錨桿支護系統(tǒng)構件力學性能研究

錨桿支護系統(tǒng)構件力學性能研究

三焦回采道路貨塔欄桿保護系統(tǒng)受采動影響后，道路上兩個幫的坍塌很大，導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,筆者專門從濟三煤礦掘進工區(qū)抽取一批錨桿錨索構件,在河南理工大學力學實驗室和巖石力學實驗室內對錨桿支護構件的力學性能進行實驗,力求找出發(fā)生錨桿錨索破壞的部分原因。1錨桿體力學實驗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。實驗工作在力學實驗室100t材料實驗機上進行。具體的實驗內容為錨桿整體拉伸實驗和錨桿桿體拉伸實驗。1.2結果及其分析1.2.1破壞載荷的模擬錨桿整體拉伸實驗中的桿體長度都是1000mm,錨桿整體拉伸的力學性能測試結果匯總見表1。分析錨桿整體拉伸實驗數(shù)據(jù)結果表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。在實際的現(xiàn)場中,錨桿發(fā)生破壞的部位一般是錨尾,這是由于現(xiàn)場中絕大部分錨桿尾部是偏心載荷的受力狀態(tài)。在本實驗中沒有模擬偏心載荷的受力狀態(tài),并且此實驗的錨桿拉伸模擬與現(xiàn)場錨固時桿體受力有所不同,所以存在這種現(xiàn)象是正常的。2)實驗數(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錨桿拉伸實驗結論由于錨桿整體拉伸情況下不能夠準確測量錨桿桿體的延伸率,所以專門對桿體的力學性能進行實驗。實驗中采用的直徑?20mm的建筑螺紋鋼錨桿桿體長度是100mm,直徑?22mm的建筑螺紋鋼錨桿桿體長度是110mm。利用100t材料實驗機進行實驗后,得出的部分有代表性的結果如圖1、2及表2所示。分析錨桿桿體拉伸實驗可以得出如下結論:1)錨桿桿體拉力與變形量關系曲線符合金屬材料的彈性階段、屈服階段、強化階段、頸縮階段等發(fā)展過程,并且無論是直徑?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)實驗數(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,與錨桿支護系統(tǒng)整體拉伸情況下數(shù)值相當,說明鋼材的質量比較穩(wěn)定。3)根據(jù)實驗結果,桿體的延伸率在27%左右,符合安全規(guī)程的規(guī)定。2硬盤壓縮性能實驗2.1硬盤疲勞測試煤礦安全規(guī)程規(guī)定,在回采巷道的頂板支護中,與頂板錨桿相配套的托盤應采用蝶型。濟三煤礦使用的即為蝶形托盤。1實驗的目的本實驗的目的就是研究托盤從開始受載至破壞的全過程受力與變形之間關系,從而判斷錨固系統(tǒng)破壞的原因。2如表3所示實驗材料實驗所用材料是目前濟三煤礦回采巷道使用的2種系列托盤,本實驗是在巖石力學實驗室RMT150b電液伺服實驗機下完成的。2.2兩種盤高度比較,2.通過對二種系列的托盤進行實驗,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)伺服實驗機獲取的數(shù)據(jù),分析圖3與圖4可得出如下結論:1)在無偏心垂直載荷作用下,8mm厚三個幫錨桿托盤球殼最大承載能力的偏差很大,說明此系列的托盤質量不夠穩(wěn)定,有些托盤在現(xiàn)場使用過程中可能出現(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,球殼相對應的變形量約9mm。從以上數(shù)據(jù)看,10mm厚的托盤加工質量比8mm厚的托盤好。2)兩種系列托盤實驗數(shù)據(jù)對比可知,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控制。隨著巷道兩幫圍巖收縮量的進一步加大,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,預留大的變形,防止托盤的失效。3錨索連接性能實驗3.1錨索的鋼絞線和索具力學實驗由于濟三煤礦沿空巷道和開切眼曾經(jīng)發(fā)生過頂板大面積垮落事故,錨索被拉斷或拉出的嚴重惡性事件,因此有必要對錨索的鋼絞線和索具進行力學實驗。受實驗室條件的限制,本次實驗僅對鎖具進行了性能研究,實驗結果如圖5所示。3.2錨索的安全性能根據(jù)實驗結果得出如下結論:1)錨索的索具在壓縮過程中,壓力達到600kN的時候,預緊的螺片已經(jīng)完全進入索具套中,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,但索具套仍然沒有發(fā)生破壞,說明錨索的索具符合標準,可以安全使用。2)通過實驗可以證明錨索索具安全性能較好,所以現(xiàn)場錨索失效的主要原因是錨索桿體延伸率較小,難以適應圍巖大變形的要求。由于錨索一般是由7股鋼絞線纏繞而成,這種材料和結構決定了錨索的延伸率很低,所以當巷道圍巖變形發(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)場難以改變,為此可以通過增加錨索整體變形量的辦法,來提高錨索適應圍巖大變形的要求。在現(xiàn)場可采用在托盤與索具間增加木墊板、滯后掘進頭支護、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的幫錨桿托盤的質量不夠穩(wěn)定,在現(xiàn)場使用過程中可能出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象,托盤的剛度都不能滿足現(xiàn)場要求。通過提高托盤球殼