王爱文1,2,5，高乾书1，代连朋1，潘一山1,3，张建卓4，陈建强5
(1.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000; 2.辽宁工程技术大学 冲击地压研究院，辽宁 阜新 123000; 3.辽宁大学，辽宁 沈阳 110036; 4.辽宁工程技术大学 机械工程学院,辽宁 阜新 123000; 5.神华新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830027)
摘 要:利用自主研制的静-动加载试验系统开展了等强与非等强螺纹钢锚杆的静力拉伸实验及有无预应力加载的动力冲击实验。结果表明:在静荷载作用下等强与非等强螺纹钢锚杆都经历了“线弹性变形—屈服平台—强化阶段—径缩破坏”的4个阶段;冲击加载时锚杆的屈服阶段可划分为瞬态屈服与稳态屈服，瞬态屈服的峰值载荷明显高于稳态屈服载荷，且相同直径条件下与静力加载相比锚杆屈服伸长量减小;当冲击能量低于9 kJ时，锚杆杆体能承受多次冲击扰动，且冲击后能够保证足够的杆体强度，但当冲击能量高于9 kJ时，锚杆抗冲吸能性能显著下降，低能量冲击时非等强螺纹钢锚杆的抵抗能力明显优于等强螺纹钢锚杆;无论从锚杆的动态轴力-位移曲线还是从锚杆的峰值载荷与伸长量上看，预应力对冲击载荷下锚杆的动力响应特征无明显影响，但进行防冲支护时，有必要提高预应力加载水平。
关键词:冲击地压;锚杆;静-动力学性能;预应力冲击;冲击适用性
中图分类号:TD324;TD353
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2018)11-2999-08
WANG Aiwen1,2,5，GAO Qianshu1，DAI Lianpeng1,PAN Yishan1,3，ZHANG Jianzuo4，CHEN Jianqiang5
(1.School of Mechanics and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China; 2.Research Institute of Rock Burst,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China; 3.Liaoning University,Shenyang 110031,China; 4.College of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China; 5.Shenhua Xinjiang Energy Co.,Ltd.,Urumchi 830027,China)
Abstract:In order to study the mechanical performance of whorl steel anchor under static and dynamic loads,the self-developed static and dynamic loading test system was used to carry out a static tensile experiment and dynamic impact experiment under the prestress loading or non-prestress load on the equal strength and non-equal strength rebar bolts.The results show that under static loading,equal strength and non-equal strength rebar bolts all have experienced four stages:“linear elastic deformation-yielding platform-strengthening stage-radial shrinkage failure”;under impact loading,the yielding stage of anchor bolt can be divided into transient yield and steady yield.The peak load of transient yield is higher than that of steady yield load,and the corresponding yield elongation of bolt decreases;with the increase of bolt diameter,the yield elongation increases under impact condition.Compared with the equal strength anchor bolts,non-equal strength bolts have good adaptability under impact loading.When the impact energy is less than 9 kJ,the anchor rod body not only can withstand multiple impact disturbances,but also can ensure enough strength after impact.Whereas,when the impact energy is higher than 9 kJ,the energy dissipation capability of the bolt decreases significantly.No matter from the dynamic axial force-displacement curve or the peak load and elongation of the bolt,the prestress has no obvious influence on the dynamic response characteristics of the bolt under the impact load,but it is necessary to improve the loading level of the prestress for anti-impact bolt support.
