矿用锚杆物理实验研究方法述评

杜学领

（贵州理工学院 矿业工程学院，贵州 贵阳 550003）

实验研究是近现代科学研究的常用手段，在对1901—2000 年这100 年间诺贝尔物理学奖和化学奖的统计中发现，100 项物理学奖中实验成果占70 项，107 项化学奖中实验成果占80 项，足见实验研究在科学研究中的重要地位[1]。在对实验的分类方面：理想实验一般被认为是建立在理想化模型基础上的推理方法，诸如把立体的煤层顶板理想化为平面的梁；思想实验一般指受限于当前的物质条件无法开展实物实验、通过逻辑推理探索自然的方法；此外还可按其他角度划分为直接实验或间接实验、定性实验或定量实验等[2]。近代以前的实验传统，以哲学传统和工匠传统为主。一定程度上，哲学家“哲学思辨式”所生产的知识虽然为认识论和方法论提供了依据，但也有可能因哲学家对实验的不屑而导致实验发展受限制，亚里士多德就可以被视为哲学传统的代表人物。工匠传统又可被视为“经验试错式”知识生产方式，往往通过对物质性生产实践的不断试错而总结得到“正确”的经验，但这种方式获得的知识是实用性和功利性的综合，而非学术性的，且发展较慢[3]。直到16 世纪，文艺复兴时期英国的哲学家弗朗西斯·培根（Francis Bacon）主张人类应通过归纳推理法和实验法去认识自然，培根的论述大大提高了人们对实验的重视程度。在其《木林集》里提出的实施实验模式“事实→探究→原因→原理”，即符合归纳推理法的基本逻辑。在培根之后，阻隔在科学理论和科学实验之间的高墙逐渐被打破，对实验的认识方面出现了彭加勒的约定论、马赫经验论、逻辑实证主义、后实证主义、建构主义、认知科学、解释学、新实验主义等观点[4]。近年来，在创新领域，有观点认为第一性原理既是任何理性系统的根基性命题，同时第一性原理也存在层级之分，创新的方法之一，在于跳出原有第一性原理，建立新的第一性规则，其中，归纳法、演绎法仍是常用的思维模式，演绎的终点存在1 个元起点，也即系统的第一性原理[5]。从层级关系而言，认清现有系统内的要素，有助于寻找并突破现有系统的第一性原理，促进创新的实现。因此，归纳法和演绎法在科学研究中并不是绝对对立的，哲科思维和自然科学研究也不是二元对立的关系，二者可实现相互增益的效果。

在矿业学科以往的研究中，单一问题、简单要素、单一方法的研究较为多见，单点式创新思维明显，较多的综述在呈现先进的“结果”，却缺乏对获得结果的实验本身的讨论，偏向结果的内容带有实用性和功利性的嫌疑，实验方法的合理性近乎默认合理。从逻辑性而言，选择合适的方法是获得准确结论的重要前提，也有助于研究人员远离“经验试错式”迷宫。系统性的总结本领域的实验方法，既有利于初学者快速从方法论的视角了解本领域的研究手段，还有利于研究人员审视现有方法的合理性、对现有的边界不断扩展乃至跳出现有的研究范式进行域外创新。由此而论，自然科学研究对研究方法的总结工作，亦非常重要。基于此，有鉴于本领域以往的研究工作在方法论方面的总结尚显不足，借鉴哲科思维和社科研究方法，以矿用锚杆物理实验研究方法为切入点，对过去几十年我国矿用锚杆物理实验研究方法进行总结，并讨论研究中发现的问题。

1 研究方法及思路概述

科学实验方法的本质在于以人的主观设计为前提，通过创设条件来还原现象或场景，并从中获得新的经验。与“经验试错式”知识生产方式相比，人的主观设计使得实验结果具有可预期或可预判的特征，实验内容与真实世界的符合度决定了实验结论的可靠性和适用范围。随着科技和社会的发展，现在的实验研究已经不再是单纯的室内实验研究。因此，尽管词语“试验”与“实验”被认为存在差异，部分场景中二者还会混用，为了统一表述，除特殊场景外，本文统一使用“实验”一词，这种统一仅是为了避免混用可能造成读者在阅读本文时的思维混乱。本文所述的物理实验，主要特征在于实验所采用的材料为客观物质性材料，这与思想实验和理想实验相区分，同时计算机虚拟仿真实验也不列入本文的讨论范围。

研究方法方面，主要采用定性研究方法，借鉴目的抽样的思路，以行业内的中文顶级期刊—《煤炭学报》为目的期刊，目标的特征通过在中国知网设定检索条件为篇关摘的检索词是“锚杆”来实现，获得初始文献192 篇（检索时间截止到2022 年9 月），对192 篇文献采用人工精读的方式获取所需的与矿用锚杆物理实验相关的研究方法。在此基础上，借鉴滚雪球抽样的思路，进一步扩充与本研究主题相关的研究文献的数量。综合使用目的抽样和主题滚雪球抽样的方法后，获得文献样本总数近300 篇。结合研究主题，采用归纳法，对结果进行归纳总结并展开讨论。

分析思路方面，主要借鉴还原论和系统科学的思想。

还原论由来已久，而且在当今科研工作中依然可见到还原论的身影[6]。简言之，“A 就是B”的论述逻辑就体现了还原论的思想，如“水就是由氢元素和氧元素构成的”[7]。由此可以发现，还原论中包含2 种倾向：一是整体可以被拆分为个体；二是个体是构成整体的要素，甚至个体可以组合成整体。本文对还原论的借鉴体现在2 方面：一方面是对锚杆构件的还原，认为锚杆作为整体的构件可以被拆分为杆体、托盘、锚固剂等个体要素；另一方面是对研究锚杆物理实验的拆分。一般认为，教学实验区别于科研实验，教学实验往往具有方法成熟、结果可预期的特点[8]。在目前的教学实验中，往往包含实验目的、实验材料、实验仪器或设备、实验原理、实验内容、实验步骤、实验报告等内容。对于科学实验而言，诺贝尔物理学奖获得者丁肇中非常重视科学实验的仪器、选题、机遇、结论等内容[9]。著名生殖生理学家张民觉在实验方法方面，重视合理的选题、巧妙假设、强化对照、注重理论思维等[10]。综合以上内容和目前学科研究特点，本文在对锚杆物理实验的调研中，将实验的对象、选题、设备、方法、评价等作为关注的重点，并参照这几个分类作为本文最终的总结内容。经过拆分、归纳总结后，有利于对比不同研究方法的异同。需要说明的是，由于还原论经历过漫长的演化，时至今日在哲学界仍引发争论，本文仅是对还原思想的借鉴，而非对还原论的捍卫。

