冲击载荷下加锚岩体抗剪力学特性

山世昌，吴拥政,4，付玉凯,4，周鹏赫

( 1. 煤炭科学研究总院，北京 100013；2. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3. 中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；4. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013 )

关键字：冲击载荷；巷道支护；加锚岩体；剪切破坏；落锤试验

冲击地压对我国的煤矿安全生产威胁巨大。近年来，由冲击地压引发的事故给我国造成重大的经济损失和人员伤亡[1-3]。据统计数据显示，在全部冲击地压事故中，发生在回采巷道内的占80%以上，因此能否对回采巷道内冲击地压进行有效地防控和治理，决定着巷道内部围岩是否能够保持长期稳定，且保障煤矿生产的顺利进行[4-5]。

冲击地压矿井中，巷道支护形式主要有锚网索、U型钢、棚-索协同等[6]。锚杆支护因其价格合理，操作施工便捷，且能达到良好的支护效果，在冲击地压巷道支护中应用十分广泛[7-9]。国内外专家学者针对加锚岩体的力学性能进行了一系列的深入研究，得到大量锚杆支护方面的相关研究成果，吴拥政[10]等对加锚岩体开展了侧向冲击试验，发现裂缝主要分为剪切裂缝和受弯裂缝，且锚杆的强度和韧性对岩体的抗冲击性能有显著影响；LI L[11]等设计双剪切试验，进行了不同锚杆直径、安装角和冲击能量下的加锚岩体双剪切测试，得出局部剪切力是导致锚杆变形的主要原因，且峰值静剪切荷载要大于动剪切荷载；余伟健[12]等通过试验手段探究了煤-岩-锚组合锚固体的力学破坏特性，指出锚杆可提高锚固范围内煤岩体的抗破坏性，垂直于锚杆面的区域和锚杆上下部位的次应力叠加区更容易发生破坏；李 壮[13]等通过分离式霍普金森压杆试验研究了不同预紧力作用下锚固体的冲击破坏响应，分析得出锚杆预紧力可以改变锚固体的受力变形特征，提高预紧力可以提高锚固体的刚度以及抗冲击能力，高预紧力有提供附加压应力场和形成“轴压紧固”效应两方面的积极作用。

我国冲击地压灾害日益加剧，危害程度及范围越来越大[14-15]，上述研究成果有助于分析并揭示锚杆支护结构在冲击地压事故中的作用机理及破坏规律，但仍存在一些不足之处。如余伟健[12]等未开展冲击动载试验，且未考虑锚杆材质对锚固体力学特性的影响；李壮[13]等仅研究了锚固体中类岩石材料的冲击破坏响应，未针对其中的锚杆进行冲击破坏分析。冲击地压属于强动载作用，国内外专家学者[16-18]虽针对加锚岩体力学特性方面开展了大量研究，但多数研究集中在静载方面，而对加锚岩体动态力学特性的研究偏少。实际巷道围岩受到冲击载荷作用后，大量锚杆会在岩层交界面附近发生剪切破断失效[19-21]，针对不同锚杆材质、冲击能量以及预紧扭矩对加锚岩体抗剪力学特性影响的研究则更少。因此，为了揭示冲击载荷下加锚岩体抗剪力学特性，本文利用自由落锤冲击试验装置对不同锚杆材质和不同预紧力的加锚岩体开展不同冲击载荷下的侧向冲击试验，研究不同预紧力和冲击载荷下加锚岩体动态抗剪特性，以此指导冲击地压巷道中锚杆剪切破坏的分析及治理，以及揭示加锚岩体的抗冲击力学特性。

1 冲击地压巷道锚杆剪切破坏分析

井下岩石由于受长期地应力和频繁采掘扰动，甚至冲击强动载影响，会发生局部或大面积的运移，各岩层受其影响会发生速度不同、位移不同的移 动[22-24]。这种岩层错位移动会导致岩层交界面附近的锚杆受到垂直于锚杆轴向的剪切力、沿锚杆轴向的拉力以及使锚杆发生弯曲扭转的弯矩作用。在这种组合力及力矩的作用下，锚杆在岩层交界面附近发生弯曲变形甚至破断，并且沿轴向发生拉伸效应( 图1 )。

图1 井下锚杆受力分析 Fig. 1 Stress analysis of underground bolt

通过观察井下实际锚杆破坏情况可以发现，失效的锚杆多是在岩层间隙因岩层的错位运移而发生弯曲变形，而单一轴向上的拉伸破坏极少，这与上文分析一致。换言之，实际井下锚杆破坏以岩石的剪切破坏为主。鉴于此，开展冲击载荷下加锚岩体抗剪力学特性试验研究十分必要，可为冲击地压治理及防冲锚杆研发提供相关参考。

