引言

目前在煤層巷道支護(hù)中，普遍采用金屬錨桿加固煤幫，但是，傳統(tǒng)的金屬錨桿存在諸多弊端。一是在采煤機(jī)割煤時(shí)易產(chǎn)生火花，從而引發(fā)煤塵、瓦斯爆炸等事故。二是在采煤過(guò)程中對(duì)人員及運(yùn)輸帶等設(shè)備會(huì)造成一定的損傷[1]。鑒于以上問(wèn)題，可切割、輕質(zhì)高強(qiáng)、耐化學(xué)腐蝕、表面性能良好的玻璃鋼錨桿應(yīng)運(yùn)而生，并在我國(guó)神東礦區(qū)、陽(yáng)曲礦區(qū)以及大同礦區(qū)等礦區(qū)得到有效應(yīng)用[2]。

馬道頭礦3～5號(hào)層北四盤區(qū)8403工作面中煤幫支護(hù)采用了玻璃鋼錨桿。本文基于馬道頭礦玻璃鋼錨桿煤幫支護(hù)的項(xiàng)目，對(duì)比測(cè)試了玻璃鋼錨桿的力學(xué)性能和支護(hù)效果，為馬道頭礦玻璃鋼錨桿煤幫支護(hù)提供理論依靠，也為推廣玻璃鋼錨桿奠定基礎(chǔ)。

1 玻璃鋼錨桿抗拉試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室的拉伸實(shí)驗(yàn)，研究玻璃鋼錨桿的極限破壞荷載（極限抗拉強(qiáng)度）、應(yīng)力應(yīng)變曲線、延伸率等力學(xué)性能，研究分析玻璃鋼錨桿的破壞機(jī)理和破壞規(guī)律[3]。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用Φ16 mm、Φ20 mm、Φ27 mm的玻璃鋼錨桿，長(zhǎng)度為500 mm，兩端夾持部分為100 mm，中間實(shí)驗(yàn)部分為300 mm。采用直徑為Φ16 mm、Φ20 mm、Φ27 mm的螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度為500 mm。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備

本次錨桿試驗(yàn)的主要設(shè)備如下：

1）中海建工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司生產(chǎn)的WE-300B電液式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示。

圖1 WE-300B電液式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

2）中海建工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司生產(chǎn)的WEW-600B微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，如圖2所示。

圖2 WEW-600B微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

3）山西誠(chéng)達(dá)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司生產(chǎn)的CXWSC-300拉伸應(yīng)力松弛試驗(yàn)機(jī)。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

第一次試驗(yàn)時(shí)，在玻璃鋼錨桿未被破壞的情況下，夾持部分已經(jīng)被試驗(yàn)機(jī)夾片破壞，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)失敗。如下頁(yè)圖3所示。

圖3 玻璃鋼錨桿夾持部分破壞

之后更換了兩端帶有鋼套管桿體的金屬套管式錨尾的玻璃鋼錨桿[4]，用一段或幾段帶有錐度的金屬套管錨尾推入玻璃鋼錨桿，使金屬外殼和玻璃鋼錨桿之間建立緊密連接[5]。玻璃鋼錨桿整體長(zhǎng)度為500 mm，兩端的鋼套管長(zhǎng)度為100 mm，中間實(shí)驗(yàn)部分長(zhǎng)度為300 mm。如圖4所示。

圖4 帶鋼套管的玻璃鋼錨桿

在制作拉伸試件時(shí)，對(duì)試件正中間部位進(jìn)行打磨，這是為了防止兩端鋼套管與設(shè)備夾片之間打滑，玻璃鋼錨桿得不到充分的夾持，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗[6]。考慮到標(biāo)距儀的強(qiáng)大沖擊力可能會(huì)破壞玻璃鋼錨桿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，用筆在桿體上每隔100 mm劃線標(biāo)記。實(shí)驗(yàn)完成后，再次重新測(cè)量玻璃鋼錨桿每段的拉伸量，得到玻璃鋼錨桿的延伸率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果因試驗(yàn)材料不同分為兩種不同的情況：螺紋鋼錨桿在持續(xù)加壓中，突然從中間斷裂，形成“脆性”斷裂。玻璃鋼錨桿在持續(xù)加壓中，桿體突然發(fā)生破壞，其形式為尾部螺紋破壞，發(fā)生“脫芯”現(xiàn)象。如圖5所示。

圖5 玻璃鋼錨桿破壞的“脫芯”現(xiàn)象

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，如表1所示。

從表1可以看出，在錨桿材料相同的情況下，錨桿的極限錨固力和錨桿的直徑有一定的關(guān)系，錨桿的直徑越大，極限錨固力越高。在相同的直徑下，玻璃鋼錨桿的錨固力要優(yōu)于螺紋鋼錨桿，進(jìn)一步說(shuō)明了玻璃鋼錨桿在未來(lái)的發(fā)展中具有更好的經(jīng)濟(jì)性和更好的實(shí)用性。

