讓壓錨索力學(xué)特性及支護(hù)機(jī)理探討

沈磊磊

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

讓壓錨索是基于采深較大、巖層巖性較弱以及巷道開挖后可能引起大變形等而設(shè)計的一種區(qū)別于常規(guī)錨索結(jié)構(gòu)和支護(hù)類型的可延伸錨索[1]。與常規(guī)錨索相比較，讓壓錨索的最大特點是增加了可以較大程度緩解圍巖壓力對錨索損傷的讓壓裝置，能夠提高支護(hù)阻力，可塑性好，具有很好的讓壓效果，能夠抵抗強(qiáng)烈的外力作用，避免錨索發(fā)生破斷失效，從而保證支護(hù)的可靠性和安全性[1-2]。而且讓壓裝置可以根據(jù)巷道支護(hù)條件、支護(hù)特點、以及巷道可能存在的圍巖壓力等進(jìn)行規(guī)格選擇，所以讓壓錨索可以在多種條件下適應(yīng)巷道圍巖變形對讓壓錨索的影響[3-4]。

為了更好地掌握讓壓錨索的支護(hù)性能，提升讓壓錨索的支護(hù)效果，本文對讓壓錨索的力學(xué)特性及支護(hù)作用機(jī)理進(jìn)行探討，以期為支護(hù)參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

1 讓壓錨索的組成及參數(shù)

讓壓錨索主要由金屬墊圈、托盤、鎖具、讓壓裝置和錨索鋼絞線等組成，其中讓壓裝置是讓壓錨索最為主要的組成部分，讓壓裝置的類型和參數(shù)選擇直接關(guān)系到讓壓錨索(桿)的支護(hù)效果。根據(jù)讓壓管系統(tǒng)內(nèi)力壓力的變形特征曲線與讓壓管系統(tǒng)壓力理想狀態(tài)相對比，可以將讓壓錨索(桿)讓壓管分為理想型、補償型和損失型，即系統(tǒng)內(nèi)力與理想狀態(tài)相比較有所增大則為補償型，反之為損失型，見圖1。

讓壓管是讓壓錨索(桿)的重要組成部分，而為了保持讓壓錨索(桿)具有有效的支護(hù)性能，必須選擇科學(xué)合理的讓壓管基本參數(shù)。讓壓管的基本設(shè)計參數(shù)包括：

1) 讓壓點：讓壓管開始產(chǎn)生讓壓作用的起始載荷。

圖1 讓壓管變形特征曲線

2) 讓壓載荷的穩(wěn)定性：讓壓錨索(桿)在受力起支撐作用情況下，讓壓管必須保持載荷穩(wěn)定性，出現(xiàn)較大的荷載波動直接影響到讓壓效果。荷載波動幅度由讓壓穩(wěn)定系數(shù)k衡量，當(dāng)k=0時表示理想情況下，錨索荷載達(dá)到設(shè)計讓壓荷載時，讓壓管開始工作提供讓壓位移。

(1)

式中：k為讓壓穩(wěn)定性系數(shù)，kN/mm；Fi為讓壓終端荷載，kN；Fy為讓壓起始荷載，kN；D為最大讓壓位移，mm。

3) 最大讓壓位移：讓壓錨索(桿)在讓壓支護(hù)過程中，讓壓管所能提供的極限距離閾值。

2 讓壓錨索力學(xué)特性

讓壓錨索的讓壓機(jī)理，可以簡化為在一定的彈力范圍內(nèi)，通過讓壓管提供的彈性裝置將巷道圍巖施加給讓壓錨索(桿)的外界壓力進(jìn)行傳遞和轉(zhuǎn)換，以便可以在一定圍巖應(yīng)力作用范圍內(nèi)讓壓錨索(桿)保持穩(wěn)定的支護(hù)效果，類似于胡克定律，而整個讓壓錨索的讓壓支護(hù)過程也遵循胡克定律。巷道圍巖采用讓壓錨索進(jìn)行支護(hù)，在受到圍巖應(yīng)力作用下，讓壓錨索能夠提供很好的支護(hù)阻力，可塑性條件好，在起到對圍巖主動支護(hù)作用的同時，具有很好的讓壓效果，能夠抵抗強(qiáng)烈的外力作用而不會致使錨索發(fā)生破斷失效，從而保證巷道支護(hù)的可靠性和安全性。根據(jù)讓壓錨索與圍巖應(yīng)力之間的相互作用產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，可以將讓壓錨索力學(xué)特性分為5個階段，見圖2。

圖2 讓壓錨索應(yīng)力應(yīng)變曲線

1) OA階段，初期讓壓錨索受到應(yīng)力作用發(fā)生彈性變形。

2) AB階段，隨著讓壓錨索受應(yīng)力作用逐漸增強(qiáng)，讓壓管開始發(fā)揮作用，該階段由于受到讓壓管彈性作用，讓壓錨索應(yīng)力變化較小，讓壓錨索變形量隨著圍巖應(yīng)力變化而發(fā)生變化。

3) BC階段，在讓壓管作用下，隨著圍巖應(yīng)力進(jìn)一步增大，讓壓管逐漸達(dá)到荷載應(yīng)力極限，讓壓滑動變形逐步向彈性變形階段轉(zhuǎn)變，錨索承載的應(yīng)力逐漸增大。