与还原论相比，系统科学方法论则更注重整体性，乃至其基本原则中“整体不可分”的观点是和还原论冲突的。系统科学哲学包含生成论、有机论、不可还原、系统论、分形、信息论等思想[11]。对于锚固系统而言，系统科学方法论更为适宜，如：实际工程中锚杆是必须与锚固体构成系统才有工程价值的，单一的锚杆和单一的锚固体作为个体要素时，对于矿山支护工程而言偏向于要素问题而非作为锚固系统的整体问题。故而，还需要考察锚固系统的实验方法。

综上，本文在分析视角方面，借鉴还原论和系统科学方法论的思想，按照锚杆构件、锚固系统这个由小到大、由要素到整体的分析思路，有利于读者更全面的了解矿用锚杆物理实验相关的研究方法。限于篇幅，在论述方面，本文主要采用夹叙夹议的方式，使得方法进展总结与论述评价联系得更紧密，故而不再设置单独的专题讨论环节。

2 锚杆构件的物理实验研究

2.1 概 述

尽管我国在1956 年就已经开始在煤矿中使用锚杆，但直到1994 年，锚杆在煤巷的使用比重仍相对较低[12]。1996 年，我国引进澳大利亚锚杆支护技术，锚杆支护逐渐发展为煤巷的主体支护形式。在这个过程中，木锚杆、竹锚杆等逐渐被淘汰，螺纹钢金属锚杆和玻璃钢锚杆渐成主流。因杆体在整个锚固支护工程中的重要作用，衍生出锚梁、锚梁网、锚梁网索、锚网架、锚注等多种支护形式[13]。从广义而言，锚杆支护并不专指单体锚杆支护，而是指以锚杆为核心构件的支护形式。因此，矿用锚杆构件最主要的部分是锚杆杆体，除此之外，还包括锚固剂、托板、螺母、垫圈、金属网、钢带、钢筋托梁等附属构件。

从总体而言，锚杆构件的实验以研究材料性能为主要关注点，按照实验材料的变与不变、实验条件的变与不变等，大致可分为以下4 种实验类型：

1）材料本身性能表征实验。一般此类实验针对的是单一研究对象，采用相对常规的、成熟的实验方法开展实验，如锚杆的拉伸实验、抗弯实验等，属于此类实验。值得一提的是，按照还原论的观点，金属材料的锚杆、托板、螺母、垫圈、金属网、钢带等材料可进一步被还原为钢材这一要素，因此，所有关于金属的实验方法几乎都可以应用在这类材料上，这就包括金属材料制备、热处理、宏观组织缺陷与微细观形貌观察、物相、磁性、导热、导电、耐腐蚀性、表面处理等多种实验形式[14]。此类实验因为测试技术成熟，从材料本身出发，实际上对同种材料的测试方法多种多样，目前呈现在单篇论文中的实验往往只是此类材料实验的一小部分。当不同实验被应用到同一研究中，研究的合乎逻辑性应在实验开始前深思熟虑，否则很容易变成不同实验内容的堆砌，而没有合力解决关键科学问题。还需要注意的是，针对钢材的材料实验实际上是锚固工程的前置实验，其中有很多实验是在表征钢材特性的，从学科专业分类而言，这部分实验较多的隶属于金属材料工程专业，而且是该专业中早已成熟的实验手段。矿业学科对这类实验方法的借用，实际上研究工作的创新性并不强。

2）同种材料不同构成细节的对比实验。一般此类实验材料本身相同，但材料的宏观参数不同，采用相同的实验方法来测试同种材料不同构成细节的差异，如锚杆均采用同种钢材，但不增加其他任何要素，仅改变锚杆的直径、横肋的高度、螺纹的参数等，属于此类实验。

3）不同材料或结构的同种实验。如均采用拉伸实验，但实验材料方面锚杆的杆体材料采用不同加工工艺的钢材，或即便采用同种钢材，但一种为普通锚杆，另一种为可接长锚杆，即改变同种材料的结构。

4）实验控制条件改变的实验。如针对同种实验材料，但是改变实验时的温度或加载方式，由此观察不同条件下材料的响应情况。

由以上4 类实验可以看出，当前的研究中，创新性工作主要体现在原有材料的改进、新材料的应用、新结构的研发、新实验条件的实现等方面。相对于原有材料改进、创设新的实验条件，新材料、新结构方面的创新具有发展迅速、蕴含变革性潜质等特点，而且，包含多要素的复合型创新也是近年来实验研究的创新路径之一，在同一研究主题中可以综合利用4 类实验的研究方法。

2.2 锚杆杆体

对于锚杆杆体而言，主要的实验方法包括轴向拉伸、侧向冲击、扭转等主要实验形式，其中拉伸实验的使用相对更频繁。

轴向拉伸实验又可细分为静力拉伸实验和动载冲击拉伸实验。

锚杆静力拉伸实验示意如图1。静力拉伸实验一般夹持固定住锚杆的两端，沿着锚杆轴向进行拉伸，其拉伸的位移-载荷曲线与钢材的拉伸曲线基本相同，曲线的关键突变点与钢材本身和锚杆的结构等因素有关。在研究新型锚杆的性能方面，如高强锚杆、恒阻吸能锚杆、长螺纹可接长锚杆等[15-17]，往往要对比新型锚杆的性能提升或与常规锚杆的差异。长度和受力情况是评价静力拉伸实验的最基本指标，长度的评价体现在位移、伸长量、伸长率、截面变形量等方面，力的评价主要体现在载荷方面。基于长度和受力，屈服强度、抗拉强度、弹性模量、屈强比等指标也可被用来评价锚杆杆体的性能。需要注意的是，锚杆强度一般是由杆体承受载荷与其横截面积之比所求得的，但实验过程中，杆体横截面积并不是1 个定值，这种计算方法本身在评价不同结构的杆体上可能存在误差乃至错误。

图1 锚杆静力拉伸实验示意图Fig.1 Schematic diagram of bolt static tensile experiment

锚杆轴向动载冲击拉伸实验示意如图2。严格意义上，动载冲击拉伸实验的对象一般并不是只有锚杆单体，而通常要包含1 个传递载荷的单元。进行动载冲击拉伸实验时，利用重锤下落或弹射体等制造冲击波，冲击载荷作用于锚杆端部的传递载荷介质，传递载荷介质带动锚杆沿轴向拉伸，从而可以观测锚杆在动载冲击作用下的响应情况[16,18]。评价此实验的基本指标一般是时间、长度和载荷。与静力拉伸实验相比，动载条件下，动载冲击波的冲击时间是需要考虑的要素。而且，此实验中动载冲击作用必须通过传递载荷介质传递给锚杆，使得传递载荷介质的影响也应纳入实验评价中。

图2 锚杆轴向动载冲击拉伸实验示意图[16]Fig.2 Schematic diagram of the axial dynamic impact tensile test of the bolt

