陳新年 李永強(qiáng) 樊佳偉，2 王云青

（1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西西安710054；2.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西西安710000）

在巷道支護(hù)中，錨桿（索）支護(hù)是應(yīng)用最廣泛也是最有效的一種支護(hù)技術(shù)［1］。在大斷面松軟巷道支護(hù)中，由于圍巖自身節(jié)理裂隙相對(duì)發(fā)育、強(qiáng)度較低、穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致巷道圍巖變形嚴(yán)重，巷道支護(hù)問(wèn)題就成為影響礦山安全生產(chǎn)的主要因素之一［2-5］。由于巷道地質(zhì)條件復(fù)雜多變，在各類(lèi)荷載作用下，巷道錨桿（索）經(jīng)常發(fā)生斷裂破壞，失去支護(hù)作用，其主要原因是錨桿（索）支護(hù)體與圍巖結(jié)構(gòu)體沒(méi)有形成協(xié)調(diào)的受力—變形機(jī)制［6-9］。

巷道錨桿（索）支護(hù)的本質(zhì)是圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用，二者在受力—變形方面是一個(gè)有機(jī)整體，即在允許圍巖產(chǎn)生一定變形而不破壞的基礎(chǔ)上，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)在設(shè)計(jì)許可的安全范圍內(nèi)，這就是二者有效控制圍巖穩(wěn)定性的耦合效應(yīng)，也即所謂的耦合支護(hù)理論。依據(jù)該理論，學(xué)者們?cè)O(shè)計(jì)了多種形式的具有讓壓效果的錨桿（索）支護(hù)體，使其能夠適應(yīng)一定的圍巖變形，從而保證巷道安全［10-14］。王炯等［15］根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，結(jié)合耦合支護(hù)理念，提出了復(fù)合托盤(pán)讓壓支護(hù)技術(shù)理論，通過(guò)端頭讓壓裝置的變形來(lái)達(dá)到讓壓的目的，大幅提高了巷道穩(wěn)定性；孫均等［16］研究了一種新型大尺度讓壓錨桿，通過(guò)錨桿桿體產(chǎn)生一定的變形來(lái)達(dá)到適應(yīng)圍巖變形的目的，并介紹了讓壓錨具的受力機(jī)制及構(gòu)造；劉力民等［17］根據(jù)工程實(shí)際，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法得出工作面的受力狀態(tài)，提出了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力桿體讓壓錨桿（索）非對(duì)稱(chēng)平衡支護(hù)方法，從而使巷道應(yīng)力重新達(dá)到平衡；Charlie 等［18］研究了一種D型錨桿，該錨桿是一種新型的吸能型巖石錨桿，沿桿的長(zhǎng)度方向每隔1 m 設(shè)置一個(gè)螺栓，使錨桿具有了多錨的布局，根據(jù)桿體位移隨沖擊能量線(xiàn)性增加的特性，分析得到了沖擊能量與錨桿位移關(guān)系的理論解。綜上所述，讓壓減震錨桿（索）主要有端頭和桿體兩種讓壓形式，它們通過(guò)讓壓裝置或桿體的變形吸收巷道圍巖變形釋放的大部分能量，即允許圍巖產(chǎn)生一定的變形，而錨桿（索）支護(hù)體仍處于安全穩(wěn)定的工作狀態(tài)，這對(duì)于控制圍巖變形具有良好的作用［19］。

陳新年等［20］采用端頭讓壓形式提出了一種新型讓壓減震裝置，并對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、變形特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，對(duì)支護(hù)參數(shù)選取具有較好的指導(dǎo)意義。本研究在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用試驗(yàn)研究方法，對(duì)其讓壓性、減震性能進(jìn)行系統(tǒng)地分析，為巷道圍巖穩(wěn)定性控制和支護(hù)方式選取提供可靠依據(jù)。

1 讓壓減震裝置結(jié)構(gòu)

新型讓壓減震裝置外部采用無(wú)縫鋼管作為約束環(huán)，內(nèi)部采用熱固性聚氨酯彈性PU 材料，該材料具有高彈性、耐高壓和吸震性強(qiáng)的優(yōu)異性能，墊片采用錨桿專(zhuān)用沖壓墊片。新型讓壓減震裝置如圖1所示。新型讓壓減震裝置安裝情況如圖2 所示。本次試驗(yàn)通過(guò)改變約束環(huán)高度來(lái)控制讓壓距離，改變約束環(huán)的壁厚來(lái)控制讓壓點(diǎn)的大小；通過(guò)其內(nèi)部的彈性材料來(lái)達(dá)到減震性能。

