杜學(xué)領(lǐng)

（貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003）

實驗研究是近現(xiàn)代科學(xué)研究的常用手段，在對1901—2000 年這100 年間諾貝爾物理學(xué)獎和化學(xué)獎的統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，100 項物理學(xué)獎中實驗成果占70 項，107 項化學(xué)獎中實驗成果占80 項，足見實驗研究在科學(xué)研究中的重要地位[1]。在對實驗的分類方面：理想實驗一般被認(rèn)為是建立在理想化模型基礎(chǔ)上的推理方法，諸如把立體的煤層頂板理想化為平面的梁；思想實驗一般指受限于當(dāng)前的物質(zhì)條件無法開展實物實驗、通過邏輯推理探索自然的方法；此外還可按其他角度劃分為直接實驗或間接實驗、定性實驗或定量實驗等[2]。近代以前的實驗傳統(tǒng)，以哲學(xué)傳統(tǒng)和工匠傳統(tǒng)為主。一定程度上，哲學(xué)家“哲學(xué)思辨式”所生產(chǎn)的知識雖然為認(rèn)識論和方法論提供了依據(jù)，但也有可能因哲學(xué)家對實驗的不屑而導(dǎo)致實驗發(fā)展受限制，亞里士多德就可以被視為哲學(xué)傳統(tǒng)的代表人物。工匠傳統(tǒng)又可被視為“經(jīng)驗試錯式”知識生產(chǎn)方式，往往通過對物質(zhì)性生產(chǎn)實踐的不斷試錯而總結(jié)得到“正確”的經(jīng)驗，但這種方式獲得的知識是實用性和功利性的綜合，而非學(xué)術(shù)性的，且發(fā)展較慢[3]。直到16 世紀(jì)，文藝復(fù)興時期英國的哲學(xué)家弗朗西斯·培根（Francis Bacon）主張人類應(yīng)通過歸納推理法和實驗法去認(rèn)識自然，培根的論述大大提高了人們對實驗的重視程度。在其《木林集》里提出的實施實驗?zāi)Ｊ健笆聦崱骄俊颉怼?，即符合歸納推理法的基本邏輯。在培根之后，阻隔在科學(xué)理論和科學(xué)實驗之間的高墻逐漸被打破，對實驗的認(rèn)識方面出現(xiàn)了彭加勒的約定論、馬赫經(jīng)驗論、邏輯實證主義、后實證主義、建構(gòu)主義、認(rèn)知科學(xué)、解釋學(xué)、新實驗主義等觀點(diǎn)[4]。近年來，在創(chuàng)新領(lǐng)域，有觀點(diǎn)認(rèn)為第一性原理既是任何理性系統(tǒng)的根基性命題，同時第一性原理也存在層級之分，創(chuàng)新的方法之一，在于跳出原有第一性原理，建立新的第一性規(guī)則，其中，歸納法、演繹法仍是常用的思維模式，演繹的終點(diǎn)存在1 個元起點(diǎn)，也即系統(tǒng)的第一性原理[5]。從層級關(guān)系而言，認(rèn)清現(xiàn)有系統(tǒng)內(nèi)的要素，有助于尋找并突破現(xiàn)有系統(tǒng)的第一性原理，促進(jìn)創(chuàng)新的實現(xiàn)。因此，歸納法和演繹法在科學(xué)研究中并不是絕對對立的，哲科思維和自然科學(xué)研究也不是二元對立的關(guān)系，二者可實現(xiàn)相互增益的效果。

在礦業(yè)學(xué)科以往的研究中，單一問題、簡單要素、單一方法的研究較為多見，單點(diǎn)式創(chuàng)新思維明顯，較多的綜述在呈現(xiàn)先進(jìn)的“結(jié)果”，卻缺乏對獲得結(jié)果的實驗本身的討論，偏向結(jié)果的內(nèi)容帶有實用性和功利性的嫌疑，實驗方法的合理性近乎默認(rèn)合理。從邏輯性而言，選擇合適的方法是獲得準(zhǔn)確結(jié)論的重要前提，也有助于研究人員遠(yuǎn)離“經(jīng)驗試錯式”迷宮。系統(tǒng)性的總結(jié)本領(lǐng)域的實驗方法，既有利于初學(xué)者快速從方法論的視角了解本領(lǐng)域的研究手段，還有利于研究人員審視現(xiàn)有方法的合理性、對現(xiàn)有的邊界不斷擴(kuò)展乃至跳出現(xiàn)有的研究范式進(jìn)行域外創(chuàng)新。由此而論，自然科學(xué)研究對研究方法的總結(jié)工作，亦非常重要。基于此，有鑒于本領(lǐng)域以往的研究工作在方法論方面的總結(jié)尚顯不足，借鑒哲科思維和社科研究方法，以礦用錨桿物理實驗研究方法為切入點(diǎn)，對過去幾十年我國礦用錨桿物理實驗研究方法進(jìn)行總結(jié)，并討論研究中發(fā)現(xiàn)的問題。

1 研究方法及思路概述

科學(xué)實驗方法的本質(zhì)在于以人的主觀設(shè)計為前提，通過創(chuàng)設(shè)條件來還原現(xiàn)象或場景，并從中獲得新的經(jīng)驗。與“經(jīng)驗試錯式”知識生產(chǎn)方式相比，人的主觀設(shè)計使得實驗結(jié)果具有可預(yù)期或可預(yù)判的特征，實驗內(nèi)容與真實世界的符合度決定了實驗結(jié)論的可靠性和適用范圍。隨著科技和社會的發(fā)展，現(xiàn)在的實驗研究已經(jīng)不再是單純的室內(nèi)實驗研究。因此，盡管詞語“試驗”與“實驗”被認(rèn)為存在差異，部分場景中二者還會混用，為了統(tǒng)一表述，除特殊場景外，本文統(tǒng)一使用“實驗”一詞，這種統(tǒng)一僅是為了避免混用可能造成讀者在閱讀本文時的思維混亂。本文所述的物理實驗，主要特征在于實驗所采用的材料為客觀物質(zhì)性材料，這與思想實驗和理想實驗相區(qū)分，同時計算機(jī)虛擬仿真實驗也不列入本文的討論范圍。

研究方法方面，主要采用定性研究方法，借鑒目的抽樣的思路，以行業(yè)內(nèi)的中文頂級期刊—《煤炭學(xué)報》為目的期刊，目標(biāo)的特征通過在中國知網(wǎng)設(shè)定檢索條件為篇關(guān)摘的檢索詞是“錨桿”來實現(xiàn)，獲得初始文獻(xiàn)192 篇（檢索時間截止到2022 年9 月），對192 篇文獻(xiàn)采用人工精讀的方式獲取所需的與礦用錨桿物理實驗相關(guān)的研究方法。在此基礎(chǔ)上，借鑒滾雪球抽樣的思路，進(jìn)一步擴(kuò)充與本研究主題相關(guān)的研究文獻(xiàn)的數(shù)量。綜合使用目的抽樣和主題滾雪球抽樣的方法后，獲得文獻(xiàn)樣本總數(shù)近300 篇。結(jié)合研究主題，采用歸納法，對結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)并展開討論。

分析思路方面，主要借鑒還原論和系統(tǒng)科學(xué)的思想。

還原論由來已久，而且在當(dāng)今科研工作中依然可見到還原論的身影[6]。簡言之，“A 就是B”的論述邏輯就體現(xiàn)了還原論的思想，如“水就是由氫元素和氧元素構(gòu)成的”[7]。由此可以發(fā)現(xiàn)，還原論中包含2 種傾向：一是整體可以被拆分為個體；二是個體是構(gòu)成整體的要素，甚至個體可以組合成整體。本文對還原論的借鑒體現(xiàn)在2 方面：一方面是對錨桿構(gòu)件的還原，認(rèn)為錨桿作為整體的構(gòu)件可以被拆分為桿體、托盤、錨固劑等個體要素；另一方面是對研究錨桿物理實驗的拆分。一般認(rèn)為，教學(xué)實驗區(qū)別于科研實驗，教學(xué)實驗往往具有方法成熟、結(jié)果可預(yù)期的特點(diǎn)[8]。在目前的教學(xué)實驗中，往往包含實驗?zāi)康?、實驗材料、實驗儀器或設(shè)備、實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗步驟、實驗報告等內(nèi)容。對于科學(xué)實驗而言，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者丁肇中非常重視科學(xué)實驗的儀器、選題、機(jī)遇、結(jié)論等內(nèi)容[9]。著名生殖生理學(xué)家張民覺在實驗方法方面，重視合理的選題、巧妙假設(shè)、強(qiáng)化對照、注重理論思維等[10]。綜合以上內(nèi)容和目前學(xué)科研究特點(diǎn)，本文在對錨桿物理實驗的調(diào)研中，將實驗的對象、選題、設(shè)備、方法、評價等作為關(guān)注的重點(diǎn)，并參照這幾個分類作為本文最終的總結(jié)內(nèi)容。經(jīng)過拆分、歸納總結(jié)后，有利于對比不同研究方法的異同。需要說明的是，由于還原論經(jīng)歷過漫長的演化，時至今日在哲學(xué)界仍引發(fā)爭論，本文僅是對還原思想的借鑒，而非對還原論的捍衛(wèi)。