锚杆侧向动载冲击实验示意如图3。锚杆侧向冲击实验中，通常锚杆水平放置、两端固定，并允许锚杆沿侧向弯曲变形，采用重锤等作为冲击源直接冲击杆体[19]，冲击后杆体可能出现侧向弯曲变形或破断。但应指出，似乎此种实验所对应的场景在实际生产中并不多。而且文献[19]中指出，原计划为轴向冲击，但因进行轴向冲击时锚杆破坏的位置在两端螺纹固定端，其认为螺纹加工差异对轴向冲击拉伸实验结果影响较大。这与前述的需要考察端部传递载荷介质影响的理念是一致的。与单纯杆体静力拉伸相比，冲击条件下增加了传递载荷介质，其在实验中的影响就应该给予合理评价。

图3 锚杆侧向动载冲击实验示意图[19]Fig.3 Schematic diagram of the bolt lateral dynamic impact experiment

锚杆扭转实验示意如图4，直接对锚杆杆体进行扭转的报道较少，目前披露较多的锚杆扭转实验是采用电子扭矩扳手向固定锚杆的螺母施加扭矩，螺母拧紧的过程向托盘、锚杆等传递力，由此可测定施加扭矩后锚杆的受力情况[20]。这类实验研究的范围更多的是聚焦在杆尾部分，在一定程度上可以用于解释安装角度、杆尾螺纹形态、安装质量与预紧力转化关系等问题，而且研究对象并不是单一的杆体，也不是针对锚杆杆体本身的扭转。在实际工程中，除矿井动力灾害、围岩大变形外，当巷道邻近或已处于采空区时，采空区顶板运动有可能使得这部分巷道顶板中的锚杆受到拉扭复合作用。而对于锚索而言，钢绞线本身具有一定旋转方向，安装锚索时钻机的旋转方向有可能会影响到锚索性能的发挥，这就可能与锚索的扭转特性相关，而目前这方面的研究还相对较少。此外，若能根据地应力、采动应力等演化趋势来合理确定锚杆锚索的初装扭转状态，有可能也可直接增加锚杆锚索的抗破坏能力。

图4 锚杆扭转实验示意图[20]Fig.4 Schematic diagram of bolt torsion experiment

在一些研究中，采用了夏比冲击试验、高速动态拉伸等实验方法[21-22]，但需要特别注意的是，此类实验往往是锚杆构成材料本身的测试，不属于对锚杆杆体的测试。以夏比冲击试验为例，试件的外表面、尺寸、预置断口形貌等和真实工况中的锚杆是存在差异的，实验在还原真实场景方面的论证工作尚未得到足够重视，以至于有将材料局部性能视为杆体整体性能的误导之嫌。

2.3 锚固剂

锚固剂在整个锚固系统中起到连接锚杆和围岩的作用，因此，若锚固系统失效发生于锚固端，既有可能是锚杆杆体直接从锚固剂中滑脱，亦有可能发生于锚固剂和围岩的接触面。锚固剂的基本功能，是把锚杆固定在围岩中，起到固定杆体的作用。但是，有2 点值得注意：一是锚固剂本身是1 个概述性的词，描述的是对锚杆起固定作用的材料，水泥砂浆、树脂锚固剂均为锚固剂，甚至广义上，可以把早期的机械式锚固结构也视为锚固剂的1 种特殊形式，但随着树脂锚固剂的推广应用，在煤矿领域有以树脂锚固剂取代锚固剂、以个体代替整体的味道，这是技术发展以及行业文化等因素造就的；但是从锚固剂的基本功能来认识锚固剂，有助于创新者跳出树脂锚固剂一家独大所圈定的封闭范围；二是树脂锚杆可能引发的误解，从词语的构成而言，树脂锚杆和玻璃钢锚杆都是由2 个名词构成，且第1 个词均带有材料的意义，由于玻璃钢锚杆本身杆体是与玻璃钢有关的材料，以至于会让人误解树脂锚杆的杆体是与树脂有关的材料。然而事实上，在MT/T 146.1—2011 树脂锚杆第1 部分：锚固剂行业标准（以下简称“标准1”）中，对树脂锚杆的界定是“树脂锚固剂+锚杆”结构，即“树脂锚杆”中的“树脂”指代的是树脂锚固剂[23]，至于杆体材料为何，并不加以区分，凡是使用树脂锚固剂的锚杆均可被称为树脂锚杆，这种界定容易造成初学者的误解。对于树脂锚固剂而言，通常包括树脂胶泥和固化剂2 部分，二者混合后发生化学反应并形成固体材料。因此，对锚固剂的研究，既可以研究固化后的结果，也可以按照还原论的观点，进一步拆分固化前的材料并研究树脂、填料、化学助剂、固化剂等的特性。但是需要注意的是，由于锚固剂必须与杆体结合后才能起作用，目前对单一锚固剂的研究往往聚焦在锚固剂固化的凝胶时间、等待安装时间、树脂胶泥稠度、固胶比、固化体的特性（主要是抗压强度、热稳定性）等方面。

在矿业领域，对锚固剂的研究往往还是从锚固系统的视角出发，如研究几何尺寸、用量、温度、水、搅拌过程及质量等对总体锚固质量的影响[24-25]。与锚杆杆体材料钢材相比，目前矿业领域对树脂的关注度尚不足。而且，与矿业领域仅有“标准1”这一锚固剂相关行业标准相比，目前在材料领域，关于树脂的研究堪称海量。从创新角度而言，从材料领域跨界应用到矿业领域，有可能是未来锚固剂方面的重要方向之一。如，若材料性质适宜，未来直接采用精确定量灌注混合方式，有可能要优于目前树脂锚固剂依靠旋转搅拌的方式；再如，针对深部矿井、水湿环境煤层，有可能采用相应的热膨胀、水膨胀性锚固剂更为适宜；而且，目前的锚固剂以衰亡型为主，也即安装后其总体性能的发展趋势是持续降低的，未来如能采用生长型、再生型锚固剂材料，也可以解决现有材料性能劣化的问题。

2.4 托 板

锚杆外露段部分的附属构件几乎都难以通过单一构件来发挥作用，而必须组合成结构才能发挥作用。通常而言，托板、螺母是必备要素。一方面，可以通过螺母向锚固系统施加预紧力；另一方面，托板、螺母在锚杆外露段部分起到约束作用，是杆体发挥抗拉特性的重要保障。但很明显，单一的托板或螺母都不能很好地完成以上2方面的任务。类似的，垫片、金属网、钢筋托梁、锁紧装置等往往属于在托板和螺母的基础上起到强化总体支护效果的构件，金属网因面积较大，还具有降低垮顶、片帮等事故危害的作用。因这些构件往往需要组合后才能发挥出效果，故而这些附属构件的单体实验研究相对较少。

对于托板而言，因其不同形状，也有将其称为托盘、托片的，本文统一使用托板一词。MT/T 146.2—2011 树脂锚杆第2 部分：金属杆体及其附件行业标准（以下简称“标准2”）对托板的要求较少，可以概括为：优先选用蝶形托盘（疑似使用“碟形”更恰当）、尺寸不低于标准值、承载力不低于杆体屈服力标准值的1.3 倍，托盘被拉穿前的最大力即为托盘承载力[26]。此外，GB/T 35056—2018 煤矿巷道锚杆支护技术规范（以下简称“标准3”）提出了更多更细致的要求，如要求配套球形垫圈、钢材厚度不小于6 mm 等[27]。但由于实际工程的复杂性和多样性，该标准如此细化的规定在适用性方面可能存疑。