Key words:rock burst;rebar bolt;static-dynamic performance;impact loading with prestress;adaptability under impact loading
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王爱文，高乾书，代连朋，等.锚杆静-动力学特性及其冲击适用性[J].煤炭学报,2018,43(11):2999-3006.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.8020
WANG Aiwen，GAO Qianshu，DAI Lianpeng，et al.Static and dynamic performance of rebar bolts and its adaptability under impact loading[J].Journal of China Coal Society,2018,43(11):2999-3006.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.8020
收稿日期:2018-08-09
修回日期:2018-11-15
责任编辑:郭晓炜
基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804205，2017YFC0804201);国家自然科学基金资助项目(51574140)
作者简介:王爱文(1982—)，男，辽宁建昌人，副教授，博士。E-mail:waw_lnt@126.com
冲击地压是我国煤矿开采过程中的严重动力灾害之一，经常造成巷道大范围突然破坏。防冲支护是冲击地压防治工作中的一项必要内容，逐渐成为研究的热点与难点问题[1-2]。在此方面，国内外专家学者展开了大量研究工作:康红普等[3]研究了锚杆支护的力学性能并对锚杆支护的相关参数进行了改进，对冲击地压巷道的安全防护效果较为理想;何满潮等[4]针对冲击地压作用下煤矿巷道围岩变形较大的实际情况，对锚杆(索)的负泊松比材料进行了研究，设计了高恒阻大变形锚索;王爱文等[5]通过研究吸能防冲锚杆索振动特征及动力学响应，指出了吸能防冲锚杆(索)在防控煤矿巷道围岩变形的优势。目前，关于冲击地压巷道支护的研究多集中于新型材料、新型支护构件等新材料新构件的研发，这些研究成果的应用虽然取得了良好的支护效果，但大幅度提高巷道支护成本，也忽略了对目前广泛使用、成本低廉的螺纹钢锚杆的静动力学性能研究，冲击地压发生时巷道围岩变形破坏具备显著的动力学特征，造成锚杆支护结构频繁承受动载冲击或是高静载叠加动载冲击，导致支护失效[5-13]。因此，研究锚杆在不同加载条件的静-动力学性能，分析其对冲击地压巷道支护的适用性，对煤巷锚杆支护防治巷道冲击地压具有重要意义。笔者通过静力拉伸实验、动力冲击实验以及预应力冲击实验，研究了不同试验条件下螺纹钢锚杆力学性能，以期为冲击地压巷道锚杆的支护设计及改进提供参考与借鉴。
试验系统采用自主研制的静-动加载系统，如图1所示。该试验系统可对试件进行准静态拉伸、冲击拉伸以及不同预应力水平下的冲击拉伸。静-动加载系统原理及参数见文献[14]。
实验所用的锚杆主要是选取矿用等强螺纹钢锚杆与非等强螺纹钢锚杆两类锚杆，每类选用了φ22，20与18 mm三种直径。根据锚杆支护有效长度及支护效果等因素，实验过程中所选用的长度为2 200 mm。矿用等强螺纹钢锚杆的材质为20MnSi，非等强螺纹钢锚杆的材质为BHRB400。考虑到锚杆在支护过程中，其力学响应主要表现为在承受荷载过程发生变形，所以在实验过程中主要考察了静力拉伸实验、动力冲击实验以及预应力载荷加载等3种典型的静动力实验条件下锚杆的轴力-位移关系曲线，以期探究矿用等强螺纹钢锚杆和非等强螺纹钢锚杆静动力性能。
