高吸能比大变形锚索让压结构优化研究.pdf

103引用格式：刘斌斌，贾邦国，杨润达.高吸能比大变形锚索让压结构优化研究J.煤炭工程，2 0 2 3，55（8）：1 0 3-1 0 7.E-mail:。男，江办佰迁人，硕士，研究方问为开巷支护技木通讯作者：杨润达（1 9 9 8Vol.55,No.8COALENGINEERING第55卷第8 期程炭煤doi:10.11799/ce202308019高吸能比大变形锚索让压结构优化研究刘斌斌1，贾邦国，杨润达3（1.库车市科兴煤炭实业有限责任公司，新疆阿克苏842008;2.深地科学与工程云龙湖实验室，江苏徐州221116；3.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州221116)摘要：为了提高巷道锚索吸能让压结构的吸能效率及其变形稳定性，采用力学测试和有限元数值仿真两种方法对粗腰鼓形、直管、楔形槽、长槽以及直管V形槽5种不同吸能让压结构进行研究。研究表明形状及结构特征决定了峰值抗压强度、极限变形量、吸能效率以及结构整体稳定性。5mm壁厚直管吸能结构虽然相对于粗腰鼓形、楔形槽及长槽结构吸能效率分别提高4 8%、6 6%和56%，但受压过程中容易发生局部应力集中，进而偏压诱发变形不均匀和结构失稳。内侧设有变形诱导V形槽的直管结构吸能效率为4 5.2 9kJ/g，相对于直管吸能让压结构吸能效率仅仅降低6%，受到V形槽的变形诱导作用，避免了局部应力集中导致的偏压问题，比直管吸能让压结构变形更加稳定，将V形槽吸能让压结构应用于现场锚索，巷道变形得到了有效控制。关键词：高吸能比；巷道支护；锚索；大变形；让压结构中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：1 6 7 1-0 959(2 0 2 3)0 8-0 1 0 3-0 5Yielding structure optimization for large deformation anchor cablewith high energy absorption ratioLIU Binbin,JIA Bangguo,YANG Runda(1.Kuqa Kexing Coal Industry Co.,Ltd.,Aksu 842008,China;2.Yunlong Lake Laboratory of Deep Undergroud Science and Engineering,Xuzhou 221116,China;3.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)Abstract:In order to improve the energy absorption efficiency and deformation stability of roadway anchor cable yieldingstructure,mechanical testing and finite element numerical simulation were used to study five different energy absorption pressurestructures,namely coarse waist drum,straight pipe,wedge groove,long groove and straight pipe V-shaped groove.The resultsshow that the shape and structure characteristics determine the peak compressive strength,ulimate deformation,energyabsorption efficiency and the overall stability of the structure.Although the energy absorption efficiency of the straight tube energyabsorption structure with 5mm wall thickness is increased by 48%,66%and 56%,respectively,compared with the coarse waistdrum,wedge groove and long groove structure,local stress concentration is likely to occur in the compression process of thestraight tube energy absorption structure,and then the bias induces the uneven deformation and structural instability.The energyabsorption efficiency of the straight tube structure