恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用_何满潮
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[7-9] [6] [5]
国外对可延伸锚杆的研究已经有近 20 a 的历 史。国内在这方面的研究始于 20 世纪 80 年代初期。 1995 年，加拿大劳伦森大学的 McCreath 教授和 Kaiser 教授提出了能量吸收锚杆的设计原则，指出 锚杆杆体要具有较大的伸长率(至少达到 200～300 mm)，并且伴随着围岩的变形具有滑移特性，主要 被应用在受到瞬间荷载影响的地下工程围岩支护体 系中，如：岩爆、工程爆破等[17-18]。最简单的能量 吸收锚杆雏形产于 20 世纪 80 年代，由局部套有套 管的螺纹钢筋锚杆组成。套管的作用是防止螺纹钢 筋与注浆体黏结在一起。这种锚杆的两大主要缺点 在于增大了钻孔直径，并且增加锚杆抗腐蚀难度。 这种锚杆还不是真正意义上的能量吸收锚杆。 20 世 纪 90 年代早期， W. D. Ortlepp[19]提出了能量吸收支 护体系的概念。A. J. Jager[20]研发出第一套真正意义 上的能量吸收锚杆——锥形锚杆(cone bolt)。 这种锚 杆主要由光滑金属杆体和扁平锥形端头组成。光滑 金属杆体外表面涂抹薄层润滑材料，如蜡状物，以 便在锚杆受到拉力荷载时在注浆体中滑移。早期的 锥形锚杆只能用水泥砂浆锚固，直到 20 世纪 90 年 代末期，树脂锚固锥形锚杆(MCB)才诞生[21]。这种 改进后的锥形锚杆，在锥形末端增加了一个叶片， 用来搅拌树脂药卷。通过现场应用，发现如果托盘 后方的岩体存在断裂面或松散体，树脂锚固可能会 失效，从而使锚杆加固功能彻底丧失[22]。近些年， 随着人们对能量吸收锚杆和能量吸收支护理念的深 入了解，能量吸收锚杆需求在全球不断扩大，各种 类型的能量吸收锚杆已经在市场上出现，如 Garford 锚杆、Durabar 锚杆、Yielding Secura 锚杆和 Roofex 锚杆等[23-24]。但是，由于这些大变形锚杆主要通过 改变杆体材料属性或者通过点状摩擦结构来实现可 延伸特性，支护阻力往往表现为增阻特征或降阻特 征，无法真正实现恒阻特性，因此在实际工程应用 中不能够提供恒定的支护阻力和较大的变形量。 本文在搜集和整理国内外大变形锚杆研究成果 的基础上，对国内外几种典型能量吸收锚杆的结构 特征、工作机制、力学特性等进行系统分析，针对 其力学特性的增阻性和降阻性缺陷，研发出一种新 型能量吸收支护材料，称为 HMG 型恒阻大变形锚 杆。这种锚杆不同于现有其他能量吸收锚杆结构特 征，它不但可以提供较大的支护阻力和结构变形量， 而且具有恒阻力学特性。本文将针对 HMG 型恒阻 大变形锚杆的结构组成、工作原理、静力拉伸和动 力冲击试验系统进行深入研究，对试验结果进行讨
1
引
言
采深度已经超过 1 000 m，相继进入深部资源开采 状态。如瑞士、加拿大、澳大利亚、中国及南非等 国家的金属矿开采深度很多已经超过 1 000 m，有 的甚至超过 3 000 m[1-3]。其中，印度 Kolar 金矿已 有 3 座矿山采深超过 2 400 m，南非 Anglogold 公司
MECHANICAL PROPERTY AND ENGINEERING APPLICATION OF ANCHOR BOLT WITH CONSTANT RESISTANCE AND LARGE DEFORMATION
HE Manchao1，GUO Zhibiao1
，2
(1. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China；2. School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China)
