锚杆支护钢筋网传力机制及分区承载试验研究_原贵阳.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 随着锚杆支护技术的不断进步与发展，高预应 力锚杆支护系统配合柔性护表构件金属网形成的锚 网支护系统能够有效控制巷道表面围岩的变形与破 坏[1-4]。实践证明， 高质量金属网能有效地控制锚杆 之间岩层的变形，“托住” 挤入巷道的岩石， 是确保 锚杆加固作用的重要护表构件[3,5-6]。煤矿井下金属 网自身受力极其复杂， 除受拉力外， 还受剪切、 弯曲、 扭转等复合作用的影响， 导致破坏形式多种多样。 国内外多数学者针对金属网进行了大量的研究 工作， 孙志勇[7-9]对钢筋网、 经纬网、 菱形网进行了实 验室试验， 分析了 3 种金属网各自的承载特点； 葛凤 忠[10]针对金属网自身网孔大小、 网丝直径以及网的 层数进行承力试验， 认为对金属网的网孔、 层数等相 关参数进行优化能显著提高承力性能；澳大利亚矿 业学院[11-13]设计静载实验设备测试钢筋网与菱形网 在静载作用下的力学响应特征，试验表明菱形网的 柔性能对顶板围岩产生一定 “让压” 作用， 有效控制 顶板围岩垮落； 美国 Dolinar[14]分析了托盘的材质、 面 积大小以及锚杆预紧力对锚网支护系统的影响规 律，并提出了衡量金属网刚度的计算公式； Alan G. DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.013 锚杆支护钢筋网传力机制及分区承载试验研究 原贵阳 1， 孙志勇2， 李建忠2 （1.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院， 北京 100013； 2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部， 北京 100013） 摘要 为了掌握钢筋网在控制巷道围岩变形过程中自身的破坏规律， 通过对钢筋网进行垂直 载荷试验及数值模拟仿真计算（Ansys） ，得到了钢筋网在静载荷作用下的传力机制及分区承载 特性 钢筋网中心 “十” 字拉伸区内的钢筋主要受垂直载荷导致的拉伸作用， 且为主传力筋而呈 现出拉伸破坏， 主传力钢筋与模型边界固定的绑丝脱扣破断； 局部扭曲承载区内钢筋非主传力 筋， 且区域内的矩形网格受到扭曲作用变为菱形网格。基于钢筋网传力机制与分区承载特性， 提 出 “十” 字拉伸区钢筋扩径改造、 局部扭曲承载区节点抗扭加固、 绑丝扎捆中区强度增加 3 种优 化方案， 有针对性地对钢筋网进行分区强化， 从而提高钢筋网的稳定性。 关键词 锚杆支护； 钢筋网； 传力机制； 分区承载； 数值模拟 中图分类号 TD353.6文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0054-06 Experimental Study on Force Transfer Mechanism and Zonal Bearing Capacity of Reinforcement Mesh with Bolt Support YUAN Guiyang1, SUN Zhiyong2, LI Jianzhong2 （1.Mining and Design Institute, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China；2.Coal Mining and Designing Department, Tiandi Science Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China） Abstract In order to grasp the failure law in the process of controlling the deation of surrounding rock of roadway for reinforcing steel mesh, the force