與還原論相比，系統(tǒng)科學(xué)方法論則更注重整體性，乃至其基本原則中“整體不可分”的觀點(diǎn)是和還原論沖突的。系統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)包含生成論、有機(jī)論、不可還原、系統(tǒng)論、分形、信息論等思想[11]。對于錨固系統(tǒng)而言，系統(tǒng)科學(xué)方法論更為適宜，如：實際工程中錨桿是必須與錨固體構(gòu)成系統(tǒng)才有工程價值的，單一的錨桿和單一的錨固體作為個體要素時，對于礦山支護(hù)工程而言偏向于要素問題而非作為錨固系統(tǒng)的整體問題。故而，還需要考察錨固系統(tǒng)的實驗方法。

綜上，本文在分析視角方面，借鑒還原論和系統(tǒng)科學(xué)方法論的思想，按照錨桿構(gòu)件、錨固系統(tǒng)這個由小到大、由要素到整體的分析思路，有利于讀者更全面的了解礦用錨桿物理實驗相關(guān)的研究方法。限于篇幅，在論述方面，本文主要采用夾敘夾議的方式，使得方法進(jìn)展總結(jié)與論述評價聯(lián)系得更緊密，故而不再設(shè)置單獨(dú)的專題討論環(huán)節(jié)。

2 錨桿構(gòu)件的物理實驗研究

2.1 概 述

盡管我國在1956 年就已經(jīng)開始在煤礦中使用錨桿，但直到1994 年，錨桿在煤巷的使用比重仍相對較低[12]。1996 年，我國引進(jìn)澳大利亞錨桿支護(hù)技術(shù)，錨桿支護(hù)逐漸發(fā)展為煤巷的主體支護(hù)形式。在這個過程中，木錨桿、竹錨桿等逐漸被淘汰，螺紋鋼金屬錨桿和玻璃鋼錨桿漸成主流。因桿體在整個錨固支護(hù)工程中的重要作用，衍生出錨梁、錨梁網(wǎng)、錨梁網(wǎng)索、錨網(wǎng)架、錨注等多種支護(hù)形式[13]。從廣義而言，錨桿支護(hù)并不專指單體錨桿支護(hù)，而是指以錨桿為核心構(gòu)件的支護(hù)形式。因此，礦用錨桿構(gòu)件最主要的部分是錨桿桿體，除此之外，還包括錨固劑、托板、螺母、墊圈、金屬網(wǎng)、鋼帶、鋼筋托梁等附屬構(gòu)件。

從總體而言，錨桿構(gòu)件的實驗以研究材料性能為主要關(guān)注點(diǎn)，按照實驗材料的變與不變、實驗條件的變與不變等，大致可分為以下4 種實驗類型：

1）材料本身性能表征實驗。一般此類實驗針對的是單一研究對象，采用相對常規(guī)的、成熟的實驗方法開展實驗，如錨桿的拉伸實驗、抗彎實驗等，屬于此類實驗。值得一提的是，按照還原論的觀點(diǎn)，金屬材料的錨桿、托板、螺母、墊圈、金屬網(wǎng)、鋼帶等材料可進(jìn)一步被還原為鋼材這一要素，因此，所有關(guān)于金屬的實驗方法幾乎都可以應(yīng)用在這類材料上，這就包括金屬材料制備、熱處理、宏觀組織缺陷與微細(xì)觀形貌觀察、物相、磁性、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐腐蝕性、表面處理等多種實驗形式[14]。此類實驗因為測試技術(shù)成熟，從材料本身出發(fā)，實際上對同種材料的測試方法多種多樣，目前呈現(xiàn)在單篇論文中的實驗往往只是此類材料實驗的一小部分。當(dāng)不同實驗被應(yīng)用到同一研究中，研究的合乎邏輯性應(yīng)在實驗開始前深思熟慮，否則很容易變成不同實驗內(nèi)容的堆砌，而沒有合力解決關(guān)鍵科學(xué)問題。還需要注意的是，針對鋼材的材料實驗實際上是錨固工程的前置實驗，其中有很多實驗是在表征鋼材特性的，從學(xué)科專業(yè)分類而言，這部分實驗較多的隸屬于金屬材料工程專業(yè)，而且是該專業(yè)中早已成熟的實驗手段。礦業(yè)學(xué)科對這類實驗方法的借用，實際上研究工作的創(chuàng)新性并不強(qiáng)。

2）同種材料不同構(gòu)成細(xì)節(jié)的對比實驗。一般此類實驗材料本身相同，但材料的宏觀參數(shù)不同，采用相同的實驗方法來測試同種材料不同構(gòu)成細(xì)節(jié)的差異，如錨桿均采用同種鋼材，但不增加其他任何要素，僅改變錨桿的直徑、橫肋的高度、螺紋的參數(shù)等，屬于此類實驗。

3）不同材料或結(jié)構(gòu)的同種實驗。如均采用拉伸實驗，但實驗材料方面錨桿的桿體材料采用不同加工工藝的鋼材，或即便采用同種鋼材，但一種為普通錨桿，另一種為可接長錨桿，即改變同種材料的結(jié)構(gòu)。

4）實驗控制條件改變的實驗。如針對同種實驗材料，但是改變實驗時的溫度或加載方式，由此觀察不同條件下材料的響應(yīng)情況。

由以上4 類實驗可以看出，當(dāng)前的研究中，創(chuàng)新性工作主要體現(xiàn)在原有材料的改進(jìn)、新材料的應(yīng)用、新結(jié)構(gòu)的研發(fā)、新實驗條件的實現(xiàn)等方面。相對于原有材料改進(jìn)、創(chuàng)設(shè)新的實驗條件，新材料、新結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新具有發(fā)展迅速、蘊(yùn)含變革性潛質(zhì)等特點(diǎn)，而且，包含多要素的復(fù)合型創(chuàng)新也是近年來實驗研究的創(chuàng)新路徑之一，在同一研究主題中可以綜合利用4 類實驗的研究方法。

2.2 錨桿桿體

對于錨桿桿體而言，主要的實驗方法包括軸向拉伸、側(cè)向沖擊、扭轉(zhuǎn)等主要實驗形式，其中拉伸實驗的使用相對更頻繁。

軸向拉伸實驗又可細(xì)分為靜力拉伸實驗和動載沖擊拉伸實驗。

錨桿靜力拉伸實驗示意如圖1。靜力拉伸實驗一般夾持固定住錨桿的兩端，沿著錨桿軸向進(jìn)行拉伸，其拉伸的位移-載荷曲線與鋼材的拉伸曲線基本相同，曲線的關(guān)鍵突變點(diǎn)與鋼材本身和錨桿的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。在研究新型錨桿的性能方面，如高強(qiáng)錨桿、恒阻吸能錨桿、長螺紋可接長錨桿等[15-17]，往往要對比新型錨桿的性能提升或與常規(guī)錨桿的差異。長度和受力情況是評價靜力拉伸實驗的最基本指標(biāo)，長度的評價體現(xiàn)在位移、伸長量、伸長率、截面變形量等方面，力的評價主要體現(xiàn)在載荷方面?；陂L度和受力，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、屈強(qiáng)比等指標(biāo)也可被用來評價錨桿桿體的性能。需要注意的是，錨桿強(qiáng)度一般是由桿體承受載荷與其橫截面積之比所求得的，但實驗過程中，桿體橫截面積并不是1 個定值，這種計算方法本身在評價不同結(jié)構(gòu)的桿體上可能存在誤差乃至錯誤。

圖1 錨桿靜力拉伸實驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of bolt static tensile experiment

錨桿軸向動載沖擊拉伸實驗示意如圖2。嚴(yán)格意義上，動載沖擊拉伸實驗的對象一般并不是只有錨桿單體，而通常要包含1 個傳遞載荷的單元。進(jìn)行動載沖擊拉伸實驗時，利用重錘下落或彈射體等制造沖擊波，沖擊載荷作用于錨桿端部的傳遞載荷介質(zhì)，傳遞載荷介質(zhì)帶動錨桿沿軸向拉伸，從而可以觀測錨桿在動載沖擊作用下的響應(yīng)情況[16,18]。評價此實驗的基本指標(biāo)一般是時間、長度和載荷。與靜力拉伸實驗相比，動載條件下，動載沖擊波的沖擊時間是需要考慮的要素。而且，此實驗中動載沖擊作用必須通過傳遞載荷介質(zhì)傳遞給錨桿，使得傳遞載荷介質(zhì)的影響也應(yīng)納入實驗評價中。

圖2 錨桿軸向動載沖擊拉伸實驗示意圖[16]Fig.2 Schematic diagram of the axial dynamic impact tensile test of the bolt