目前与托板密切相关的实验主要有4 类：

1）第1 类是“标准2”中提供的拉穿实验。托板拉穿实验示意如图5，沿着锚杆轴向以10～20 kN/min 的加载速度拉伸锚杆至托盘被拉穿，拉穿前的最大力就是托板的承载力[26]。该实验可以相对较好的还原真实工况中锚杆构件的受力情况，但“标准2”中的拉穿实验也存在几个疑问，如：对拉伸实验中杆体、螺母、球垫等相关配件的材料没有详细的规定，异形托板的实验适用性方面尚缺少评价。

图5 托板拉穿实验示意图[26]Fig.5 Schematic diagram of the pallet pull-through experiment

2）第2 类是扭矩实验。主要是利用扭矩扳手向托盘上方的螺母施加载荷，并监测托板的受力和应变情况[28]。进行该实验时，托板与支撑板之间的接触情况必须考虑，而且实验过程中还应尽可能保证接触位置的连续性，但有可能高扭矩时托板变形与接触位置固定之间相冲突。扭矩实验实际上和前述图4 杆体部分的扭转实验形式类似，只不过主要研究对象变为托板。

3）第3 类和第4 类分别是静载压缩实验和动载冲击实验[29]。托板静载压缩实验示意如图6，静载压缩实验是压力机的加载端直接作用于托板外凸的拱形部分；托板动载冲击实验示意如图7，动载冲击实验则是利用重锤下落作用于托板的拱形部分。值得注意的是，这2 种实验方法作为研究托板性能的实验是可以的，但是与真实工况相比，煤矿井巷中的托板受力有较大程度是源于处于围岩内部杆体的拉力作用，相对比的，这2 种实验方法的加载方式可视为是从锚杆构件的外部向内部施加载荷，这与真实工况不一致。对于异形托板，这2 种实验手段还存在加载端与异形托板接触面难以保证同等接触面的问题。即便对于非异形托板，加载端断面尺寸与托盘尺寸之间的影响也鲜有报道。

图6 托板静载压缩实验示意图[29]Fig.6 Schematic diagram of the static load compression experiment of the pallet

图7 托板动载冲击实验示意图[29]Fig.7 Schematic diagram of the dynamic load impact test of the pallet

此外，从研究的角度而言，托板本身的几何尺寸、空间形态、材料特性、与其他附件配合的综合效果等方面也引起了研究人员的关注[30-31]，但托板的非均匀受力问题仍值得未来给予更多关注：不管是巷道初期掘进造成的巷道表面不平整，还是巷道后续使用过程中非均匀变形引起的表面不平整，再加上施工时钻孔角度、施工质量等影响，都可能导致托板与巷道的接触面并不是理想的面接触、均衡接触。解决安装角度问题的思路是使用球垫或异形托盘设计等，但是这些有可能造成球垫位置的受力不均衡、杆体相对于托板是非均衡安装，由此造成托板的非均匀受力。从现有研究来看，目前对这方面的关注尚显不足。

2.5 金属网

金属网的使用场景主要有3 种：第1 种场景是在锚杆支护中作为附属构件使用；第2 种场景是分层开采时用作人工假顶；第3 种场景是用于临时的或偶然的遮掩工程。通常认为，金属网在煤矿支护工程中主要起到护表的作用，特别是承载松散煤岩体、避免煤岩散体涌向采掘空间，这与其大量应用于巷道支护中有关。金属网发生破坏的场景主要有3 种：① 发生于金属网与钢带、托盘等连接的部位因剪切作用而发生破坏；② 发生于相邻两金属网的连接部位；③ 金属网网丝本身因松散煤岩体摩擦、锈蚀、突然冲击、非均匀受力等原因导致的焊点开裂、网丝滑移、网丝断裂等破坏。“标准2”、“标准3”对金属网的规定都不多，如“标准3”中提出锚杆支护巷道一般应采用护网、顶板优先采用钢筋网、两帮优先采用金属网[27]。相应的，截至目前国内矿业领域对金属网的实验研究也相对较少，且实验对象往往是矿用的菱形网、经纬网、钢筋网。

矿业领域对金属网的实验测试主要包括3 种：第1 种是网丝静力拉伸实验，实验方法与图1 所示的锚杆杆体的拉伸实验类似，研究对象换成金属网的网丝，主要通过静力拉伸实验，测量组成金属网的网丝的抗拉承载力和伸长情况；第2 种是对金属网的静载加载实验，以文献[32]、文献[33]、文献[34]为代表的，垂直网面加载（顶破）实验俯视示意如图8，通常是将金属网四角或外边缘固定，利用加载装置自上而下或自下而上对金属网的几何中心位置进行加载；第3 种实验方法是利用重锤下落对金属网进行动载冲击[35]，与前述托板的动载冲击实验类似，可参见图7，区别在于重锤落下后冲击的对象变为金属网。此外，李明轩采用金属网测力计在现场实测了金属网的承载和挠度情况[36]。但早在2004 年，文定坤等[37]针对扩张金属网就系统的提出：单丝和节点是扩张网的最基本单元，可用的实验方法包括单丝法、网片法、单格网砼法、多格网砼法4 种。其研究思路从单丝、节点到网片，从单网到多网是值得矿业领域借鉴的。而且，从生产制造的角度而言，金属网与纺织工业密不可分，杨萍[38]在研究柔性经编金属网时，既研究了这种金属网的制备工艺，还采用单向拉伸、撕裂、顶破、双轴拉伸、低速冲击等对金属网的性能展开研究；其中，平行网面单向拉伸示意如图9，单向拉伸中，考虑了拉伸速度、拉伸角度的影响；平行网面撕破法撕裂实验示意如图10，撕裂测试中，考虑了撕裂方向、撕裂速度的影响；顶破测试中考虑了顶破头、夹持面积、顶破速度的影响，顶破测试基本原理与图8 类似；平行网面双轴拉伸示意如图11，双轴拉伸中，考虑了拉伸方向与网丝编织角度的影响。

图8 垂直网面加载（顶破）实验俯视示意图[32]Fig.8 Top-down diagram of mesh vertical loading (top breaking) experiment

图9 平行网面单向拉伸示意图[38]Fig.9 Schematic diagram of unidirectional parallel extrusion of mesh

图10 平行网面撕破法撕裂实验示意图[38]Fig.10 Schematic diagram of parallel tearing experiment of mesh by tearing method

图11 平行网面双轴拉伸示意图[38]Fig.11 Schematic diagram of biaxial stretching of mesh

不难看出，从创新的角度而言，矿业领域现有的对金属网的研究受到学科边界的制约，研究对象往往是域内材料，借鉴纺织领域的新型织网工艺、材料领域的新型织网材料、网片的配合方式等方面的工作还相对较少。而且，还有2 点目前在本领域的关注还不够：