transfer mechanism and load-carrying characteristics of reinforcing steel mesh under static load are obtained by means of vertical load test and numerical simulation calculation Ansys. Firstly, the reinforcing steel in the cross- shaped stretching zone in the center of reinforcing steel mesh is mainly subjected to the tensile action caused by vertical load, showing tensile fracture of main transfer bar and binding wire fixed between main transfer bar and model boundary is broken and released. Secondly, the non-main transfer bar is distorted locally, and the rectangular mesh in the area is distorted into diamond mesh. Based on the force transmission mechanism of steel mesh and the load-carrying characteristics in different zones, three optimization schemes are proposed, namely the expansion of steel bar in the cross-shaped stretch zone, the torsional strengthening of joints in partial twisted load-bearing zone and the increase of strength in the middle zone of tied wire bundling. It is necessary to strengthen the steel mesh in different zones in order to improve the stability of the steel mesh. Key words bolt support； steel mesh； force transfer mechanism； zonal bearing capacity； numerical simulation 54 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 1钢筋网实验室试验 Thompson[15]同时考虑了锚杆间排距、 锚杆预紧力、 加 载方向以及金属网安装方向对金属网承力性能的影 响； Zhenjun Shan[16]研究了不同直径压力盘对金属网 承力性能的影响； Potvin and Giles[17]研究了尺寸效应 对金属网力学性能的影响规律。以上学者对金属网 从不同角度进行了详细的研究。但是关于金属网在 受载时的传力机制及本质破断分析方面还缺乏一定 的研究，对于井下金属网的破坏失效问题没有给出 实质性的解决方案。采用实验室试验与数值模拟 2 种研究方法对钢筋网进行传力机制分析与承载性能 分区研究工作，并提出一种具有针对性的分区加固 方法，从钢筋网局部结构改造入手，根据不同分区 承力特点进行结构优化， 达到增强承载性能的目的。 1锚杆支护金属网的破坏方式 井下常见的金属网失效形式主要分为松垂失效 与强度失效[18]。松垂失效是指金属网本身的结构没 有发生破坏，由于抵抗变形形成网兜过大，被认为 失去支护的意义,判定为支护失效。 强度失效是指金 属网自身的结构发生了破断，刚度瞬间降低，破碎 的围岩能从金属网破坏位置向巷道空间流落，严重 时造成冒顶事故， 甚至引发人员的伤亡。 