表1 錨桿拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

根據(jù)公式（1）可算出錨桿延伸率：

式中：Lu為斷后標(biāo)距；L0為原始標(biāo)距；A為錨桿延伸率。

玻璃鋼錨桿的延伸率比螺紋鋼錨桿的延伸率低約1.5%。

2.2 加載過(guò)程分析

試件在加載過(guò)程中，開始階段會(huì)聽(tīng)到試件損傷發(fā)出微小的持續(xù)的脆響，當(dāng)加載到極限荷載的60%～70%時(shí)，可聽(tīng)到纖維剝離樹脂和部分纖維絲斷裂的聲音。隨著荷載的施加，響聲隨之增大而漸密，最后突然發(fā)出很大的斷裂聲，試件陡然被破壞。在此過(guò)程中，玻璃鋼錨桿的應(yīng)變隨著應(yīng)力的增大而線性增長(zhǎng)，伴隨著桿體發(fā)出“噼啪”的聲音，能明顯看到桿體中間部分發(fā)黑，是由于桿端內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷裂產(chǎn)生熱量灼燒外部套層。取出試件后觀察發(fā)現(xiàn)：桿體表面有白斑狀裂紋，有一明顯破壞區(qū)域，整個(gè)試件在較大范圍內(nèi)發(fā)生片狀撕裂，且有小部分的纖維絲未發(fā)生斷裂，失去其承載能力。多次實(shí)驗(yàn)表明：玻璃鋼錨桿破壞主要表現(xiàn)為兩種形式：一是斷口處玻璃絲全部被拉斷的“剪斷型”斷口，二是斷口處玻璃絲大部分被拉斷，雖仍有部分未斷纖維，但強(qiáng)度已經(jīng)較低，并且桿體伴隨劈裂現(xiàn)象。

2.3 抗拉拔力與延伸率

玻璃鋼錨桿的工作狀態(tài)可分為急增阻、恒阻和降阻3個(gè)工作階段。

1）急增阻工作階段。在變形很小時(shí)，抗拉拔力上升很快，達(dá)到其極限抗拉拔峰值后，錨桿桿體將產(chǎn)生一個(gè)較大的延伸量，使錨桿中積聚的能量釋放。

2）恒阻工作階段。錨桿的抗拉拔力基本在35～50 kN之間變化，主要特征是錨桿抗拉拔力達(dá)到一定值（該值小于極限抗拉拔峰值）后，錨桿即產(chǎn)生一定的延伸量。其實(shí)質(zhì)是錨桿在拉伸應(yīng)力的作用下，錨桿內(nèi)部積聚的彈性能發(fā)生積聚—釋放—再積聚—再釋放，并多次反復(fù)。能量積聚時(shí)抗拉拔力迅速升高，能量釋放時(shí)錨桿出現(xiàn)延伸。

3）降阻工作階段。錨桿的抗拉拔力瞬間降低至零，錨桿完全破壞。

上述3個(gè)工作狀態(tài)是由壓痕式金屬套管錨尾玻璃鋼錨桿的特殊結(jié)構(gòu)決定的。在金屬套管錨尾與玻璃鋼桿體未發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)之前，錨桿的抗拉拔力一直保持上升狀態(tài)，直至達(dá)到峰值。一旦外部載荷超過(guò)該峰值，金屬套管錨尾與玻璃鋼桿體之間就會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，二者之間的固結(jié)強(qiáng)度遭到一定程度的損失[7]。玻璃鋼錨桿的荷載—位移曲線如圖6所示，在初期施加荷載時(shí)有一個(gè)明顯的彈性變形過(guò)程，在經(jīng)過(guò)一個(gè)直線的屈服階段后，又出現(xiàn)了一個(gè)明顯的塑性屈服階段，最后試件破壞，卸載。

圖6 玻璃鋼錨桿荷載—位移關(guān)系曲線

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

利用FLAC3D軟件模擬分析馬道頭煤業(yè)公司3～5號(hào)層北四盤區(qū)8403工作面2403順槽及系統(tǒng)巷,掘進(jìn)工作面大部分為3～5號(hào)煤層合并區(qū)，局部分層。煤層賦存穩(wěn)定，厚度為16.43～22.55 m，平均為19.32 m。夾雜3～8層黑色泥巖，厚度為0.1～1.59 m，平均為0.55 m，大部分為3～5號(hào)煤。其地質(zhì)狀況與數(shù)值模型圖如圖7所示。

