巷道锚杆（索）支护新型让压减震装置试验研究

陈新年 李永强 樊佳伟，2 王云青

（1.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安710054；2.陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西西安710000）

在巷道支护中，锚杆（索）支护是应用最广泛也是最有效的一种支护技术［1］。在大断面松软巷道支护中，由于围岩自身节理裂隙相对发育、强度较低、稳定性较差，导致巷道围岩变形严重，巷道支护问题就成为影响矿山安全生产的主要因素之一［2-5］。由于巷道地质条件复杂多变，在各类荷载作用下，巷道锚杆（索）经常发生断裂破坏，失去支护作用，其主要原因是锚杆（索）支护体与围岩结构体没有形成协调的受力—变形机制［6-9］。

巷道锚杆（索）支护的本质是围岩和支护结构共同作用，二者在受力—变形方面是一个有机整体，即在允许围岩产生一定变形而不破坏的基础上，使得支护结构的受力状态在设计许可的安全范围内，这就是二者有效控制围岩稳定性的耦合效应，也即所谓的耦合支护理论。依据该理论，学者们设计了多种形式的具有让压效果的锚杆（索）支护体，使其能够适应一定的围岩变形，从而保证巷道安全［10-14］。王炯等［15］根据现场工程地质条件，结合耦合支护理念，提出了复合托盘让压支护技术理论，通过端头让压装置的变形来达到让压的目的，大幅提高了巷道稳定性；孙均等［16］研究了一种新型大尺度让压锚杆，通过锚杆杆体产生一定的变形来达到适应围岩变形的目的，并介绍了让压锚具的受力机制及构造；刘力民等［17］根据工程实际，采用理论分析和数值模拟相结合的方法得出工作面的受力状态，提出了高强预应力杆体让压锚杆（索）非对称平衡支护方法，从而使巷道应力重新达到平衡；Charlie 等［18］研究了一种D型锚杆，该锚杆是一种新型的吸能型岩石锚杆，沿杆的长度方向每隔1 m 设置一个螺栓，使锚杆具有了多锚的布局，根据杆体位移随冲击能量线性增加的特性，分析得到了冲击能量与锚杆位移关系的理论解。综上所述，让压减震锚杆（索）主要有端头和杆体两种让压形式，它们通过让压装置或杆体的变形吸收巷道围岩变形释放的大部分能量，即允许围岩产生一定的变形，而锚杆（索）支护体仍处于安全稳定的工作状态，这对于控制围岩变形具有良好的作用［19］。

陈新年等［20］采用端头让压形式提出了一种新型让压减震装置，并对其结构特点、变形特性进行了试验分析，对支护参数选取具有较好的指导意义。本研究在此基础上进行改进，采用试验研究方法，对其让压性、减震性能进行系统地分析，为巷道围岩稳定性控制和支护方式选取提供可靠依据。

1 让压减震装置结构

新型让压减震装置外部采用无缝钢管作为约束环，内部采用热固性聚氨酯弹性PU 材料，该材料具有高弹性、耐高压和吸震性强的优异性能，垫片采用锚杆专用冲压垫片。新型让压减震装置如图1所示。新型让压减震装置安装情况如图2 所示。本次试验通过改变约束环高度来控制让压距离，改变约束环的壁厚来控制让压点的大小；通过其内部的弹性材料来达到减震性能。

2 让压特性试验研究

让压支护的关键技术在于让压点、让压距离的确定。在实际工程中，应根据工程需要、支护体的受力状态、让压装置的适用范围等，合理确定让压点、让压距离。本研究试验的目的是确定不同类型让压装置的让压点、让压距离，从而根据工程实际需要来合理选择让压装置，实现围岩稳定性的有效控制。

2.1 试验方案

首先分别对不同高度和不同壁厚的让压减震装置的单体进行加载试验，对其让压特性进行研究。试验分组如表1，单体加载试验如图3所示。

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其次为了接近工程实际，真实反映锚杆的受力情况及让压装置的变化情况，设计了长度为2.2 m 的结构模型进行试验，模拟锚杆与围岩的共同作用，测定让压过程中锚杆杆体的受力—变形规律。模拟围岩采用直径200 mm、C40 的混凝土，选用HPB400 矿用高强锚杆，预留孔洞直径30 mm。让压模拟试验过程中，严格遵循设计的加载方式进行逐级加载。

结构模型加载试验如图4 所示。锚固端用高强钢片和高强螺母固定，同时在锚杆上间断布置应变片测量锚杆应变，图中1#、2#、3#、4#、5#点均为应变片贴放位置。

试验所用的主要仪器设备有RFP-03 型智能测力仪、百分表、DH3818-1 静态电阻应变仪、ZY 型锚杆拉力计等。

2.2 让压特性试验结果及分析

2.2.1 单体试验结果及分析

各组装置的荷载—位移曲线如图5所示。

由图5分析可知：

（1）相同高度下，约束环壁厚决定了装置的让压点，约束环壁厚越大，让压点越大。壁厚3.0 mm、3.5 mm、4 mm、4.5 mm 对应的让压点分别为60 kN、73 kN、113 kN、180 kN。