錨桿側(cè)向動載沖擊實驗示意如圖3。錨桿側(cè)向沖擊實驗中，通常錨桿水平放置、兩端固定，并允許錨桿沿側(cè)向彎曲變形，采用重錘等作為沖擊源直接沖擊桿體[19]，沖擊后桿體可能出現(xiàn)側(cè)向彎曲變形或破斷。但應(yīng)指出，似乎此種實驗所對應(yīng)的場景在實際生產(chǎn)中并不多。而且文獻(xiàn)[19]中指出，原計劃為軸向沖擊，但因進(jìn)行軸向沖擊時錨桿破壞的位置在兩端螺紋固定端，其認(rèn)為螺紋加工差異對軸向沖擊拉伸實驗結(jié)果影響較大。這與前述的需要考察端部傳遞載荷介質(zhì)影響的理念是一致的。與單純桿體靜力拉伸相比，沖擊條件下增加了傳遞載荷介質(zhì)，其在實驗中的影響就應(yīng)該給予合理評價。

圖3 錨桿側(cè)向動載沖擊實驗示意圖[19]Fig.3 Schematic diagram of the bolt lateral dynamic impact experiment

錨桿扭轉(zhuǎn)實驗示意如圖4，直接對錨桿桿體進(jìn)行扭轉(zhuǎn)的報道較少，目前披露較多的錨桿扭轉(zhuǎn)實驗是采用電子扭矩扳手向固定錨桿的螺母施加扭矩，螺母擰緊的過程向托盤、錨桿等傳遞力，由此可測定施加扭矩后錨桿的受力情況[20]。這類實驗研究的范圍更多的是聚焦在桿尾部分，在一定程度上可以用于解釋安裝角度、桿尾螺紋形態(tài)、安裝質(zhì)量與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化關(guān)系等問題，而且研究對象并不是單一的桿體，也不是針對錨桿桿體本身的扭轉(zhuǎn)。在實際工程中，除礦井動力災(zāi)害、圍巖大變形外，當(dāng)巷道鄰近或已處于采空區(qū)時，采空區(qū)頂板運(yùn)動有可能使得這部分巷道頂板中的錨桿受到拉扭復(fù)合作用。而對于錨索而言，鋼絞線本身具有一定旋轉(zhuǎn)方向，安裝錨索時鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向有可能會影響到錨索性能的發(fā)揮，這就可能與錨索的扭轉(zhuǎn)特性相關(guān)，而目前這方面的研究還相對較少。此外，若能根據(jù)地應(yīng)力、采動應(yīng)力等演化趨勢來合理確定錨桿錨索的初裝扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，有可能也可直接增加錨桿錨索的抗破壞能力。

圖4 錨桿扭轉(zhuǎn)實驗示意圖[20]Fig.4 Schematic diagram of bolt torsion experiment

在一些研究中，采用了夏比沖擊試驗、高速動態(tài)拉伸等實驗方法[21-22]，但需要特別注意的是，此類實驗往往是錨桿構(gòu)成材料本身的測試，不屬于對錨桿桿體的測試。以夏比沖擊試驗為例，試件的外表面、尺寸、預(yù)置斷口形貌等和真實工況中的錨桿是存在差異的，實驗在還原真實場景方面的論證工作尚未得到足夠重視，以至于有將材料局部性能視為桿體整體性能的誤導(dǎo)之嫌。

2.3 錨固劑

錨固劑在整個錨固系統(tǒng)中起到連接錨桿和圍巖的作用，因此，若錨固系統(tǒng)失效發(fā)生于錨固端，既有可能是錨桿桿體直接從錨固劑中滑脫，亦有可能發(fā)生于錨固劑和圍巖的接觸面。錨固劑的基本功能，是把錨桿固定在圍巖中，起到固定桿體的作用。但是，有2 點(diǎn)值得注意：一是錨固劑本身是1 個概述性的詞，描述的是對錨桿起固定作用的材料，水泥砂漿、樹脂錨固劑均為錨固劑，甚至廣義上，可以把早期的機(jī)械式錨固結(jié)構(gòu)也視為錨固劑的1 種特殊形式，但隨著樹脂錨固劑的推廣應(yīng)用，在煤礦領(lǐng)域有以樹脂錨固劑取代錨固劑、以個體代替整體的味道，這是技術(shù)發(fā)展以及行業(yè)文化等因素造就的；但是從錨固劑的基本功能來認(rèn)識錨固劑，有助于創(chuàng)新者跳出樹脂錨固劑一家獨(dú)大所圈定的封閉范圍；二是樹脂錨桿可能引發(fā)的誤解，從詞語的構(gòu)成而言，樹脂錨桿和玻璃鋼錨桿都是由2 個名詞構(gòu)成，且第1 個詞均帶有材料的意義，由于玻璃鋼錨桿本身桿體是與玻璃鋼有關(guān)的材料，以至于會讓人誤解樹脂錨桿的桿體是與樹脂有關(guān)的材料。然而事實上，在MT/T 146.1—2011 樹脂錨桿第1 部分：錨固劑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)1”）中，對樹脂錨桿的界定是“樹脂錨固劑+錨桿”結(jié)構(gòu)，即“樹脂錨桿”中的“樹脂”指代的是樹脂錨固劑[23]，至于桿體材料為何，并不加以區(qū)分，凡是使用樹脂錨固劑的錨桿均可被稱為樹脂錨桿，這種界定容易造成初學(xué)者的誤解。對于樹脂錨固劑而言，通常包括樹脂膠泥和固化劑2 部分，二者混合后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成固體材料。因此，對錨固劑的研究，既可以研究固化后的結(jié)果，也可以按照還原論的觀點(diǎn)，進(jìn)一步拆分固化前的材料并研究樹脂、填料、化學(xué)助劑、固化劑等的特性。但是需要注意的是，由于錨固劑必須與桿體結(jié)合后才能起作用，目前對單一錨固劑的研究往往聚焦在錨固劑固化的凝膠時間、等待安裝時間、樹脂膠泥稠度、固膠比、固化體的特性（主要是抗壓強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性）等方面。

在礦業(yè)領(lǐng)域，對錨固劑的研究往往還是從錨固系統(tǒng)的視角出發(fā)，如研究幾何尺寸、用量、溫度、水、攪拌過程及質(zhì)量等對總體錨固質(zhì)量的影響[24-25]。與錨桿桿體材料鋼材相比，目前礦業(yè)領(lǐng)域?qū)渲年P(guān)注度尚不足。而且，與礦業(yè)領(lǐng)域僅有“標(biāo)準(zhǔn)1”這一錨固劑相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比，目前在材料領(lǐng)域，關(guān)于樹脂的研究堪稱海量。從創(chuàng)新角度而言，從材料領(lǐng)域跨界應(yīng)用到礦業(yè)領(lǐng)域，有可能是未來錨固劑方面的重要方向之一。如，若材料性質(zhì)適宜，未來直接采用精確定量灌注混合方式，有可能要優(yōu)于目前樹脂錨固劑依靠旋轉(zhuǎn)攪拌的方式；再如，針對深部礦井、水濕環(huán)境煤層，有可能采用相應(yīng)的熱膨脹、水膨脹性錨固劑更為適宜；而且，目前的錨固劑以衰亡型為主，也即安裝后其總體性能的發(fā)展趨勢是持續(xù)降低的，未來如能采用生長型、再生型錨固劑材料，也可以解決現(xiàn)有材料性能劣化的問題。

2.4 托 板

錨桿外露段部分的附屬構(gòu)件幾乎都難以通過單一構(gòu)件來發(fā)揮作用，而必須組合成結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮作用。通常而言，托板、螺母是必備要素。一方面，可以通過螺母向錨固系統(tǒng)施加預(yù)緊力；另一方面，托板、螺母在錨桿外露段部分起到約束作用，是桿體發(fā)揮抗拉特性的重要保障。但很明顯，單一的托板或螺母都不能很好地完成以上2方面的任務(wù)。類似的，墊片、金屬網(wǎng)、鋼筋托梁、鎖緊裝置等往往屬于在托板和螺母的基礎(chǔ)上起到強(qiáng)化總體支護(hù)效果的構(gòu)件，金屬網(wǎng)因面積較大，還具有降低垮頂、片幫等事故危害的作用。因這些構(gòu)件往往需要組合后才能發(fā)揮出效果，故而這些附屬構(gòu)件的單體實驗研究相對較少。

對于托板而言，因其不同形狀，也有將其稱為托盤、托片的，本文統(tǒng)一使用托板一詞。MT/T 146.2—2011 樹脂錨桿第2 部分：金屬桿體及其附件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)2”）對托板的要求較少，可以概括為：優(yōu)先選用蝶形托盤（疑似使用“碟形”更恰當(dāng)）、尺寸不低于標(biāo)準(zhǔn)值、承載力不低于桿體屈服力標(biāo)準(zhǔn)值的1.3 倍，托盤被拉穿前的最大力即為托盤承載力[26]。此外，GB/T 35056—2018 煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范（以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)3”）提出了更多更細(xì)致的要求，如要求配套球形墊圈、鋼材厚度不小于6 mm 等[27]。但由于實際工程的復(fù)雜性和多樣性，該標(biāo)準(zhǔn)如此細(xì)化的規(guī)定在適用性方面可能存疑。