Abstract：Traditional rigid anchor bolts allow the deformation of surrounding rock of roadway generally below 200 mm. The rigid anchor bolts often appear tensile failure because they cant adapt to the large deformation of surrounding rock. A type of anchor bolts with constant resistance and large deformation was therefore manufatured，which can provide the constant resistance and stable deformation. This type of anchor bolt is mainly composed of a constant resistance device and an elastic rod，which is suitable for supporting the surrounding rock in soft rock or deep roadways to effectively control the engineering disaster of rock burst etc. The anchor bolts of constant resistance and large deformation were tested with an experimental system developed in house. The experimental results show that the maximum value of the accumulated deformation of the anchor bolts with constant resistance is up to 1 000 mm. Field tests were also performed in the roadway support of a typical deep and soft rock mine with good effect. Key words： mining engineering； constant resistance and large deformation anchor bolt； dynamic impact experimental system；static tensile experimental system 大，浅部资源日益减少，目前全球许多金属矿山开
深部能源与矿产资源的安全、有效开发是关系 到国民经济持续发展和国家能源战略安全的重大问 题。随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加
收稿日期：2013–11–01；修回日期：2014–02–24
作者简介：何满潮(1956–)，男，博士，1981 年毕业于长春地质学院工程地质专业，现任教授、博士生导师，主要从事深部岩体力学与工程灾害控制 方面的教学与研究工作。E-mail：hemanchao@
2
恒阻大变形锚杆的结构组成
(a) 弹性变形阶段 杆体
2.1 恒阻大变形锚杆的结构 恒阻大变形锚杆由恒阻装置、杆体、托盘和螺 母组成(见图 1)。 其中， 恒阻装置包括恒阻套管和恒 阻体，并且恒阻套管内表面和杆体的外表面均为螺 纹结构，降低了锚杆的自重。恒阻装置，套装于杆 体的尾部，托盘和螺母依次安装在恒阻装置的尾部。 在当前的设计中，恒阻套管的材料强度低于恒阻体 材料强度，这种独特的设计是为了防止恒阻体在恒 阻套管内滑移过程中，恒阻体由于强度较低而发生 摩擦破坏，产生降阻特性，严重影响新型锚杆的恒 阻性能。
[16]
。在这种环境下，一种能够在围岩蠕伸量的新型锚 杆孕育而生，称为可延伸锚杆，也称能量吸收锚杆。
第 33 卷
第7期
何满潮等：恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用
锚固段 钻孔孔壁 恒阻装置 托盘
• 1299 •
论分析，总结 HMG 型恒阻大变形锚杆的力学特性， 并分析该锚杆在我国典型矿区的现场应用效果。
。
在深部开采条件下，高地压、高地温、高渗透 压以及开采扰动严重影响着地下巷道围岩的稳定 性，由于传统小变形锚杆允许巷道围岩的变形量一 般均在 200 mm 以下，传统支护技术已经不能够适 应深部巷道围岩非线性大变形破坏特征， 常出现因锚 杆不能适应巷道围岩大变形破坏而被拉断失效[10-15]。 但是，在实际工程应用中，许多传统小变形锚杆仍 然在深部矿井中被广泛应用于控制岩爆灾害 ( 如加 拿大、瑞士等)，虽然这种锚杆能够提供较高的支护 阻力，但是由于缺乏足够的大变形量来应对围岩的 膨胀变形，而经常出现锚杆支护巷道多次返修、锚 杆拉断失效、钢架扭曲变形、浇注混凝土开裂等破 坏现象，不但提高了巷道维修成本，而且为深部工 程埋下了安全隐患。因此，随着矿山开采深度的不 断增加，围岩应力不断加大，锚杆支护不仅需要考 虑支护体系的强度问题，还需要考虑围岩的变形 量