1）金属网本身的能效方面。缓慢静载条件下金属网主要起到承托松散煤岩体的作用，此部分功能和金属网材料及锚固组合构件有关。但动载条件下，以冲击地压和煤与瓦斯突出为代表，动载冲击的影响往往与冲击的速度、冲击的煤岩量、冲击对锚固结构的性能弱化等因素均有关。特别是，目前静载条件下的防灾一般可以通过加强检修来预防，但动载方面，有可能仅仅依靠金属网的作用是不够的。如贵州东风煤矿“4·9”煤与瓦斯突出事故突出煤量达1 028 t，这个体量很可能已经超出了金属网局部的承载能力。所以，有可能存在静载条件下金属网能力过剩、动力灾害条件下金属网能力不足的问题。

2）复杂工况条件下金属网的性能方面。目前实验室研究金属网的特性往往涉及的因素较少，而真实工况中，金属网的性能可能会随着时间而逐渐劣化，其受力状态也可能因安设位置不同、周围煤岩不同、固定的锚杆状态不同等因素而有所差异，目前实验室的研究在控制条件方面是相对简单的，尚不能精确的刻画复杂工况下金属网的性能全貌。而且，从研究的角度而言，航天工业工程中对金属网的力学性能、接触电阻、密度、形态等均提出了要求[39]，目前煤矿监测预警的一些手段也可能会受到其中某一特性的影响，但似乎目前这方面的评价工作也稍显不足。

2.6 其他构件

钢带和钢筋托梁的作用原理类似，单根锚杆发挥轴向抗拉作用时，钢带和钢筋托梁的加入使得锚杆受拉移动时，额外的增加了锚杆其他方向的受力，从而改变锚杆原本单向受力的状态，改善锚杆支护系统的整体性。“标准2”对二者几乎没有要求，但“标准3”将二者视为锚杆支护中的组合构件，并明确提出二者的拉伸屈服强度应不低于235 MPa。在MT/T 861—2000 矿用W 型钢带标准中有关于W 型钢带几何尺寸和力学性能的详细要求[40]，本文不再赘述。除两端拉伸外，文献[34]还提供了1 种将钢带、钢筋托梁水平悬空放置后，垂直于试样长轴方向进行加载的实验方式，以此方法来测试钢带或钢筋托梁的抗弯特性。其他实验方法则见于文献报道的并不多。此外，文献[41-43]讨论了平钢带、钢筋梯子梁、W 形钢带、M 形钢带、高凸钢带的性能；文献[44]讨论了钢带使用中可能出现安装不规范、锚杆钻孔与钢带不匹配等问题。但除了初装过程可能引起的问题外，目前对于钢带和钢筋托梁的能力再生问题讨论还不多。即：一旦钢带或钢筋托梁已经变形失效后，如何恢复其原有的性能，使其能力再生。由于钢带或钢筋托梁在安装时往往被螺母或托板限制住，一旦其发生失效，就需要拆卸重装。类似的，当松散煤岩体在金属网发生兜网下坠或外鼓时，往往需要破坏掉当前的金属网、取出松散煤岩体、重装金属网，但这一过程属于不可再生的替换性工作，支护体从结构上直接实现非破坏性再生的研究工作目前还相对较少。但很明显，一旦新的非破坏性再生支护技术被研发，对于支护工程而言将带来巨大变革。

螺母和垫圈也是锚杆支护中的重要附件。因垫圈是配合螺母使用的，单独的垫圈在支护工程中意义不大，而且在机械领域，对二者单体的性能已有较多的讨论，比如螺纹、螺母，在机械领域已有大量关于螺纹、螺母的内容。锚杆支护中对二者的讨论，主要包括2 方面：①螺纹部分的失效问题：此部分既可以考虑螺纹本身螺距、牙型、升角等的形态影响，也可以考虑改进螺纹部分的锁紧机理，从而避免锚杆在螺纹部分失效后而丧失锚固作用；②预紧力转化效率的问题，实验方法与前述的杆体扭转、托板扭转实验相同，不过关注点变为了螺母或垫圈。

锚杆构件物理实验的汇总表见表1。

表1 锚杆构件物理实验汇总表Table 1 Summary of physical experiments of bolt components

需要特别说明的是，在锚杆支护中，因将锚杆界定为最核心的构件，故而其他构件被称为“附件”。而作为支护系统的组成部分，诸如锚固剂、螺母等是必不可少的构件，附件不代表功能上的次要和完全可替代性。从还原论的视角对单一构件的研究可以解释单一构件的特性，但并不能代表不同构件组合后锚杆支护所构成的锚固系统性能。还需要从锚固系统的角度出发，去考察整个系统的有效性。也因此，在单一构件的前提下，构件之间的匹配性问题引起了学者的注意[30,34,45]。

3 锚固系统的实验研究

与单体构件相比，锚固系统指的是由支护体与被支护体所组成的系统。对于煤矿采准巷道而言，狭义的锚固系统指的是巷道中所采用的支护体与支护体所（欲）控制的两帮和顶底板所构成的系统。即，锚固系统是支护体与被支护体相互作用的系统，必须不能忽略被支护体是锚固系统的重要组成部分；同时，由于支护体的控制范围是有限的，再加上被支护体的力学状态也很可能处于动态变化中，工程中的锚固系统实际上是1 个想要控制的范围或效果与控制方法的动态集合。也因此，所有要素的性能是系统中要素的性能，而非单体要素的性能。研究系统中的要素，前提条件是把要素置于系统中，这明显区别于对单体构件的研究。按照实验发生的场所，主要分为实验室锚固系统实验和现场锚固系统实验。实验室实验往往是局部的、模仿性的、简化的真实场景的呈现和还原，而现场实验则是真实工况下的写真。

3.1 实验室锚固系统实验

3.1.1 锚固系统拉剪实验

实验室锚固系统实验主要包括2 类：拉拔实验和剪切实验。因含有锚杆或类似的材料，此类实验也可被称为加锚实验，区分于单独试块的实验。但如果试块仅加锚而没有体现锚固系统的理念，则不属于本文关注的对象。

锚固系统拉拔实验示意图如图12。

图12 锚固系统拉拔实验示意图Fig.12 Schematic diagram of the pull-out experiment of the anchoring system

与锚杆杆体的拉伸实验相比，拉拔实验中的锚杆有一部分是被置于锚固体中，故而，这一段杆体并不是直接被夹具固定，而是和锚固体作为1 个整体被固定。随着拉拔实验的进行，可能发生杆体被拉断、杆体从锚固剂中滑脱、杆体和锚固剂与锚固体分离等情况，后几种实验现象也是明显区别于单一杆体拉伸实验的，故而实验室拉拔实验在一定程度上可以反映出锚固系统的性能。