目前與托板密切相關(guān)的實驗主要有4 類：

1）第1 類是“標(biāo)準(zhǔn)2”中提供的拉穿實驗。托板拉穿實驗示意如圖5，沿著錨桿軸向以10～20 kN/min 的加載速度拉伸錨桿至托盤被拉穿，拉穿前的最大力就是托板的承載力[26]。該實驗可以相對較好的還原真實工況中錨桿構(gòu)件的受力情況，但“標(biāo)準(zhǔn)2”中的拉穿實驗也存在幾個疑問，如：對拉伸實驗中桿體、螺母、球墊等相關(guān)配件的材料沒有詳細(xì)的規(guī)定，異形托板的實驗適用性方面尚缺少評價。

圖5 托板拉穿實驗示意圖[26]Fig.5 Schematic diagram of the pallet pull-through experiment

2）第2 類是扭矩實驗。主要是利用扭矩扳手向托盤上方的螺母施加載荷，并監(jiān)測托板的受力和應(yīng)變情況[28]。進(jìn)行該實驗時，托板與支撐板之間的接觸情況必須考慮，而且實驗過程中還應(yīng)盡可能保證接觸位置的連續(xù)性，但有可能高扭矩時托板變形與接觸位置固定之間相沖突。扭矩實驗實際上和前述圖4 桿體部分的扭轉(zhuǎn)實驗形式類似，只不過主要研究對象變?yōu)橥邪濉?/p>

3）第3 類和第4 類分別是靜載壓縮實驗和動載沖擊實驗[29]。托板靜載壓縮實驗示意如圖6，靜載壓縮實驗是壓力機(jī)的加載端直接作用于托板外凸的拱形部分；托板動載沖擊實驗示意如圖7，動載沖擊實驗則是利用重錘下落作用于托板的拱形部分。值得注意的是，這2 種實驗方法作為研究托板性能的實驗是可以的，但是與真實工況相比，煤礦井巷中的托板受力有較大程度是源于處于圍巖內(nèi)部桿體的拉力作用，相對比的，這2 種實驗方法的加載方式可視為是從錨桿構(gòu)件的外部向內(nèi)部施加載荷，這與真實工況不一致。對于異形托板，這2 種實驗手段還存在加載端與異形托板接觸面難以保證同等接觸面的問題。即便對于非異形托板，加載端斷面尺寸與托盤尺寸之間的影響也鮮有報道。

圖6 托板靜載壓縮實驗示意圖[29]Fig.6 Schematic diagram of the static load compression experiment of the pallet

圖7 托板動載沖擊實驗示意圖[29]Fig.7 Schematic diagram of the dynamic load impact test of the pallet

此外，從研究的角度而言，托板本身的幾何尺寸、空間形態(tài)、材料特性、與其他附件配合的綜合效果等方面也引起了研究人員的關(guān)注[30-31]，但托板的非均勻受力問題仍值得未來給予更多關(guān)注：不管是巷道初期掘進(jìn)造成的巷道表面不平整，還是巷道后續(xù)使用過程中非均勻變形引起的表面不平整，再加上施工時鉆孔角度、施工質(zhì)量等影響，都可能導(dǎo)致托板與巷道的接觸面并不是理想的面接觸、均衡接觸。解決安裝角度問題的思路是使用球墊或異形托盤設(shè)計等，但是這些有可能造成球墊位置的受力不均衡、桿體相對于托板是非均衡安裝，由此造成托板的非均勻受力。從現(xiàn)有研究來看，目前對這方面的關(guān)注尚顯不足。

2.5 金屬網(wǎng)

金屬網(wǎng)的使用場景主要有3 種：第1 種場景是在錨桿支護(hù)中作為附屬構(gòu)件使用；第2 種場景是分層開采時用作人工假頂；第3 種場景是用于臨時的或偶然的遮掩工程。通常認(rèn)為，金屬網(wǎng)在煤礦支護(hù)工程中主要起到護(hù)表的作用，特別是承載松散煤巖體、避免煤巖散體涌向采掘空間，這與其大量應(yīng)用于巷道支護(hù)中有關(guān)。金屬網(wǎng)發(fā)生破壞的場景主要有3 種：① 發(fā)生于金屬網(wǎng)與鋼帶、托盤等連接的部位因剪切作用而發(fā)生破壞；② 發(fā)生于相鄰兩金屬網(wǎng)的連接部位；③ 金屬網(wǎng)網(wǎng)絲本身因松散煤巖體摩擦、銹蝕、突然沖擊、非均勻受力等原因?qū)е碌暮更c(diǎn)開裂、網(wǎng)絲滑移、網(wǎng)絲斷裂等破壞?！皹?biāo)準(zhǔn)2”、“標(biāo)準(zhǔn)3”對金屬網(wǎng)的規(guī)定都不多，如“標(biāo)準(zhǔn)3”中提出錨桿支護(hù)巷道一般應(yīng)采用護(hù)網(wǎng)、頂板優(yōu)先采用鋼筋網(wǎng)、兩幫優(yōu)先采用金屬網(wǎng)[27]。相應(yīng)的，截至目前國內(nèi)礦業(yè)領(lǐng)域?qū)饘倬W(wǎng)的實驗研究也相對較少，且實驗對象往往是礦用的菱形網(wǎng)、經(jīng)緯網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)。

礦業(yè)領(lǐng)域?qū)饘倬W(wǎng)的實驗測試主要包括3 種：第1 種是網(wǎng)絲靜力拉伸實驗，實驗方法與圖1 所示的錨桿桿體的拉伸實驗類似，研究對象換成金屬網(wǎng)的網(wǎng)絲，主要通過靜力拉伸實驗，測量組成金屬網(wǎng)的網(wǎng)絲的抗拉承載力和伸長情況；第2 種是對金屬網(wǎng)的靜載加載實驗，以文獻(xiàn)[32]、文獻(xiàn)[33]、文獻(xiàn)[34]為代表的，垂直網(wǎng)面加載（頂破）實驗俯視示意如圖8，通常是將金屬網(wǎng)四角或外邊緣固定，利用加載裝置自上而下或自下而上對金屬網(wǎng)的幾何中心位置進(jìn)行加載；第3 種實驗方法是利用重錘下落對金屬網(wǎng)進(jìn)行動載沖擊[35]，與前述托板的動載沖擊實驗類似，可參見圖7，區(qū)別在于重錘落下后沖擊的對象變?yōu)榻饘倬W(wǎng)。此外，李明軒采用金屬網(wǎng)測力計在現(xiàn)場實測了金屬網(wǎng)的承載和撓度情況[36]。但早在2004 年，文定坤等[37]針對擴(kuò)張金屬網(wǎng)就系統(tǒng)的提出：單絲和節(jié)點(diǎn)是擴(kuò)張網(wǎng)的最基本單元，可用的實驗方法包括單絲法、網(wǎng)片法、單格網(wǎng)砼法、多格網(wǎng)砼法4 種。其研究思路從單絲、節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)片，從單網(wǎng)到多網(wǎng)是值得礦業(yè)領(lǐng)域借鑒的。而且，從生產(chǎn)制造的角度而言，金屬網(wǎng)與紡織工業(yè)密不可分，楊萍[38]在研究柔性經(jīng)編金屬網(wǎng)時，既研究了這種金屬網(wǎng)的制備工藝，還采用單向拉伸、撕裂、頂破、雙軸拉伸、低速沖擊等對金屬網(wǎng)的性能展開研究；其中，平行網(wǎng)面單向拉伸示意如圖9，單向拉伸中，考慮了拉伸速度、拉伸角度的影響；平行網(wǎng)面撕破法撕裂實驗示意如圖10，撕裂測試中，考慮了撕裂方向、撕裂速度的影響；頂破測試中考慮了頂破頭、夾持面積、頂破速度的影響，頂破測試基本原理與圖8 類似；平行網(wǎng)面雙軸拉伸示意如圖11，雙軸拉伸中，考慮了拉伸方向與網(wǎng)絲編織角度的影響。

圖8 垂直網(wǎng)面加載（頂破）實驗俯視示意圖[32]Fig.8 Top-down diagram of mesh vertical loading (top breaking) experiment

圖9 平行網(wǎng)面單向拉伸示意圖[38]Fig.9 Schematic diagram of unidirectional parallel extrusion of mesh

圖10 平行網(wǎng)面撕破法撕裂實驗示意圖[38]Fig.10 Schematic diagram of parallel tearing experiment of mesh by tearing method

圖11 平行網(wǎng)面雙軸拉伸示意圖[38]Fig.11 Schematic diagram of biaxial stretching of mesh

不難看出，從創(chuàng)新的角度而言，礦業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)有的對金屬網(wǎng)的研究受到學(xué)科邊界的制約，研究對象往往是域內(nèi)材料，借鑒紡織領(lǐng)域的新型織網(wǎng)工藝、材料領(lǐng)域的新型織網(wǎng)材料、網(wǎng)片的配合方式等方面的工作還相對較少。而且，還有2 點(diǎn)目前在本領(lǐng)域的關(guān)注還不夠：