2 试验简介

2.1 试样制作

此次加锚岩体试样是由混凝土块和锚杆组合而成，其中混凝土块用来模拟矿井内部岩层。混凝土块是由配制好的水泥砂浆浇筑在模具中制成，水泥砂浆中的水泥采用P52.5，水泥、沙子和水的比例 设为1∶2∶0.5，养护天数达到28 d，制成的混凝土块尺寸为150 mm×150 mm×300 mm。混凝土块制作时，在长度方向上预留直径16 mm的钻孔，钻孔位于块体侧面中间位置，以备锚杆安装。

试验选用普通热轧左旋无纵肋螺纹钢HRB500锚杆和高冲击韧性CRM700锚杆，锚杆长度设为1 100 mm，两端各留100 mm，加工成螺纹，螺纹段直径为15.6 mm，剩余中间直径为13 mm。

2.2 试验设备

试验机采用太原理工大学的DHR9401落锤式冲击试验机，试验机由梁体、电控吊机、脱钩器、锤体、锤头和安全装置等组成。冲击力传感器安装在锤体和锤头之间。机器高度约13 m，其中有效冲击高度可达12 m，锤头质量为261.08 kg。

试验利用信号放大器和Tektron DPO2014型数字示波器对冲击力传感器采集到的信号进行放大、处理和储存；采用NAC公司的GX3型高速摄像机记录整个冲击过程。

2.3 试验过程

试验时首先将3块混凝土块并排放置( 用于模拟实际煤矿井下的不同岩层 )，把加工好的锚杆沿预留的钻孔装入混凝土块中，保证锚杆两端螺纹段暴露在外。再将3组钢外壳分别固定在3块混凝土块上，同时套上由螺杆和钢板组成的固定装置。之后将试样抬起并放置在底座上，下降锤头并适当调整试样位置，使锤头对准试样中心，调整完成后，安装托盘、螺母等，使用扭矩扳手对锚杆施加预紧扭矩。然后将各传感器线路接入采集系统，通过示波器检查各传感器采集数据是否正常。同时架设高速摄像机及强光灯，使其处于最佳位置。最后确认无误后将落锤升至试验所需高度，然后拉动落锤下落开关，落锤下落撞击下方试验试样。冲击试验结构如图2所示，试验编号及参数设置见表1。

表1 试验编号及参数设置 Table 1 Test number and parameter setting

图2 冲击试验结构 Fig. 2 Impact test structure

2.4 混凝土和锚杆静载力学性能

( 1 ) 混凝土静载力学性能

为保证在设定的混凝土配比下其强度参数满足试验的相关要求，在相同条件下制作3个边长为150 mm的混凝土立方体块，采用压力试验机对其进行单轴压缩试验。试验发现其强度范围为62～70 MPa，且力学曲线差别不大，符合试验要求。

( 2 ) 锚杆静载力学性能

试验前为充分了解试验所用锚杆的力学性能，并确保同类型的各根锚杆力学性能具有良好的一致性，利用材料试验机分别对试验所用的HRB500和CRM700两种锚杆试样进行静载力学性能测试，测 试结果见表2。

表2 锚杆力学性能测试结果 Table 2 Test results of mechanical properties of bolt

由表2数据对比可知，同类型锚杆的各项测试力学性能差别不大，具有良好的一致性，可以用于试验。同时可知，CRM700型锚杆的抗拉强度、塑性延伸强度均大于HRB500型锚杆，而断后伸长率则小于HRB500型锚杆。

3 试验结果与分析

3.1 加锚岩体受力及运动过程分析

加锚岩体受力分析如图3所示，落锤冲击力和自身重力合计为Fc(t)，其作用于中部混凝土块，中部混凝土块重力为mg，加锚岩体左右交界面处的摩擦 力Ff(t)＝Fm(t)＋μFz(t)，其中，Fm(t)为锚杆产生的抗剪力；μ为相邻混凝土块间的摩擦因数；Fz(t)为锚杆轴 力( 其值等于相邻混凝土块间的相互作用力 )。锚杆产生的抗剪力作用于锚杆自身和混凝土块，锚杆轴力沿锚杆轴向作用于锚杆内部，底座支反力Fn(t)作用于两侧混凝土块。

图3 加锚岩体受力分析 Fig. 3 Stress analysis of anchored rock mass

以中部混凝土块为研究对象，中部混凝土块受Fc(t)和mg的共同作用发生下沉错动，两侧混凝土块受底座支反力Fn(t)的作用保持不动。加锚岩体左右交界面处产生竖直向上的摩擦力Ff(t)，来阻碍中部 混凝土块的下沉错动。

设t＝0时，锤头开始冲击加锚岩体，此时加锚岩体的中部混凝土块下沉位移u＝0，下沉速度v＝du/ dt＝v0。以中部混凝土块为研究对象，根据牛顿第二定律可推知其运动方程为