但从还原论的视角进行要素拆分，不难发现，目前拉拔实验存在2 个主要问题：①在很多实验中锚固剂外围并不是围岩，使用钢性套筒、钢管作为锚固剂外部约束的情况较多，如文献[24，46-48]就是这种情况，由此导致锚固剂和套筒部分并没有很好的还原真实的使用场景；②不同研究人员在实验细节方面的差异较大，如套筒的长度、内外径、固定套筒的位置等方面可能不同，锚固剂的材质、搅拌混合方式、填充方式、填充量等方面可能不同，进行拉拔时，有的采用电液伺服万能试验机，有的则采用测力计和千斤顶，采用万能试验机的试件放置方向可能是垂直方向，采用测力计和千斤顶的试件放置方向则可能是水平方向。所以，尽管对于同一组实验，似乎结论具有可比性，但对比不同组实验时又可以发现，实验设备和实验控制条件方面不具有同等可比性。韩军等[49-50]的研究就表明，当锚固系统中的套筒、围岩等要素变化时，对实验结果会产生影响。

此外，在拉拔实验的大前提下，亦有研究人员考虑了围压的影响，董双勇[51]研发了1 种可用于拉拔实验的加围压方式，但是应注意到，其研究中加围压后往往围压处于稳压状态、较多的锚固系统破坏都发生在了锚杆与锚固剂的连接界面、围岩部分主要采用的是水泥砂浆试块。

若将前述实验研究的方法进一步综合，则可以还原更多可能存在的工况、研究复杂工况下的锚固系统特性。而目前，锚杆拉拔实验的研究更偏向于去应用实验所获得的结果，对实验控制条件的评价尚不足。从逻辑而言，若实验控制条件会对实验结果产生重要影响，那么实验结果的可推广价值也会受影响。

锚固系统剪切实验主要有2 大类[52-56]：

1）直接剪切实验，又称直剪实验。直剪实验如图13。此实验的实验设备主要有意大利都灵理工学院传统压机单剪装置、英国标准锚杆剪切测试装置、澳大利亚MISSR 单剪装置、挪威“拉-剪”综合测试装置、国内锚杆综合力学性能装置等。该实验的基本原理为：将锚杆至于被锚固体中，锚杆通常位于被锚固体的几何中心或过被锚固体的几何中心，前者属于常规实验类型，后者往往出现在研究锚杆安装倾角对锚固性能影响的实验中。若将被锚固体分为上下盘，则通常下盘由刚性设备固定，上盘上表面施加均等稳定载荷，上盘载荷可在一定程度上保证剪切实验的顺利进行、避免实验过程中上盘向上运动。当然，上盘部分也可以采用工装直接进行刚性固定。对上盘一侧施加推力，促使上下盘沿着二者的剪切分界面移动，内部的锚杆在这个过程中弯曲、被剪切乃至剪切破断。

图13 直剪实验[55]Fig.13 Straight shear experiment

2）双面剪切实验，又称双剪实验。双面剪切实验如图14。此实验的实验设备也有多种，其与直剪实验的区别在于：锚杆被置于锚固体后，试块被划分为3 份，对中间的试块施加垂直于锚杆轴向的作用力。因此试块位于中间，试块发生滑移时，沿两侧的2 个面存在剪切滑移效果。

图14 双面剪切实验[53]Fig.14 Double-sided shear experiment

2 类剪切实验中，除设备不同造成的差异外，还值得关注或未来深入研究的细节有：被锚固体单层、复合层、与实际工程问题的切合度等；锚固剂的类型和安装方式、安装范围；锚杆安装的细节，是预留钻孔安装、锚固剂安装，还是试块制作时内嵌于被锚固体；锚杆安装的空间形态，是过试块几何中心，还是偏心非对称、改变角度安装；锚杆两端长度是超出被锚固体，还是小于等于试块的边长；锚杆两端是直接外露，还是采用托盘、螺母等进行固定或约束；锚杆的数量是单根，还是多根、立体分布等。

将前述的拉拔实验和剪切实验进一步组合，可开发出锚固系统的“拉-剪”实验，如文献[57-59]中提供的实验方式，“拉-剪”实验如图15，拉的部分主要是拉动锚杆杆体，剪的部分主要是推动试块剪切滑移。目前“拉-剪”类实验的核心操作在于“稳压”和“加载”两部，二者一般是交替或分阶段进行。比如，首先拉伸锚杆至预设载荷，保持此拉伸载荷不变，此时的“稳压”即稳住拉伸载荷，然后逐渐增加剪切作用力，二者综合可实现“拉-剪”实验效果。类似的，还可以有“剪-拉”、“剪-拉-剪”、“拉-剪-拉”等实验形式。

图15 “拉-剪”实验[58]Fig.15 Pull-shear experiment

需要说明的是，在双剪实验中，当锚杆两端被锚固剂或托板螺母固定的情况下，在对中间试块进行剪切的过程中，对于锚杆而言，锚杆沿剪切方向发生弯曲的同时也会使得锚杆轴向因受到两端锚固或固定所引起的拉力作用，因此，在这类双剪实验中，锚杆承受的有可能是剪-拉复合作用。

3.1.2 锚固系统相似模拟实验

相似模拟是矿业领域较为常用的研究手段，特别是在研究岩层运动方面。当模型中包含巷道时，有可能会出现包含锚固系统的相似模拟实验。但是，相似模拟实验研究也是存在争议较多的研究方法。据说，该方法由苏联学者库兹涅佐夫提出，并于1958 年引入我国，其理论依据为相似理论和因次分析，一般要满足几何相似、运动相似、动力相似、边界相似等条件[60]。早在1965 年，周世宁[61]就讨论了用线性相似材料模拟非线性现象的方法，并提出在一定条件下，用线性场只能模拟非线性稳定场。此后，鲜学福等[62]指出，对复合岩体结构的模拟，还应满足复合结构的相似关系；李豪等[63]根据相似理论和因次分析法认为，模拟岩层移动应满足几何、时间、密度、岩石力学强度的比例常数不变等条件，可认为实验为近似相似。但对于早期的二维平面模型而言，不能完全消除模型与模板间摩擦力的问题，解决的办法之一是施加补偿载荷[64]。而近年来的系统工程理论则认为，传统的以相似三定理为基石的理论主要针对的是元件，其应用于大型、复杂系统时会受限[65]。通过这些研究可以看出，已有的相似模拟中对于相似理论的基础性研究工作较为薄弱，以至于实验是否可以反映真实问题、多大程度上反映真实情况，都存疑。

因此，尽管相似模拟研究方法被大量应用，但其结论的可靠性方面，未必理想。就锚固系统相似模拟实验而言，结合近年来的已有研究，从实验细节而言，认为以下方面值得注意：

1）材料相似问题[66]。如在同一研究中，选择铝丝制作锚杆锚索，选择金属垫片作为模拟中的托板，选择薄铁皮制作钢筋托梁，并用塑料纱窗来制作金属网，仅从材料本身而言，这个组合中的构件就很难还原锚固系统中的单一构件，而且显得锚固构件相似模拟实验材料选择过于随意。

