新型让压吸能玻璃钢锚杆设计研究

新型让压吸能玻璃钢锚杆设计研究

李季、胡旭光、曲立峰

黑龙江龙煤鸡西矿业有限责任公司，鸡西  158100

摘要：为解决玻璃钢材料在抗冲击能力和韧性方面表现较差，在高地压环境应用受限等问题，研发让压吸能玻璃钢锚杆，与传统玻璃钢锚杆相比，新型锚杆设有吸能装置能够吸收荷载通过杆体传递而来的冲击力。通过实验室与仿真研究，让压吸能玻璃钢锚杆能够满足静态和冲击地压环境下的巷道支护要求。

关键词：巷道支护；玻璃钢；让压

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1.概述

玻璃钢锚杆是一种在煤矿井下巷道工程中广泛应用的复合材料，主要用于巷道、硐室和矿井等地下空间结构的支护，发挥稳定围岩的作用，从而有效地防止巷道和矿井的变形和坍塌事故。与传统的钢质锚杆相比，玻璃钢锚杆不仅具有较高的强度和刚度，而且重量轻、防腐耐酸性能好，可以提高工程安全性和经济性。总之，玻璃钢锚杆在矿山井下工程中的应用较为成熟、现状良好，目前也已被广泛应用于隧道、地铁和边坡等交通、城市地下工程领域[1]。随着技术的不断进步，它将在地下工程领域中发挥越来越重要的作用。

2.研究背景和意义

尽管玻璃钢锚杆具有很多优点，但在煤矿井下替代钢锚杆应用仍然存在一定的挑战和限制，主要表现在以下几个方面：①玻璃钢锚杆制造成本相对较高，较高的造价意味着难以大规模替代；②煤矿井下地质环境复杂，玻璃钢锚杆的耐磨性和耐久性方面可能需要进一步改进；③最重要的一点是玻璃钢材料在抗冲击能力和韧性方面表现较差，由于其主要成分是玻璃纤维和树脂，这种复合材料不具备塑性变形的能力，在受到冲击时容易发生脆裂。因此，在需要承受冲击或动载负荷的应用场景中，玻璃钢材料的使用受到极大限制。

让压吸能玻璃钢锚杆的研究意义在于通过巧妙的结构设计，规避其塑性变形差的应用缺点，改进和提升传统玻璃钢锚杆的抗冲击性能，使其能够更好地适应诸如采动、高地压和冲击地压的复杂巷道环境，大大提高其应用范围和效果，为煤矿井下深部巷道支护提供更优质的材料选择和解决方案。

3.让压吸能玻璃钢锚杆设计

让压吸能玻璃钢锚杆主要由全螺纹杆体、托盘、吸能套件和螺母组成[2]，如图1所示。玻璃钢杆体主要承受拉力和压力，是发挥支护功能的主体部分，全螺纹结构便于生产的同时提高了杆体的抗扭性能，托盘和吸能套件中心孔依次穿过一端杆体后，由螺母旋紧锚固。托盘作为支撑件与煤壁接触，能够承受锚固力的传递和分散。吸能套件（图2）主要包括套筒和圆台两部分，是让压和吸能的核心部件，能够吸收荷载通过杆体传递而来的冲击力，提高锚杆的安全和稳定性。

图1 让压吸能玻璃钢锚杆实物图

图2 吸能套筒实物图

让压吸能玻璃钢锚杆安装在巷道后，随着巷道围岩变形，作用在让压锚杆上的力逐渐增加，让压锚杆杆体开始发生弹性形变。当作用在让压锚杆上的力增加到吸能套筒承载力(设计值)时，圆台螺母沿吸能套筒内壁滑移，吸能套筒开始让压变形，让压锚杆杆体停止弹性形变。吸能套筒塑性变形直接吸收围岩变形能，其让压变形阶段有效提高了锚杆的抗冲击性能，从而提高了“锚杆-巷道围岩”支护体系的稳定性。如果巷道围岩持续变形，吸能套筒变形让压结束后，让压锚杆又开始弹性形变。持续增加的作用力达到让压锚杆破坏载荷，让压锚杆被拉断而失效。

让压吸能结构主要由扩径圆台和吸能套筒构成，扩径圆台上半部分为空心圆台，下半部分为空心圆柱。吸能套筒为薄壁圆管，由Q345或更高强度钢材制作。为使吸能套筒在使用过程中具有更好的恒阻性能，其一端设计为喇叭口，喇叭口由与扩径圆台同尺寸的模具冲压而成。

4试验和仿真研究

4.1杆体试验

采用微机屏显式万能试验机进行玻璃钢锚杆杆体拉伸试验，主要包括加载系统、控制系统和显示系统三部分。为了保证试样的一致性，试验所用的原材料是生产线上截取的同一根直径φ22的玻璃钢杆体。

由于玻璃钢杆体横向抗压强度较小，为保证试验的顺利实施，对杆体实验过程中的夹持部位采取保护措施，避免被压碎等，在试验开始前将玻璃钢杆体两端与钢管胶结。

选取3段玻璃钢杆体加工后试件并进行拉伸试验，本试验在室温的环境下进行，在正式试验前单独用1个试样对万能材料试验机进行测试，确保无异常后，开始正式试验。测试过程中采用位移控制的方式来施加荷载，根据试样的尺寸设置拉伸速度为1mm/min。直至试件断裂或载荷从最大值迅速下降，自动停止加载，记录试验过程中完整的荷载位移关系，进而获取应力应变关系曲线，试验结果和分析如表1所示。

表1 杆体试验结果

从荷载位移关系可以看出，玻璃钢杆体从拉伸到破坏主要为2个阶段，分别为弹性阶段和破坏阶段。在弹性阶段，玻璃钢杆体承载力和位移近似呈直线上升，当达到破坏载荷后，玻璃钢杆体进入破坏阶段，承载力突然下降，印证了玻璃钢杆体是一种

脆性材料。3组试件的试验结果可以得出：玻璃钢杆体具有高承载力但延伸率低的力学特性。

4.2力学仿真

利用有限元软件ABAQUS建立让压吸能玻璃钢锚杆有限元模型，模拟现场工况下的受冲击拉伸过程，研究和验证吸能套件作用的动态特性和边界参数。模拟仿真结果如表2所示

结果可知：①常规锚杆和让压锚杆的破断载荷接近，没有变化；②让压锚杆在不同冲击速度、相同破断载荷下，破断位移大大提高，说明其在拉伸过程中实现了让压过程，能够承受一定范围内的变形和冲击，具有更好的抗冲击和承载性能。

5总结

吸能锚杆从设计和实验、仿真结果来看，具有较好的延伸率和较强的抗冲击力学性能，具备满足冲击地压巷道支护要求的潜力，静态压力下抗的住压，冲击地压下让的了压。下一步，技术方案拟进行工业性试验的方式，不断论证和改善，努力实现推广应用。

参考文献：

[1]宋远霸.FLAC3D中锚杆拉、剪破断力学模型二次开发及应用[D].中国矿业大学,2018.

[2]宋立兵,王惠风.全断面矩形巷道高效快速支护技术研究[J].能源科技,2020，(7).

作者简介：李季（1987—），男，黑龙江鸡西人，高级工程师，本科，从事煤矿安全生产技术与管理相关工作。