楊猛 胡秉昊

摘 要：結(jié)合礦用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索在承載過程中鎖具出現(xiàn)的典型失效形式，運(yùn)用大型通用有限元分析軟件ABAQUS模擬動(dòng)、靜載荷作用下錨索鎖具失效的動(dòng)態(tài)演化過程，并分析錨索鎖具結(jié)構(gòu)、安裝預(yù)緊力對(duì)鎖具穩(wěn)定性的影響。

關(guān)鍵詞：錨索鎖具失效因素;ABAQUS仿真軟件;預(yù)緊力

一、項(xiàng)目研究背景與意義

在深部巖體工程中，錨索支護(hù)是煤礦巷道中普遍采用的一種支護(hù)手段，然而難免會(huì)受到爆破振動(dòng)、礦震以及某些因素造成的地殼運(yùn)動(dòng)等動(dòng)載荷作用后，這樣極易出現(xiàn)夾片式錨具滑移，因此，在深井巷道工程實(shí)踐中錨索在實(shí)際承載過程中，錨索鎖具失效現(xiàn)象十分普遍，錨索鎖具飛出傷人甚至致死的事故屢有發(fā)生。而倘若錨具出現(xiàn)滑移，錨索就會(huì)飛出，一方面造成巷道維護(hù)困難甚至引發(fā)冒頂事故，另一方面由于承載的巨大應(yīng)力瞬間喪失，使得二力平衡被打破，巨大的應(yīng)力致使鎖具飛出，對(duì)井下工人極易造成難以估量的傷害。所以圍繞動(dòng)、靜載作用下錨索鎖具失效的動(dòng)態(tài)演化過程及其影響因素展開研究具有一定的實(shí)用價(jià)值和理論意義。

本次項(xiàng)目基于ABAQUS仿真有限元軟件通過建模調(diào)試進(jìn)而構(gòu)建數(shù)值力學(xué)模型開展相關(guān)研究工作。模擬出動(dòng)載荷狀態(tài)下錨索鎖具滑移的全部過程，并分析錨索鎖具結(jié)構(gòu)、安裝預(yù)緊力對(duì)鎖具穩(wěn)定性的影響。

二、錨索錨具滑移機(jī)制及控制研究

深部巖體工程中，錨索在圍巖變形后處于高承載應(yīng)力狀態(tài)，受到爆破振動(dòng)、礦震等動(dòng)載荷作用后，極易出現(xiàn)夾片式錨具滑移，而一旦錨具出現(xiàn)滑移，錨索則失去其加固作用，造成巷道維護(hù)困難甚至引發(fā)冒頂事故。

針對(duì)錨索錨具滑移甚至拉脫的問題，根據(jù)錨索錨固過程中錨具的受力分析結(jié)果[59]，可在錨索錨具后方安設(shè)一種錨索錨具防滑自鎖裝置，以充分發(fā)揮錨索的錨固承載能力，實(shí)現(xiàn)錨索的及時(shí)主動(dòng)支護(hù)作用，有效防止錨索錨固作用降低或喪失，力學(xué)機(jī)理分析如下：

在錨索錨固過程中，錨具各部分的受力如圖2.1所示，在增設(shè)防滑自鎖裝置后錨具受力分析見圖2.2。

假設(shè)錨具夾片錐角為α ，夾片與錨環(huán)之間的摩擦角為β ，夾片與錨索索體之間的摩擦角為θ ，令μ1=tanθ，μ2=tanθ 。

對(duì)于錨環(huán)，在水平方向上，由力的平衡可得：

由上式可知，由于錐角α 固定，若夾片與錨環(huán)之間的摩擦角β 不變，隨著N 增大，錨環(huán)與夾片之間的相互作用力N1 逐漸增大。

對(duì)于夾片，在豎直方向上，由力的平衡可得：

由上式可知，若錨環(huán)與夾片之間的摩擦角β 不變，隨著錨環(huán)與夾片之間的相互作用力 增大，夾片與錨索索體之間相互作用力N2 也應(yīng)增大。這就意味著夾片與錨索索體作用后，夾片應(yīng)能提供更大的抵抗錨具滑移的力。若N1 增大，θ 減少，則易引起錨具滑移。

由力的平衡條件可得：P=N 。假設(shè)夾片不滑動(dòng)，μ2N2 是夾片與錨索索體作用后，夾片與錨索索體之間的摩擦力，則應(yīng)有：

聯(lián)立式2-4、式2-5，可得：

要使錨具獲得可靠的錨固力不滑移，應(yīng)滿足錨索索體與夾片之間的摩擦角θ 不小于錐角α 和錨環(huán)與夾片之間的摩擦角β之和，即：

綜合上述錨具受力公式式2-4、式2-5可知，在錨索錨固過程中，由于巷道圍巖變形或圍巖體受到新的擾動(dòng)圍巖產(chǎn)生變形后錨索索體所受拉力P 增加，即圍巖與托盤或者錨環(huán)之間的相互作用力N 增大，隨即錨環(huán)與夾片之間的相互作用力N1 增大，夾片與錨索索體之間的相互作用力N2亦會(huì)增大，此時(shí)為了與錨索索體所受拉力P平衡，要求夾片提供更大的摩擦力，即錨索索體與夾片之間要有更大的摩擦力，以發(fā)揮和保持錨具的錨固作用。

