錨桿支護(hù)網(wǎng)片動載力學(xué)性能試驗(yàn)研究

苑新亮，吳擁政，周鵬赫

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 100013；3.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；4.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

隨著煤礦開采深度和強(qiáng)度的增加，沖擊地壓危害愈加嚴(yán)重，其中86.8%的沖擊地壓發(fā)生在巷道中，巷道防治已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)[1-4]。錨桿支護(hù)是煤礦巷道最常用的支護(hù)方式，高強(qiáng)度、高剛度和高可靠性錨桿支護(hù)成為發(fā)展趨勢[5-7]。在沖擊地壓巷道中，錨桿支護(hù)系統(tǒng)不僅受靜載作用，還受沖擊載荷的影響，網(wǎng)片作為錨桿支護(hù)中的重要構(gòu)件，對錨桿支護(hù)效果和巷道圍巖穩(wěn)定控制具有重要作用[8-10]。

網(wǎng)片在錨桿支護(hù)中的主要作用體現(xiàn)在：一是可有效擴(kuò)散錨桿的預(yù)應(yīng)力，使錨桿的高預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散至圍巖，控制圍巖的變形；二是網(wǎng)片在沖擊載荷作用下，與圍巖同步變形，從而吸收沖擊地壓釋放的部分能量，形成整體穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)[11]。此外，網(wǎng)片能夠有效的維護(hù)錨桿之間的圍巖，防止破碎煤巖垮落，有利于巷道整體穩(wěn)定[12]。專家學(xué)者對網(wǎng)片力學(xué)性質(zhì)研究主要集中在以下兩方面：一是網(wǎng)片的力學(xué)性能研究，孫志勇等[13]利用金屬網(wǎng)試驗(yàn)臺，對金屬網(wǎng)在垂直載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)特征進(jìn)行測試，建立了金屬網(wǎng)絲受力模型，發(fā)現(xiàn)在垂直載荷作用下鋼筋網(wǎng)的支護(hù)剛度和支護(hù)及時性優(yōu)于菱形網(wǎng)；周俊麗等[14]運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計了以鋼筋直徑、鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格邊長、鋼筋型號為變量因素的鋼筋焊接網(wǎng)支護(hù)剛度實(shí)驗(yàn)，采用方差分析及多元回歸分析等方法，結(jié)果表明鋼筋直徑是影響支護(hù)剛度最主要的因素；郝登云等[15]針對特厚煤層巷道支護(hù)問題，分析了現(xiàn)場巷道受力特征及變形規(guī)律，通過數(shù)值模擬方法分析了錨網(wǎng)強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)對巷道變形控制難點(diǎn)；張世凱[16]針對經(jīng)緯網(wǎng)編織節(jié)點(diǎn)無約束的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以節(jié)點(diǎn)為研究對象建立模型進(jìn)行理論分析，得出經(jīng)緯網(wǎng)在每平方米重量相同的情況下，承力指標(biāo)值隨網(wǎng)孔的增大而減小，即相同重量情況下，小網(wǎng)孔、細(xì)網(wǎng)絲金屬網(wǎng)承載性能大于大網(wǎng)孔、粗網(wǎng)絲金屬網(wǎng)的承載性能。二是網(wǎng)片支護(hù)作用研究，付玉凱等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在動壓影響巷道中，菱形網(wǎng)的吸能效果最好，菱形網(wǎng)具有良好的緩沖作用，可以吸收更多的沖擊能量；張金松等[18]通過實(shí)驗(yàn)室材料模型對比試驗(yàn)，研究模型結(jié)構(gòu)變形、破壞規(guī)律和承載能力，試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)能夠適用地質(zhì)條件惡劣、巷道圍巖嚴(yán)重變形情況下的支護(hù)要求。高議民[19]通過理論分析及數(shù)值模擬錨網(wǎng)受力，研究得出，進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)后，巷道圍巖變形得到有效的改善，巷道護(hù)表效果明顯，能夠有效抑制巷道變形。從現(xiàn)有的研究成果來看，國內(nèi)外專家學(xué)者對網(wǎng)片進(jìn)行了大量的研究，所得研究成果對錨桿支護(hù)用網(wǎng)片的發(fā)展起到了推動作用，但針對網(wǎng)片的研究主要集中在靜載力學(xué)性能，沖擊載荷作用下網(wǎng)片的動載力學(xué)性能研究較少，針對礦用非金屬網(wǎng)片的研究大量集中在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，缺少具有針對性的試驗(yàn)研究。鑒于以上情況，筆者采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法，利用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對礦用金屬網(wǎng)和非金屬網(wǎng)進(jìn)行動載力學(xué)性能測試，獲取網(wǎng)片的沖擊力時程曲線、位移時程曲線及變形特征等，分析金屬網(wǎng)片及非金屬網(wǎng)片的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，為沖擊地壓巷道錨桿支護(hù)所需網(wǎng)片的選擇提供參考。

