锚杆支护过程中剪切角度对锚杆变形的影响作用试验分析_胡海涛.pdf

锚杆支护过程中剪切角度对锚杆变形的影响作用试验分析胡海涛（晋能控股煤业集团马脊梁矿，山西大同037027）摘要：锚杆进行巷道支护的过程中，剪切角度对锚杆剪切节理面力学性能具有重要的影响作用。采用试验分析的形式对传统型锚杆及麻花压力分散型锚杆在三种不同剪切角度下的载荷位移变形作用进行分析。结果表明，剪切角度越小，则两种锚杆产生的位移越大，所能承受的极限载荷越大，有利于巷道的支护稳定；同时，麻花分散型锚杆的支护安全性要高于传统型锚杆。关键词：锚杆；剪切角度；载荷；位移；稳定性中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0050-020引言我国具有大量的地下煤层，随着采煤技术的不断发展，煤矿开采的深度及长度不断增加，随之带来的是地上岩层对工作面巷道的矿压作用增大1，对巷道的支护提出了较高的要求。进行巷道支护的过程中，锚杆支护自研究应用以来，以其快速方便安装、支护稳定的特性得到了广泛的应用2。在进行煤矿巷道支护的过程中，围岩分布的不同对锚杆的变形具有重要的影响，从而影响巷道支护的稳定性。剪切角度是锚杆进行围岩支护中重要的参数，剪切角度的不同对锚杆支护中的剪切节理面刚度及摩擦角等力学性能具有重要的影响3，从而对锚杆的变形产生影响。针对不同剪切角度对锚杆支护的影响作用，采用试验分析的形式对两种不同的锚杆变形进行分析，从而研究剪切角度的影响作用4，优化锚杆使用的支护条件，保证锚杆支护的稳定性，提高煤矿的安全性。1不同剪切角度对锚杆变形影响试验系统的搭建锚杆进行煤矿巷道支护的过程中通过深入矿井的围岩中，采用锚固剂与围岩进行结合，通过锚杆承受应力作用，增加围岩的聚积，限制围岩的变形，从而保证巷道的安全稳定。锚杆锚固的性能除与锚杆自身的力学性能相关之外，还与锚固长度、剪切力的大小及方向相关5。剪切角度是支护过程中围岩变化的重要参数，对锚杆节理面的方向具有重要的影响6。依据常用的锚杆类型，选择锚杆的剪切角度分别为30、60、90进行试验分析。传统的锚杆采用直线钢筋制成，试验过程中采用直径 8 mm 的钢筋进行交错焊接，整体的长度为1 800 mm，端头的长度为 200 mm；麻花拉力分散型锚杆是新型应用的锚杆，将相同长度的钢筋制成麻花状进行缠绕焊接7，可以将锚杆受到的拉力作用进行扩散，提高锚杆的承载性能，同样进行麻花拉力分散性锚杆的焊接，整体长度及端头长度保持一致。进行锚固黏接采用 110.5（水泥砂子水）的水泥砂浆，锚固长度依据煤矿巷道的设计标准及选用的锚杆长度确定锚固的长度为 600 mm，将锚固剂采用 PVC 管进行灌注，保持锚杆在管内的位置竖直居中，通过混凝土振动台进行灌注8，保证锚固的结构紧密，得到的麻花压力分散性锚杆试样如图 1 所示。传统锚杆的锚固试样与此类似，锚杆的锚固长度为 600 mm。锚杆试样制作完成后进行养护处理，经过7 d 的养护后对模型进行打磨处理，保证能够进行应变片的粘贴9。选用电阻性应变片粘贴在锚杆上，距离端头 50 mm，每间隔 100 mm 进行应变片的粘贴，共布置 12 个应变片进行锚杆位移变形信号的采集。锚固基体采用混凝土模拟巷道围岩的作用，在水平方向上对锚固体进行剪切加载，采用尺寸为 200mm200 mm1 800 mm 的混凝土试样作为锚固基体进行试验加载，剪切角度的不同通过不同的隔板放置进行布置10，剪切角度 如图 2 所示，分别布置隔板呈 30、60及 90模拟围岩剪切角度对锚杆的作用。通过锚杆试验平台进行锚杆的拉拔试验，通过液压泵进行围岩侧压作用的加载，将试样放置在试验加收稿日期：2022-04-22作者简介：胡海涛（1985），男，内蒙古通辽人，本科，毕业于黑龙江科技学院，工程师，研究方向为煤矿开采。