冲击矿压巷道支护锚杆杆体材料优选林健

　第41卷第3期煤　　炭　　学　　报Vol.41　No.3　　2016年3月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYMar.　2016　林健,吴拥政,丁吉,等.冲击矿压巷道支护锚杆杆体材料优选[J].煤炭学报,2016,41(3):552-556.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.0616LinJian,WuYongzheng,DingJi,etal.Optimizationofboltrodmaterialusedinrock-burstroadwaybolting[J].JournalofChinaCoalSo-ciety,2016,41(3):552-556.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.0616冲击矿压巷道支护锚杆杆体材料优选林　健1,2,吴拥政1,2,丁　吉3,杨景贺1,2,何　杰1,2(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京　100013;2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京　100013;3.安阳龙腾特钢制造有限公司,河南安阳　455000)摘　要:针对目前冲击矿压巷道锚杆支护存在变形量大、锚杆易破断的问题,在实验室对HRB400,HRB600和CRM600三种锚杆杆体材料进行了常规力学性能试验和冲击载荷下力学性能试验。试验结果表明,CRM600锚杆材料不仅能够满足常规巷道支护的要求,在冲击载荷作用下表现出优越的瞬时延伸性能和吸能能力。在瞬时冲击载荷作用下,CRM600锚杆材料总变形量为HRB600锚杆材料的7.9倍,为HRB400锚杆材料的1.5倍;冲击全过程总吸收能量为HRB600锚杆材料的4．2倍,为HRB400锚杆材料的2.1倍。CRM600锚杆在冲击矿压巷道支护井下工业性试验中克服了锚杆破断的问题,巷道变形得到有效控制。关键词:冲击矿压;巷道;锚杆支护;杆体材料;优选中图分类号:TD353．6　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-9993(2016)03-0552-05收稿日期:2015-05-04　　修回日期:2015-05-20　　责任编辑:许书阁　　基金项目:国家自然科学基金煤炭联合基金资助项目(U1261211);国家自然科学基金青年资金资助项目(51304119);中国煤炭科工集团科技创新基金资助项目(2013MS010)　　作者简介:林　健(1969—),男,山东曹县人,研究员,硕士生导师。Tel:[phone],E-mail:[e-mail]materialusedinrock-burstroadwayboltingLINJian1,2,WUYong-zheng1,2,DINGJi3,YANGJing-he1,2,HEJie1,2(1.CoalMiningandDesigningDepartment,TiandiScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Beijing　100013,China;2.CoalMiningandDesigningBranch,ChinaCoalResearchInstitute,Beijing　100013,China;3.AnyangLongtengSteelManufacturingCo.,Ltd.,Anyang　455000,China)Abstract:TheconventionalmechanicalpropertytestsandmechanicalperformancetestsundertheimpactloadofthreeboltrodmaterialofHRB400,HRB600andCRM600wereconductedinthelaboratoryinviewoflargedeformationandboltfractureproblemintherock-burstroadways.ThetestresultsshowthattheboltrodmaterialofCRM600cannotonlymeettherequirementsofconventionalroadwaysupport,butalsoshowasuperiorinstantaneousextensionperform-anceandenergyabsorptionabilityunderimpactloading.ThetotaldeformationofCRM600boltrodmaterialundertransientimpactloadingis7.9timesofHRB600boltrodmaterial,and1.5timesofHRB400boltrodmaterial.Theto-talabsorptionenergyofCRM600boltrodmaterialinthewholeimpactprocessis4.2timesofHRB600boltrodmate-rial,and2.1timesofHRB400boltrodmaterial.CRM600boltsovercomestheproblemofboltrodbreakintheunder-groundindustrialtestofroadwayboltingsupportunderrock-burst,andthedeformationofroadwaywaseffectivelycon-trolled.Keywords:rock-burst;roadway;bolting;rodmaterial;optimization　　冲击矿压是煤矿生产中常见的一种动力现象,常造成巷道急剧变形或破坏、人员伤亡、甚至造成地面建筑破坏。