王書文，付玉凱，金 峰，周鵬赫，姚 偉

(1.中國中煤能源集團有限公司，北京 100120；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；3.鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017318)

錨桿支護已成為我國煤礦巷道的主體支護方式，支護占比已達90%[1]。影響巷道錨桿支護效果的因素主要有支護參數、支護構件的選取、支護構件的匹配性、支護構件強度及預緊扭矩等因素，其中支護構件的強度是影響巷道支護效果的關鍵因素之一[2，3]。隨著巷道埋深和賦存地質條件的日益復雜，國內許多單位相繼開發(fā)了系列高強度錨桿、熱處理錨桿及鋼棒等支護材料[4，5]。雖然錨桿支護材料取得了快速的發(fā)展，但相應的錨桿支護構件托板結構和強度卻變化不大，導致井下諸多錨桿托板破壞失效，嚴重影響了巷道錨桿支護效果[6，7]。

目前學者對托板的研究主要包括以下三個方面：一是，在托板支護作用方面，陸士良[8，9]和林健[10]分別研究了托板在錨桿預應力傳遞中的作用；張劍、李中偉[11，12]針對沿空留巷中托板強度低、錨桿(索)預應力低等問題，通過調整托板尺寸、結構和錨桿預應力，有效控制了沿空留巷圍巖變形破壞。二是，在托板力學性能方面，康紅普[13，14]測試了煤礦常用托板的力學性能，并確定了影響托板承載力的關鍵因素；賈西閣和劉少偉等[15，16]研究了不同材質托板的破壞形式，并分析了影響托板變形破壞的因素。三是：在托板結構研究方面。馬永忠[17]研究了纖維增強復合材質托板的力學特性，獲取了非金屬托板合理的結構和參數；劉雙躍[18]和鄭仰發(fā)[19]采用理論計算和實驗室測試的方法，研究了托板形狀、拱高、厚度等參數對托板強度和穩(wěn)定性的影響。

從現有的研究成果來看，錨桿托板的研究主要集中在其支護作用、力學特性和結構等方面，并且主要以靜態(tài)或準靜態(tài)為主，很少涉及沖擊動載對錨桿托板力學的影響。鑒于沖擊地壓巷道錨桿托板動載失效問題，選取了蒙陜深部礦井三種常用的錨桿托板，采用伺服壓力試驗機和落錘沖擊試驗機開展靜動載力學性能測試，獲取錨桿托板結構的力-位移曲線、沖擊力時程曲線等，分析不同托板結構的動靜載力學特性，通過研究從而為沖擊地壓巷道錨桿支護托板的選取提供試驗依據。

1 錨桿托板靜動載力學性能實驗

1.1 錨桿支護系統(tǒng)及靜動載破壞特征

錨桿支護系統(tǒng)組成如圖1所示，錨桿支護系統(tǒng)主要包括錨桿、金屬網、鋼帶、托板、球墊、墊圈及螺母等附件。

圖1 錨桿支護系統(tǒng)

在普通巷道中，錨桿支護結構托板主要受靜載荷作用，而在沖擊地壓巷道中，托板不僅受圍巖靜載載荷的作用，還會受到沖擊動載荷的影響[20-21]。沖擊地壓發(fā)生時，強烈的沖擊造成托板與圍巖間的作用力劇增，進而造成托板接觸區(qū)域圍巖破裂、垮落，托板懸空失效。對于強度較高的圍巖，托板出現過載彎折、撕裂，甚至造成錨桿破斷。因此，在沖擊地壓巷道中如何選取合適的托板是實現錨桿支護防沖效果的關鍵因素之一。

1.2 錨桿托板靜載測試裝置

錨桿托板靜載力學特性測試采用JAW-1500型壓力試驗機，JAW-1500型壓力試驗機最大靜載壓力1500kN。測試時，將試樣放置在試驗機支座上，托板在上，緩沖墊層在下，加載過程中采用力控制的方法加載，加載速率為1kN/s，如圖2所示，監(jiān)測托板失效過程中的位移-力曲線，加載直至結構失效為止。

圖2 錨桿托板靜載試驗

1.3 錨桿托板動載測試裝置

圖3 落錘沖擊試驗機及托板沖擊布置

1.4 實驗試樣選取

本次實驗選取大海則礦、母杜柴登礦和葫蘆素礦三種常用的錨桿托板，編號分別為A、B和C，均為拱形托板，材質為Q235。A托板直徑197mm，厚度10mm，拱底直徑119.5mm，拱高30.5mm；B托板尺寸為145mm×145mm，厚度10mm，拱底直徑100.5mm，拱高34.0mm；C托板尺寸為145mm×145mm，厚度12mm，拱底直徑100.5mm，拱高34.7mm。三種常用的錨桿托板實物如圖4所示。

