鄭宇 ZHENG Yu

（中煤科工開采研究院有限公司（天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部），北京 100013）

0 引言

錨桿托盤支護(hù)是國內(nèi)煤礦掘進(jìn)巷道支護(hù)中常用的支護(hù)形式，也是安全高效開采的關(guān)鍵，但是錨桿托盤支護(hù)失效導(dǎo)致的巷道冒頂事故時(shí)有發(fā)生。錨桿支護(hù)失效的根本原因是錨桿錨固失效，錨桿錨固失效又歸結(jié)為：托盤失效、錨桿體失效、黏結(jié)破壞和錨固孔圍巖破壞失效[1]。錨桿錨固失效主要是由自身因素及外部環(huán)境導(dǎo)致，自身原因包括錨固構(gòu)件、樹脂藥卷性能及其匹配，環(huán)境對(duì)錨固系統(tǒng)錨固效果有很重要的影響，腐蝕就是一重要的影響[2]。煤礦井下，由于環(huán)境的特殊性，金屬設(shè)備材料長期處于高溫、高風(fēng)速和酸堿侵蝕等惡劣的環(huán)境中，腐蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重[3]。腐蝕會(huì)對(duì)錨桿托盤造成局部減薄缺陷，對(duì)錨固系統(tǒng)錨固效果不像裂紋類缺陷那么嚴(yán)重，但局部減薄缺陷的存在會(huì)嚴(yán)重降低錨桿托盤剩余強(qiáng)度、承載能力、剩余壽命和安全可靠性，提高了疲勞裂紋萌生的可能性，增加了錨固系統(tǒng)失效的機(jī)會(huì)，同時(shí)也對(duì)煤礦安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的隱患。井下錨桿托盤腐蝕現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 井下被腐蝕的錨桿托盤

本文利用ANSYS軟件對(duì)含局部減薄缺陷的錨桿托盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力有限元分析，腐蝕對(duì)托盤造成的局部減薄缺陷以圓孔形為主要形狀，采用控制變量法，通過改變局部減薄缺陷在錨桿托盤上的位置、深度、直徑和距托盤孔中心距離，分析錨桿托盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化遵循的規(guī)律。為后續(xù)對(duì)錨桿托盤剩余強(qiáng)度、承載能力、剩余壽命和安全可靠性研究提供參考依據(jù)。

1 錨桿托盤三維模型的建立

考察所知神木市大多煤礦錨桿托盤支護(hù)材料，使用屈服強(qiáng)度335MPa，規(guī)格φ22mm錨桿，所配用屈服強(qiáng)度Q235MPa，規(guī)格150×150×8mm錨桿托盤設(shè)計(jì)尺寸如圖2所示。利用SolidWorks軟件建立錨桿托盤三維模型如圖3所示。

圖2 錨桿托盤幾何尺寸

圖3 錨桿托盤三維模型

2 無缺陷錨桿托盤有限元分析

2.1 錨桿托盤有限元模型

將SolidWorks軟件建立錨桿托盤三維模型，導(dǎo)入到ANSYS軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立錨桿托盤有限元模型如圖4所示。模型采用Solid186單元，具有任意的空間各向異性，支持塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)立鋼化、變形和大應(yīng)變能力[4]。錨桿托盤所使用的材料Q235普通碳鋼，其楊氏模量E=210GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度為235MPa，抗拉強(qiáng)度為375-500MPa[5]。采用自由劃分網(wǎng)格Esize=0.002m。

圖4 錨桿托盤有限元模型

2.2 錨桿托盤邊界條件和載荷加載

根據(jù)錨桿托盤在實(shí)際應(yīng)用中受壓過程，在錨桿托盤的底面施加三個(gè)方向的位移約束分別為Ux=0，Uy=0，Uz=0。對(duì)于φ20mm錨桿，桿體屈服強(qiáng)度335MPa，在錨桿托盤中心孔內(nèi)側(cè)球面處，施加大小為335MPa的等效壓力。