1 動載沖擊試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用自主研發(fā)的30000 J多功能落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行網(wǎng)片動載力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)主要由主體框架、錘體組件、抓脫及提升裝置、緩沖及防護(hù)裝置、控制裝置、沖擊測試系統(tǒng)六大部分組成，最大有效沖擊高度為5000 mm，質(zhì)量為350～1000 kg，實(shí)際使用中可根據(jù)需要，通過添加砝碼組件調(diào)節(jié)落錘質(zhì)量，有效沖擊能量不小于30000 J；試驗(yàn)機(jī)配備有沖擊力值傳感器、激光位移傳感器等高精度傳感器，利用多通道高速采集系統(tǒng)對沖擊力、應(yīng)變、位移等參量進(jìn)行同步采集，并自動分析沖擊過程中礦用網(wǎng)片的受力及吸能參數(shù)，采樣分辨率為16 bits，最大采樣頻率為2000 kHz，頻率響應(yīng)不低于500 kHz，動態(tài)載荷測量誤差小于2%，確保各類傳感器信號值域的準(zhǔn)確性[20]。

試驗(yàn)采用中心加載的測試方法，將網(wǎng)片試樣安裝固定在固定支座上，網(wǎng)片周邊采用鋼帶或梯梁等壓板壓緊，并采用螺母固定，網(wǎng)片安裝如圖1所示。

圖1 網(wǎng)片固定支座Fig.1 Schematic of mesh fixed support

1.2 網(wǎng)片沖擊方案

沖擊試驗(yàn)所選用的網(wǎng)片為同一廠家、同一批次生產(chǎn)的金屬網(wǎng)和非金屬網(wǎng)，同種類網(wǎng)片材料屬性、結(jié)構(gòu)特征基本相同。其中金屬網(wǎng)選用機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)，由直徑為6 mm的鋼筋經(jīng)編制后，在交點(diǎn)處進(jìn)行點(diǎn)焊而制成的網(wǎng)狀制品，網(wǎng)片網(wǎng)孔大小為80 mm×80 mm，網(wǎng)片尺寸為1200 mm×1200 mm；非金屬網(wǎng)選用鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)，鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)是由4根直徑為0.1 mm的碳素彈簧鋼絲經(jīng)聚氯乙烯樹脂包裹后進(jìn)行表面處理而形成的網(wǎng)狀制品，網(wǎng)片網(wǎng)孔大小為80 mm×80 mm，網(wǎng)絲寬度為1 mm，網(wǎng)片尺寸為1200 mm×1200 mm。

試驗(yàn)主要研究機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)和鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)在不同沖擊能量作用下的動載沖擊力學(xué)性能。試驗(yàn)時，將網(wǎng)片鋪設(shè)在尺寸為1000 mm×1000 mm的固定支座上，把壓板放置在網(wǎng)片四邊上部，壓板每邊利用三個螺栓進(jìn)行壓緊固定，調(diào)整支座，確保支座中心與落錘錘頭在同一條垂線；調(diào)整完畢后，檢查各傳感器工作狀況，確保傳感器工作正常；確認(rèn)完畢后，將落錘頭提升至所需能量高度，啟動試驗(yàn)機(jī)，落錘做自由落體運(yùn)動對網(wǎng)片進(jìn)行沖擊。沖擊過程利用落錘自身攜帶的傳感器以及試驗(yàn)機(jī)框架立柱上的高精度激光位移傳感器，獲得網(wǎng)片的沖擊力時程曲線、位移時程曲線以及網(wǎng)片的變形情況。

對網(wǎng)片進(jìn)行單次沖擊試驗(yàn)，其中機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)沖擊能量范圍為500 J到5000 J，每次增加500 J，共計10組試驗(yàn)；鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)沖擊能量范圍為250 J到2250 J，每次增加250 J，共計9組試驗(yàn)。

2 網(wǎng)片動載力學(xué)性能研究

2.1 沖擊作用下網(wǎng)片的變形情況分析

不同沖擊能量下機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)的變形情況如圖2所示。從圖中可以看出，網(wǎng)片受到?jīng)_擊載荷作用時，整體受力均勻，網(wǎng)片變形主要集中在固定壓板接觸處，沖擊載荷加載中心部位變形較小，且以“十字”形式向心變形，如圖3所示。當(dāng)沖擊能量在500～3500 J時，網(wǎng)片破壞主要是焊接點(diǎn)開裂，鋼筋未出現(xiàn)斷裂，網(wǎng)片整體保持良好的承載能力；當(dāng)沖擊能量超過4000 J時，網(wǎng)片與固定壓板接觸處鋼筋出現(xiàn)大量斷裂，機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)整體承載能力降低。