圖4 三種常用的錨桿托板

2 錨桿托板靜載實驗結果分析

2.1 托板靜載破壞特征

利用伺服壓力試驗機測試了3個礦的錨桿托板力學性能，加載至托板拱部結構被壓平、四角翹起為止。3個礦的錨桿托板加載前后的形態(tài)如圖5所示，從圖中可以看出，3種托板均出現了變形破壞，但變形形態(tài)略有不同。A托板在加載過程中，四角沒有出現明顯的翹起，而拱部降低比較明顯，隨著拱高的降低，托板逐步失去承載能力；B托板四角翹起比較明顯，隨著加載力的增加，托板拱高急劇降低，托板四角已完全脫離底座，拱部結構坍塌，托板的拱形結構被壓平，托板失去承載能力；C托板四角略有翹起，但翹起程度要明顯小于母杜柴登煤礦，隨著加載力的增加，拱部結構降低比較明顯，托板破壞主要以拱高降低為主。

圖5 3種錨桿托板加載前后變形形態(tài)

整體來看，不同礦的托板在靜載作用下的變形形態(tài)明顯不同。A托板為圓形結構，托板受力狀態(tài)最好，在加載過程中托板底部能保持平整，現場使用時與圍巖接觸面積大，受力狀態(tài)好；B托板為方形結構，厚度較低，再加上四角區(qū)域受力較大，在受力較大時易出現四角翹起的現象，在現場使用時，托板受力不易過高，否則影響托板與圍巖的接觸效果；C托板雖然也為方形結構，但托板厚度較大，承載能力高，在加載過程中，托板也主要以拱高降低為主，四角翹起不明顯，現場使用時與圍巖接觸面積大，使用效果較好。

2.2 托板靜載力學特性分析

試驗過程中監(jiān)測了錨桿托板的位移-載荷曲線，3種錨桿托板載荷曲線如圖6所示。從圖中可以看出，3種錨桿托板最大承載力、承載特性明顯不同。A托板承載力特性曲線可分為3個階段，分別為承載力快速增加階段、承載力平穩(wěn)階段和承載力二次增加階段，托板最大承載力平均為212kN，最大變形量為14mm；B托板承載力特性曲線與A托板的顯著不同，3個階段不明顯，托板承載力呈現出逐步增加趨勢，未有明顯的承載力平穩(wěn)階段，托板最大承載力平均為231kN，最大變形量為13.9mm；C托板承載力特性曲線與其它兩個礦的明顯不同，C托板承載力曲線可分為2個階段，分別為承載力快速增加階段和承載力平穩(wěn)階段，托板最大承載力平均為276kN，最大變形量為12mm。

圖6 錨桿托板靜載載荷-位移曲線

整體來看，由于C托板厚度最大，拱部結構最為合理，其最大承載力要明顯大于A和B托板，并且托板承載過程中，C托板底部平整，四角在受載過程中仍能保持平整，與圍巖接觸好，有利于錨桿預緊力在圍巖中的傳遞；B托板由于厚度較小，承載力中等，托板在承載過程中易出現四角翹起的顯現，這會導致托板與圍巖的接觸由面接觸轉化為線接觸，不利于錨桿預緊力在圍巖中的傳遞，托板在現場使用過程中載荷不宜超過200kN；A托板由于拱部尺寸小，厚度較小，其承載力最低，并且其承載力曲線變化較大，托板在現場使用過程中載荷不宜超過120kN。

3 錨桿托板動載實驗結果分析

3.1 試樣沖擊破壞特征

根據落錘重量和沖擊速度設定，本次測試的沖擊能量選擇為500J、1000J、1500J、2000J、2500J、3000J、3500J、4000J、4500J和5000J。采用落錘沖擊試驗機對3種錨桿托板進行沖擊測試，由于測試方案較多，僅對部分沖擊能量下的托板變形形態(tài)進行分析，沖擊能量分別為500J、2500J和4500J的托板變形破壞照片如圖7所示。從圖中可以看出，3種錨桿托板隨著沖擊能量的增加，托板拱部結構逐步降低，四角逐步翹起，其破壞形態(tài)與靜載變形有一定的相似性。但3種錨桿托板在沖擊能量下的變形破壞形態(tài)也略有不同，A托板抗沖擊能力最差，在2500J沖擊能量下托板拱部結構已坍塌，托板已由拱形變?yōu)槠矫嫘螤?，失去承載能力；與A托板相比，B托板抗沖擊能力略高，托板在500J沖擊能量下基本沒有出現明顯變形，在2500J沖擊能量下托板拱部出現明顯變形，并且四角翹起明顯，4500J沖擊能量下托板拱部完全坍塌，托板由拱形變?yōu)槠矫嫘螤睿邪迨コ休d能力；C托板抗沖擊能力最強，托板在2500J沖擊能量下拱部有一定降低，但托板整體拱形結構變化不大，托板四角也未出現明顯翹起，托板整體形態(tài)保持較好。

整體來看，托板抗沖擊能力與其靜載承載能力有一定的相關性，托板的靜載承載能力越高，其抗沖擊能力也越強。

圖7 3種錨桿托板沖擊變形破壞形態(tài)