2.3 無缺陷錨桿托盤有限元分析結(jié)果

錨桿托盤起到擴(kuò)大支撐巷道圍巖面積的作用，在底板上端壓力過大時(shí)，會(huì)將錨桿托盤的底板擠壓變形，應(yīng)力集中在錨桿托盤圓環(huán)處[5]。將錨桿托盤圓環(huán)處的等效應(yīng)力強(qiáng)度與材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行比較，以此來分析錨桿托盤的應(yīng)力強(qiáng)度變化。對(duì)無缺陷錨桿托盤進(jìn)行分析得到結(jié)果如圖5所示。

圖5 335MPa等效壓力作用下無缺陷錨桿托盤的等效應(yīng)力云圖

可見圓環(huán)處錨桿托盤等效應(yīng)力強(qiáng)度為227.54MPa，小于錨桿托盤屈服強(qiáng)度235MPa，滿足強(qiáng)度要求。

3 含局部減薄缺陷錨桿托盤有限元分析

3.1 含局部減薄缺陷錨桿托盤有限元模型建立

基于2無缺陷錨桿托盤有限元分析的研究過程，所有條件都不變，只需在錨桿托盤本體添加局部減薄缺陷特征即可，含局部減薄缺陷錨桿托盤有限元模型圖例，缺陷在平板處模型如圖6所示，缺陷在圓環(huán)處模型如圖7所示。

圖6 含局部減薄缺陷錨桿托盤有限元模型圖例（缺陷在平板）

圖7 含局部減薄缺陷錨桿托盤有限元模型圖例（缺陷在圓環(huán)）

3.2 局部減薄缺陷在平板上的錨桿托盤有限元分析

當(dāng)局部減薄缺陷在平板任意位置時(shí)，有限元分析所得到的等效應(yīng)力云圖如圖8所示，研究發(fā)現(xiàn)缺陷在平板上等效應(yīng)力與無缺陷托盤相比較，數(shù)值變化很小，所以得出局部減薄缺陷在錨桿托盤平板上時(shí)對(duì)錨桿托盤應(yīng)力強(qiáng)度影響很小，對(duì)錨桿托盤強(qiáng)度分析主要依據(jù)圓環(huán)處的應(yīng)力強(qiáng)度變化。

圖8 局部減薄缺陷在平板上的錨桿托盤等效應(yīng)力云圖

3.3 局部減薄缺陷在圓環(huán)上的錨桿托盤有限元分析

3.3.1 缺陷深度不同，錨桿托盤應(yīng)力強(qiáng)度的變化規(guī)律

采用控制變量法，當(dāng)局部減薄缺陷位于錨桿托盤圓環(huán)上中間位置，缺陷直徑為φ10mm，使得缺陷深度從1-8mm逐漸加深，分別建立不同深度下錨桿托盤有限元模型，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力有限元分析。得到不同深度下錨桿托盤的等效應(yīng)力云圖及圓環(huán)處錨桿托盤的等效應(yīng)力，數(shù)據(jù)處理后得，缺陷深度不同，錨桿托盤等效應(yīng)力變化規(guī)律曲線如圖9所示。

圖9 缺陷深度不同，錨桿托盤等效應(yīng)力變化規(guī)律曲線

從圖9可以得到，當(dāng)局部減薄缺陷位于錨桿托盤圓環(huán)上時(shí)，且缺陷的直徑、缺陷與托盤中心距不變時(shí)，隨著缺陷深度的增加，在抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，錨桿托盤等效應(yīng)力逐漸增大。