with deformation induction V-shaped groove inside is 45.29 kJ/g,which onlyreduces the energy absorption efficiency of the pressure structure by 6%compared with that of the straight tube.However,due tothe deformation induction effect of the V-shaped groove,the bias problem caused by local stress concentration can be avoided,and the deformation of the pressure structure is more stable than that of the straight tube.By applying the V-shaped groove energyabsorption and compression structure to on-site practice,the deformation of the tunnel was well controlled.Keywords:high energy absorption ratio;roadway supporting;anchor cable;large deformation;yielding structure随着我国煤炭资源开采逐渐向深部转移，矿井开采条件日趋复杂，高应力巷道大变形灾害发生的频率和烈度日益增加 1-4 。高阻让压锚杆及锚索相对于普通锚索容许变形大、使用寿命长，对高应力收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 9作者简介：刘斌斌（1 98 7 一），男，河南宁陵人，采矿工程师，现任库车市科兴煤炭实业有限责任公司（榆树泉煤矿）总经理、矿长，研究方向为煤炭开采技术与管理，E-mail：m1 98 52 4 98 6 1 3 1 6 3.c o m。1042023年第8 期研究探讨程炭煤大变形灾害巷道具有良好的适用性，越来越广泛地应用于高应力复杂条件巷道的稳定性控制工程中 5目前，按照让压原理，具有让压功能的锚杆和锚索可分为三类：摩擦吸能、变形吸能和摩擦变形吸能。摩擦吸能主要有大尺度让压锚杆 6 、挤压摩擦式恒阻让压大变形锚杆 7 、锥阻式摩擦套筒大变形锚杆 8 、摩擦套筒式大变形锚杆 9 等；变形吸能主要有煤矿新型让压锚杆 1 0 、新型让压管锚杆 1 、抗大变形增阻锚杆 1 2 、防拉断大变形锚杆 1 3 、可适应围岩变形的锚杆 1 4 等；摩擦变形吸能如NPR锚杆 1 5。但基于加工成本与现场安装效率的要求，在锚杆和锚索上附加让压装置成为最容易实现的方式 1 6 。让压管是目前应用最为普遍的一种让压装置，解决了很多巷道大变形导致的锚杆锚索破断的难题 1 7-2 0 。由于变形稳定性的需要，钢管要墩成粗腰鼓形，这直接降低了让压管的有效工作变形量和强度，导致单位质量钢材的吸能效率大大降低，同时也增加了加工过程中的工艺难度和能量消耗。优化让压管结构，达到加工工艺简单、吸能效率高、力学性能稳定的目标，对降低巷道支护成本和能源消耗，提高巷道稳定性具有重要意义。1吸能让压结构力学试验1.1试验概况为研究结构、壁厚对吸能效率的影响规律，对壁厚5mm的4 种不同结构进行单轴抗压力学性能测试，吸能让压结构材料均采用2 5无缝钢管，长41mm，内径2 4 mm，外径3 4 mm，壁厚5mm。吸能让压结构特征见表1。表1不能种类吸能让压结构特征粗腰鼓形直管形楔形槽长槽形中部为凸起中部为切的中部4 个对称的直管形状的粗腰4个对称楔形横向挖透的长结构鼓形结构槽结构槽结构1.2试验结果及分析基于MTS816电液伺服岩石实验机采用位移加载速率的控制方法，位移加载速率为1 mm/min，对壁厚5mm的4 种形状吸能管进行单轴抗压实验，试验结果如下：5mm吸能让压结构单轴压缩试验位移与压力曲线如图1 所示，其试验结果见表2，对5mm吸能让压结构试验结果分析：5mm吸能让压结构粗腰鼓形、直管形、楔形槽形的峰值承载压力3 0 t左右，达到了预期的峰值强度；直管形吸能结构吸收的能量平均值为7.0 3 kJ，相对于粗腰鼓形、楔形槽及长槽结构吸能效率分别提高4 3%、6 7%和6 1%；直管形结构吸能比平均值4 7.95J/g，相对于粗腰鼓形、楔形槽及长槽结构，吸能比效率分别提高4 8%、6 6%和56%；同时，相对于粗腰鼓形、楔形槽及长槽结构，直管形吸能结构极限变形量是最大的，有效承载能力超过3 0 t的情况下容许变形量超过了2 0 mm。505-1 5-2 5-35-45-55-6405-75-8/30201000510152025压缩位移/mm图1 5mm吸能让压结构压缩曲线通过对吸能让压结构的实验结果分析可知，直管形吸能让压结构吸收的能量最高，吸能比也是最高的，但是，通过对直管形吸能让压结构压缩后的形状可知，直管形吸能让压结构压缩后形状不可控，因此需要对直管形吸能让压结构进行优化，使其具有良好的吸能效率，压缩后形状可控。