3.2 不同沖擊能量下托板力學響應規(guī)律

沖擊過程中獲取3個礦錨桿托板的沖擊力時程曲線如圖8所示。從圖中可以看出，隨著沖擊能量的增加，A托板沖擊力峰值從161kN增加至1152kN，沖擊力作用時間從9.1ms增加至13ms，沖擊力作用時間增加值13ms后基本保持不變，沖擊力峰值與沖擊力能量成正相關關系，當沖擊能量低于2500J時，沖擊力時程曲線形態(tài)基本相同，沖擊力峰值和作用時間略有差異，而當沖擊能量超過2500J時，沖擊力時程曲線形態(tài)出現明顯變化，沖擊力峰值急劇增加，這主要是由于托板拱部結構完全坍塌造成的；B托板時程曲線形態(tài)與A托板的基本相似，當沖擊能量低于4000J時，沖擊力時程曲線形態(tài)基本相同，沖擊力峰值和沖擊力作用時間隨著沖擊能量的增加而增加，沖擊力峰值從240kN增加至302kN，作用時間從6.4ms增加至12ms。當沖擊能量超過4000J時，沖擊力曲線形態(tài)出現明顯變化，沖擊力峰值急劇增加，這也是由于托板拱部結構完全破壞導致的；C托板沖擊力時程曲線與其它兩個托板的差異性較大，隨著沖擊能量的增加，沖擊力峰值呈先增加后穩(wěn)定，沖擊力作用時間呈持續(xù)增加的狀態(tài)，整體的沖擊力曲線形態(tài)基本相同。

圖8 3種錨桿托板沖擊力時程曲線

整體來看，不同的錨桿托板其沖擊力時程曲線形態(tài)明顯不同，在沖擊載荷作用下錨桿托板的沖擊力峰值略大于其靜載最大承載力。靜載承載力高的托板在沖擊載荷作用下拱部結構能保持完整，托板沖擊力峰值變化不大，主要以增加沖擊力作用時間為主，而靜載承載力低的托板受到沖擊載荷作用后，托板拱部結構完全坍塌，托板沖擊力作用時間降低，而沖擊力急劇升高。

3.3 不同沖擊能量下托板變形量分析

分析測試了3種錨桿托板沖擊后變形情況，不同沖擊能量下托板的變形量測試結果如圖9所示。從圖中可以看出，3種錨桿托板變形量均隨沖擊能量的增加呈線性增長，但不同的托板增加速率不同，在相同沖擊能量下，A托板變形量最大，其次是B托板，最后是C托板。沖擊能量從500J增加至5000J時，A托板變形量呈波動狀態(tài)增加，這主要是由于托板動態(tài)力學特性一致性相對較差，在較高沖擊能量下托板拱部已完全坍塌，從而失去抗沖擊性能；B托板隨著沖擊能量的增加，托板變形量基本呈線性增加，與A托板相比，波動相對較小，這說明B托板動態(tài)力學性能一致性相對較好；與其它兩種錨桿托板相比，C托板的變形量線性增加趨勢最好，這說明C托板的動態(tài)力學特性一致性最好。

圖9 不同沖擊能量下托板變形量

整體來看，由于托板結構、厚度等不同，在沖擊能量作用下托板的力學響應規(guī)律也明顯不同。承載力高的托板抗沖擊能力強，受到沖擊能量作用后，托板主要以結構變形為主，沖擊力峰值變化不大，而承載力低的托板由于在低沖擊能量下拱部結構已完全坍塌，致使在高沖擊能量下托板已失去抗沖擊能力，托板沖擊力急劇增加。在現場巷道錨桿支護中，要根據巷道的沖擊能量選取合適結構的錨桿托板，巷道所受到的沖擊能量越大，錨桿支護中應選取承載力和抗沖擊能力越高的托板。

4 結 論

1)在靜載作用下A托板受力狀態(tài)最好，加載過程中托板底部能保持平整，B托板在受力較大時易出現四角翹起，C托板承載能力高，主要以拱高降低為主，四角翹起不明顯。

2)靜載作用下，A托板最大承載力212kN，最大變形量為14mm；B托板最大承載力231kN，最大變形量13.9mm；C托板最大承載力平均為276kN，最大變形量為12mm。由于托板的結構和厚度不同，3種托板靜載承載力特性明顯不同，與其它兩種相比，C托板的靜載承載特性最好。

3)3種錨桿托板的抗沖擊能力不同，托板抗沖擊能力與其靜載承載能力有一定的相關性，托板的靜載承載能力越高，其抗沖擊能力也越強。C托板抗沖擊能力最強，托板在2500J沖擊能量下拱部有一定降低，但托板整體拱形結構變化不大，托板四角也未出現明顯翹起，托板整體形態(tài)保持較好。

4)承載力高的托板抗沖擊能力強，受到沖擊能量作用后，托板主要以結構變形為主，沖擊力峰值變化不大，而承載力低的托板由于在低沖擊能量下拱部結構已完全坍塌，致使在高沖擊能量下托板已失去抗沖擊能力，托板沖擊力急劇增加。