3.3.2 缺陷直徑不同，錨桿托盤應(yīng)力強(qiáng)度的變化規(guī)律

采用控制變量法，當(dāng)局部減薄缺陷位于錨桿托盤圓環(huán)上中間位置，缺陷深度為4mm，使得缺陷直徑從φ1-φ16mm逐漸增大，分別建立不同缺陷直徑下錨桿托盤有限元模型，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力有限元分析。得到不同缺陷直徑下錨桿托盤的等效應(yīng)力云圖及圓環(huán)處錨桿托盤的等效應(yīng)力，數(shù)據(jù)處理后得，缺陷直徑不同，錨桿托盤等效應(yīng)力變化規(guī)律曲線如圖10所示。

從圖10可以得到，當(dāng)局部減薄缺陷處于錨桿托盤圓環(huán)上時(shí)，缺陷深度、缺陷與托盤中心距不變時(shí)，隨著缺陷直徑的增大，在抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，錨桿托盤等效應(yīng)力逐漸增大。

圖10 缺陷直徑不同，錨桿托盤等效應(yīng)力變化規(guī)律曲線

3.3.3 缺陷與托盤中心距不同，錨桿托盤應(yīng)力強(qiáng)度的變化規(guī)律

采用控制變量法，當(dāng)局部減薄缺陷位于錨桿托盤圓環(huán)上，缺陷直徑為φ5mm，缺陷深度為4mm，使得缺陷與托盤中心距逐漸減小，分別建立不同中心距下錨桿托盤有限元模型，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力有限元分析。得到不同中心距下錨桿托盤的等效應(yīng)力云圖及圓環(huán)處錨桿托盤的等效應(yīng)力，數(shù)據(jù)處理后得，缺陷與托盤中心距不同，錨桿托盤等效應(yīng)力變化規(guī)律曲線如圖11所示。

從圖11可以得到，當(dāng)局部減薄缺陷位于錨桿托盤圓環(huán)上時(shí)，缺陷深度、缺陷直徑不變時(shí)，隨著缺陷與托盤中心距的減小，在抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，錨桿托盤等效應(yīng)力逐漸增大，且距離托盤孔口越近，等效應(yīng)力增加越快。

圖11 缺陷與托盤中心距不同，錨桿托盤等效應(yīng)力變化規(guī)律曲線

3.4 本章小結(jié)

本章分別將局部減薄缺陷的位置、直徑、深度和托盤孔中心距作為錨桿托盤應(yīng)力強(qiáng)度的影響因素，分別建立含局部減薄缺陷錨桿托盤有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，局部減薄缺陷位于錨桿托盤平板處時(shí)，對(duì)錨桿托盤的應(yīng)力強(qiáng)度影響較小，局部減薄缺陷位于圓環(huán)處時(shí)，局部減薄缺陷的直徑、深度、與托盤孔中心距都對(duì)錨桿托盤的應(yīng)力強(qiáng)度影響較大。

4 結(jié)論

本文采用控制變量法，利用ANSYS軟件對(duì)含局部減薄缺陷的錨桿托盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力有限元分析，得出以下結(jié)論：①局部減薄缺陷在錨桿托盤平板上時(shí)，對(duì)錨桿托盤應(yīng)力強(qiáng)度影響相對(duì)于圓環(huán)處很小，對(duì)錨桿托盤強(qiáng)度分析主要依據(jù)圓環(huán)處的應(yīng)力強(qiáng)度變化。②局部減薄缺陷在錨桿托盤圓環(huán)上時(shí)，在抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨缺陷深度的增大，錨桿托盤等效應(yīng)力逐漸增大；隨缺陷直徑的增大，錨桿托盤等效應(yīng)力逐漸增大；隨缺陷與托盤中心距的減小，錨桿托盤等效應(yīng)力逐漸增大，越靠近托盤孔口，錨桿托盤等效應(yīng)力增加越劇烈。③井下金屬材料的腐蝕，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)，要加強(qiáng)防腐蝕管理措施。④分析含局部減薄缺陷錨桿托盤應(yīng)力變化遵循的規(guī)律，為后續(xù)對(duì)錨桿托盤剩余強(qiáng)度、承載能力、剩余壽命和安全可靠性研究提供參考依據(jù)。