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.020图 1麻花压力分散型锚杆试样示意图（单位：mm）图 2不同剪切角度的示意图（单位：mm）围岩PVC 管热缩套管锚固剂6001 8001 800800400600试验研究2023 年第 6 期载台后，调整试样位置居中，在试样的两端通过千斤顶进行拉拔作用，中部位置在左右两侧布置相应的千斤顶施加大小及方向固定的围压作用11，对试验过程中锚杆的载荷及位移变化进行采集，并通过数据采集仪进行数据的读取记录，对锚杆的变形进行分析。2不同剪切角度对锚杆变形影响试验结果分析在不同的剪切角度作用下对传统锚杆及麻花压力分散型锚杆进行拉拔试验分析，对所得到的数据进行处理，得到传统锚杆的载荷-位移曲线如图 3 所示。从图 3 中可以看出，传统锚杆在试验的前期变形较小，锚杆产生的弹性变形较小，三种不同的剪切角度下锚杆的载荷-位移曲线的变化趋势保持一致，经过弹性变形后，随着载荷到达极限值，锚杆产生的位移明显增加，此时产生了锚杆的滑移。同时由于拉拔载荷的作用使得锚杆产生破坏，位移量显著增加，在位移增加的过程中，锚杆的承载逐渐较小，最后达到快速减小至 0，锚杆的支护失效12。在三种不同的剪切角度中，剪切角度为 30时产生的最大承载载荷最大，且产生的位移量也最大；剪切角度为 90时产生的最大承载载荷最小，且产生的位移量也最小，不到 40 mm。在不同的剪切角度作用下对麻花压力分散型锚杆进行拉拔试验分析，对所得到的数据进行处理，得到载荷-位移曲线如图 4 所示。从图 4 中可以看出，不同剪切角度下锚杆的载荷-位移曲线的变化趋势保持一致，但在数值上具有较大的差异。在三条曲线中，同样随着剪切角度的增加，锚杆产生的极限载荷能力越小。剪切角度为 30时的载荷能力最大且产生的位移也最大；剪切角度为 90时的载荷能力最小且产生的位移量也最小。对图 3、图 4 中的曲线进行对比分析可以看出，传统锚杆的位移量要大于麻花分散型锚杆，传统锚杆的变形效果较好，但对比曲线的变化形态可知，麻花压力分散型锚杆的位移大多发生在弹性变形阶段及屈服变形阶段中，而破坏变形阶段的占比较少；传统锚杆的位移在弹性变形及屈服变形阶段的占比较少，较大的位移量多发生在破坏变形阶段。在进行巷道支护的过程中，这种变形分布多，减小了锚杆的极限承载能力，对巷道的支护安全具有较大隐患，不利于煤矿的支护安全。3结语锚杆支护是煤矿开采过程中广泛使用的巷道支护方式，对巷道的稳定性及煤矿的安全开采具有重要的影响。锚杆支护过程中，剪切角度的不同造成剪切节理面力学性能的不同，对锚杆的变形支护性能造成不同的影响。采用试验分析的形式对锚杆在不同剪切角度下的变形作用进行分析，制备了传统型锚杆及麻花压力分散型锚杆，在三种不同的剪切角度下对锚杆的载荷-位移变化进行试验分析。结果表明，在三种剪切角度中，两种锚杆均是剪切角度越小，则锚杆产生的位移越大，能承受的极限载荷越大，有利于巷道支护的稳定性。同时，在两种锚杆中，麻花分散型锚杆的稳定性要强于传统锚杆，有利于煤矿的支护安全。参考文献1陈东义，郭彦波.矿建工程巷道掘进锚杆支护的特点及支护效果研究J.世界有色金属，2022（1）：36-38.2郭原伟，史芳，刘占新.基于 FLAC（3D）的煤矿巷道锚杆支护技术研究J.能源与环保，2021，43（12）：298-304.3刘栋，张剑，孟晓刚.贺西煤矿近距煤层采空区下回采巷道锚杆支护优化研究J.现代矿业，2021，37（11）：48-51.4郑二虎，王鹏，周健南，等.基于 3DEC 的锚杆支护超大跨度洞室抗爆性能数值模拟J.建筑技术开发，2021，48（21）：87-90.5王凤祥.不同锚杆支护参数对煤巷支护效果的影响研究J.机械管理开发，2021，36（10）：103-104.6柳国明.深基坑锚杆支护结构中锚杆参数对深基坑变形影响有限元分析J.中国科学探险，2021（5）：113-115.7姚添智，张建海，刘桂泽，等.地下厂房锚杆支护的反向传播神经网络智能化设计模型J.