1）金屬網(wǎng)本身的能效方面。緩慢靜載條件下金屬網(wǎng)主要起到承托松散煤巖體的作用，此部分功能和金屬網(wǎng)材料及錨固組合構(gòu)件有關(guān)。但動載條件下，以沖擊地壓和煤與瓦斯突出為代表，動載沖擊的影響往往與沖擊的速度、沖擊的煤巖量、沖擊對錨固結(jié)構(gòu)的性能弱化等因素均有關(guān)。特別是，目前靜載條件下的防災(zāi)一般可以通過加強(qiáng)檢修來預(yù)防，但動載方面，有可能僅僅依靠金屬網(wǎng)的作用是不夠的。如貴州東風(fēng)煤礦“4·9”煤與瓦斯突出事故突出煤量達(dá)1 028 t，這個體量很可能已經(jīng)超出了金屬網(wǎng)局部的承載能力。所以，有可能存在靜載條件下金屬網(wǎng)能力過剩、動力災(zāi)害條件下金屬網(wǎng)能力不足的問題。

2）復(fù)雜工況條件下金屬網(wǎng)的性能方面。目前實驗室研究金屬網(wǎng)的特性往往涉及的因素較少，而真實工況中，金屬網(wǎng)的性能可能會隨著時間而逐漸劣化，其受力狀態(tài)也可能因安設(shè)位置不同、周圍煤巖不同、固定的錨桿狀態(tài)不同等因素而有所差異，目前實驗室的研究在控制條件方面是相對簡單的，尚不能精確的刻畫復(fù)雜工況下金屬網(wǎng)的性能全貌。而且，從研究的角度而言，航天工業(yè)工程中對金屬網(wǎng)的力學(xué)性能、接觸電阻、密度、形態(tài)等均提出了要求[39]，目前煤礦監(jiān)測預(yù)警的一些手段也可能會受到其中某一特性的影響，但似乎目前這方面的評價工作也稍顯不足。

2.6 其他構(gòu)件

鋼帶和鋼筋托梁的作用原理類似，單根錨桿發(fā)揮軸向抗拉作用時，鋼帶和鋼筋托梁的加入使得錨桿受拉移動時，額外的增加了錨桿其他方向的受力，從而改變錨桿原本單向受力的狀態(tài)，改善錨桿支護(hù)系統(tǒng)的整體性?！皹?biāo)準(zhǔn)2”對二者幾乎沒有要求，但“標(biāo)準(zhǔn)3”將二者視為錨桿支護(hù)中的組合構(gòu)件，并明確提出二者的拉伸屈服強(qiáng)度應(yīng)不低于235 MPa。在MT/T 861—2000 礦用W 型鋼帶標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)于W 型鋼帶幾何尺寸和力學(xué)性能的詳細(xì)要求[40]，本文不再贅述。除兩端拉伸外，文獻(xiàn)[34]還提供了1 種將鋼帶、鋼筋托梁水平懸空放置后，垂直于試樣長軸方向進(jìn)行加載的實驗方式，以此方法來測試鋼帶或鋼筋托梁的抗彎特性。其他實驗方法則見于文獻(xiàn)報道的并不多。此外，文獻(xiàn)[41-43]討論了平鋼帶、鋼筋梯子梁、W 形鋼帶、M 形鋼帶、高凸鋼帶的性能；文獻(xiàn)[44]討論了鋼帶使用中可能出現(xiàn)安裝不規(guī)范、錨桿鉆孔與鋼帶不匹配等問題。但除了初裝過程可能引起的問題外，目前對于鋼帶和鋼筋托梁的能力再生問題討論還不多。即：一旦鋼帶或鋼筋托梁已經(jīng)變形失效后，如何恢復(fù)其原有的性能，使其能力再生。由于鋼帶或鋼筋托梁在安裝時往往被螺母或托板限制住，一旦其發(fā)生失效，就需要拆卸重裝。類似的，當(dāng)松散煤巖體在金屬網(wǎng)發(fā)生兜網(wǎng)下墜或外鼓時，往往需要破壞掉當(dāng)前的金屬網(wǎng)、取出松散煤巖體、重裝金屬網(wǎng)，但這一過程屬于不可再生的替換性工作，支護(hù)體從結(jié)構(gòu)上直接實現(xiàn)非破壞性再生的研究工作目前還相對較少。但很明顯，一旦新的非破壞性再生支護(hù)技術(shù)被研發(fā)，對于支護(hù)工程而言將帶來巨大變革。

螺母和墊圈也是錨桿支護(hù)中的重要附件。因墊圈是配合螺母使用的，單獨(dú)的墊圈在支護(hù)工程中意義不大，而且在機(jī)械領(lǐng)域，對二者單體的性能已有較多的討論，比如螺紋、螺母，在機(jī)械領(lǐng)域已有大量關(guān)于螺紋、螺母的內(nèi)容。錨桿支護(hù)中對二者的討論，主要包括2 方面：①螺紋部分的失效問題：此部分既可以考慮螺紋本身螺距、牙型、升角等的形態(tài)影響，也可以考慮改進(jìn)螺紋部分的鎖緊機(jī)理，從而避免錨桿在螺紋部分失效后而喪失錨固作用；②預(yù)緊力轉(zhuǎn)化效率的問題，實驗方法與前述的桿體扭轉(zhuǎn)、托板扭轉(zhuǎn)實驗相同，不過關(guān)注點(diǎn)變?yōu)榱寺菽富驂|圈。

錨桿構(gòu)件物理實驗的匯總表見表1。

表1 錨桿構(gòu)件物理實驗匯總表Table 1 Summary of physical experiments of bolt components

需要特別說明的是，在錨桿支護(hù)中，因?qū)㈠^桿界定為最核心的構(gòu)件，故而其他構(gòu)件被稱為“附件”。而作為支護(hù)系統(tǒng)的組成部分，諸如錨固劑、螺母等是必不可少的構(gòu)件，附件不代表功能上的次要和完全可替代性。從還原論的視角對單一構(gòu)件的研究可以解釋單一構(gòu)件的特性，但并不能代表不同構(gòu)件組合后錨桿支護(hù)所構(gòu)成的錨固系統(tǒng)性能。還需要從錨固系統(tǒng)的角度出發(fā)，去考察整個系統(tǒng)的有效性。也因此，在單一構(gòu)件的前提下，構(gòu)件之間的匹配性問題引起了學(xué)者的注意[30,34,45]。

3 錨固系統(tǒng)的實驗研究

與單體構(gòu)件相比，錨固系統(tǒng)指的是由支護(hù)體與被支護(hù)體所組成的系統(tǒng)。對于煤礦采準(zhǔn)巷道而言，狹義的錨固系統(tǒng)指的是巷道中所采用的支護(hù)體與支護(hù)體所（欲）控制的兩幫和頂?shù)装逅鶚?gòu)成的系統(tǒng)。即，錨固系統(tǒng)是支護(hù)體與被支護(hù)體相互作用的系統(tǒng)，必須不能忽略被支護(hù)體是錨固系統(tǒng)的重要組成部分；同時，由于支護(hù)體的控制范圍是有限的，再加上被支護(hù)體的力學(xué)狀態(tài)也很可能處于動態(tài)變化中，工程中的錨固系統(tǒng)實際上是1 個想要控制的范圍或效果與控制方法的動態(tài)集合。也因此，所有要素的性能是系統(tǒng)中要素的性能，而非單體要素的性能。研究系統(tǒng)中的要素，前提條件是把要素置于系統(tǒng)中，這明顯區(qū)別于對單體構(gòu)件的研究。按照實驗發(fā)生的場所，主要分為實驗室錨固系統(tǒng)實驗和現(xiàn)場錨固系統(tǒng)實驗。實驗室實驗往往是局部的、模仿性的、簡化的真實場景的呈現(xiàn)和還原，而現(xiàn)場實驗則是真實工況下的寫真。

3.1 實驗室錨固系統(tǒng)實驗

3.1.1 錨固系統(tǒng)拉剪實驗

實驗室錨固系統(tǒng)實驗主要包括2 類：拉拔實驗和剪切實驗。因含有錨桿或類似的材料，此類實驗也可被稱為加錨實驗，區(qū)分于單獨(dú)試塊的實驗。但如果試塊僅加錨而沒有體現(xiàn)錨固系統(tǒng)的理念，則不屬于本文關(guān)注的對象。

錨固系統(tǒng)拉拔實驗示意圖如圖12。

圖12 錨固系統(tǒng)拉拔實驗示意圖Fig.12 Schematic diagram of the pull-out experiment of the anchoring system

與錨桿桿體的拉伸實驗相比，拉拔實驗中的錨桿有一部分是被置于錨固體中，故而，這一段桿體并不是直接被夾具固定，而是和錨固體作為1 個整體被固定。隨著拉拔實驗的進(jìn)行，可能發(fā)生桿體被拉斷、桿體從錨固劑中滑脫、桿體和錨固劑與錨固體分離等情況，后幾種實驗現(xiàn)象也是明顯區(qū)別于單一桿體拉伸實驗的，故而實驗室拉拔實驗在一定程度上可以反映出錨固系統(tǒng)的性能。