2 讓壓特性試驗(yàn)研究

讓壓支護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)在于讓壓點(diǎn)、讓壓距離的確定。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)工程需要、支護(hù)體的受力狀態(tài)、讓壓裝置的適用范圍等，合理確定讓壓點(diǎn)、讓壓距離。本研究試驗(yàn)的目的是確定不同類(lèi)型讓壓裝置的讓壓點(diǎn)、讓壓距離，從而根據(jù)工程實(shí)際需要來(lái)合理選擇讓壓裝置，實(shí)現(xiàn)圍巖穩(wěn)定性的有效控制。

2.1 試驗(yàn)方案

首先分別對(duì)不同高度和不同壁厚的讓壓減震裝置的單體進(jìn)行加載試驗(yàn)，對(duì)其讓壓特性進(jìn)行研究。試驗(yàn)分組如表1，單體加載試驗(yàn)如圖3所示。

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其次為了接近工程實(shí)際，真實(shí)反映錨桿的受力情況及讓壓裝置的變化情況，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度為2.2 m 的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行試驗(yàn)，模擬錨桿與圍巖的共同作用，測(cè)定讓壓過(guò)程中錨桿桿體的受力—變形規(guī)律。模擬圍巖采用直徑200 mm、C40 的混凝土，選用HPB400 礦用高強(qiáng)錨桿，預(yù)留孔洞直徑30 mm。讓壓模擬試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)的加載方式進(jìn)行逐級(jí)加載。

結(jié)構(gòu)模型加載試驗(yàn)如圖4 所示。錨固端用高強(qiáng)鋼片和高強(qiáng)螺母固定，同時(shí)在錨桿上間斷布置應(yīng)變片測(cè)量錨桿應(yīng)變，圖中1#、2#、3#、4#、5#點(diǎn)均為應(yīng)變片貼放位置。

試驗(yàn)所用的主要儀器設(shè)備有RFP-03 型智能測(cè)力儀、百分表、DH3818-1 靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、ZY 型錨桿拉力計(jì)等。

2.2 讓壓特性試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 單體試驗(yàn)結(jié)果及分析

各組裝置的荷載—位移曲線(xiàn)如圖5所示。

由圖5分析可知：

（1）相同高度下，約束環(huán)壁厚決定了裝置的讓壓點(diǎn)，約束環(huán)壁厚越大，讓壓點(diǎn)越大。壁厚3.0 mm、3.5 mm、4 mm、4.5 mm 對(duì)應(yīng)的讓壓點(diǎn)分別為60 kN、73 kN、113 kN、180 kN。

（2）相同壁厚下，裝置的讓壓點(diǎn)相同，高度越高讓壓距離越大。35 mm、40 mm 高度下的讓壓距離分別為為15 mm、20 mm左右。

綜合分析各組裝置的荷載—位移曲線(xiàn)規(guī)律，可知荷載在達(dá)到讓壓點(diǎn)之前屬于彈性讓壓階段，達(dá)到讓壓點(diǎn)之后到達(dá)到最大讓壓距離為彈塑性階段，最大讓壓距離之后為破壞階段［21］。本研究主要對(duì)彈性階段和彈塑性階段的讓壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合分析。

彈性讓壓階段的荷載—位移曲線(xiàn)呈線(xiàn)性關(guān)系，本研究選取擬合度（94%）最高的公式，可得：

式中，Δ 為讓壓距離，mm；P 為施加荷載值，kN；P0為預(yù)壓荷載值，kN；L 為線(xiàn)彈性系數(shù)，各組線(xiàn)彈性系數(shù)L取值如表2所示。

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彈—塑性讓壓階段在經(jīng)過(guò)多次擬合后，選取擬合度（95.6%）最高的公式，可得：

式中，ΔB為裝置開(kāi)始產(chǎn)生彈塑性變形時(shí)的讓壓變形量，mm；PB為新型裝置的讓壓點(diǎn)，kN；La彈塑性系數(shù)；ζ 為修正系數(shù)，

式中，b為約束環(huán)壁厚，mm。

式（2）中，彈塑性系數(shù)La可進(jìn)行如下計(jì)算：

式中，Δmax為新型裝置的最大讓壓距離，mm。

Δmax與ΔB取值主要根據(jù)裝置高度確定，當(dāng)裝置高度分別為35 mm、40 mm時(shí)，最大讓壓距離Δmax可近似取15 mm、20 mm，ΔB可近似取2.56 mm、2.88 mm。根據(jù)這8 組試驗(yàn)分析，可得彈塑性系數(shù)La取值如表3所示。

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上述分析可知：讓壓點(diǎn)和讓壓距離的確定應(yīng)根據(jù)新型讓壓減震裝置高度和約束環(huán)壁厚分別取值計(jì)算?？梢愿鶕?jù)工程需要合理選擇裝置高度和壁厚，以達(dá)到圍巖和錨桿（索）支護(hù)體協(xié)調(diào)變形，確保巷道安全。