钢筋网的强度失效方式分为锚杆支护构件剪切 破坏、 绑丝断裂以及金属网自身结构破断 3 种方式。 锚杆支护构件的剪切破坏是由于金属网在发挥支护 效应的同时，在锚杆支护构件处应力集中形成的剪 切破坏；绑丝断裂是由于金属网在网片连接部位强 度过低形成薄弱环节，承载能力过大时容易在此处 形成 “拉链” 式大区域破坏， 引发大型冒顶事故； 金 属网自身的结构破断方式分为焊接点剪切破坏、 焊 热影响区颈缩破坏、 钢筋抗拉强度失效 3 种方式。 2钢筋网承力实验室试验 2.1试验设备 根据上述金属网不同破坏方式，利用金属网静 载试验台对钢筋网进行测试。 选取面积为 1 m1 m， 钢筋直径为 6.5 mm，网孔大小为 100 mm100 mm 的钢筋网进行实验室试验。钢筋网配合支护方式为 锚杆加托盘， 锚杆施加预紧力 100 kN， 金属网四周 采用煤矿常用的 14绑丝进行扎捆约束，施载装置 采用手动液压千斤顶。为避免出现集中载荷，在金 属网和施载液压千斤顶之间垫 2 层圆形柔性胶带。 试验条件如图 1。通过手动液压泵对金属网进行施 加载荷， 记录油缸出力及金属网的变形量。 2.2试验现象分析 钢筋网破坏规律示意图如图 2。钢筋网在初期 加载阶段， 四周绑丝张紧， 钢筋网受力逐渐增加。此 时千斤顶压力上涨较慢，当载荷达到 6.5 kN 时， 金 属网边界处的绑丝逐渐从中间开始向两侧延伸断 裂， 明显表现出绑丝扎捆处中间受力大， 两侧受力小 的承力趋势； 在测试过程中， 以千斤顶圆盘为中心的 “十” 字型区域内 （图 2 中的 “1 区” ） 钢筋受力明显比 周边钢筋大。通过应变片显示数据可得，此处受力 主要以拉应力为主，应变显示数据呈现出上下波动 “锯齿” 状， 说明钢筋网在承力试验过程中， 有明显 的 “卸压” 现象发生。引起 “卸压” 的原因是绑丝的破 断、焊接点的剪切破坏以及钢筋的拉断 3 种主导因 素； 在钢筋网四周靠近托盘的 4 个矩形区域内 （图 2 中的 “2 区” ） ， 钢筋网格由原来的矩形网格变为类菱 形网格， 每个方向的变形区域接近 3 个网孔， 由此推 断该处网格受到了扭曲作用，焊接点受到扭转作用 力， 极易发生剪切破坏。对于局部焊接点的破坏， 并 不意味着钢筋网丧失了应有的支护效应，由于局部 横向钢筋和纵向钢筋之间无约束作用，网孔容易因 巷道表面破碎围岩的挤压作用而形成空洞或者进一 步扩大恶化。因此，抑制钢筋网在局部焊接点破坏 之后网孔的进一步恶化， 提高其 “残余支护能力” 可 以有效增强钢筋网的护表能力；当网丝受到的拉力 大于托盘-金属网-试验台所能提供的摩擦力时， 位 于托盘下的金属网就会产生一定量的滑移，该滑移 值会进一步增大钢筋网的变形量以及降低支护系统 的支护刚度。 钢筋网承力试验破坏方式主要为边界绑丝由 中心向两侧延伸断裂、“十”字型区域钢筋受拉破 断、“2 区” 网格因扭曲变为类菱形结构、 托盘下部网 丝出现水平滑移现象。 2.3钢筋网传力机制分析 钢筋网在中心承受载荷时，中心压力盘直接加 载在钢筋网中心区域，“十”字区域内的钢丝绳瞬间 55 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 5拉伸区模型简化图 图 4钢筋网承力分区图示 图 3传力机制示意图 图 2钢筋网破坏规律示意图 受力张紧， 钢筋网受力由中心沿着 “十” 字区域内的 钢筋向边界系统传递。 当应力穿过网丝节点时， 应力 可以通过焊接点向正交钢筋两侧进行传递，正交钢 筋承力可以减轻 “十” 字区域内钢筋受力的大小。如 果金属网的面积足够大，“十”字区域内钢筋所受拉 力被不断弱化，作用在钢筋网边界部位上的应力会 逐渐减小。 “十” 字区域钢丝绳的应力通过一定量的 折减， 开始向边界部位传播， 首先将应力传播给托盘 固定处的钢筋，其次再将拉应力传播到边界绑丝固 定处，对此的表现方式为托盘下部钢筋的滑移以及 边界扎捆中心区域的绑丝脱扣现象，传力机制示意 图如图 3。 拉伸力最终由 “十” 字形区域的钢筋传播到钢筋 网边界部位， 并开始向两侧扩散， 边界中部会产生较 大的应力集中。 