（2）相同壁厚下，装置的让压点相同，高度越高让压距离越大。35 mm、40 mm 高度下的让压距离分别为为15 mm、20 mm左右。

综合分析各组装置的荷载—位移曲线规律，可知荷载在达到让压点之前属于弹性让压阶段，达到让压点之后到达到最大让压距离为弹塑性阶段，最大让压距离之后为破坏阶段［21］。本研究主要对弹性阶段和弹塑性阶段的让压试验数据进行线性拟合分析。

弹性让压阶段的荷载—位移曲线呈线性关系，本研究选取拟合度（94%）最高的公式，可得：

式中，Δ 为让压距离，mm；P 为施加荷载值，kN；P0为预压荷载值，kN；L 为线弹性系数，各组线弹性系数L取值如表2所示。

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弹—塑性让压阶段在经过多次拟合后，选取拟合度（95.6%）最高的公式，可得：

式中，ΔB为装置开始产生弹塑性变形时的让压变形量，mm；PB为新型装置的让压点，kN；La弹塑性系数；ζ 为修正系数，

式中，b为约束环壁厚，mm。

式（2）中，弹塑性系数La可进行如下计算：

式中，Δmax为新型装置的最大让压距离，mm。

Δmax与ΔB取值主要根据装置高度确定，当装置高度分别为35 mm、40 mm时，最大让压距离Δmax可近似取15 mm、20 mm，ΔB可近似取2.56 mm、2.88 mm。根据这8 组试验分析，可得弹塑性系数La取值如表3所示。

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上述分析可知：让压点和让压距离的确定应根据新型让压减震装置高度和约束环壁厚分别取值计算。可以根据工程需要合理选择装置高度和壁厚，以达到围岩和锚杆（索）支护体协调变形，确保巷道安全。

2.2.2 结构模型试验结果及分析

结构模型锚杆（索）的荷载—应变曲线如图6 所示。该曲线主要分两个阶段：

（1）弹性让压阶段。该阶段让压装置变形很小，围岩的作用力主要集中在锚杆（索）上，其受力随荷载的增加而增加。装置高度相同时，壁厚越大，让压点越大，锚杆应变也越大；壁厚相同时，装置高度越高，锚杆应变越小。

（2）弹塑性让压阶段。进入让压点之后，围岩的变形主要由让压装置来承担，锚杆杆体上的应力相对较小，并工作在安全范围内，避免了锚杆因受力过大而发生破断，这更加佐证了让压减震装置对锚杆的保护作用。

3 减震特性试验研究

3.1 试验方案

由于放炮、矿震、施工扰动、采空区关键层断裂等采动因素发生在支护的整个过程中，锚杆（索）支护体的受力状态与冲击荷载的冲击时间点、冲击能量等有关。为了有效模拟震动，选择了不同类型的新型让压减震装置结构模型进行减震试验对比研究。分别在荷载达到装置让压点的40%、60%和80%时进行侧向冲击试验，动力荷载采用质量为20 kg 的吊锤使其自由落体进行冲击震动［21］，冲击高度分别取0.6 m、1.2 m 和1.8 m，三级冲击能量为117.6 J、235.2 J和352.8 J。

3.2 减震特性试验结果及分析

不同冲击高度下新型让压装置的位移曲线如图7 所示，从整体来看，在新型让压减震装置受到外部冲击荷载作用时，产生了明显的压缩和回弹，弹性变形量达到4～6 mm。进一步分析图7可知：

（1）在装置高度和壁厚相同的情况下，荷载从让压点的40%增加至80%时，它对冲击荷载的缓冲作用逐渐减弱，对冲击能的吸收逐渐减小。

（2）当装置高度、加载荷载（40%、60%、80%让压点）和冲击荷载相同时，随着壁厚增加，装置的减震性能有所减小，其吸收的冲击能量也有略微下降。

（3）当冲击荷载、壁厚和加载荷载相同时，装置高度越高，其缓冲性能越强，吸收的冲击能量则越大。

4 结 论

（1）通过对新型让压减震装置进行单体和结构模型的试验研究，分析了减震装置的让压特性变化规律。研究表明：①装置壁厚相同时，其让压点相同，高度越大，让压距离越大，当高度从35 mm增加到40 mm 时，让压距离从15 mm 增加到20 mm；②装置高度相同时，其壁厚决定让压点的大小，壁厚越大，让压点越大，约束环壁厚分别为3.0 mm、3.5 mm、4 mm、4.5 mm 时，对应的让压点分别为60 kN、73 kN、113 kN、180 kN。根据试验数据，进一步拟合出了不同阶段的关系式，建立了让压装置尺寸与让压点、让压距离之间的关系。

（2）对结构模型进行三级冲击荷载的试验研究显示，新型让压减震装置具有明显的弹性压缩变形，变形量可达4～6 mm，说明该装置具有较强的减震效果。随着高度增加，其减震性能明显增大；随着壁厚增加，装置的减震性能有所减小。

（3）新型让压减震装置具有高弹性、高强性、稳定让压、高适应性等特点，因而可以根据不同的现场支护条件选取不同尺寸的新型让压减震装置对巷道进行支护。