加锚岩体冲击过程可分为落锤释放、锤岩下移和分离回弹等3个阶段。落锤释放后速度在重力的作用下持续增加，当与加锚岩体试样接触后，落锤会受到来自试样的反作用力，此时落锤的速度开始减小，同时试样中部混凝土块也获得一定的加速度，和落锤均向下运动( 期间落锤与试样发生分离并再接触 )；随着中部混凝土块不断下沉，能量不断消耗，其速度也不断变小，当速度减小为0时，其下沉量达到最大值；此后，中部混凝土块和落锤发生分离并一起向上运动一小段距离( 落锤位移大于混凝土块位移 )，最终中部混凝土块下沉量达到稳定值，加锚岩 体冲击破坏过程结束。通过高速摄像机捕捉的整个冲击过程如图4所示。

图4 冲击过程 Fig. 4 Impact process

3.2 加锚岩体破坏形态分析

( 1 ) 混凝土块表面破坏形态分析

加锚岩体中部混凝土块受冲击力直接作用发生下沉错动且破坏程度较深，不同材质锚杆组成的加锚岩体裂缝模式和破坏形态基本相同。以W5- 10-8试样为例，加锚岩体4个外表面破坏形态如图5所示，试样顶面和底面裂缝模式均为以中部混凝土块为中心，大致沿锚杆轴向向两侧混凝土块发育延伸的剪切裂缝和伴随竖向裂缝；试样( 中部混凝土块 )前面和背面均为腹剪斜裂缝和竖向裂缝。加锚岩体顶面受到锤头和内部锚杆的动态夹击剪切作用，底面受到锚杆下移剪切作用，且由于伴随分支裂缝沿竖向发育所需能量最少，所以顶底面出现大致沿锚杆轴向延伸的剪切裂缝和伴随竖向裂缝。由于中部混凝土块承受落锤的直接强冲击作用，其腹部拉应变达到极限值时，中部混凝土块便沿主压应力线开裂形成腹剪斜裂缝，其底部在弯矩的作用下也形成竖向裂缝。

图5 加锚岩体各表面破坏形态 Fig. 5 Failure modes of each surface of anchored rock mass

加锚岩体中部混凝土块顶面由于受落锤的直接冲击作用，其破坏程度相对较高。通过对不同冲击能量、预紧扭矩和锚杆材质下的加锚岩体中部混凝土块顶面破坏程度进行对比( 图6 )，可以发现，在一定范围内，中部混凝土块顶面破坏程度随冲击能量的增大而增大，随预紧扭矩的增大而减小。在施加相同冲击能量和预紧扭矩的情况下，CRM700型加锚岩体中部混凝土块顶面破坏程度明显小于HRB500型，由此说明CRM700型锚杆能够显著提高加锚岩体表面抗冲击性能。

图6 中部混凝土块顶面破坏形态对比 Fig. 6 Comparison group of failure modes of the top surface of the middle concrete block

( 2 ) 加锚岩体交界面破坏形态

加锚岩体中存在左右2个混凝土块交界面，这2个交界面是发生锚杆剪切破坏和混凝土块破裂的重要位置。因对称设计，以右交界面( 中部混凝土块右侧面 )为例进行分析。由图7可知，受锚杆弯曲变形影响，混凝土块侧面钻孔已经发生扩大、变形，裂缝以钻孔为中心向四周呈放射状分布，且上半部分裂缝数量明显多于下半部分，裂缝宽度多在10 mm以内。

不同冲击能量、预紧力以及锚杆材质下右交界面破坏情况对比如图7所示，可知，右交界面裂缝数目和宽度、钻孔扩孔大小均随冲击能量的增大而增大，随预紧扭矩的增大而减小；在施加相同冲击能量和预紧扭矩的情况下，CRM700型加锚岩体右交界 面破坏程度明显小于HRB500型加锚岩体，由此说明CRM700型锚杆能够显著提高加锚岩体的抗冲击性能。

图7 右交界面破坏形态对比 Fig. 7 Comparison group of failure modes of right interface

3.3 锚杆弯曲破坏分析

试验冲击过程中，中部混凝土块相对于两侧混凝土块发生下沉错动，锚杆在加锚岩体的两个交界面处受到动态垂直剪切力、轴向拉力以及弯矩，从而出现弯曲变形、径缩甚至破断( 图8 )。因此可利用锚杆左右弯曲段平均弯曲高度这一物理量来描述锚杆变形破坏情况，锚杆平均弯曲高度计算取值如图9所示，锚杆弯曲变形高度具体数据见表3。

图8 锚杆不同破坏状态 Fig. 8 Different failure states of bolt

图9 锚杆平均弯曲高度计算取值 Fig. 9 Schematic diagram of calculation value of average bending height of bolt