3分区承载理论计算 整个钢筋网的承载区域分为 “十” 字拉伸承载区 和 “2 区” 扭曲承载区， 分区情况如图 4。 以 “十” 字拉伸承载区域中的 1 根钢筋作为研究 对象， 且不考虑与其正交钢筋的传力分流作用， 计算 最不利状态下“十”字拉伸承载区钢筋受力状态。 “十” 字拉伸承载区域的单根网丝可以简化为力学模 型 （图 5） 。 网丝由 1 处变形至 2 处钢筋变形量为 △L （ W sinθ -L）（1 ） 式中 W 为钢筋网挠度变形量； L 为钢筋的 1/2 长度； θ 为钢筋的变形方位角； 钢筋应变为 ε △L L （ W Lsinθ -1）（2 ） 钢筋应力为 σE （ W Lsinθ -1）（3 ） 式中 E 为钢筋的弹性模量。 由此可得钢筋受力 F 为 FσSE （ W Lsinθ -1）π 4 d2（4 ） 式中 S 为钢筋截面积； d 为钢筋截面直径。 为了保证钢筋网有足够的支护强度， 避免 “十” 字区域内钢筋拉伸破断， 应使每根钢筋受力小于 F， 以免钢筋网在此处发生拉伸破断。 在金属网的扭曲承载区域，最主要的变形方式 为钢筋网格由矩形变为类菱形结构，表示钢筋网在 节点处收到了较为严重的剪切应力，“2 区”扭曲承 载网格变形图如图 6。 假设组成金属网格的 2 根正交网丝上的应力分 别为沿 x、 y 方向， 则在节点处所受的合力为 56 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 7轴力、 剪力分布云图 图 6 “2 区” 扭曲承载网格变形图 σσx2σy2■（5） 式中 σx为横向钢筋拉伸力； σy为纵向钢筋拉 伸力。 剪切力的方向为 αtan-1 σx σy （6） 网格边长为 △L （σx E L） 2＋ （σy E L） 2 ■ （7） 网格最终边长为 LsL△L（8） 由计算可得，“2 区”扭曲承载区矩形网格最终 变形为边长为 Ls的类菱形网格。 4数值模拟研究 4.1数值模拟方案及参数标定 数值模拟方案与试验方案一致，数值模型选取 钢筋直径为 6.5 mm， 网孔为 100 mm100 mm， 大小 为 1 m1 m 的钢筋网。 材料弹性模量为 200 GPa， 泊 松比为 0.3， 屈服强度为 500 MPa， 本构模型为等强 硬化多线性弹塑性模型，采用非线性大变形静态分 析方法。在模型中，将 25 kN 的载荷施加在钢筋网 中心直径为 400 mm 的圆形区域，四周均以固定约 束， 数值模型采用梁单元进行网格划分。 4.2应力分析 轴力、 剪力分布云图如图 7。 钢筋网轴力分布云 图显示钢筋网在中心受力时， 中间“十” 字形区域的 6 根网丝应力较大， 并从中心位置逐渐向四周扩散， 应力有逐渐降低的趋势，但降低的幅度不大。在钢 筋网边界中间部位形成很大的应力集中，此处也是 实验过程中最容易破断的地方。在金属网的 4 个托 盘位置处，也出现了较大的应力集中，表明托盘的 存在会对钢筋网造成一定的剪切作用，但也可以有 效抑制钢筋网变形。剪力云图展示了钢筋网区域受 扭转变形的区域，与实验室试验结果一致。在钢筋 网的 “2 区” 内， 钢筋网所受剪力较大， 达到 71 MPa， 因此，钢筋网的焊接点抗剪切强度急需提高，以防 止钢筋网受扭曲作用造成焊接点的剪切破坏，进一 步削弱钢筋网支护系统的支护效应。 4.3位移分析 x 方向的位移云图如图 8， 钢筋网整体位移变化 趋势为中间突出， 并沿着两侧逐渐减小， 形成类波浪 式结构。由于金属网中心载荷的施加，十字形区域 内网丝受力集中， 主要为拉应力， 并通过焊接点传递 给与其正交的横向钢筋，随着纵向钢筋垂直位移的 产生， 横向钢筋逐渐产生水平方向的位移。 xz 方向位移云图如图 9。 由图 9 可知， 随着载荷 的施加， 金属网水平位移类似 1 个矩形， 呈现出由中 间向四周扩散并逐渐降低的变化趋势。在矩形 4 个 顶点处， 由于 x 方向位移与 z 方向位移的叠加， 使得 此处出现了较大位移。对比实验室观测结果，该处 将出现较大的扭曲变形，对钢筋网网格的抗扭曲能 力提出了较高的要求。