但從還原論的視角進(jìn)行要素拆分，不難發(fā)現(xiàn)，目前拉拔實驗存在2 個主要問題：①在很多實驗中錨固劑外圍并不是圍巖，使用鋼性套筒、鋼管作為錨固劑外部約束的情況較多，如文獻(xiàn)[24，46-48]就是這種情況，由此導(dǎo)致錨固劑和套筒部分并沒有很好的還原真實的使用場景；②不同研究人員在實驗細(xì)節(jié)方面的差異較大，如套筒的長度、內(nèi)外徑、固定套筒的位置等方面可能不同，錨固劑的材質(zhì)、攪拌混合方式、填充方式、填充量等方面可能不同，進(jìn)行拉拔時，有的采用電液伺服萬能試驗機(jī)，有的則采用測力計和千斤頂，采用萬能試驗機(jī)的試件放置方向可能是垂直方向，采用測力計和千斤頂?shù)脑嚰胖梅较騽t可能是水平方向。所以，盡管對于同一組實驗，似乎結(jié)論具有可比性，但對比不同組實驗時又可以發(fā)現(xiàn)，實驗設(shè)備和實驗控制條件方面不具有同等可比性。韓軍等[49-50]的研究就表明，當(dāng)錨固系統(tǒng)中的套筒、圍巖等要素變化時，對實驗結(jié)果會產(chǎn)生影響。

此外，在拉拔實驗的大前提下，亦有研究人員考慮了圍壓的影響，董雙勇[51]研發(fā)了1 種可用于拉拔實驗的加圍壓方式，但是應(yīng)注意到，其研究中加圍壓后往往圍壓處于穩(wěn)壓狀態(tài)、較多的錨固系統(tǒng)破壞都發(fā)生在了錨桿與錨固劑的連接界面、圍巖部分主要采用的是水泥砂漿試塊。

若將前述實驗研究的方法進(jìn)一步綜合，則可以還原更多可能存在的工況、研究復(fù)雜工況下的錨固系統(tǒng)特性。而目前，錨桿拉拔實驗的研究更偏向于去應(yīng)用實驗所獲得的結(jié)果，對實驗控制條件的評價尚不足。從邏輯而言，若實驗控制條件會對實驗結(jié)果產(chǎn)生重要影響，那么實驗結(jié)果的可推廣價值也會受影響。

錨固系統(tǒng)剪切實驗主要有2 大類[52-56]：

1）直接剪切實驗，又稱直剪實驗。直剪實驗如圖13。此實驗的實驗設(shè)備主要有意大利都靈理工學(xué)院傳統(tǒng)壓機(jī)單剪裝置、英國標(biāo)準(zhǔn)錨桿剪切測試裝置、澳大利亞MISSR 單剪裝置、挪威“拉-剪”綜合測試裝置、國內(nèi)錨桿綜合力學(xué)性能裝置等。該實驗的基本原理為：將錨桿至于被錨固體中，錨桿通常位于被錨固體的幾何中心或過被錨固體的幾何中心，前者屬于常規(guī)實驗類型，后者往往出現(xiàn)在研究錨桿安裝傾角對錨固性能影響的實驗中。若將被錨固體分為上下盤，則通常下盤由剛性設(shè)備固定，上盤上表面施加均等穩(wěn)定載荷，上盤載荷可在一定程度上保證剪切實驗的順利進(jìn)行、避免實驗過程中上盤向上運(yùn)動。當(dāng)然，上盤部分也可以采用工裝直接進(jìn)行剛性固定。對上盤一側(cè)施加推力，促使上下盤沿著二者的剪切分界面移動，內(nèi)部的錨桿在這個過程中彎曲、被剪切乃至剪切破斷。

圖13 直剪實驗[55]Fig.13 Straight shear experiment

2）雙面剪切實驗，又稱雙剪實驗。雙面剪切實驗如圖14。此實驗的實驗設(shè)備也有多種，其與直剪實驗的區(qū)別在于：錨桿被置于錨固體后，試塊被劃分為3 份，對中間的試塊施加垂直于錨桿軸向的作用力。因此試塊位于中間，試塊發(fā)生滑移時，沿兩側(cè)的2 個面存在剪切滑移效果。

圖14 雙面剪切實驗[53]Fig.14 Double-sided shear experiment

2 類剪切實驗中，除設(shè)備不同造成的差異外，還值得關(guān)注或未來深入研究的細(xì)節(jié)有：被錨固體單層、復(fù)合層、與實際工程問題的切合度等；錨固劑的類型和安裝方式、安裝范圍；錨桿安裝的細(xì)節(jié)，是預(yù)留鉆孔安裝、錨固劑安裝，還是試塊制作時內(nèi)嵌于被錨固體；錨桿安裝的空間形態(tài)，是過試塊幾何中心，還是偏心非對稱、改變角度安裝；錨桿兩端長度是超出被錨固體，還是小于等于試塊的邊長；錨桿兩端是直接外露，還是采用托盤、螺母等進(jìn)行固定或約束；錨桿的數(shù)量是單根，還是多根、立體分布等。

將前述的拉拔實驗和剪切實驗進(jìn)一步組合，可開發(fā)出錨固系統(tǒng)的“拉-剪”實驗，如文獻(xiàn)[57-59]中提供的實驗方式，“拉-剪”實驗如圖15，拉的部分主要是拉動錨桿桿體，剪的部分主要是推動試塊剪切滑移。目前“拉-剪”類實驗的核心操作在于“穩(wěn)壓”和“加載”兩部，二者一般是交替或分階段進(jìn)行。比如，首先拉伸錨桿至預(yù)設(shè)載荷，保持此拉伸載荷不變，此時的“穩(wěn)壓”即穩(wěn)住拉伸載荷，然后逐漸增加剪切作用力，二者綜合可實現(xiàn)“拉-剪”實驗效果。類似的，還可以有“剪-拉”、“剪-拉-剪”、“拉-剪-拉”等實驗形式。

圖15 “拉-剪”實驗[58]Fig.15 Pull-shear experiment

需要說明的是，在雙剪實驗中，當(dāng)錨桿兩端被錨固劑或托板螺母固定的情況下，在對中間試塊進(jìn)行剪切的過程中，對于錨桿而言，錨桿沿剪切方向發(fā)生彎曲的同時也會使得錨桿軸向因受到兩端錨固或固定所引起的拉力作用，因此，在這類雙剪實驗中，錨桿承受的有可能是剪-拉復(fù)合作用。

3.1.2 錨固系統(tǒng)相似模擬實驗

相似模擬是礦業(yè)領(lǐng)域較為常用的研究手段，特別是在研究巖層運(yùn)動方面。當(dāng)模型中包含巷道時，有可能會出現(xiàn)包含錨固系統(tǒng)的相似模擬實驗。但是，相似模擬實驗研究也是存在爭議較多的研究方法。據(jù)說，該方法由蘇聯(lián)學(xué)者庫茲涅佐夫提出，并于1958 年引入我國，其理論依據(jù)為相似理論和因次分析，一般要滿足幾何相似、運(yùn)動相似、動力相似、邊界相似等條件[60]。早在1965 年，周世寧[61]就討論了用線性相似材料模擬非線性現(xiàn)象的方法，并提出在一定條件下，用線性場只能模擬非線性穩(wěn)定場。此后，鮮學(xué)福等[62]指出，對復(fù)合巖體結(jié)構(gòu)的模擬，還應(yīng)滿足復(fù)合結(jié)構(gòu)的相似關(guān)系；李豪等[63]根據(jù)相似理論和因次分析法認(rèn)為，模擬巖層移動應(yīng)滿足幾何、時間、密度、巖石力學(xué)強(qiáng)度的比例常數(shù)不變等條件，可認(rèn)為實驗為近似相似。但對于早期的二維平面模型而言，不能完全消除模型與模板間摩擦力的問題，解決的辦法之一是施加補(bǔ)償載荷[64]。而近年來的系統(tǒng)工程理論則認(rèn)為，傳統(tǒng)的以相似三定理為基石的理論主要針對的是元件，其應(yīng)用于大型、復(fù)雜系統(tǒng)時會受限[65]。通過這些研究可以看出，已有的相似模擬中對于相似理論的基礎(chǔ)性研究工作較為薄弱，以至于實驗是否可以反映真實問題、多大程度上反映真實情況，都存疑。

因此，盡管相似模擬研究方法被大量應(yīng)用，但其結(jié)論的可靠性方面，未必理想。就錨固系統(tǒng)相似模擬實驗而言，結(jié)合近年來的已有研究，從實驗細(xì)節(jié)而言，認(rèn)為以下方面值得注意：

1）材料相似問題[66]。如在同一研究中，選擇鋁絲制作錨桿錨索，選擇金屬墊片作為模擬中的托板，選擇薄鐵皮制作鋼筋托梁，并用塑料紗窗來制作金屬網(wǎng)，僅從材料本身而言，這個組合中的構(gòu)件就很難還原錨固系統(tǒng)中的單一構(gòu)件，而且顯得錨固構(gòu)件相似模擬實驗材料選擇過于隨意。

2）結(jié)構(gòu)相似未被足夠重視。巷道周圍地層為層狀結(jié)構(gòu)，實驗中對此進(jìn)行簡化的情況并不少見，而且模擬中較多的地層本身為水平地層或復(fù)合地層層面之間相互平行的情況，甚至有研究人員為了制作節(jié)理裂隙和破碎圍巖，而在模型上無規(guī)則的切割[67]，很難講這種模擬是精確的。對于堅硬厚層頂板而言，頂板有可能具有良好的整體性，而由相似材料制作的頂板，其結(jié)構(gòu)特性未必與真實相符。