表3 锚杆弯曲变形高度 Table 3 Bending deformation height of bolt

分析表3数据可知：① 对比W5-10-4，W5-10-6和W5-10-8可知：对于同一种锚杆，在相同预紧扭矩作用下，锚杆弯曲高度随冲击能量的增大而增大，即在一定范围内，冲击能量越大，锚杆弯曲变形越大；② 对比W7-20-8，W7-25-8，W7-30-8和W7-35-8可知：对于同一种锚杆，受到相同冲击能量时，在未发生破断的前提下，锚杆弯曲高度随预紧扭矩的增大而减小，即在一定范围内，预紧扭矩越大，锚杆抗冲击变形能力越强；③ 将W5-10-4和W7-10-4，W5- 10-6和W7-10-6，W5-10-8和W7-10-8进行对比可知，锚杆未发生破断的情况下，施加相同的冲击能量和预紧扭矩时，HRB500型锚杆的弯曲高度始终大于CRM700型锚杆，即CRM700型锚杆抗冲击变形能力要优于HRB500型锚杆；④ W5-20-8和W5-25-8锚 杆均出现断裂，而W7-20-8和W7-25-8锚杆均未出现断裂，由此可知，CRM700型锚杆抗冲击破断能 力优于HRB500型锚杆，遭受冲击时更不易发生破断。

3.4 冲击力-时程曲线分析

不同锚杆材质和冲击能量下加锚岩体冲击力-时程曲线如图10所示( 已通过低频滤波器去噪 )。

分析图10中的冲击力-时程曲线可知：

图10 不同锚杆材质和冲击能量下加锚岩体冲击力-时程曲线 Fig. 10 Time history curve of impact force of anchored rock mass under different bolt materials and impact energy

( 1 ) 根据冲击力-时程曲线可以将整个冲击过程划分为：强冲击阶段、震荡阶段和衰减阶段。① 强冲击阶段：落锤刚接触试样瞬间，冲击力迅速达到极高峰值，然后又迅速衰减，仅1 ms左右；② 震荡阶段：试样在经历了前期强冲击后，开始进入冲击震荡阶段，此阶段冲击力在一定的范围内波动，冲击力不大但持续时间较长，达10 ms左右；③ 衰减阶段：冲击力在经历了一段时间的震荡后，迅速衰减，直至衰减为0。

( 2 ) 锚杆材质和冲击能量的大小对强冲击阶段的冲击力峰值无显著影响，原因为强冲击阶段的冲击力峰值大小主要由落锤锤头与试样接触面的刚度决定，冲击力峰值随接触面刚度的增大而增大[10]。

( 3 ) 震荡阶段主要由4个波峰组成，峰值不足强冲击阶段峰值的1/3，此阶段主要发生混凝土块的破裂失效和锚杆的弯曲变形。由于冲击过程中锚杆的塑性弯曲变形具有持续性，从而导致整个冲击时间延长，加锚岩体整体的抗冲击性也由此提高。

4 结 论

( 1 ) 加锚岩体冲击过程可分为落锤释放、锤岩下移和分离回弹等3个阶段。试样顶面和底面裂缝模式均为轴向剪切裂缝和伴随竖向裂缝；试样前面和背面均为腹剪斜裂缝和竖向裂缝。在一定范围内，中部混凝土块顶面破坏程度随冲击能量的增大而增大，随预紧扭矩的增大而减小。交界面裂缝以钻孔为中心向四周呈放射状分布，且上半部分裂缝数量明显多于下半部分，裂缝宽度多在10 mm以内。交界面裂缝数目和宽度、钻孔扩孔大小均随冲击能量的增大而增大，随预紧扭矩的增大而减小。CRM700型锚杆能够显著提高加锚岩体的抗冲击性能。

( 2 ) 加锚岩体中的锚杆由于受到动态垂直剪切力、轴向拉力以及弯矩作用，会出现弯曲、径缩和断裂等3种破坏状态。在一定范围内，冲击能量越大，锚杆弯曲变形越大；在一定范围内，预紧扭矩越大，锚杆抗冲击变形能力越强；CRM700型锚杆抗冲击变形和抗冲击破断能力均优于HRB500型锚杆。

( 3 ) 根据冲击力-时程曲线可将冲击作用过程分为强冲击阶段、震荡阶段和衰减阶段。强冲击阶段时间较短，仅1 ms左右，主要为锤头与试样发生接触；而震荡阶段持续时间达10 ms左右，主要由4个小波峰组成，峰值不足强冲击阶段峰值的1/3，此阶段主 要发生混凝土块的破裂失效和锚杆的弯曲变形。冲击过程中锚杆的持续塑性弯曲变形导致整个冲击时间延长，加锚岩体的抗冲击性也由此提高。