科学技术与工程，2021，21（23）：9 983-9 989.8杨洋，许梦国，程爱平，等.基于 Rosenblueth 方法的巷道顶板锚杆支护结构可靠性分析J.矿业研究与开发，2020，40（8）：86-90.图 3传统锚杆锚固载荷-位移变化曲线图 4麻花分散锚杆锚固载荷-位移变化曲线5040302010010203040500位移/mm荷载/kN剪切角度 90剪切角度 60剪切角度 3050403020100102030400位移/mm剪切角度 90剪切角度 60剪切角度 30荷载/kN（下转第 56 页）胡海涛：锚杆支护过程中剪切角度对锚杆变形的影响作用试验分析51机械管理开发第 38 卷析，通过对以上四种因素的仿真结果分析，可以发现对裂纹影响最强的为支撑弹簧刚度，对裂纹影响最弱的为初始角度，中间的分别为初始裂纹位置和裂纹深度。结合以上分析可以了解到弹簧永久变形故障是造成振动筛大梁裂纹扩展的主要因素，这便要求相关人员积极做好对支撑弹簧的维护保养工作，从而更好地提高振动筛设备的运行稳定性，促进煤矿企业的健康发展。（编辑：王婧）Research on Crack Propagation Characteristics of the Vibration Screen Beam for CoalWashing and SelectionXue Zhen（Datong Fenlei Washing Equipment Co.,Ltd.,Datong Shanxi 037300）Abstract:By using finite element analysis,the influence of crack location,depth,angle,and support spring stiffness on cracks is studied.After understanding the impact of different aspects on a large number of cracks,it is helpful for relevant personnel to do a good job inequipment maintenance and promote the healthy development of coal mining enterprises.Key words:coal washing;vibrating screen beam;crack propagation characteristics7司垒，李嘉豪，谭超，等.矿用刮板输送机垂直冲击下负载电流特性研究J.煤炭科学技术，2023，51（2）：400-411.8陈宇鸣.基于 SINS/UWB 的刮板输送机高可靠性直线度检测技术研究D.徐州：中国矿业大学，2021.9陈迪蕾，郑征，黄涛，等.基于采煤机和刮板输送机能耗模型的速度协同优化控制J.煤炭学报，2023,51（2）：400-401.10刘超.综采工作面采煤机和刮板输送机运行速度协同控制研究J.煤矿现代化，2021，30（3）：122-124.11徐启一帆，李斌，郑锋，等.综采工作面刮板输送机智能调速系统设计J.自动化应用，2021（9）：133-135.12贺虎成，王成，师磊，等.刮板输送机双电机驱动变频控制策略研究J.煤炭工程，2021，53（9）：89-94.（编辑：王婧）Performance Analysis of Different Control Methods for Starting Device of Scraper ConveyorMeng Youjun（Jinneng Holdings Coal Industry Group Meiyukou Mine,Datong Shanxi 037041）Abstract:When the carrying capacity of the scraper conveyor is la