圖2 不同沖擊能量作用下鋼筋網(wǎng)變形形態(tài)Fig.2 Morphology of steel mesh under different impact energies

圖3 鋼筋網(wǎng)“十字”變形Fig.3 Deformation of steel mesh “cross”

不同沖擊能量作用下鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)的變形情況如圖4所示，從圖中可以看出，網(wǎng)片在沖擊載荷作用下整體受力不均勻，存在局部網(wǎng)絲因應(yīng)力集中而導(dǎo)致破壞的現(xiàn)象，應(yīng)力集中部位主要為沖擊載荷加載中心部位和固定壓板接觸處，兩處區(qū)域網(wǎng)片出現(xiàn)聚氯乙烯層破裂、碳素彈簧鋼絲嚴(yán)重變形的現(xiàn)象，網(wǎng)片其他區(qū)域網(wǎng)格間基本保持了原有形態(tài)。隨著沖擊載荷的不斷增大，網(wǎng)片的變形極為明顯，聚氯乙烯層破裂數(shù)量明顯增多，碳素彈簧鋼絲變形顯著增大。當(dāng)沖擊能量增加至1500 J時，網(wǎng)片出現(xiàn)碳素彈簧鋼絲斷裂破壞現(xiàn)象，網(wǎng)片整體承載能力顯著降低；當(dāng)沖擊能量達(dá)到2000 J時，碳素彈簧鋼絲大量斷裂，網(wǎng)片發(fā)生整體破斷，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)失去承載能力。

圖4 不同沖擊能量作用下聚酯網(wǎng)變形形態(tài)Fig.4 Morphology of polyester mesh under different impact energies

整體來看，網(wǎng)片變形破壞區(qū)域主要集中在沖擊載荷加載中心部位和固定壓板接觸處。機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)變形破壞區(qū)域主要集中在固定壓板接觸處，鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)變形破壞區(qū)域主要集中在沖擊載荷加載中心部位和固定壓板接觸處。

2.2 網(wǎng)片沖擊力時程曲線分析

機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)沖擊力與時間曲線如圖5所示。由圖可知，網(wǎng)片沖擊力時程曲線可分為3個階段，分別為快速承載階段(OA段)、波動穩(wěn)定承載階段(AB段)及衰減階段(BC段)?？焖俪休d階段，網(wǎng)片所受沖擊力隨時間的增加而快速增加，沖擊力時程曲線整體上按照一定比例快速延伸，其主要原因?yàn)榫W(wǎng)片初始處于自由狀態(tài)，能夠快速適應(yīng)沖擊力的變化，沖擊力隨時間成比例增長。波動穩(wěn)定承載階段沖擊力時程曲線呈現(xiàn)波動現(xiàn)象，導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因?yàn)樵撾A段網(wǎng)片整體受力均勻，沖擊力位于一定區(qū)間內(nèi)小幅度變化，但錘頭與網(wǎng)片未能完全接觸，且各網(wǎng)絲受力不均勻，致使沖擊力出現(xiàn)起伏波動的情況。衰減階段沖擊力時程曲線按照一定比例迅速下降，其原因?yàn)榫W(wǎng)片通過變形達(dá)到最大變形量后，部分網(wǎng)絲開始產(chǎn)生永久變形或恢復(fù)原本形態(tài)，吸收大部分沖擊能量使沖擊力迅速下降。

圖5 鋼筋網(wǎng)沖擊力與時間曲線Fig.5 Impact force on the steel mesh versus time

鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)沖擊力與時間曲線如圖6所示。由圖可知，快速承載階段，網(wǎng)片所受沖擊力隨時間的增加而增加，但增長比例明顯小于機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)，主要原因?yàn)榫W(wǎng)片中碳素彈簧鋼絲與聚氯乙烯層間存在黏著力，使網(wǎng)片在變形期間提供一定的附加承載力，延長了沖擊能量作用時長。鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)沖擊力時程曲線基本無波動穩(wěn)定承載階段，主要原因?yàn)殄N頭與網(wǎng)片能完全接觸，且各網(wǎng)絲受力均勻。衰減階段沖擊力時程曲線按照一定比例下降，但下降比例明顯小于機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)，其原因?yàn)榫W(wǎng)片受到?jīng)_擊力作用時，先出現(xiàn)聚氯乙烯層破裂，由碳素彈簧鋼絲作為主要沖擊載荷承載體，通過碳素彈簧鋼絲與聚氯乙烯的黏著力及擴(kuò)大塑性變形范圍，來吸收更多的沖擊能量，減緩能量衰減。