图1 试验系统
Fig.1 Testing system
在对锚杆进行动力冲击实验以及预应力载荷加载等动力实验之前，需要对其静力学性能进行测定，以保证后续系列典型实验数据的可靠性。通过等强与非等强螺纹钢锚杆的静力学拉伸实验，可以得到在静荷载作用下等强与非等强螺纹钢锚杆的力学性能(表1)，同时也获得了其静力拉伸实验时的轴力-位移曲线如图2所示。通过对比分析图2和图3的静力拉伸条件下等强与非等强螺纹钢锚杆的轴力-位移,发现在静荷载作用下等强与非等强螺纹钢锚杆都经历了“线弹性变形—屈服平台—强化阶段—径缩破坏”的4个阶段，但是其轴力-位移曲线整体相似局部差别较大，而且随着其直径的增加，产生相同的位移所需要的轴力更大。非等强螺纹钢锚杆静力拉伸发生径缩破坏现象时，所需要的轴力及产生的位移均明显高于等强螺纹钢锚杆。综上可知:由于材料性质与杆体形状的差异，在纯静载拉伸作用下非等强螺纹钢锚杆的静力学性能显著优于等强螺纹钢锚杆的静力学性能。直径为18 mm的非等强螺纹钢锚杆在多次实验时均出现了螺纹部断裂或失效，而直径为20,22 mm的非等强螺纹钢锚杆的尾部螺纹并没有影响杆体整体力学性能。
表1 螺纹钢锚杆静载荷下的力学性能
Table 1 Mechanical properties of strong rebar anchor under static tensile
注:实验段长度为1 900 mm。
图2 等强、非等强螺纹钢锚杆静力拉伸时的轴力-位移
Fig.2 Axial force-displacement of strong and non strong rebar anchor under static tensile
图3 不同冲击条件下等强螺纹钢锚杆动态响应
Fig.3 Dynamic response of rebar anchor under different impact conditions
综合对比各个静力学指标，从防冲支护角度考虑，直径为22 mm的非等强螺纹钢锚杆可以优先考虑，但在具体井巷工程中锚杆往往承受拉-弯-扭-剪复杂的应力状态，尤其是锚杆尾部螺纹段。因此，在实际使用中应考虑到非等强螺纹钢锚杆尾部螺纹在复杂应力状态下的力学性能劣化效应，应当对锚杆尾部螺纹段进行优化和防护。
选用直径为22 mm，长度为2.2 m的等强螺纹钢锚杆与非等强螺纹钢锚杆进行动力冲击实验。冲击危险巷道频繁发生不同震级、不同能量的微震事件，导致锚杆杆体经常承受不同能量的动载拉伸作用，为了最大限度的接近冲击危险巷道锚杆的实际受力工况，试验主要采用了低能量多次冲击、低能量循环冲击以及高能量一次冲击加载方式，其具体实验参数见表2。
表2 螺纹钢锚杆冲击实验方案
Table 2 Impact experiment scheme and parameters of rebar anchor
备注:实验段长度1 900 mm。
低能量多次冲击条件下等强螺纹钢锚杆的轴力-位移动态曲线如图3所示。分析不同冲击条件下等强螺纹钢锚杆的轴力-位移动态曲线可以发现:当冲击能量较小(<9 kJ)，等强螺纹钢锚杆杆体的轴力-位移曲线以线弹性的直线为主，说明此时等强螺纹钢锚杆处于弹性阶段，尚未进入屈服阶段，此时主要以线弹性响应为主，且有卸载回弹现象。当冲击能量较大(>9 kJ)，等强螺纹钢锚杆杆体的轴力-位移曲线出现了屈服平台，并发生屈服伸长现象，说明在较大的冲击能量作用下，等强螺纹钢锚杆容易发生屈服现象，并且其主要表现为恒阻屈服特征。