圖7 北四盤區(qū)8403工作面綜合柱狀圖

為了更好地了解玻璃鋼錨桿的實(shí)際支護(hù)效果，采用對(duì)比分析的方法，以實(shí)際支護(hù)方案為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)兩種不同錨桿的支護(hù)方案進(jìn)行測(cè)試和分析，即左幫中下兩排錨桿分別采用Φ27 mm的玻璃鋼錨桿和Φ22 mm的螺紋鋼錨桿，巷幫其他錨桿均采用Φ22 mm的螺紋鋼錨桿，頂板為Φ20 mm的螺紋鋼錨桿。支護(hù)斷面模型圖如圖8所示。

圖8 支護(hù)斷面模型圖

巷道斷面支護(hù)體參數(shù)如表2所示。

表2 支護(hù)體參數(shù)表

3.2 煤幫變形分析

玻璃鋼錨桿和螺紋鋼錨桿支護(hù)煤幫變形量如圖9所示。由圖9-1可以看出，采用玻璃鋼錨桿支護(hù)，煤幫最大變形量為2.09 mm。圖9-2為螺紋鋼錨桿支護(hù)模型，煤幫最大變形量為2.50 mm。對(duì)比兩種不同支護(hù)方案發(fā)現(xiàn)，采用玻璃鋼錨桿支護(hù)后，煤幫變形量減小了19.62%，玻璃鋼錨桿對(duì)于煤幫的支護(hù)效果成效顯著。

圖9 兩種不同支護(hù)方案煤幫表面位移圖（m）

3.3 煤幫應(yīng)力分析

下頁(yè)圖10所示為玻璃鋼錨桿和螺紋鋼錨桿煤巷縱向斷面的x方向的應(yīng)力圖。兩種錨桿的煤幫應(yīng)力分布相似，支護(hù)變化趨勢(shì)也相似。玻璃鋼錨桿支護(hù)煤幫最大應(yīng)力為0.216 9 MPa、螺紋鋼錨桿支護(hù)煤幫最大應(yīng)力為0.217 2 MPa。兩者應(yīng)力大小雖相差不多，但結(jié)合煤幫變形量發(fā)現(xiàn)：玻璃鋼錨桿與螺紋鋼錨桿在煤幫應(yīng)力大小基本相同的情況下，煤幫變形量減小了19.62%。這主要得益于玻璃鋼錨桿抗拉強(qiáng)度高、變形量小的特點(diǎn)，相同支護(hù)效果的情況下，玻璃鋼錨桿能結(jié)合圍巖更好地形成協(xié)同支護(hù)。

圖10 玻璃鋼錨桿與螺紋鋼錨桿支護(hù)煤幫應(yīng)力（Pa）分布

4 結(jié)論

本文通過(guò)抗拉試驗(yàn)、數(shù)值模擬的方案，對(duì)比測(cè)試了玻璃鋼錨桿和螺紋鋼錨桿的力學(xué)性能和支護(hù)效果，得出以下結(jié)論：

1）玻璃鋼錨桿在拉伸時(shí)，抗拉強(qiáng)度要優(yōu)于普通的螺紋鋼錨桿。但是，玻璃鋼錨桿的延伸率低于螺紋鋼錨桿，玻璃鋼錨桿的延伸率約為1.5%。

2）玻璃鋼錨桿的破壞過(guò)程主要分為三個(gè)階段。初級(jí)階段中，錨桿整體應(yīng)力應(yīng)變呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，也是玻璃鋼錨桿應(yīng)力增加的主要階段。第二階段，錨桿應(yīng)力不再提升，桿體內(nèi)部“能量積聚”。第三階段，玻璃鋼錨桿進(jìn)入“能量釋放”階段。

3）馬道頭礦玻璃鋼錨桿煤幫支護(hù)方案行之有效，其煤幫變形量為2.09 mm。玻璃鋼錨桿抗拉強(qiáng)度高、變形量小的特點(diǎn)與圍巖形成了較好的協(xié)同支護(hù)。圍巖的應(yīng)力變化趨勢(shì)為：初始階段在兩側(cè)煤幫產(chǎn)生了較大的變形，隨后趨于平穩(wěn)，圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)出“漏斗形”的分布狀態(tài)。

4）玻璃鋼錨桿支護(hù)方案優(yōu)于螺紋鋼錨桿。從圍巖應(yīng)力狀態(tài)來(lái)看，玻璃鋼錨桿具有更好的屈服極限和強(qiáng)度極限，能承受更大的拉拔力。從煤幫變形來(lái)看，玻璃鋼錨桿支護(hù)方案的煤幫變形量較螺紋鋼錨桿的煤幫變形量，減少了19.62%。

5）玻璃鋼錨桿具有較高的性價(jià)比，可以大幅節(jié)約巷道支護(hù)成本。具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，可降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、減少回采工序、提高工作效率。實(shí)踐表明，馬道頭礦玻璃鋼錨桿支護(hù)方案取得了良好的效果。