随着我国煤矿开采深度的不断增加和地质条件日益复杂化,煤矿冲击矿压现象日益突第3期林　健等:冲击矿压巷道支护锚杆杆体材料优选出,冲击强度也不断加大,其造成的危害性也越来越大[1]。冲击矿压现象主要反映在煤矿巷道中,如何保证发生冲击矿压现象时巷道在变形较大的情况下不发生失稳破坏一直是国内外专家学者研究的重要方向之一。在冲击矿压巷道支护理论方面,我国学者进行了大量研究工作,并取得了显著成果。潘一山等[2]针对冲击地压矿井巷道支护提出了提高支护刚度和快速吸能让位支护的设计思路,通过采用刚度较大的梁体和工作阻力较高的液压支柱来增加支护体系的整体刚度,通过采用多孔泡沫金属材料或吸能构件快速吸能让位,最终防止支护体系失效与巷道破坏;窦林名等[3]提出冲击矿压的强度弱化减冲理论,即采取松散煤岩体,降低强度和冲击倾向性,使得巷道浅部煤岩体中所积聚的弹性应变能达不到最小冲击能,从而防治冲击矿压的发生;姜耀东等[4]总结归纳了近年来我国在冲击地压防治技术方面的研究成果以及存在问题,指出了今后我国煤矿提高冲击地压防治水平的努力方向。包括采用采矿优化设计方法以避免冲击地压的发生、对已具有冲击危险的区域进行解危、通过增大支护强度或改善支护方式以提高支护体抵抗冲击的能力等。鞠文君[5-6]提出在冲击矿压矿井巷道锚杆支护中,锚杆支护的作用原理是对围岩体整体强度的强化作用、对围岩应力状态的改良作用、对围岩变形破坏的约束作用和对冲击剩余能量的吸收作用,并据此提出了冲击矿压巷道锚杆支护设计的能量校核法。高明仕等[7]建立了冲击矿压巷道围岩稳定性控制的强弱强(3S)结构力学模型,分析了该力学模型防冲抗震机理,在结构自身强度、应力转移和吸收、变形及能量耗散等方面分别表现出不同的3S特征,提出要通过减小外界震源载荷、合理设置弱结构、提高支护强度等措施来防范巷道冲击矿压动力灾害。以上理论研究成果在实验室或现场均得到了不同程度的验证,均取得较好地应用效果[8-14]。锚杆支护作为巷道支护的主要形式,在冲击矿压矿井巷道支护中应用也非常广泛。在冲击矿压巷道中,由于往往需超前或滞后掘进工作面进行卸压解危施工,包括顶板深孔爆破、煤层卸载爆破、煤层高压注水、大孔卸压法、断底爆破法、煤层高压水力压裂、底板切槽法等,导致巷道在掘进期间煤岩体非常破碎,支护困难,巷道变形大。在冲击矿压发生时,由于瞬时冲击波的作用,常规锚杆经常出现破断现象,进而引起巷道局部或大面积冒顶事故。因此,冲击矿压巷道对锚杆支护材料提出了更高的要求,不仅要求在静载条件下具有较高的强度和延伸率,在冲击载荷作用下锚杆杆体材料的瞬时延伸率和吸能作用更为重要。目前,经热处理工艺加工而成的高强度高韧性锚杆的研制已经成功,并在煤矿现场得到部分应用,取得了显著的效果[15-16]。本文针对冲击矿压巷道对锚杆的一般要求和特殊要求,对目前煤矿巷道支护常用的热轧锚杆杆体材料和最新研制的热处理高强度高韧性锚杆进行了详细的静载和冲击载荷下力学性能对比试验研究,试验表明热处理高强度高韧性锚杆静载下力学性能和普通热轧锚杆基本一致,但在冲击载荷作用下其瞬时延伸性能和吸能能力远远大于普通热轧锚杆,非常适合冲击矿压巷道锚杆支护,并在河南义马千秋煤矿进行了井下工业性试验,取得较好地支护效果。1　试验锚杆杆体材料类型目前煤矿巷道锚杆支护采用的锚杆杆体材料主要为普通热轧左旋无纵肋螺纹钢,按强度分为4个级别:HRB335,HRB400,HRB500和HRB600。选取热轧左旋无纵肋螺纹钢HRB400,HRB600和热处理左旋无纵肋螺纹钢CRM600锚杆钢材进行了静载和冲击载荷条件下力学性能对比试验。2　锚杆杆体材料静载条件下力学性能试验设备采用JAW-1500型电液伺服材料试验机和配套卡具。3种锚杆的公称直径均为22mm,从抽取的锚杆上截取长度700mm的螺纹钢杆体,作为力学性能测试试件。拉伸试验两端钳口夹持长度各100mm,钳口间试验平行长度500mm。锚杆杆体静载条件下力学性能测试内容包括最大负荷、破断力、屈服载荷、抗拉强度、屈服强度、弹性模量、标志载荷点变形量、破断伸长量、破断伸长率等。试验采用GB/T228—2002“金属材料室温拉伸试验方法”标准。3种锚杆杆体材料拉伸试验试验结果见表1,曲线如图1所示。从试验曲线和数据表中数据可以看出,随着锚杆钢号的提高,锚杆杆体的屈服强度和极限强度不断提高,屈强比和弹性模量也不断提高,杆体的延伸性能却随之降低。3种锚杆杆体材料无论从强度、断后伸长率和最大力总伸长率上均满足GB1499．2“钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋”的要求。虽然CRM600锚杆杆体在强度上略低于热轧锚杆杆体,在伸长率方面也略小于热轧锚杆杆体,但远大于MT146．2-2011“树脂锚杆第2部分:金属杆体及其附件”对锚杆断后伸长率不小于15%的要求,均可满足普通巷道锚杆支护的要求。355煤　　炭　　学　　报2016年第41卷表1　锚杆杆体材料试验数据Table1　Testdataofboltrodmaterial序号锚杆类型最大负荷/kN强度/MPa抗拉上屈服下屈服屈强比弹性模量/GPa断面收缩率/%断后伸长率/%标志载荷点试件伸长率/%最大力上屈服点下屈服点1HRB400231．326104104050．6619065．030．518．62．03．22HRB600306．748056616500．8121862．022．017．32．03．93CRM600299．577756606500．8420369．521．514．12．44．4图1　锚杆杆体负荷-位移曲线Fig．1　Load-displacementcurvesofboltrod3　锚杆杆体材料冲击载荷下力学性能锚杆杆体材料冲击载荷试验采用ASME示波冲击试验机和标准试样(10mm×10mm×55mm试样,缺口深2mm)。试验依据GB2106“金属夏比(V型缺口)冲击试验方法”测定。在冲击力的作用下,试样的断裂过程与静拉伸一样,仍然表现为弹性变形、塑性变性和断裂3个阶段,只是变形速度不同。为便于分析和理解,现将试验曲线中各特征值表示如图2所示。图中,Fgy为屈服力;Fm为最大力;Fiu为裂纹启裂力;Fa为裂纹止裂力;Sgy为屈服位移