2）结构相似未被足够重视。巷道周围地层为层状结构，实验中对此进行简化的情况并不少见，而且模拟中较多的地层本身为水平地层或复合地层层面之间相互平行的情况，甚至有研究人员为了制作节理裂隙和破碎围岩，而在模型上无规则的切割[67]，很难讲这种模拟是精确的。对于坚硬厚层顶板而言，顶板有可能具有良好的整体性，而由相似材料制作的顶板，其结构特性未必与真实相符。

3）非稳定非连续场的相似问题。巷道岩体破坏前，可视为弹性场、稳定场，但一旦出现破坏，则会向非稳定场转变。在一些研究中引入了爆破动载[68]，但是很明显，在相似模拟中引入的要素越多，其前置要素对达成相似的要求就越高。类似的，模拟中地层分隔有时会采用云母粉，而包含断层的模型中较多的是形似[69]，非连续问题、非连续介质的影响，还有待于深入论证。

4）过程相似问题。这是诸多关于锚固系统相似模拟中面临的主要挑战之一，如，采用相似材料塑模，但是模型静置等待干燥和开展实验的时间与时间相似比并不一致。在实际工序中，钻孔、锚固、封装是1 个分步和循环的过程，但当相似模拟中巷道尺寸较小时，这一过程很难在模型中得以还原。对于三维的相似模拟而言，开采范围往往是远大于巷道尺寸的，锚固系统在开采扰动影响下巷道稳定性方面发挥的作用，尚不能很好地在室内复现。而且，地层的地应力场是过程性形成的，目前很多模拟也不能还原真实的地应力场形成过程，对围岩的还原重点在材料而非状态上。

5）边界条件相似问题。对于不施加顶部载荷的浅埋模型而言，地表的起伏情况没有在模型中得到很好的体现；对于深埋模型而言，往往顶部施加的是均匀载荷[70]，这一点显然是对真实情况的理想简化。因此，诸多相似模拟实验实际上更像是近似实验，但有多近似、哪些方面近似，有待评价。

6）系统相似。在改进前述问题方面，改进构件和要素是1 个较为常见的做法，如进一步测量相似模拟中钢丝的抗拉特性、几何尺寸等。诸如近年来使用的3D 打印技术[71]，也是希冀在构件方面能尽可能达到相似的要求。但是，从元件相似到系统相似，仍有一段距离。如，真实煤矿井下巷道实际上轴线方向更长，由此造成巷道长轴线方向要经过不同的地质条件，一些工程灾害实际上是复杂系统孕育的问题，仅凭二维平面模型，未必能很好的还原真实情况。此外，实验中传感器、线缆埋设的影响，也是相似模拟与真实情况不符的铁证，但这种影响的大小，可能要有赖于更先进的监测手段出现，才更容易评价。

在克服上述问题方面，一种尝试是使用更大尺寸的模型和使用贴近真实工况的锚固系统构件，如煤炭科学研究总院李建忠[72]、石垚[73]的硕士学位论文就是这方面的代表。但是不可否认的是，即便采用了大尺寸模型，这些研究也或多或少的存在前述的问题。因此，本文更倾向于把已有的相似模拟实验视为是探索演化趋势、发现以往被忽视问题的1 种手段，而不认为目前的相似模拟研究是十分精确地还原了实际问题。

3.1.3 锚固系统其他实验

此外，煤炭科学研究总院的研究人员还在实验室开展了锚杆支护预应力场监测的实验，该研究主要关注的是预应力场的形态和影响因素[74-76]。从实验的角度而言，文献中已披露的内容存在2方面缺憾：①围岩的应力状态没有很好的还原实际的工况，比如真实工况中，开挖前巷道周边围岩的力学状态为三维受力，开挖后则存在自由面，锚杆支护恰好是作用在了这个自由面，而且，顶板和两帮的受力状态还有所区别，而这种差异在前述文献中尚没有得到体现；②锚杆的动态性方面，现有研究中锚杆安装后往往位置就不再发生变化了，既不进行拉拔、也无动载冲击，在锚固系统动态变化方面的表征并不充分。

解决这2 方面问题的1 个思路是现场测试：在巷道开挖前，通过顶板巷道或底板巷道打钻孔的形式提前将监测设备通过钻孔预埋到待开挖煤岩中，并利用连续监测手段，在后续开挖支护过程中获得相应的数据。预埋监测设备获取的数据可以与后续监测数据作对比，通过现场实测真实地反映实际工程中的真实响应。

3.2 现场锚固系统实验

现场锚固系统实验指的是在工程现场开展的针对锚固系统的实验。“标准3”中对锚杆支护施工质量检测和监测提出了具体要求，其中检测的主要内容包括钻孔施工质量、锚杆锚固力、锚杆安装几何参数、锚杆预紧力矩、托盘及组合构件等的安装质量、喷射混凝土强度及厚度等；监测的主要内容包括巷道表面及围岩深部的位移、顶板离层、锚杆锚索工作载荷、喷层受力等。此外，“标准3”还给出了“短锚固树脂锚杆拉拔试验”、“锚杆拉拔试验”的试验方法，这2 项测试现场可使用液压千斤顶、锚杆拉力计、直读式压力表等工具[27]。一些前述的研究锚杆构件、锚固系统的实验室研究方法也可直接用于现场，如使用锚杆拉力计进行原位拉拔，与室内实验相比主要区别在于围岩介质和受力状态的差异，而拉拔方面的原理几乎与室内实验差异不大，且锚杆拉力计同样可用于室内拉拔实验[77]。

康红普院士[13]按照围岩位移、采动应力、支护体受力和变形3 个维度，总结了相应的监测内容、具体监测指标、监测仪器等。参照已有研究，本文按照实验目的，将现场锚固系统实验主要分为3 类：

1）检测性实验。侧重于对工程质量的检测，一般检测技术成熟，检测的结果具有可比性、可评价性，主要目的在于检测工程质量是否符合要求。

2）监测性实验。侧重于获得过程性数据，也即持续时间相对较长、需要多次进行，而且监测指标往往增加了时间这一变量，如检测中的位移在监测中进一步扩展为变形速度，受力扩展为受力的变化趋势等。监测性实验可以利用现有的、成熟的检测性技术，也可以利用多参量、在线连续监测等手段。锚杆支护中监测实验的主要目的在于发现灾害的前兆信息、掌握矿山压力显现的规律、为未来更合理的工程设计提供依据等。