网格的抗扭曲能力取决于钢 筋网焊接点的抗剪切能力， 因此， 钢筋网 “2 区” 内焊 接点抗剪切能力需要加固，以此来提高金属网的整 图 8x 方向位移云图 57 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 10钢筋网分区加固方案 图 9xy 平面位移云图 体支护强度。 通过 ansys 有限元分析软件验证了金属网传力 机制以及分区承载规律，并与实验室试验结果相互 佐证， 增加了实验室试验结果的合理性与科学性。 5钢筋网分区加固改进方案 针对上述钢筋网的实验分析与数值模拟验证， 得出钢筋网在受到中心载荷时的受力特点中心 “十” 字区域为拉伸承力结构， 多数钢筋的拉伸破断 均在此处发生；“2 区” 的变形主要以扭曲变形为主， 扭曲变形对钢筋网的焊接点极为不利，容易出现大 范围的焊接点剪切失效；绑丝连接中心处出现应力 集中，此处也是绑丝最容易破断的地方。钢筋网分 区加固方案如图 10。 根据以上 3 种破坏方式，提出以下钢筋网分区 加固措施 1） 由于中心十字区域网丝受力较大， 也是整个 金属网主要的拉伸承力机构， 因此， 单独对其钢筋进 行扩径改造。通过增加钢筋直径的方法来提高其抗 拉强度，防止金属网在受到较小载荷时因此处的破 断而造成整体金属网的支护效果下降。 2） “2 区” 变形以扭曲变形为主， 扭曲变形会在 钢筋焊接处产生较大的剪切力，容易造成焊接点的 剪切破坏。由钢筋网的支护情况可知，焊接点的破 坏不会导致整个金属网的支护失效，造成金属网支 护失效的往往是网孔在无焊接点约束的情况下进一 步扩大，从而使破碎围岩从网孔中挤出流入巷道。 因此，此处应加强焊接点的剪切强度以及在焊接点 失效后抑制网孔进一步扩大的性能， 采用绑丝对 “2 区” 金属网的每个节点进行捆绑约束， 抑制钢筋网扭 曲承载区网孔的进一步扩大， 提高钢筋网的 “残余支 护能力” 。 3） 由钢筋网的传力机制可知， 力由钢筋网受载 区域通过“十”字路径传递到金属网的边界系统， “十” 字区域与边界系统相交的部位因应力集中容易 导致绑丝的脱扣断裂。因此，在此处需要减小绑丝 的间距， 集中对金属网边界中心部位进行绑丝约束， 防止其因绑丝强度过低而造成钢筋网支护系统产生 “拉链” 式大区域破坏。 6结论 1） 钢筋网支护系统在承力试验过程中， 出现中 心 “十” 字区域拉伸破坏、“2 区” 网格扭曲变形以及 绑丝扎捆中区的脱扣破断 3 种破坏方式。 2） 钢筋网在承受中心载荷时， 受力由中心 “十” 字区域内的钢筋以拉伸应力的方式向钢筋网边界绑 丝固定系统传递， 造成钢筋网边界中心处应力集中， 并逐渐向两侧扩散。 3） 钢筋网支护系统明显表现出分区承载现象， 中心 “十” 字区域为拉伸承载区，“2 区” 为扭曲承载 区，根据不同区域承力特点对钢筋网进行局部加固 是大幅度提高钢筋网支护效应的有效措施。 4） 钢筋网支护系统受力云图、 位移云图显现出 明显的传力方式及分区承载特点，为实验室结果进 行了验证。 5） 提出了钢筋网分区加固改进方案， 有针对性 地对钢筋网进行局部钢筋扩径改造、“2 区”节点抗 扭加固以及绑丝扎捆中区强度增加 3 种优化设计， 以此加强钢筋网支护系统的整体支护强度。 参考文献 ［1］ 康红普．高强度锚杆支护技术的发展与应用 ［J］ ．煤炭 科学技术， 2000， 28 （2） 1－4． ［2］ 康红普． 煤矿预应力锚杆支护技术的发展与应用 ［J］ ． 煤矿开采， 2011， 16 （3） 25－30． ［3］ 何理礼， 聂亚辉．预紧力锚杆作用下锚固体内应力及 锥形体特征分析 ［J］ ．煤矿安全， 2019， 50 （1） 222. ［4］ 康红普．我国煤矿巷道锚杆支护技术发展 60 年及展 望 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2016， 45 （6） 1071－1081． ［5］ 李兆霖， 王连国， 陆银龙．高强让压锚杆力学特性及结 构优化 ［J］ ．煤矿安全， 2015， 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