锚杆支护系统构件力学性能研究

锚杆支护系统构件力学性能研究

三焦回采道路货塔栏杆保护系统受采动影响后，道路上两个帮的坍塌很大，导致帮锚杆之间的煤体混合、压缩、采矿和帮吊杆故障，影响矿山前面受伤人员和行人的安全。此外，在回采道路上，尤其是在空白道路上，都发生了严重的有害行为，如拉索、拉伸和牵引。这些是回采道路使用中的主要安全隐患。基于此,2006年4月,笔者专门从济三煤矿掘进工区抽取一批锚杆锚索构件,在河南理工大学力学实验室和岩石力学实验室内对锚杆支护构件的力学性能进行实验,力求找出发生锚杆锚索破坏的部分原因。1锚杆体力学实验1.1材料锚杆直径研究锚杆的拉伸性能。主要包括两种直径系列的建筑螺纹钢锚杆,锚杆直径分别为ϕ20mm和ϕ22mm。实验工作在力学实验室100t材料实验机上进行。具体的实验内容为锚杆整体拉伸实验和锚杆杆体拉伸实验。1.2结果及其分析1.2.1破坏载荷的模拟锚杆整体拉伸实验中的杆体长度都是1000mm,锚杆整体拉伸的力学性能测试结果汇总见表1。分析锚杆整体拉伸实验数据结果表1可得:1)锚杆失效均为杆体发生破坏,螺母与锚尾螺纹部分存在脱落现象。在实际的现场中,锚杆发生破坏的部位一般是锚尾,这是由于现场中绝大部分锚杆尾部是偏心载荷的受力状态。在本实验中没有模拟偏心载荷的受力状态,并且此实验的锚杆拉伸模拟与现场锚固时杆体受力有所不同,所以存在这种现象是正常的。2)实验数据表明:直径ϕ20mm的建筑螺纹钢锚杆杆体破坏载荷最大为207kN,最小为204.90kN,平均为205.80kN。直径ϕ22mm的建筑螺纹钢锚杆杆体破坏载荷最大为266.10kN,最小为263.40kN,平均为264.93kN。所以,锚杆材料符合安全规程的规定,锚杆材料是合格的。1.2.2锚杆拉伸实验结论由于锚杆整体拉伸情况下不能够准确测量锚杆杆体的延伸率,所以专门对杆体的力学性能进行实验。实验中采用的直径ϕ20mm的建筑螺纹钢锚杆杆体长度是100mm,直径ϕ22mm的建筑螺纹钢锚杆杆体长度是110mm。利用100t材料实验机进行实验后,得出的部分有代表性的结果如图1、2及表2所示。分析锚杆杆体拉伸实验可以得出如下结论:1)锚杆杆体拉力与变形量关系曲线符合金属材料的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段等发展过程,并且无论是直径ϕ20mm的还是直径ϕ22mm的杆体,其屈服载荷及极限载荷离散性都很小。2)实验数据表明:直径ϕ20mm的杆体屈服载荷最大为153kN,最小为151kN,平均为152.33kN。直径ϕ22mm的建筑螺纹钢锚杆屈服载荷最大为188kN,最小为185kN,平均为186.33kN。直径ϕ20mm的杆体极限破坏载荷为209.33kN,直径ϕ22mm的杆体极限破坏载荷为259.30kN,与锚杆支护系统整体拉伸情况下数值相当,说明钢材的质量比较稳定。3)根据实验结果,杆体的延伸率在27%左右,符合安全规程的规定。2硬盘压缩性能实验2.1硬盘疲劳测试煤矿安全规程规定,在回采巷道的顶板支护中,与顶板锚杆相配套的托盘应采用蝶型。济三煤矿使用的即为蝶形托盘。1实验的目的本实验的目的就是研究托盘从开始受载至破坏的全过程受力与变形之间关系,从而判断锚固系统破坏的原因。2如表3所示实验材料实验所用材料是目前济三煤矿回采巷道使用的2种系列托盘,本实验是在岩石力学实验室RMT150b电液伺服实验机下完成的。2.2两种盘高度比较,2.通过对二种系列的托盘进行实验,得到不同系列的托盘球壳在不同荷载情况下变形规律,如图3、图4所示。根据伺服实验机获取的数据,分析图3与图4可得出如下结论:1)在无偏心垂直载荷作用下,8mm厚三个帮锚杆托盘球壳最大承载能力的偏差很大,说明此系列的托盘质量不够稳定,有些托盘在现场使用过程中可能出现破坏的现象。10mm厚的顶板锚杆托盘球壳最大承载能力比较接近,平均为200kN左右,球壳相对应的变形量约9mm。从以上数据看,10mm厚的托盘加工质量比8mm厚的托盘好。2)两种系列托盘实验数据对比可知,在弹性阶段,8mm厚的帮锚杆托盘刚度大于10mm厚的顶板锚杆托盘刚度,这种是不正常的。由于刚度较小,所以在锚杆支护初期,托盘不能够提供锚固系统足够的初锚力,致使围岩破坏不能够及时控制。随着巷道两帮围岩收缩量的进一步加大,致使帮锚杆托盘破坏失效。3)因此改善帮锚杆托盘的材料,增大托盘的刚度,并且提高托盘球壳的冲压高度,预留大的变形,防止托盘的失效。3锚索连接性能实验3.1锚索的钢绞线和索具力学实验由于济三煤矿沿空巷道和开切眼曾经发生过顶板大面积垮落事故,锚索被拉断或拉出的严重恶性事件,因此有必要对锚索的钢绞线和索具进行力学实验。受实验室条件的限制,本次实验仅对锁具进行了性能研究,实验结果如图5所示。3.2锚索的安全性能根据实验结果得出如下结论:1)锚索的索具在压缩过程中,压力达到600kN的时候,预紧的螺片已经完全进入索具套中,锁具套发生了一定的变形,变形后锁具套的直径比变形前增大0.5mm,但索具套仍然没有发生破坏,说明锚索的索具符合标准,可以安全使用。2)通过实验可以证明锚索索具安全性能较好,所以现场锚索失效的主要原因是锚索杆体延伸率较小,难以适应围岩大变形的要求。由于锚索一般是由7股钢绞线缠绕而成,这种材料和结构决定了锚索的延伸率很低,所以当巷道围岩变形发展到一定程度后,锚索必然破断。3)锚索延伸率受锚索材料的影响,现场难以改变,为此可以通过增加锚索整体变形量的办法,来提高锚索适应围岩大变形的要求。在现场可采用在托盘与索具间增加木垫板、滞后掘进头支护、将锚索安装在距巷道角部1/4顶板宽度处等方法。4防止帮锚杆托盘失效的措施1)无论是直径ϕ20mm的还是直径ϕ22mm的杆体,屈服载荷及极限载荷离散性都很小,锚杆杆体材料符合安全规程的规定。2)厚度为8mm的帮锚杆托盘的质量不够稳定,在现场使用过程中可能出现破坏的现象,托盘的刚度都不能满足现场要求。通过提高托盘球壳