2吸能让压结构数值优化仿真2.1AnsysWorkbench数值模拟方法通过吸能让压结构室内试验得出材料属性：杨氏模量8 0 0 0 MPa，泊松比0.2，屈服强度6 3 0 MPa，切线模量2 0 0 MPa。吸能让压结构有限元模型采用真实尺寸，网格单元尺寸均为1 mm。加载时一端固定约束，一端位移加载，位移为2 5mm。接触面的摩擦系数为0.2，法向刚度系数0.22.2结果分析利用AnsysWorkbench进行数值模拟仿真结果如图2 所示，粗腰鼓形、直管形吸能让压结构均出现环状应力集中，两者应力集中部位均位于中部，且两者最大峰值应力分别为1 2 7 2.1，1 7 2 1.5MPa。楔形槽、长槽形吸能让压结构应力分布较分散，且两者最大应力峰值分别为8 1 4.1，1 7 1 8.7 MPa。由此1052023年第8 期研究探讨程炭煤可知，吸能结构失效前均出现局部应力集中现象，实际结构加工过程中的缺陷、尺寸偏差、结构本身特点等因素均会诱发应力集中，从而导致结构受力过程中出现偏压和失稳，因此，如何对吸能结构进行改进，既能容许一定的加工缺陷，又有足够的承载能力和容许变形量成为吸能结构创新的关键问题。表2 5mm吸能让压结构压缩结果对应点峰值后最对应点吸收的吸能比/编号形状质量/g峰值压力/位移/mm小压力/位移/mm能量/kJ(J g*)5-132.533.0729.4613.583.9824.74粗腰鼓形160.885-231.553.0928.8013.974.0024.865-331.9612.3128.0325.016.8646.79直管形146.615-432.9012.3528.0025.097.2049.115-530.0012.41/2.1715.54楔形槽形139.605-630.0013.58/2.4217.335-717.353.957.8020.812.8121.39长槽形131.405-816.884.117.0220.682.6820.40(a)粗腰鼓形(b)直管形(c)楔形槽(d)长槽形图2吸能让压结构应力2.3高吸能比结构优化基于以上考虑，在直管形吸能让压结构内部中间挖一环形V槽引导变形，如图3 所示，降低直管形吸能让压结构中部的峰值应力，使其变形稳定，带引导槽吸能让压结构应力数值模拟仿真结果如图4所示，V形槽吸能让压结构剖面尺寸如图5所示，V形槽为底和高均为1 mm的等腰三角形，优化后应力分布均匀，结构变形稳定，达到了设计目的。3力学试验验证数值模拟优化的结构壁厚5mm、5.5m m 及6 mmV形槽单轴压缩试验位移与压力曲线如图6 所示，其试验结果见表3。V形槽吸能让压结构压缩过程中可以分为两个阶段：第一阶段为弹性阶段，由于都是2 5无缝钢管，弹性模量相同，所以弹性阶段试验曲线基本一致；第二阶段为塑性阶段，由于V形槽吸能让压结构壁厚不同，所以试验差别主要在塑性阶段，壁厚越大，峰值压力越大。图3V形槽吸能图4V形槽吸能让压结构让压结构应力2434图5V形槽吸能让压结构剖面尺寸（mm）505-9 5-105.5-95.5-106-9 6-104030201000510152025压缩位移/mm图6不同壁厚V形槽吸能让压结构单轴压缩试验位移与压力曲线1062023年第8 期研究探讨煤炭工程表3V形槽吸能让压结构压缩试验结果壁厚质量峰值压力对应点峰值后最对应点吸收的吸能比/编号/mm/g位移/mm小压力/位移/mm能量/KJ(J g)5-930.9212.3727.2325.016.6645.9351455-1029.1911.9824.9125.006.2643.175.5-934.7014.1733.7125.007.5946.565.51635.5-1035.2314.7334.0825.017.7347.426-940.0123.64/8.1344.9261816-1040.0124.21/8.3446.08三种不同壁厚的V形槽吸能让压结构的峰值压力平均值分别为3 0 t、3 5t 和4 0 t，吸能让压结构壁厚每增加0.1 mm，吸能让压结构峰值压力增加1 t，压缩以后结构变形稳定，达到了预期的效果。同时，根据现场常用锚索规格，给出了不同壁厚的吸能让压结构建议匹配关系，具体见表4。表4吸能让压结构锚索匹配关系吸能让压结构吸能让压结构最优匹配壁厚/mm峰值压力/锚索型号/mm530017.8017.85.535021.6640021.84工程应用4.1工程概况为提高煤炭回收率，榆树泉煤矿1 0 1 4 工作面采用沿空留巷开采技术，由于顶板坚硬，煤层采高大，导致沿空巷道受到较大集中应力，巷道变形较大，常规锚杆、锚索延伸率低，经常出现由于巷道大变形破断失效的情况，为此，本次采用V形槽吸能让压结构以增加锚索延伸率。4.2支护方案1014工作面沿空巷道设计为梯形断面，掘进宽度5.08m，净宽为5.0 m，净中高不低于3.2 m，掘进断面为1 6.3 m，净断面为1 6.0 m。