3）非穩(wěn)定非連續(xù)場的相似問題。巷道巖體破壞前，可視為彈性場、穩(wěn)定場，但一旦出現(xiàn)破壞，則會向非穩(wěn)定場轉(zhuǎn)變。在一些研究中引入了爆破動載[68]，但是很明顯，在相似模擬中引入的要素越多，其前置要素對達(dá)成相似的要求就越高。類似的，模擬中地層分隔有時會采用云母粉，而包含斷層的模型中較多的是形似[69]，非連續(xù)問題、非連續(xù)介質(zhì)的影響，還有待于深入論證。

4）過程相似問題。這是諸多關(guān)于錨固系統(tǒng)相似模擬中面臨的主要挑戰(zhàn)之一，如，采用相似材料塑模，但是模型靜置等待干燥和開展實驗的時間與時間相似比并不一致。在實際工序中，鉆孔、錨固、封裝是1 個分步和循環(huán)的過程，但當(dāng)相似模擬中巷道尺寸較小時，這一過程很難在模型中得以還原。對于三維的相似模擬而言，開采范圍往往是遠(yuǎn)大于巷道尺寸的，錨固系統(tǒng)在開采擾動影響下巷道穩(wěn)定性方面發(fā)揮的作用，尚不能很好地在室內(nèi)復(fù)現(xiàn)。而且，地層的地應(yīng)力場是過程性形成的，目前很多模擬也不能還原真實的地應(yīng)力場形成過程，對圍巖的還原重點(diǎn)在材料而非狀態(tài)上。

5）邊界條件相似問題。對于不施加頂部載荷的淺埋模型而言，地表的起伏情況沒有在模型中得到很好的體現(xiàn)；對于深埋模型而言，往往頂部施加的是均勻載荷[70]，這一點(diǎn)顯然是對真實情況的理想簡化。因此，諸多相似模擬實驗實際上更像是近似實驗，但有多近似、哪些方面近似，有待評價。

6）系統(tǒng)相似。在改進(jìn)前述問題方面，改進(jìn)構(gòu)件和要素是1 個較為常見的做法，如進(jìn)一步測量相似模擬中鋼絲的抗拉特性、幾何尺寸等。諸如近年來使用的3D 打印技術(shù)[71]，也是希冀在構(gòu)件方面能盡可能達(dá)到相似的要求。但是，從元件相似到系統(tǒng)相似，仍有一段距離。如，真實煤礦井下巷道實際上軸線方向更長，由此造成巷道長軸線方向要經(jīng)過不同的地質(zhì)條件，一些工程災(zāi)害實際上是復(fù)雜系統(tǒng)孕育的問題，僅憑二維平面模型，未必能很好的還原真實情況。此外，實驗中傳感器、線纜埋設(shè)的影響，也是相似模擬與真實情況不符的鐵證，但這種影響的大小，可能要有賴于更先進(jìn)的監(jiān)測手段出現(xiàn)，才更容易評價。

在克服上述問題方面，一種嘗試是使用更大尺寸的模型和使用貼近真實工況的錨固系統(tǒng)構(gòu)件，如煤炭科學(xué)研究總院李建忠[72]、石垚[73]的碩士學(xué)位論文就是這方面的代表。但是不可否認(rèn)的是，即便采用了大尺寸模型，這些研究也或多或少的存在前述的問題。因此，本文更傾向于把已有的相似模擬實驗視為是探索演化趨勢、發(fā)現(xiàn)以往被忽視問題的1 種手段，而不認(rèn)為目前的相似模擬研究是十分精確地還原了實際問題。

3.1.3 錨固系統(tǒng)其他實驗

此外，煤炭科學(xué)研究總院的研究人員還在實驗室開展了錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場監(jiān)測的實驗，該研究主要關(guān)注的是預(yù)應(yīng)力場的形態(tài)和影響因素[74-76]。從實驗的角度而言，文獻(xiàn)中已披露的內(nèi)容存在2方面缺憾：①圍巖的應(yīng)力狀態(tài)沒有很好的還原實際的工況，比如真實工況中，開挖前巷道周邊圍巖的力學(xué)狀態(tài)為三維受力，開挖后則存在自由面，錨桿支護(hù)恰好是作用在了這個自由面，而且，頂板和兩幫的受力狀態(tài)還有所區(qū)別，而這種差異在前述文獻(xiàn)中尚沒有得到體現(xiàn)；②錨桿的動態(tài)性方面，現(xiàn)有研究中錨桿安裝后往往位置就不再發(fā)生變化了，既不進(jìn)行拉拔、也無動載沖擊，在錨固系統(tǒng)動態(tài)變化方面的表征并不充分。

解決這2 方面問題的1 個思路是現(xiàn)場測試：在巷道開挖前，通過頂板巷道或底板巷道打鉆孔的形式提前將監(jiān)測設(shè)備通過鉆孔預(yù)埋到待開挖煤巖中，并利用連續(xù)監(jiān)測手段，在后續(xù)開挖支護(hù)過程中獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。預(yù)埋監(jiān)測設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)可以與后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)作對比，通過現(xiàn)場實測真實地反映實際工程中的真實響應(yīng)。

3.2 現(xiàn)場錨固系統(tǒng)實驗

現(xiàn)場錨固系統(tǒng)實驗指的是在工程現(xiàn)場開展的針對錨固系統(tǒng)的實驗。“標(biāo)準(zhǔn)3”中對錨桿支護(hù)施工質(zhì)量檢測和監(jiān)測提出了具體要求，其中檢測的主要內(nèi)容包括鉆孔施工質(zhì)量、錨桿錨固力、錨桿安裝幾何參數(shù)、錨桿預(yù)緊力矩、托盤及組合構(gòu)件等的安裝質(zhì)量、噴射混凝土強(qiáng)度及厚度等；監(jiān)測的主要內(nèi)容包括巷道表面及圍巖深部的位移、頂板離層、錨桿錨索工作載荷、噴層受力等。此外，“標(biāo)準(zhǔn)3”還給出了“短錨固樹脂錨桿拉拔試驗”、“錨桿拉拔試驗”的試驗方法，這2 項測試現(xiàn)場可使用液壓千斤頂、錨桿拉力計、直讀式壓力表等工具[27]。一些前述的研究錨桿構(gòu)件、錨固系統(tǒng)的實驗室研究方法也可直接用于現(xiàn)場，如使用錨桿拉力計進(jìn)行原位拉拔，與室內(nèi)實驗相比主要區(qū)別在于圍巖介質(zhì)和受力狀態(tài)的差異，而拉拔方面的原理幾乎與室內(nèi)實驗差異不大，且錨桿拉力計同樣可用于室內(nèi)拉拔實驗[77]。

康紅普院士[13]按照圍巖位移、采動應(yīng)力、支護(hù)體受力和變形3 個維度，總結(jié)了相應(yīng)的監(jiān)測內(nèi)容、具體監(jiān)測指標(biāo)、監(jiān)測儀器等。參照已有研究，本文按照實驗?zāi)康?，將現(xiàn)場錨固系統(tǒng)實驗主要分為3 類：

1）檢測性實驗。側(cè)重于對工程質(zhì)量的檢測，一般檢測技術(shù)成熟，檢測的結(jié)果具有可比性、可評價性，主要目的在于檢測工程質(zhì)量是否符合要求。

2）監(jiān)測性實驗。側(cè)重于獲得過程性數(shù)據(jù)，也即持續(xù)時間相對較長、需要多次進(jìn)行，而且監(jiān)測指標(biāo)往往增加了時間這一變量，如檢測中的位移在監(jiān)測中進(jìn)一步擴(kuò)展為變形速度，受力擴(kuò)展為受力的變化趨勢等。監(jiān)測性實驗可以利用現(xiàn)有的、成熟的檢測性技術(shù)，也可以利用多參量、在線連續(xù)監(jiān)測等手段。錨桿支護(hù)中監(jiān)測實驗的主要目的在于發(fā)現(xiàn)災(zāi)害的前兆信息、掌握礦山壓力顯現(xiàn)的規(guī)律、為未來更合理的工程設(shè)計提供依據(jù)等。