圖6 聚酯網(wǎng)沖擊力與時間曲線Fig.6 Impact force on polyester mesh versus time

網(wǎng)片沖擊能量與沖擊力峰值關(guān)系如圖7所示，從圖中可以看出，網(wǎng)片沖擊力峰值隨著沖擊能量的增加而增加。機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)沖擊力峰值變化明顯，沖擊力峰值變化范圍為19.57～49.29 kN；不同于機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)，聚酯網(wǎng)沖擊力峰值變化并不明顯，峰值范圍為10.24～17.79 kN。在沖擊能量為500、1000、1500及2000 J條件下，機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)沖擊力峰值明顯大于鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)，由此可知，相同沖擊能量下，機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)片能承載更大的沖擊力。

圖7 沖擊能量與沖擊力峰值關(guān)系Fig.7 Peak impact force of steel and polyester mesh versus impact energy

2.3 網(wǎng)片位移時程曲線分析

網(wǎng)片位移與時間曲線如圖8所示，由圖可知，網(wǎng)片的位移隨著沖擊能量的增加而增加，其中機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)位移變化由119.7 mm增長至277.2 mm；鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)位移變化由152.1 mm增長至356.8 mm，且前者作用時間小于后者。在沖擊能量為500 J時，機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)位移為119.7 mm，鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)位移為221.1 mm；在沖擊能量為1000 J時，機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)位移為141.5 mm，鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)位移為300.2 mm；在沖擊能量為1500 J時，機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)位移為169.3 mm，鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)位移為263.2 mm；在沖擊能量為2000 J時，機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)位移為164.3 mm，鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)位移為356.8 mm；由此可知，相同沖擊能量下，鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)位移變化為機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)的2倍，鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)的抗變形能力明顯劣于機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)。

圖8 網(wǎng)片位移與時間曲線Fig.8 Displacement of steel and polyester mesh versus time

2.4 吸能特性

錨網(wǎng)能量吸收率可采用式(1)計算：

式中，η為能量吸收率；Q為網(wǎng)片的吸收能量值，J；m為錘頭的質(zhì)量，g；h為落錘的沖擊高度，m；Δh為網(wǎng)片的變形量，m。

將不同沖擊能量作用下網(wǎng)片的能量吸收率關(guān)系繪制成曲線，如圖9所示。由圖可知，機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)在沖擊能量作用下能量吸收率變化不大，變化區(qū)間位于94.82%～98.44%之間，平均能量吸收率為97.09%；鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)能量吸收率在93.74%～99.96%之間，平均能量吸收率為98.28%。由此可知，在沖擊能量作用下機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)能量吸收率較為平穩(wěn)，對圍巖的支護(hù)能力較為穩(wěn)定。主要原因?yàn)樵跊_擊載荷作用下，機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)通過網(wǎng)絲的形變及局部焊點(diǎn)開裂破壞，能量消耗變化不大，而鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)受局部受力集中的影響，導(dǎo)致聚氯乙烯層及碳素彈簧鋼絲形變破斷，能量消耗情況復(fù)雜不穩(wěn)定。

圖9 沖擊能量與網(wǎng)片能量吸收率關(guān)系Fig.9 Energy absorption of steel and polyester mesh versus impact energy

3 結(jié) 論

1)沖擊載荷作用下，網(wǎng)片沖擊力時程曲線可分為緩慢承載階段、波動穩(wěn)定承載階段及衰減階段。網(wǎng)片沖擊力峰值隨著沖擊能量的增加而增加，相同沖擊能量下，機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)片能承載更大的沖擊力。

2)隨著沖擊能量的增加，網(wǎng)片位移變形逐漸增加，在相同沖擊能量下，鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)位移變化為機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)的2倍，在抗變形能力方面前者明顯劣于后者。

3)網(wǎng)片主要破壞區(qū)域不同，機(jī)編焊接鋼筋網(wǎng)破壞集中在固定壓板接觸處，鋼塑復(fù)合聚酯網(wǎng)破壞集中在沖擊載荷加載中心部位和固定壓板接觸處，且前者抵抗沖擊能量是后者的2.5倍，可為沖擊地壓巷道不同支護(hù)區(qū)域錨網(wǎng)的選取提供參考。