顶板采用螺纹钢锚杆、锚索、金属网支护，帮部采用玻璃钢锚杆、塑料网支护，顶锚杆间排距为1 0 0 0 mmx1000mm，顶锚索间排距2 0 0 0 mm2000mm，上下帮锚间排距1000mm1000mm，顶锚杆采用1 8 mm1800mm螺纹钢锚杆，顶锚索采用2 1.8 mm12000mm，帮锚杆采用1 6 mm1600mm树脂锚杆，在锚索尾部安装配套的6 mm规格V形槽吸能让压结构，增加其变形能力，1 0 1 4 工作面沿空巷道支护方式如图7 所示，V形槽吸能让压结构安装方式如图8 所示。L12008961000.10001000锚索0 2 1.8 x120008962001螺纹钢锚杆20000181800玻璃钢锚杆016x1600玻璃钢锚杆016x16005000图71014工作面沿空巷道支护方式（mm）V形槽吸能让压结构锁具托盘锚索图：V形槽吸能让压结构安装方式4.3巷道变形监测1014工作面沿空巷道采用“锚网+锚杆+锚索”联合支护后，对巷道进行了近2 个月位移监测，监测结果如图9所示，由监测结果可知，巷道顶底板和两帮位移变形量都在1 6 0 mm以内，巷道变形得到控制，锚索无破断失效现象。工业性试验表明，采用V形槽吸能让压结构后，有效增加了锚索变形107张宝优）（责任编辑2023年第8 期程研究探讨炭煤量，对大变形巷道稳定性控制起到了积极作用200一顶底板160u/两帮120804000102030405060时间/d图9巷道变形曲线5结论1）直管吸能结构单位重量吸收能量远高于粗腰鼓形、楔形槽及长槽结构，壁厚5mm时吸能效率分别提高4 8%、6 6%和56%，但直管吸能结构受压过程中容易发生局部应力集中，导致偏压诱发结构变形不均匀和结构失稳。2）内侧设有变形诱导V形槽的直管结构吸能效率为4 5.2 9kJ/g，相对于直管吸能让压结构吸能效率仅仅降低6%，受到V形槽的变形诱导作用，避免了局部应力集中导致的偏压问题，比直管吸能让压结构变形更加稳定。3）5m m、5.5m m、6 m m V 形槽吸能让压结构吸收能量平均值分别为6.4 6，7.6 6 及8.2 4 kJ，吸能比平均值分别为4 4.55，56.99，4 5.50 J/g，峰值压力平均值分别为3 0，3 5及4 0 t，峰值承载能力随壁厚线性增加。4）将V形槽吸能让压结构成功应用于大变形沿空巷道，有效增加了锚索极限变形量，降低了由于巷道大变形导致锚索失效的风险，维护了巷道稳定。参考文献：1孟波软岩巷道破裂围岩锚固体承载特性及工程应用研究D徐州：中国矿业大学，2 0 1 3.2许鹏飞2 0 0 0 2 0 2 1 年我国煤矿事故特征及发生规律研究J煤炭工程，2 0 2 2，54(7)：1 2 9-1 3 3.3文虎，田晴，赵向涛，等煤层火灾监测与治理研究现状及发展趋势J煤炭工程，2 0 2 1，53(9）：1 0 1-1 0 6.4张慧慧关于煤矿冒顶事故分析与防控措施研究【J矿业装备，2 0 2 0(6)：1 1 2-1 1 3.5何满潮，李晨，宫伟力，等NPR锚杆/索支护原理及大变形控制技术 J岩石力学与工程学报，2 0 1 6，3 5（8）：1513-1529.6杨喻声。一种大尺度让压锚杆特性分析及其应用研究【J.隧道建设，2 0 1 7，3 7(3）：3 2 1-3 2 9.7许兴亮，王东杰，孙大增，等。一种挤压摩擦式恒阻让压大变形锚杆：中国，ZL201710556137.9P.2017-09-29.8吴顺川，高永涛，白哲一种锥阻式摩擦套筒大变形锚杆：中国，ZL201110061303.0P.2012-05-23.9吴顺川，高永涛，白哲一种摩擦套筒式大变形锚杆：中国，ZL201110061360.9P.2011-08-24.10沈攀，陈新年，熊咸玉煤矿新型让压锚杆研究及应用J.煤矿机械，2 0 2 0，4 1(1：1 3 0-1 3 2.11连传杰，徐卫亚，王志华一种新型让压管锚杆的变形特性及其支护作用机理分析J防灾减灾工程学报，2 0 0 8，2 8(2):242-247.12刘俊超抗大变形增阻锚杆的数值模拟研究D焦作：河南理工大学，2 0 1 2.13杜新国，郭锁山，姜立强，等一种防拉断大变形锚杆：中国，ZL201720858388.8P.2018-01-16.14高美奔，吴钟腾，张航，等。一种可适应围岩变形的锚杆：中国，ZL201810134464.XP.2018-07-31.15何满潮，李晨，宫伟力，等NPR锚杆/索支护原理及大变形控制技术J岩石力学与工程学报，2 0 1 6，3 5（8）：1513-1529.16鞠文君，杨鸿智，付玉凯，等煤矿冲击地压巷道支护技术发展与展望J煤炭工程，2 0 2 2，54(1 1）：1-6.17刘天啸，闫帅，韩力高应力大变形巷道卸压让压联合控制技术J。煤炭科学技术，2 0 2 0，4 8（S2）：2 6 9-2 7 6.18张艳丽，解盘石，伍永平急倾斜煤层重复采动回采巷道变形破坏机理与支护技术研究J煤炭工程，2 0 2 0，52(2):91-95.19王新民预掘通道切顶卸压安全快速回撤技术及应用【J.煤炭工程，2 0 2 0，52(6)：96-1 0 1.20吴福宝，王梓芃，夏才初，等让压锚杆让压管长度的解析设计方法J隧道建设，2 0 1 9，3 9（1）：1 1 9-1 2 4.