支护体材料力学性能研究

支护体材料力学性能研究

刘飞,孙磊,李文琪,彭雅强,李佳乐,刘杰,孔维江

宿州学院，安徽 宿州 234000

摘要：本文以某试验矿井现阶段所采用的锚杆为研究对象，应用实验得出其锚杆的基本的力学性能指标，并对其锚杆的锚固性能进行了探讨。通过对实验数据所得出的锚杆荷载-位移图、锚杆应力-应变图，得出了不同直径的锚杆的拉拔力学性能。研究发现螺纹钢锚杆杆体在发展到颈缩阶段之后就会因拉力过大发生断裂，断裂面与轴线大约呈45度倾角；在对带螺母螺纹钢锚杆进行拉拔实验后其会发生“滑丝现象”；对锚杆施加扭矩得出扭矩与预紧力的关系曲线，然后数值模拟近似拟合出关系方程式。

关键词：力学性能； 荷载-位移图；应力-应变图

1 引言

锚杆支护是一种主动支护形式，其具有支护效果好，辅助运输量小，搬运便携、方便，支护费用较少等诸多优点，是巷道支护发展方向的风向标，在世界各地已得到广泛应用，成为井巷工程的主要支护形式之一[1]。锚杆支护中所使用的锚杆材料的强度直接对锚固范围内锚杆对巷道围岩的支护阻力和围岩的强化程度产生很大的影响[2]，从而间接的对锚杆群作用范围内锚杆的支护效果和围岩的承载能力产生影响。最近几年我国大力发展了高强度、超高强度锚杆，而且高强度、高刚度和高可靠性成为一种发展趋势。

2研究内容简介

试验矿井现阶段支护用锚杆是用螺纹钢制作的一种杆状构件，螺纹钢材料抗拉性能良好。锚杆构件主要由杆体，托盘、螺母等构件所组成[2]。这些构件及其作用是锚杆支护技术的基础，它们的力学性能直接影响着锚杆支护效果的发挥。

对锚杆应用于巷道围岩支护的整个受力过程进行分析后，确定本次锚杆试验需要研究的力学性能：

（1）抗拉强度，在锚杆受力过程中，主要受拉应力影响，否则会造成锚杆断裂等情况。

（2）螺母端能承受的最大抗拉力，螺母及螺纹搭配后能承受的最大抗拉力关系到锚杆在围岩受力变形的过程中螺母是否会产生滑丝、破坏等影响应力施加的情况，而不能保证结构稳定性。

（3）预应力，对预应力锚杆施加一定的扭矩，从而对围岩产生一定的预应力，预应力的大小关系到巷道围岩受力状态、围岩破坏和变形程度，因此实验中的另一个重要指标就是预应力。

3 力学性能试验

3.1抗拉强度试验

本试验主要是测试试验矿井现用五种锚杆的极限抗拉强度、弹性模量、破坏荷载、延伸率等基本力学指标。本次试验采用的试件分别为Φ16、Φ18、Φ20、Φ22螺纹钢锚杆以及Φ22注浆锚杆，通过实验对不同直径的锚杆进行拉伸，得出数据并测出相应的力学性能指标。

首先，通过试验数据处理得出试件相应的载荷-位移曲线和应力-应变曲线。再从图中分析得出试件的屈服荷载Fs、极限荷载Fb、屈服极限σs、强度极限σb、弹性模量E，并对比分析不同锚杆的屈服载荷与极限载荷。最后，测量并计算试件的截面收缩率及延长率。

3.2 螺母端最大抗拉力试验

按照试验需要制备试样，试样分螺纹段和无螺纹段，其中取无螺纹段锚杆长度l=300mm，测试试样3个以上。

将锚杆试件无螺纹段夹持在试验机下部夹头，试验机上部夹头夹住空心钢管，锚杆直接穿过钢管内部，调整试验机两夹头位置适当距离，在试验机上夹头顶部螺纹段依次套上托盘、拧紧螺母。连接电源开关并开始加载，对实验材料匀速缓慢拉伸，一直到试样被拉失效为止。记录得到试样破坏时的最大载荷。对比分析不同试件的螺母端头最大承载力与极限载荷。

3.3锚杆拉伸试验试样破坏形式

根据破坏形式，将锚杆分为3类进行分析：螺纹钢锚杆、注浆锚杆及带螺母螺纹钢锚杆。通过对断裂面观察，分析得出不同类型锚杆的破坏形式，并简要阐述破坏原因。

3.4 锚杆预应力试验

根据试验需要，制备3个以上螺纹钢锚杆试样进行试验。将螺纹钢锚杆试件无螺纹段锚固在锚杆试验台上，螺纹端伸出实验台5~10cm，待锚固后，在螺纹钢锚杆螺纹端依次套上液压压力计、托盘、套筒，然后开始拧螺母，在螺母上套上扭矩扳手。记录下不同扭矩对应的压力计上的应力。

通过试验中对锚杆试加不同的扭矩，得到的相应的预应力，进而得出扭矩与预应力之间的关系。通过对预应力与扭矩绘制成相关曲线，拟合后得到预紧力与扭矩之间的关系并对比关系方程。

4 对锚杆锚固长度的探讨

根据现场情况，在进行锚杆拉拔测试时，往往出现锚杆锚固力不够，不能达到规范要求，或者锚杆锚固力远远不能达标等情况，这其中的主要原因是锚固剂与锚杆未能锚固或未能按人们想象的那样理想化完全锚固[3]，从而影响锚杆支护质量。

针对具体实践，对不同的锚杆孔的孔径，计算得到锚固剂的损耗长度随锚杆孔孔底剩余距离的变化趋势，以及锚杆尾部至孔底的距离与实际锚固长度之间的关系，并作图进行分析。

5 结论

通过对试验矿井锚杆的各类力学试验，得出了其对应的应力-应变图、荷载-位移图，并通过数据和图表得出了锚杆的各类力学特性。同时，结合试验矿井实际情况，确定了辅运顺槽顶板与两帮应采用的锚杆型号。针对带螺母螺纹钢锚杆出现的滑丝现象，提出在使用该类锚杆时可以选择加厚螺母，同时适当提高锚杆螺纹精度以及螺母与螺牙的强度和硬度。

本文还对锚杆在实际应用中的锚固性能进行了探讨，应用锚杆支护时，实际中需要考虑到锚固剂与锚杆的锚固情况，选择合适的锚固方式，增强锚杆支护的质量。

参考文献

[1] 石建军, 刘洪涛, 马念杰. 高强度金属锚杆力学性能试验研究[J]. 煤炭工程, 2011(3):102-104.

[2] 陈新年, 奚家米, 张琨,等. 锚杆(索)作用力学特性分析及让压试验[J]. 煤田地质与勘探, 2011, 39(6):45-53.

[3] 郑雨天,朱浮声. 预应力锚杆体系──锚杆支护技术发展的新阶段[J]. 矿山压力与顶板管理. 1995(01):2-7.

基金项目:安徽省自然科学青年基金（1908085QE215）;高校优秀青年项目（gxyq2021221）；省级大学生创新训练项目（S202110379193）。