然而實(shí)際情況是，錨具銹蝕以后，由于錨環(huán)與夾片屬同一種材質(zhì)，有相互侵蝕作用，夾片與錨環(huán)之間的摩擦角β 呈增大傾向，而夾片與錨索索體接觸處，由于夾片上的螺紋銹蝕以后，夾片與錨索索體之間的摩擦角θ呈下降趨勢(shì)，即夾片與鋼絞線之間的摩擦力和咬合力減小，導(dǎo)致錨具產(chǎn)生滑移。

導(dǎo)致錨具產(chǎn)生滑移的條件是：

此時(shí)，為保證錨具夾片與索體之間不滑動(dòng)，需要給夾片提供一個(gè)額外的補(bǔ)償力F，其受力分析如圖2.2所示，此時(shí)由夾片水平方向的受力平衡分析可得：

聯(lián)立式2-5、式2-7可得：

假設(shè)μ1 ，μ2 某一時(shí)刻保持不變，而α 是常數(shù)，則隨著錨索索體所受拉力P 增加， N1 不斷增大，F(xiàn) 必然不斷增大，從而阻止錨具的滑移，進(jìn)一步的，由式2-5可知，N2也應(yīng)增大，錨具的錨固作用和自鎖防滑作用增強(qiáng)，充分發(fā)揮錨索的錨固承載能力。

此時(shí)由錨索體受力平衡分析應(yīng)有：

由上述錨具受力分析可知，由于圍巖變形導(dǎo)致錨索索體受到的拉力P 增大。為了防止錨具滑移，增加一套附屬裝置后，這套裝置除為錨具提供一個(gè)額外的防滑力F ，平衡錨具受到的過載外，還有效提高了錨具的錨固作用效果，保證夾片與索體間不發(fā)生滑動(dòng)，以發(fā)揮和充分利用錨索的錨固承載能力，阻止銹蝕錨具在錨索索體受力增大或錨具銹蝕后夾片與錨索索體間摩擦力和咬合力下降導(dǎo)致錨具滑移的現(xiàn)象。

基于上述錨具的受力分析，說明了安設(shè)錨索錨具防滑自鎖裝置的必要性。

三、軟件建模

基于ABAQUS仿真模擬軟件對(duì)錨索鎖具進(jìn)行建模，夾片、索體、以及鎖具，最后將三者進(jìn)行裝配，通過復(fù)雜的調(diào)試過后，完成對(duì)動(dòng)載荷作用下鎖具失效的過程演示，通過建模過程中對(duì)各個(gè)模型的參數(shù)設(shè)置，進(jìn)而了解各個(gè)受力部分，通過參數(shù)設(shè)置施加應(yīng)力模擬出現(xiàn)實(shí)情況下的礦震沖擊，地震等自然條件下意外的動(dòng)載荷應(yīng)力施加，根據(jù)鎖具模型上圖2.1受力情況分析，可以得到使得錨索鎖具脫落的極限值。

四、課題的研究?jī)r(jià)值

我國(guó)煤礦使用的小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索一般采用夾片式錨具，由于礦井井下空氣濕度大、成分復(fù)雜，會(huì)使得鋼絞線及錨具銹蝕嚴(yán)重，在工作面回采巷道中，錨索在地應(yīng)力及采場(chǎng)擾動(dòng)下，銹蝕的錨具會(huì)不斷滑移，導(dǎo)致錨索失效。

隨著工作面回采，采場(chǎng)圍巖會(huì)發(fā)生劇烈的松動(dòng)和破碎，變形量很大，巖體內(nèi)部剪脹變形使得錨索索體產(chǎn)生不均勻變形，如果錨索所承受的軸向力和剪切力在短時(shí)間內(nèi)快速增加，索體集聚的彈性勢(shì)能也會(huì)快速增加，當(dāng)錨索索體其臨界抗拉強(qiáng)度時(shí)錨索便會(huì)斷裂失效，并且可能出現(xiàn)彈射現(xiàn)象，嚴(yán)重影響礦井生產(chǎn)安全。因此研究錨具滑移原因及控制原理和方法、錨索破斷彈射防護(hù)方法具有重要的工程意義和價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

楊猛? ?1998年11月 遼寧撫順人 漢族 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 本科在讀? 工業(yè)工程

胡秉昊 1998年5月? 遼寧撫順人 滿族 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 本科在讀? 信息安全

指導(dǎo)教師：

中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院荊升國(guó)

基金項(xiàng)目：本文系中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2018年度大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：201810290205x