马道头矿玻璃钢锚杆煤帮支护分析★

李国宸，高 峰

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037054；2.山西大同大学建筑与测绘学院，山西 大同 037054）

引言

目前在煤层巷道支护中，普遍采用金属锚杆加固煤帮，但是，传统的金属锚杆存在诸多弊端。一是在采煤机割煤时易产生火花，从而引发煤尘、瓦斯爆炸等事故。二是在采煤过程中对人员及运输带等设备会造成一定的损伤[1]。鉴于以上问题，可切割、轻质高强、耐化学腐蚀、表面性能良好的玻璃钢锚杆应运而生，并在我国神东矿区、阳曲矿区以及大同矿区等矿区得到有效应用[2]。

马道头矿3～5号层北四盘区8403工作面中煤帮支护采用了玻璃钢锚杆。本文基于马道头矿玻璃钢锚杆煤帮支护的项目，对比测试了玻璃钢锚杆的力学性能和支护效果，为马道头矿玻璃钢锚杆煤帮支护提供理论依靠，也为推广玻璃钢锚杆奠定基础。

1 玻璃钢锚杆抗拉试验

1.1 试验目的

通过在实验室的拉伸实验，研究玻璃钢锚杆的极限破坏荷载（极限抗拉强度）、应力应变曲线、延伸率等力学性能，研究分析玻璃钢锚杆的破坏机理和破坏规律[3]。

1.2 实验材料与设备

1.2.1 实验材料

采用Φ16 mm、Φ20 mm、Φ27 mm的玻璃钢锚杆，长度为500 mm，两端夹持部分为100 mm，中间实验部分为300 mm。采用直径为Φ16 mm、Φ20 mm、Φ27 mm的螺纹钢锚杆，长度为500 mm。

1.2.2 实验主要设备

本次锚杆试验的主要设备如下：

1）中海建工程质量检测有限公司生产的WE-300B电液式万能试验机，如图1所示。

图1 WE-300B电液式万能试验机

2）中海建工程质量检测有限公司生产的WEW-600B微机控制电液伺服万能试验机，如图2所示。

图2 WEW-600B微机控制电液伺服万能试验机

3）山西诚达工程质量检测有限公司生产的CXWSC-300拉伸应力松弛试验机。

1.3 实验过程

第一次试验时，在玻璃钢锚杆未被破坏的情况下，夹持部分已经被试验机夹片破坏，导致了实验失败。如下页图3所示。

图3 玻璃钢锚杆夹持部分破坏

之后更换了两端带有钢套管杆体的金属套管式锚尾的玻璃钢锚杆[4]，用一段或几段带有锥度的金属套管锚尾推入玻璃钢锚杆，使金属外壳和玻璃钢锚杆之间建立紧密连接[5]。玻璃钢锚杆整体长度为500 mm，两端的钢套管长度为100 mm，中间实验部分长度为300 mm。如图4所示。

图4 带钢套管的玻璃钢锚杆

在制作拉伸试件时，对试件正中间部位进行打磨，这是为了防止两端钢套管与设备夹片之间打滑，玻璃钢锚杆得不到充分的夹持，导致实验失败[6]。考虑到标距仪的强大冲击力可能会破坏玻璃钢锚杆的内部结构，导致实验数据的不准确，用笔在杆体上每隔100 mm划线标记。实验完成后，再次重新测量玻璃钢锚杆每段的拉伸量，得到玻璃钢锚杆的延伸率。

2 实验结果分析

2.1 实验结果

实验最终结果因试验材料不同分为两种不同的情况：螺纹钢锚杆在持续加压中，突然从中间断裂，形成“脆性”断裂。玻璃钢锚杆在持续加压中，杆体突然发生破坏，其形式为尾部螺纹破坏，发生“脱芯”现象。如图5所示。

图5 玻璃钢锚杆破坏的“脱芯”现象

将实验数据进行汇总，如表1所示。

从表1可以看出，在锚杆材料相同的情况下，锚杆的极限锚固力和锚杆的直径有一定的关系，锚杆的直径越大，极限锚固力越高。在相同的直径下，玻璃钢锚杆的锚固力要优于螺纹钢锚杆，进一步说明了玻璃钢锚杆在未来的发展中具有更好的经济性和更好的实用性。

表1 锚杆拉拔试验数据汇总表

根据公式（1）可算出锚杆延伸率：

式中：Lu为断后标距；L0为原始标距；A为锚杆延伸率。

玻璃钢锚杆的延伸率比螺纹钢锚杆的延伸率低约1.5%。

2.2 加载过程分析

试件在加载过程中，开始阶段会听到试件损伤发出微小的持续的脆响，当加载到极限荷载的60%～70%时，可听到纤维剥离树脂和部分纤维丝断裂的声音。随着荷载的施加，响声随之增大而渐密，最后突然发出很大的断裂声，试件陡然被破坏。在此过程中，玻璃钢锚杆的应变随着应力的增大而线性增长，伴随着杆体发出“噼啪”的声音，能明显看到杆体中间部分发黑，是由于杆端内部结构断裂产生热量灼烧外部套层。取出试件后观察发现：杆体表面有白斑状裂纹，有一明显破坏区域，整个试件在较大范围内发生片状撕裂，且有小部分的纤维丝未发生断裂，失去其承载能力。多次实验表明：玻璃钢锚杆破坏主要表现为两种形式：一是断口处玻璃丝全部被拉断的“剪断型”断口，二是断口处玻璃丝大部分被拉断，虽仍有部分未断纤维，但强度已经较低，并且杆体伴随劈裂现象。