2.2.2 結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

結(jié)構(gòu)模型錨桿（索）的荷載—應(yīng)變曲線(xiàn)如圖6 所示。該曲線(xiàn)主要分兩個(gè)階段：

（1）彈性讓壓階段。該階段讓壓裝置變形很小，圍巖的作用力主要集中在錨桿（索）上，其受力隨荷載的增加而增加。裝置高度相同時(shí)，壁厚越大，讓壓點(diǎn)越大，錨桿應(yīng)變也越大；壁厚相同時(shí)，裝置高度越高，錨桿應(yīng)變?cè)叫　?/p>

（2）彈塑性讓壓階段。進(jìn)入讓壓點(diǎn)之后，圍巖的變形主要由讓壓裝置來(lái)承擔(dān)，錨桿桿體上的應(yīng)力相對(duì)較小，并工作在安全范圍內(nèi)，避免了錨桿因受力過(guò)大而發(fā)生破斷，這更加佐證了讓壓減震裝置對(duì)錨桿的保護(hù)作用。

3 減震特性試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案

由于放炮、礦震、施工擾動(dòng)、采空區(qū)關(guān)鍵層斷裂等采動(dòng)因素發(fā)生在支護(hù)的整個(gè)過(guò)程中，錨桿（索）支護(hù)體的受力狀態(tài)與沖擊荷載的沖擊時(shí)間點(diǎn)、沖擊能量等有關(guān)。為了有效模擬震動(dòng)，選擇了不同類(lèi)型的新型讓壓減震裝置結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行減震試驗(yàn)對(duì)比研究。分別在荷載達(dá)到裝置讓壓點(diǎn)的40%、60%和80%時(shí)進(jìn)行側(cè)向沖擊試驗(yàn)，動(dòng)力荷載采用質(zhì)量為20 kg 的吊錘使其自由落體進(jìn)行沖擊震動(dòng)［21］，沖擊高度分別取0.6 m、1.2 m 和1.8 m，三級(jí)沖擊能量為117.6 J、235.2 J和352.8 J。

3.2 減震特性試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同沖擊高度下新型讓壓裝置的位移曲線(xiàn)如圖7 所示，從整體來(lái)看，在新型讓壓減震裝置受到外部沖擊荷載作用時(shí)，產(chǎn)生了明顯的壓縮和回彈，彈性變形量達(dá)到4～6 mm。進(jìn)一步分析圖7可知：

（1）在裝置高度和壁厚相同的情況下，荷載從讓壓點(diǎn)的40%增加至80%時(shí)，它對(duì)沖擊荷載的緩沖作用逐漸減弱，對(duì)沖擊能的吸收逐漸減小。

（2）當(dāng)裝置高度、加載荷載（40%、60%、80%讓壓點(diǎn)）和沖擊荷載相同時(shí)，隨著壁厚增加，裝置的減震性能有所減小，其吸收的沖擊能量也有略微下降。

（3）當(dāng)沖擊荷載、壁厚和加載荷載相同時(shí)，裝置高度越高，其緩沖性能越強(qiáng)，吸收的沖擊能量則越大。

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)新型讓壓減震裝置進(jìn)行單體和結(jié)構(gòu)模型的試驗(yàn)研究，分析了減震裝置的讓壓特性變化規(guī)律。研究表明：①裝置壁厚相同時(shí)，其讓壓點(diǎn)相同，高度越大，讓壓距離越大，當(dāng)高度從35 mm增加到40 mm 時(shí)，讓壓距離從15 mm 增加到20 mm；②裝置高度相同時(shí)，其壁厚決定讓壓點(diǎn)的大小，壁厚越大，讓壓點(diǎn)越大，約束環(huán)壁厚分別為3.0 mm、3.5 mm、4 mm、4.5 mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的讓壓點(diǎn)分別為60 kN、73 kN、113 kN、180 kN。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步擬合出了不同階段的關(guān)系式，建立了讓壓裝置尺寸與讓壓點(diǎn)、讓壓距離之間的關(guān)系。

（2）對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行三級(jí)沖擊荷載的試驗(yàn)研究顯示，新型讓壓減震裝置具有明顯的彈性壓縮變形，變形量可達(dá)4～6 mm，說(shuō)明該裝置具有較強(qiáng)的減震效果。隨著高度增加，其減震性能明顯增大；隨著壁厚增加，裝置的減震性能有所減小。

（3）新型讓壓減震裝置具有高彈性、高強(qiáng)性、穩(wěn)定讓壓、高適應(yīng)性等特點(diǎn)，因而可以根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)條件選取不同尺寸的新型讓壓減震裝置對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)。