为了更好的探讨在多次冲击荷载循环冲击作用下等强螺纹钢锚杆的力学特性，分别测试了直径为22 mm的等强螺纹钢锚杆在一次冲击及多次不同能量循环冲击条件下的伸长量、屈服荷载以及屈服伸长量等，数据见表3，动态轴力-位移曲线如图4所示。可以看出，在相同实验长度条件下低能量循环冲击时锚杆破断的极限伸长量为377 mm，这明显大于高能量一次冲击破断时的极限伸长量330 mm，但破断载荷为200 kN，小于一次冲击破断载荷210 kN。由图4与表3可知，对于直径为22 mm的等强螺纹钢锚杆来讲，当一次冲击能量低于9 kJ时，锚杆以弹性变形为主，大部分能量以弹性能形式储存在锚杆杆体中，仅有极小部分能量用于锚杆的塑性消耗;当一次冲击能量大于20 kJ时，锚杆以塑性变形为主，大部分能量消耗于锚杆杆体的塑性伸长，仅有少部分能量以弹性能的形式储存在锚杆杆体中，此时锚杆出现应变硬化现象，塑性变形能力显著下降，再以相同的冲击能量进行重复冲击时，锚杆杆体再次以弹性变形为主，大部分能量以弹性能形式储存在锚杆杆体中，仅有极小部分能量用于锚杆的塑性消耗;只有在冲击能量显著增大的情况下，锚杆再次表现为以塑性变形为主，当冲击能量大于30 kJ时，锚杆表现为屈服伸长直至破断，该阶段的屈服阻力稍大于锚杆杆体破坏载荷，此时锚杆杆体的应变硬化现象削弱。
表3 等强螺纹钢锚杆冲击载荷下的力学性能
Table 3 Mechanical properties of strong rebar anchor under impact load
图4 循环冲击、高能量一次冲击下等强螺纹钢锚杆动态响应
Fig.4 Dynamic response of strong rebar anchor under cycle impact energy and high impact energy at a time
由以上分析可知，在锚固质量较好的前提下，对于低能量级别的冲击地压，等强螺纹钢锚杆具有良好的自适应性，冲击能量低于9 kJ时，锚杆杆体能承受多次冲击扰动，且冲击后能够保证足够的杆体强度，但当冲击能量高于9 kJ时，锚杆抗冲吸能性能显著下降。
不同冲击能量条件下非等强螺纹钢锚杆的轴力-位移动态曲线如图5所示。
图5 不同冲击能量下非等强螺纹钢锚杆动态响应
Fig.5 Dynamic response of strong rebar anchor under different impact energy
通过分析图5不同冲击条件下非等强螺纹钢锚杆的轴力-位移动态曲线可以发现:当冲击能量较小(<9 kJ)，冲击加载与快速卸载的工况下，非等强螺纹钢锚杆杆体的轴力-位移曲线以线弹性直线为主，但是也出现了部分的塑性变形，如图5所示，其子图为低能量冲击时的局部放大图;说明此时等强螺纹钢锚杆处于弹性阶段，尚未进入屈服阶段，主要以线弹性响应为主。当冲击能量较大(>9 kJ)，非等强螺纹钢锚杆杆体的轴力-位移曲线出现了屈服平台，并发生屈服现象，说明在较大的冲击能量作用下，非等强螺纹钢锚杆容易发生屈服破坏现象，且具有恒阻屈服特征，恒阻屈服阻力随着冲击载荷的增加而增大，最大恒阻力与锚杆杆体破断载荷相接近，为220 kN左右。
直径为22 mm的非等强螺纹钢锚杆在一次冲击及多次不同能量循环冲击条件下屈服伸长量及轴力位移图分别如图6(a)，表4所示。可以看出，在实验长度条件下低能量循环冲击时锚杆破断的极限伸长量为406 mm，这明显大于高能一次冲击破断时的极限伸长量385 mm。与等强螺纹钢锚杆相比，无论是多次循环冲击还是高能量一次冲击，非等强螺纹钢锚杆的动力学性能显著优于等强螺纹钢锚杆。
表4 非等强螺纹钢锚杆冲击载荷下的力学性能
Table 4 Mechanical performance of non strong rebar anchor under the impact load