2.3 抗拉拔力与延伸率

玻璃钢锚杆的工作状态可分为急增阻、恒阻和降阻3个工作阶段。

1）急增阻工作阶段。在变形很小时，抗拉拔力上升很快，达到其极限抗拉拔峰值后，锚杆杆体将产生一个较大的延伸量，使锚杆中积聚的能量释放。

2）恒阻工作阶段。锚杆的抗拉拔力基本在35～50 kN之间变化，主要特征是锚杆抗拉拔力达到一定值（该值小于极限抗拉拔峰值）后，锚杆即产生一定的延伸量。其实质是锚杆在拉伸应力的作用下，锚杆内部积聚的弹性能发生积聚—释放—再积聚—再释放，并多次反复。能量积聚时抗拉拔力迅速升高，能量释放时锚杆出现延伸。

3）降阻工作阶段。锚杆的抗拉拔力瞬间降低至零，锚杆完全破坏。

上述3个工作状态是由压痕式金属套管锚尾玻璃钢锚杆的特殊结构决定的。在金属套管锚尾与玻璃钢杆体未发生相对滑动之前，锚杆的抗拉拔力一直保持上升状态，直至达到峰值。一旦外部载荷超过该峰值，金属套管锚尾与玻璃钢杆体之间就会发生相对滑动，二者之间的固结强度遭到一定程度的损失[7]。玻璃钢锚杆的荷载—位移曲线如图6所示，在初期施加荷载时有一个明显的弹性变形过程，在经过一个直线的屈服阶段后，又出现了一个明显的塑性屈服阶段，最后试件破坏，卸载。

图6 玻璃钢锚杆荷载—位移关系曲线

3 数值模拟分析

3.1 数值模型建立

利用FLAC3D软件模拟分析马道头煤业公司3～5号层北四盘区8403工作面2403顺槽及系统巷,掘进工作面大部分为3～5号煤层合并区，局部分层。煤层赋存稳定，厚度为16.43～22.55 m，平均为19.32 m。夹杂3～8层黑色泥岩，厚度为0.1～1.59 m，平均为0.55 m，大部分为3～5号煤。其地质状况与数值模型图如图7所示。

图7 北四盘区8403工作面综合柱状图

为了更好地了解玻璃钢锚杆的实际支护效果，采用对比分析的方法，以实际支护方案为基础，设计两种不同锚杆的支护方案进行测试和分析，即左帮中下两排锚杆分别采用Φ27 mm的玻璃钢锚杆和Φ22 mm的螺纹钢锚杆，巷帮其他锚杆均采用Φ22 mm的螺纹钢锚杆，顶板为Φ20 mm的螺纹钢锚杆。支护断面模型图如图8所示。

图8 支护断面模型图

巷道断面支护体参数如表2所示。

表2 支护体参数表

3.2 煤帮变形分析

玻璃钢锚杆和螺纹钢锚杆支护煤帮变形量如图9所示。由图9-1可以看出，采用玻璃钢锚杆支护，煤帮最大变形量为2.09 mm。图9-2为螺纹钢锚杆支护模型，煤帮最大变形量为2.50 mm。对比两种不同支护方案发现，采用玻璃钢锚杆支护后，煤帮变形量减小了19.62%，玻璃钢锚杆对于煤帮的支护效果成效显著。

图9 两种不同支护方案煤帮表面位移图（m）

3.3 煤帮应力分析

下页图10所示为玻璃钢锚杆和螺纹钢锚杆煤巷纵向断面的x方向的应力图。两种锚杆的煤帮应力分布相似，支护变化趋势也相似。玻璃钢锚杆支护煤帮最大应力为0.216 9 MPa、螺纹钢锚杆支护煤帮最大应力为0.217 2 MPa。两者应力大小虽相差不多，但结合煤帮变形量发现：玻璃钢锚杆与螺纹钢锚杆在煤帮应力大小基本相同的情况下，煤帮变形量减小了19.62%。这主要得益于玻璃钢锚杆抗拉强度高、变形量小的特点，相同支护效果的情况下，玻璃钢锚杆能结合围岩更好地形成协同支护。

图10 玻璃钢锚杆与螺纹钢锚杆支护煤帮应力（Pa）分布

4 结论

本文通过抗拉试验、数值模拟的方案，对比测试了玻璃钢锚杆和螺纹钢锚杆的力学性能和支护效果，得出以下结论：

1）玻璃钢锚杆在拉伸时，抗拉强度要优于普通的螺纹钢锚杆。但是，玻璃钢锚杆的延伸率低于螺纹钢锚杆，玻璃钢锚杆的延伸率约为1.5%。

2）玻璃钢锚杆的破坏过程主要分为三个阶段。初级阶段中，锚杆整体应力应变呈现线性增长，也是玻璃钢锚杆应力增加的主要阶段。第二阶段，锚杆应力不再提升，杆体内部“能量积聚”。第三阶段，玻璃钢锚杆进入“能量释放”阶段。

3）马道头矿玻璃钢锚杆煤帮支护方案行之有效，其煤帮变形量为2.09 mm。玻璃钢锚杆抗拉强度高、变形量小的特点与围岩形成了较好的协同支护。围岩的应力变化趋势为：初始阶段在两侧煤帮产生了较大的变形，随后趋于平稳，围岩应力呈现出“漏斗形”的分布状态。

4）玻璃钢锚杆支护方案优于螺纹钢锚杆。从围岩应力状态来看，玻璃钢锚杆具有更好的屈服极限和强度极限，能承受更大的拉拔力。从煤帮变形来看，玻璃钢锚杆支护方案的煤帮变形量较螺纹钢锚杆的煤帮变形量，减少了19.62%。

5）玻璃钢锚杆具有较高的性价比，可以大幅节约巷道支护成本。具有质量轻、强度高等优点，可降低工人劳动强度、减少回采工序、提高工作效率。实践表明，马道头矿玻璃钢锚杆支护方案取得了良好的效果。