4) CD階段，由于超過讓壓錨索的彈性范圍，應(yīng)力荷載超出極限應(yīng)力承載，讓壓錨索發(fā)生屈服，錨索材料發(fā)生塑性變形和組織變化，但讓壓錨索的支護(hù)性能更為提高，錨索應(yīng)變發(fā)生明顯變化。

5) DE階段，隨著圍巖應(yīng)力的進(jìn)一步增大，讓壓錨索彈性和塑性變化達(dá)到極致，錨索逐步進(jìn)入脆性變化階段，該階段應(yīng)力作用大于錨索強(qiáng)度極限，錨索支護(hù)效果迅速下降，錨索破損。

3 讓壓錨索的支護(hù)機(jī)理

為了了解讓壓錨索對巷道圍巖的支護(hù)作用機(jī)理，探討讓壓錨索產(chǎn)生的錨固力作用與圍巖受到應(yīng)力變化產(chǎn)生的變形量間的關(guān)系，可以利用讓壓錨索與圍巖變形之間的支護(hù)、作用、協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行說明。按照錨索發(fā)揮的支護(hù)作用不同，將錨索的錨固力分為徑向錨固力和切向錨固力，其中徑向發(fā)揮錨索的支護(hù)作用，切向發(fā)揮錨索的加固作用，見圖3。未使用錨索支護(hù)條件下，巷道圍巖在承受應(yīng)力作用下表現(xiàn)的變形曲線為P0AG，使用讓壓錨索支護(hù)后，巷道圍巖壓力與位移關(guān)系曲線為P0ABD，而在徑向作用力曲線ECB缺失的錨索支護(hù)條件下巷道圍巖的位移曲線為P0ABF，在讓壓錨索處于讓壓狀態(tài)下，讓壓錨索錨固力與圍巖變形關(guān)系處于平衡狀態(tài)，A點為安設(shè)錨索支護(hù)前后巷道圍巖壓力與變形曲線的節(jié)點，即A點后錨索支護(hù)作用逐漸發(fā)揮，巷道圍巖逐漸趨于穩(wěn)定。根據(jù)圖3中表示，讓壓錨索響應(yīng)巷道圍巖應(yīng)力產(chǎn)生支護(hù)作用可以分為切向錨固支護(hù)作用曲線ABF、徑向錨固支護(hù)作用曲線ECB和讓壓錨索產(chǎn)生的讓壓支護(hù)作用曲線EHD三個分支，B為圍巖變形與錨索支護(hù)作用平衡點，如果ECB曲線上某點缺失，就會致使巷道變形向F點發(fā)展，可能會造成巷道圍巖某點上的失穩(wěn)。而在讓壓錨索產(chǎn)生的讓壓作用下，錨固力與圍巖發(fā)生的變形曲線改變?yōu)镋HD，錨固平衡點B轉(zhuǎn)變?yōu)辄cD。

圖3 讓壓錨桿錨固力與圍巖變形關(guān)系

從另一個角度來進(jìn)行分析，錨固力與圍巖變形關(guān)系可以由錨索響應(yīng)巷道圍巖應(yīng)力作用而產(chǎn)生的響應(yīng)方式進(jìn)行探討。在巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)后，錨索逐漸對巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)、強(qiáng)化，迫使圍巖原有變形曲線發(fā)生改變，錨索所產(chǎn)生的錨固力的大小與巷道圍巖所作出的應(yīng)力反應(yīng)呈正比，即圍巖壓力越大，錨固力越大，該階段巷道圍巖的應(yīng)力作用于錨索支護(hù)系統(tǒng)，發(fā)生了變形能向錨索系統(tǒng)彈性能的轉(zhuǎn)變(EC段或EH段)。而隨著應(yīng)力作用的逐漸增大，讓壓錨索中的讓壓構(gòu)件開始發(fā)揮作用，該階段，雖然圍巖應(yīng)力在不斷增大，但錨索發(fā)生的彈性變化逐漸由讓壓構(gòu)件產(chǎn)生的讓壓性能代替，該階段主要為巷道圍巖的變形能向讓壓變形能之間的轉(zhuǎn)變，錨索本身的彈性能未發(fā)生改變(HD段)。選擇的讓壓錨索對巷道圍巖是否可以產(chǎn)生好的支護(hù)性能，即選擇的讓壓構(gòu)件最大讓壓距離是否能滿足巷道圍巖應(yīng)力變形對錨索本身的應(yīng)力作用范圍，如果不能滿足，則錨索在CD階段某節(jié)點就會提早進(jìn)入錨索屈服階段，造成錨索自身損耗。

4 結(jié) 語

1) 與傳統(tǒng)錨索相比，基于讓壓構(gòu)件，讓壓錨索支護(hù)過程中可以對圍巖應(yīng)力作用起到一個緩沖作用，從而在同等圍巖應(yīng)變條件下，讓壓錨索受力明顯小于傳統(tǒng)錨索。

2) 在支護(hù)過程中，讓壓錨索與圍巖形成了相互協(xié)調(diào)的作用關(guān)系，讓壓錨索可以吸收圍巖變形產(chǎn)生的部分能量，能夠起到較好的讓壓效果，同時控制圍巖塑性破壞區(qū)向深部轉(zhuǎn)移。

3) 讓壓錨索的支護(hù)效果關(guān)鍵在于讓壓距離的合理選擇，而合理的讓壓距離也是保證圍巖發(fā)生變形時錨索不被破壞、失效的關(guān)鍵。