3）研究性實驗。研究性實驗又可分為3 類：①構(gòu)件或要素在錨固系統(tǒng)中的響應(yīng)研究：如將錨固長度、錨桿直徑等作為單一變動要素考察，運(yùn)用現(xiàn)場拉拔實驗來研究錨桿的錨固性能[78]，再如研發(fā)了新型測力錨桿，需要在現(xiàn)場測試其性能[79]；②支護(hù)系統(tǒng)研究：針對錨固系統(tǒng)或錨固支護(hù)體系而言，一般指新型錨固支護(hù)技術(shù)的工業(yè)性試驗，體現(xiàn)在錨固材料、支護(hù)參數(shù)、支護(hù)工藝等方面與原支護(hù)形式存在差異，與構(gòu)件類研究相比，支護(hù)系統(tǒng)研究更加注重支護(hù)的整體效果，而且從現(xiàn)有研究來看，研究性實驗往往需要借助檢測性實驗或監(jiān)測性實驗來證明其合理性，如其他條件相同時，采用新支護(hù)技術(shù)的試驗段的巷道變形量要明顯低于原支護(hù)設(shè)計段，很多研究用類似的監(jiān)測結(jié)果來證明新支護(hù)技術(shù)的有效性，但需要特別注意的是，由于實際煤巖體并非理想的均質(zhì)材料，不同支護(hù)段的煤巖體存在差異是必然的，大量研究并沒有論證這種差異的程度而默認(rèn)其可接受、可等同，由此造成過于完美的監(jiān)測結(jié)果和結(jié)論反而未必可信，這并不是說新技術(shù)沒有效果，而是需要提醒研究人員應(yīng)注意，實驗條件改變時，變量的影響是否可以一筆帶過而認(rèn)為結(jié)果是可以直接進(jìn)行比較的；③與錨固系統(tǒng)相關(guān)的研究：這類研究實驗的側(cè)重點(diǎn)往往不是直接研究錨桿構(gòu)件和錨固系統(tǒng)，而是使用一部分相關(guān)的數(shù)據(jù)來研究其他問題，如：在研究錨桿軸力或錨固缺陷的無損檢測技術(shù)中，重點(diǎn)關(guān)注的是無損檢測的效度，與錨固系統(tǒng)相關(guān)但又不是重點(diǎn)關(guān)注錨固系統(tǒng)的性能[80]，類似的，研究爆破震動對錨桿軸力損失的影響，其大前提是爆破振動，運(yùn)用無損檢測技術(shù)對錨固系統(tǒng)進(jìn)行檢測，但更突出研究爆破震動的影響，這一影響來自錨固系統(tǒng)之外[81]，在關(guān)聯(lián)性分析方面，將錨固系統(tǒng)監(jiān)測中的變量與工作面推進(jìn)速度、超前支護(hù)距離、煤巖體穩(wěn)定性等進(jìn)行分析[82-84]，則可以建立更加全面的礦壓圖景，這也區(qū)別于單獨(dú)對錨固系統(tǒng)的研究。

對于現(xiàn)場實驗而言，3 種實驗并不是完全割裂的，而是動態(tài)可轉(zhuǎn)化的、可綜合利用的。連續(xù)的檢測實驗有可能變?yōu)楸O(jiān)測實驗，研究實驗中可能會使用檢測或監(jiān)測的手段，而逐漸成熟的研究實驗成果則可能變?yōu)樾碌臋z測、監(jiān)測方法，再加上實際可供檢測和監(jiān)測的變量較多，實際研究中有可能會綜合利用各種實驗方法。

但應(yīng)注意到，目前非常多的現(xiàn)場實驗都屬于事后研究，而不是預(yù)先或同步現(xiàn)場實驗。比如現(xiàn)場所采用的常規(guī)拉拔實驗，實際上是錨桿安裝后所進(jìn)行的實驗，但是從開挖巷道、進(jìn)行支護(hù)，這個過程性的數(shù)據(jù)是缺失的。類似的，巷道開挖后非常關(guān)注巷道表面的變形，但是從開挖前到支護(hù)完成前的煤巖內(nèi)部變形數(shù)據(jù)，是缺乏同步監(jiān)測的。這造成，表面上看似乎有些新技術(shù)實施后確實出現(xiàn)了圍巖變形被控制的結(jié)果，但如何被控制的，并沒有過程性的數(shù)據(jù)來支撐。與之相關(guān)的，近年來，智能開采、透明工作面、數(shù)字孿生等也是本領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[85-86]，但這些研究較多的關(guān)注透明地質(zhì)、實時虛擬、數(shù)字化建模等內(nèi)容，要建立精準(zhǔn)的數(shù)字孿生像，全過程的變量監(jiān)測就是必不可少的。而且從時間而言，預(yù)先設(shè)計、同步連續(xù)全程監(jiān)測要優(yōu)于現(xiàn)在的事后監(jiān)測。

4 總 結(jié)

1）從實驗的研究對象而言：宏觀的研究對象為錨桿支護(hù)工程，室內(nèi)錨固系統(tǒng)實驗通常以宏觀的局部或?qū)暧^進(jìn)行相似模擬為主，研究對象往往是錨桿支護(hù)工程的一個局部。按照還原論進(jìn)行要素拆分，錨桿構(gòu)件層面的研究對象包括錨桿、錨固劑、托板、螺母、墊圈、連接件、鎖緊裝置、吸能構(gòu)件、金屬網(wǎng)、鋼帶、鋼筋托梁等。此外，從錨固系統(tǒng)而言，被錨固體也是重要的研究對象，且有可能被單獨(dú)研究。

2）從實驗的選題而言：幾乎絕大部分研究都可以被歸為性能研究，也就是研究單體或組合構(gòu)件、錨固系統(tǒng)、錨固工程的性能。另有少部分選題為多因素耦合研究、對理論分析的驗證性研究，但這部分選題往往也要借助性能研究的指標(biāo)來論證。由此而言，目前關(guān)于錨桿的物理實驗研究有很大程度上帶有實用主義色彩，而不實用的研究有可能被主流研究人員所忽略。但實用本身是受到特定時空限制的，當(dāng)前看似不實用，在未來有可能變?yōu)楹軐嵱谩?/p>

3）從實驗方法的學(xué)科歸屬而言：力學(xué)、材料學(xué)特征最為明顯，特別是拉伸類實驗相對較多，這與選題的實用主義一致。此外，錨固劑或金屬腐蝕方面可能涉及化學(xué)，監(jiān)測中的設(shè)備可能涉及自動化、儀器類等學(xué)科。

4）從實驗的設(shè)備而言：力學(xué)設(shè)備屬于主要設(shè)備，測力和測量長度的設(shè)備設(shè)施屬于主流選擇，時間通常采用計算機(jī)自動記錄的方式。需要注意的是，在實驗設(shè)備和實驗評價方面包含2 種基本模式：①為了評價而選定設(shè)備；②限于設(shè)備而做出評價。前者往往自主性、研究性更強(qiáng)，而后者往往是利用成熟的實驗設(shè)備。若將二者結(jié)合，則可以在已有設(shè)備的基礎(chǔ)上做出組合創(chuàng)新。

5）從實驗的評價而言：力、長度、時間是錨桿物理實驗中的基本評價單位，其中力是質(zhì)量、長度和時間這3 個基本物理單位的綜合，但因為力學(xué)實驗相對較多，使得力的獨(dú)立性突出。由基本評價單位，可進(jìn)一步使用強(qiáng)度（抗拉、抗剪、屈服、極限等）、能量（做功、儲能、吸收能、耗散等）、變化率（與選定參考點(diǎn)指標(biāo)的比值）、變化趨勢等評價指標(biāo)。

5 展 望

盡管前述研究已勾勒出了我國在錨桿物理實驗方面的主要研究內(nèi)容，甚至部分成熟測試技術(shù)已形成固定的研究范式。這也意味著，已有范式可能會制約創(chuàng)新。在未來，創(chuàng)新和深入的研究可從以下方面著手：

1）綜合運(yùn)用多學(xué)科研究方法。除當(dāng)前主要采用的力學(xué)、材料學(xué)的研究方法外，未來，在跨學(xué)科方面還需關(guān)注地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、機(jī)械、測量、土木、紡織科學(xué)等學(xué)科的研究方法，在研究思想方面，還應(yīng)注意吸收借鑒哲學(xué)的已有研究。既可以直接利用其他學(xué)科的成熟研究方法，也可以在跨界過程中發(fā)現(xiàn)新的可研點(diǎn)，通過綜合運(yùn)用多學(xué)科研究方法，建立更全面的研究圖景。

2）加大對原位被錨固體的關(guān)注。從前面的論述不難看出，當(dāng)然很多研究聚焦的是錨桿構(gòu)件和相對較小的錨固范圍，而對于工程而言，巷道支護(hù)工程的2 大特點(diǎn)：一是位于地下，造成巷道支護(hù)要承受覆巖、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力等多種因素影響；二是受開采擾動影響，甚至是平面上二次擾動、空間上不同層位擾動，這意味著僅僅關(guān)注錨固系統(tǒng)中的構(gòu)件，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。不僅應(yīng)加大對直接被錨固體的關(guān)注，還應(yīng)從更廣闊的工程視角、地質(zhì)視角等對原位被錨固體給予關(guān)注。從以往對靜態(tài)材料的關(guān)注，轉(zhuǎn)向?qū)Σ牧蟿討B(tài)、動態(tài)材料的關(guān)注。

3）借鑒系統(tǒng)科學(xué)理念。已有研究中，相當(dāng)多的研究是針對簡單問題的回應(yīng)，如利用拉拔實驗研究改變錨桿直徑后的性能、監(jiān)測錨桿不同分段的軸力變化。即便是對于錨固系統(tǒng)，在評價方面，引入了測力、位移、電磁輻射、紅外測溫、風(fēng)速、濕度等多參量監(jiān)測手段，仍是不夠全面的。除系統(tǒng)工程中的數(shù)學(xué)思維外，系統(tǒng)科學(xué)的哲學(xué)思想同樣值得關(guān)注。而且，還原論的要素觀和系統(tǒng)論中的整體不可分理念，有可能是需要結(jié)合具體問題來做取舍或綜合運(yùn)用的。