60 kJ高能量一次冲击时不同直径非等强螺纹钢锚杆动态轴力-位移曲线如图6(b)所示，对比不同直径非等强螺纹钢锚杆静力拉伸条件的轴力-位移曲线图，可以看出:① 在冲击条件下不同直径的锚杆屈服载荷明显提高，随着锚杆的直径增加屈服载荷提升幅度增大，其中18 mm直径的非等强螺纹钢锚杆静力拉伸屈服载荷为102 kN，而冲击条件的屈服载荷为112 kN，提高9.8%;20 mm直径的非等强螺纹钢锚杆静力拉伸屈服载荷为118 kN，而冲击条件下的屈服载荷为132 kN，提高11.8%;22 mm直径的非等强螺纹钢锚杆静力拉伸屈服载荷为140 kN，而冲击条件下的屈服载荷为170 kN，提高21.4%。② 与静力加载相比，冲击加载时锚杆的屈服阶段可划分为瞬态屈服与稳态屈服。瞬态屈服的峰值载荷明显高于稳态屈服载荷，直径相同条件下，冲击加载时锚杆屈服伸长量小于静力加载条件下的伸长量，但随着锚杆直径的增加，冲击条件下屈服伸长量增加。③ 静力加载与冲击条件下直径为20和22 mm的非等强螺纹钢锚杆的极限伸长率与破断载荷大致相似，且尾部螺纹并没有影响到杆体的整体强度，但直径为18 mm的非等强螺纹钢锚杆存在尾部螺纹破断现象。
图6 循环冲击能量、高能量一次冲击下非等强螺纹钢锚杆动态响应
Fig.6 Dynamic response of non strong rebar anchor under cycle impact energy and high impact energy at a time
综上可知:当冲击地压的能量较低时，非等强螺纹钢锚杆的抵抗能力明显优于等强螺纹钢锚杆;非等强螺纹钢锚杆杆体抵抗多频次冲击荷载的动力扰动性能明显优于等强螺纹钢锚杆，尾部螺纹并没有影响到杆体的整体强度。
取直径为22 mm的等强与非等强螺纹钢锚杆(实验段长度1 900 mm)，在5种不同预应力水平下，分别采用20，30，40 kJ连续冲击加载3次得到不同2种类型锚杆的轴力-位移动态响应曲线，由于篇幅原因本文只给出预应力为90 kN时，2种类型锚杆的轴力-位移动态响应曲线如图7所示。
图7 预应力90 kN时等强与非等强螺纹钢锚杆的动态响应
Fig.7 Dynamic response of strong and non strong rebar anchor under prestress load of 90 kN
从锚杆的轴力-位移动态响应曲线整体变化规律上看，当预应力载荷低于120 kN时，连续冲击加载3次锚杆的轴力-位移曲线大体相同，均表现为第1次冲击锚杆塑性伸长量较大，随后的2次冲击，锚杆峰值载荷增加且变化平稳，但相对第1次冲击锚杆塑性伸长量明显减小，这与无预应力载荷下的锚杆变形规律相似。实验中各个试件在不同能量冲击下的伸长量有所差别可能是由于杆体本身材质差异所致。此外，无论从锚杆的动态轴力-位移曲线还是从锚杆的峰值载荷与伸长量上看，预应力载荷对锚杆杆体本身的动态响应几乎没有影响。
选择2种类型锚杆在5种预应力载荷下单次冲击的峰值载荷、锚杆伸长量及3次连续冲击后的总位移量做对比分析，见表5。对于非等强螺纹钢锚杆，以20 kJ能量冲击时，锚杆峰值载荷均为180 kN左右，伸长量均为96～110 mm;以30 kJ能量冲击时，锚杆峰值载荷均为200 kN左右，伸长量均为40～46 mm;以40 kJ能量冲击时，锚杆峰值载荷均为210 kN左右，伸长量均为50～56 mm;3次冲击后总位移量为200 mm左右;对于等强螺纹钢锚杆，以20 kJ能量冲击时，锚杆峰值载荷均为180 kN左右，伸长量均为109～118 mm;以30 kJ能量冲击时，锚杆峰值载荷均为195 kN左右，伸长量均为70 mm左右;以40 kJ能量冲击时，锚杆峰值载荷均为200 kN左右，伸长量均为120～140 mm;3次冲击后总位移量为320 mm左右;可以看出，在预应力下的非等强螺纹钢锚杆的动力学性能同样优于等强螺纹钢锚杆。
表5 预应力载荷下螺纹钢锚杆的动力学性能
Table 5 Dynamic mechanical performance of anchor under prestressed load