3）研究性实验。研究性实验又可分为3 类：①构件或要素在锚固系统中的响应研究：如将锚固长度、锚杆直径等作为单一变动要素考察，运用现场拉拔实验来研究锚杆的锚固性能[78]，再如研发了新型测力锚杆，需要在现场测试其性能[79]；②支护系统研究：针对锚固系统或锚固支护体系而言，一般指新型锚固支护技术的工业性试验，体现在锚固材料、支护参数、支护工艺等方面与原支护形式存在差异，与构件类研究相比，支护系统研究更加注重支护的整体效果，而且从现有研究来看，研究性实验往往需要借助检测性实验或监测性实验来证明其合理性，如其他条件相同时，采用新支护技术的试验段的巷道变形量要明显低于原支护设计段，很多研究用类似的监测结果来证明新支护技术的有效性，但需要特别注意的是，由于实际煤岩体并非理想的均质材料，不同支护段的煤岩体存在差异是必然的，大量研究并没有论证这种差异的程度而默认其可接受、可等同，由此造成过于完美的监测结果和结论反而未必可信，这并不是说新技术没有效果，而是需要提醒研究人员应注意，实验条件改变时，变量的影响是否可以一笔带过而认为结果是可以直接进行比较的；③与锚固系统相关的研究：这类研究实验的侧重点往往不是直接研究锚杆构件和锚固系统，而是使用一部分相关的数据来研究其他问题，如：在研究锚杆轴力或锚固缺陷的无损检测技术中，重点关注的是无损检测的效度，与锚固系统相关但又不是重点关注锚固系统的性能[80]，类似的，研究爆破震动对锚杆轴力损失的影响，其大前提是爆破振动，运用无损检测技术对锚固系统进行检测，但更突出研究爆破震动的影响，这一影响来自锚固系统之外[81]，在关联性分析方面，将锚固系统监测中的变量与工作面推进速度、超前支护距离、煤岩体稳定性等进行分析[82-84]，则可以建立更加全面的矿压图景，这也区别于单独对锚固系统的研究。

对于现场实验而言，3 种实验并不是完全割裂的，而是动态可转化的、可综合利用的。连续的检测实验有可能变为监测实验，研究实验中可能会使用检测或监测的手段，而逐渐成熟的研究实验成果则可能变为新的检测、监测方法，再加上实际可供检测和监测的变量较多，实际研究中有可能会综合利用各种实验方法。

但应注意到，目前非常多的现场实验都属于事后研究，而不是预先或同步现场实验。比如现场所采用的常规拉拔实验，实际上是锚杆安装后所进行的实验，但是从开挖巷道、进行支护，这个过程性的数据是缺失的。类似的，巷道开挖后非常关注巷道表面的变形，但是从开挖前到支护完成前的煤岩内部变形数据，是缺乏同步监测的。这造成，表面上看似乎有些新技术实施后确实出现了围岩变形被控制的结果，但如何被控制的，并没有过程性的数据来支撑。与之相关的，近年来，智能开采、透明工作面、数字孪生等也是本领域研究的热点[85-86]，但这些研究较多的关注透明地质、实时虚拟、数字化建模等内容，要建立精准的数字孪生像，全过程的变量监测就是必不可少的。而且从时间而言，预先设计、同步连续全程监测要优于现在的事后监测。

4 总 结

1）从实验的研究对象而言：宏观的研究对象为锚杆支护工程，室内锚固系统实验通常以宏观的局部或对宏观进行相似模拟为主，研究对象往往是锚杆支护工程的一个局部。按照还原论进行要素拆分，锚杆构件层面的研究对象包括锚杆、锚固剂、托板、螺母、垫圈、连接件、锁紧装置、吸能构件、金属网、钢带、钢筋托梁等。此外，从锚固系统而言，被锚固体也是重要的研究对象，且有可能被单独研究。

2）从实验的选题而言：几乎绝大部分研究都可以被归为性能研究，也就是研究单体或组合构件、锚固系统、锚固工程的性能。另有少部分选题为多因素耦合研究、对理论分析的验证性研究，但这部分选题往往也要借助性能研究的指标来论证。由此而言，目前关于锚杆的物理实验研究有很大程度上带有实用主义色彩，而不实用的研究有可能被主流研究人员所忽略。但实用本身是受到特定时空限制的，当前看似不实用，在未来有可能变为很实用。

3）从实验方法的学科归属而言：力学、材料学特征最为明显，特别是拉伸类实验相对较多，这与选题的实用主义一致。此外，锚固剂或金属腐蚀方面可能涉及化学，监测中的设备可能涉及自动化、仪器类等学科。

4）从实验的设备而言：力学设备属于主要设备，测力和测量长度的设备设施属于主流选择，时间通常采用计算机自动记录的方式。需要注意的是，在实验设备和实验评价方面包含2 种基本模式：①为了评价而选定设备；②限于设备而做出评价。前者往往自主性、研究性更强，而后者往往是利用成熟的实验设备。若将二者结合，则可以在已有设备的基础上做出组合创新。

5）从实验的评价而言：力、长度、时间是锚杆物理实验中的基本评价单位，其中力是质量、长度和时间这3 个基本物理单位的综合，但因为力学实验相对较多，使得力的独立性突出。由基本评价单位，可进一步使用强度（抗拉、抗剪、屈服、极限等）、能量（做功、储能、吸收能、耗散等）、变化率（与选定参考点指标的比值）、变化趋势等评价指标。

5 展 望

尽管前述研究已勾勒出了我国在锚杆物理实验方面的主要研究内容，甚至部分成熟测试技术已形成固定的研究范式。这也意味着，已有范式可能会制约创新。在未来，创新和深入的研究可从以下方面着手：

1）综合运用多学科研究方法。除当前主要采用的力学、材料学的研究方法外，未来，在跨学科方面还需关注地质学、数学、物理学、机械、测量、土木、纺织科学等学科的研究方法，在研究思想方面，还应注意吸收借鉴哲学的已有研究。既可以直接利用其他学科的成熟研究方法，也可以在跨界过程中发现新的可研点，通过综合运用多学科研究方法，建立更全面的研究图景。

2）加大对原位被锚固体的关注。从前面的论述不难看出，当然很多研究聚焦的是锚杆构件和相对较小的锚固范围，而对于工程而言，巷道支护工程的2 大特点：一是位于地下，造成巷道支护要承受覆岩、地质构造、地应力等多种因素影响；二是受开采扰动影响，甚至是平面上二次扰动、空间上不同层位扰动，这意味着仅仅关注锚固系统中的构件，是远远不够的。不仅应加大对直接被锚固体的关注，还应从更广阔的工程视角、地质视角等对原位被锚固体给予关注。从以往对静态材料的关注，转向对材料动态、动态材料的关注。

3）借鉴系统科学理念。已有研究中，相当多的研究是针对简单问题的回应，如利用拉拔实验研究改变锚杆直径后的性能、监测锚杆不同分段的轴力变化。即便是对于锚固系统，在评价方面，引入了测力、位移、电磁辐射、红外测温、风速、湿度等多参量监测手段，仍是不够全面的。除系统工程中的数学思维外，系统科学的哲学思想同样值得关注。而且，还原论的要素观和系统论中的整体不可分理念，有可能是需要结合具体问题来做取舍或综合运用的。