综合上述分析可知，当预应力低于120 kN时，预应力对冲击载荷下锚杆的动力响应特征无明显影响。但考虑到准静态载荷下预应力对锚杆支护巷道的作用，进行防冲支护时考虑提高预应力水平也是有必要的，结合22 mm直径的非等强螺纹钢锚杆的屈服强度，据参考文献[15]指出的一般可选择锚杆预应力为杆体屈服载荷的30%～50%，建议对于本文选用的锚杆的预应力设计为65～75 kN。
冲击地压巷道不但承受较高的静载荷作用，同时还承受煤炮、顶板断裂等频繁的冲击动载荷作用。在频繁冲击动载荷作用下巷道围岩的力学性质劣化，围岩抗冲击载荷能力逐渐降低。锚杆植入到巷道周围煤岩体内，能够保持围岩完整性，改善巷道围岩应力分布，使围岩承载能力不降低或少降低，从而提高围岩抵抗动载冲击的能力。冲击地压巷道另一本质特征就是，组成巷道围岩的煤体具有或强或弱的冲击倾向性，而锚杆植入到煤体后，与围岩形成锚固岩体，静-动力力学试验结果表明无论是静力加载还是冲击加载，锚杆都表现出显著塑性变形特征，若选择合理的锚固方式，锚杆与围岩形成的锚固岩体冲击倾向性大大降低，从本质上改变巷道的破坏形式。此外，锚杆提供的支护阻力能够提高巷道冲击地压发生的临界载荷与临界阻力区，增加了冲击地压发生的难度。因此，可以看出锚杆支护对控制巷道冲击地压具有重要作用。
然而，现场实践表明，冲击地压发生后锚杆支护同样出现了各种各样的破坏。文献[14]指出，由于锚固围岩体中锚杆与围岩强度差异性、刚度差异性，造成冲击应力波传播的差异性、导致锚固围岩体冲击破坏具有明显的时程特性。冲击载荷容易造成锚固脱黏、锚杆尾部断裂、表面围岩受拉破坏以及一次性瞬时大范围冲击破坏。因此，从锚杆防冲支护来讲，应该考虑锚固围岩体冲击破坏的时程特性，即既要防止锚固围岩体整体失效、锚杆脱黏、尾端断裂、又要防治表面围岩层裂。
从支护结构的变形破坏机制来看，冲击载荷作用下锚杆支护不同于准静态载荷作用下锚杆支护，冲击载荷作用的对象是锚固围岩体，也就是说锚杆支护结构是被冲击对象，锚杆周围的围岩也是被冲击对象，尽管冲击地压持续时间只有几十毫秒到几秒，但在这短暂的时间内，锚杆支护巷道冲击地压破坏具有明显的分阶段时程特性，而且锚杆与围岩存在着复杂耦合作用关系。因此，进行冲击载荷作用下锚杆支护，必须要同时考虑锚杆与围岩，其核心是要考虑不同冲击时间段内锚杆、围岩及锚固介质发生协调一致的变形。
从冲击能量的释放与吸收角度看，冲击地压释放的总能量包括煤体冲击扩容消耗能量、抛出煤体的动能和势能，其中抛出煤体的动能和势能由支护系统吸收。根据能量守恒原理可知，如果煤体冲击扩容消耗的能量增加，那么抛出煤体动能相应的要减小。进一步，如果抛出煤体动能减小，那么支护系统吸收的能量就减小，相应的支护系统冲击破坏程度减轻，这有利于巷道的保持稳定。因此，进行冲击危险巷道支护应该考虑两方面:一方面，加强围岩自身强度，提高围岩的抗冲吸能能力;另一方面，设计具备吸能构件的支护结构，当冲击发生时，能够快速吸收冲击能，通过引导控制能量的释放和转化，将高能量消耗在吸能构件主动让压过程中，降低冲击能对支护结构与巷道围岩的破坏强度，有效抵御冲击地压的影响，保证巷道围岩和支护体系的稳定。
(1)材料性质与杆体直径等物理力学性能对等强螺纹钢锚杆的静力学性能影响较大，非等强螺纹钢锚杆的静、动力学性能显著优于等强螺纹钢锚杆的静、动力学性能。
(2)冲击能量低于9 kJ时，锚杆杆体能承受多次冲击扰动，且冲击后能够保证足够的杆体强度，但当冲击能量高于9 kJ时，锚杆抗冲吸能性能显著下降。非等强螺纹钢锚杆杆体抵抗多频次冲击荷载的能力明显优于等强螺纹钢锚杆。
(3)当预应力低于120 kN时，预应力对冲击载荷下锚杆的动力响应特征无明显影响。但考虑到准静态载荷下预应力对锚杆支护巷道的作用，进行防冲支护时考虑提高预应力水平也是有必要的。
(4)锚杆支护对冲击地压具有较好的适用性，但锚杆在实际工程中受力较复杂，进行“拉-弯-扭”等复杂受力状态下的静-动力学试验更加符合工程实际，是后续研究的重点。
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