但是在实际工程应用中许多传统小变形锚杆仍然在深部矿井中被广泛应用于控制岩爆灾害如加拿大瑞士等虽然这种锚杆能够提供较高的支护阻力但是由于缺乏足够的大变形量来应对围岩的膨胀变形而经常出现锚杆支护巷道多次返修锚杆拉断失效钢架扭曲变形浇注混凝土开裂等破坏现象不但提高了巷道维修成本而且为深部工程埋下了安全隐患
• 1298 •
岩石力学与工程学报
2014 年
西部深井金矿开采深度已达 3 800 m。在中国煤矿 开采方面，许多矿区的开采深度都已超过了 600～ 800 m，深度超过千米的矿井就有数十个，最大开 采深度已超过 1 300 m(如徐州张小楼矿和新汶孙村 矿 ) 。预计在未来的 20 a ，中国很多煤矿将进入 1 000～1 500 m 的开采深度。随着采深的不断增加， 各种工程灾害日益增多，如矿井冲击地压和软岩大 变形等灾害对深部资源的安全高效开采造成了巨大 威胁[4]。冲击大变形是开采过程中诱发并伴有微震 活动和弹性能突然释放的煤岩体结构破坏过程。应 用传统锚杆支护的巷道远不能够抵抗岩爆产生的瞬 时大变形冲击荷载，从而出现了锚杆断裂、巷道不 同程度破坏的事故。在煤矿方面受岩爆危害的代表 性国家有波兰、德国、英国、挪威、瑞典、加拿大、 南非和印度等。波兰从 1949～1982 年，共发生破坏 性冲击大变形破坏 3 097 次，造成 401 人死亡， 120 000 m 井巷被破坏；德国鲁尔煤矿 1910～1978 年，发生破坏性冲击大变形破坏 283 次，冲击深 度 590～1 100 m ；造成严重的经济损失。中国最 早的冲击地压记录是 1933 年发生于抚顺胜利煤田 。 中国是世界上头号煤炭生产和消费国家，近年来原 煤年产量均在 2 Gt 以上。 随着浅部矿产资源的日益 枯竭，煤炭资源开采正在向深部发展，冲击地压频 数增加。从 1949～1997 年，近 50 a 内 33 个煤矿冲 击地压发生次数达 2 000 多起
100083)
摘要：传统刚性锚杆允许巷道围岩的变形量一般均在 200 mm 以下，不能适应巷道围岩大变形破坏而被拉断失效。 自主研发的恒阻大变形锚杆能提供恒定工作阻力和稳定变形量，该锚杆主要由恒阻装置和弹性杆体组成，适应于 软岩巷道、深部巷道的围岩支护，可以有效控制冲击地压等工程灾害。利用自主研发的恒阻大变形锚杆(索)试验 系统对恒阻大变形锚杆进行室内力学特性试验，试验结果表明，恒阻范围内累计变形量最大值可达 1 000 mm。在 我国典型深部软岩矿井巷道支护进行现场科学试验，效果良好。 关键词：采矿工程；恒阻大变形锚杆；动力冲击试验系统；静力拉伸试验系统 中图分类号：TD 32 文献标识码：A DOI:10.13722/ki.jrme.2014.07.001 文章编号：1000–6915(2014)07–1297–12
第 33 卷
第 7 期
2014 年 7 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.33 No.7 July，2014
恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用
何满潮 1，郭志飚 1
，2
(1. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京
国外对可延伸锚杆的研究已经有近 20 a 的历 史。国内在这方面的研究始于 20 世纪 80 年代初期。 1995 年，加拿大劳伦森大学的 McCreath 教授和 Kaiser 教授提出了能量吸收锚杆的设计原则，指出 锚杆杆体要具有较大的伸长率(至少达到 200～300 mm)，并且伴随着围岩的变形具有滑移特性，主要 被应用在受到瞬间荷载影响的地下工程围岩支护体 系中，如：岩爆、工程爆破等[17-18]。最简单的能量 吸收锚杆雏形产于 20 世纪 80 年代，由局部套有套 管的螺纹钢筋锚杆组成。套管的作用是防止螺纹钢 筋与注浆体黏结在一起。这种锚杆的两大主要缺点 在于增大了钻孔直径，并且增加锚杆抗腐蚀难度。 这种锚杆还不是真正意义上的能量吸收锚杆。 20 世 纪 90 年代早期， W. D. Ortlepp[19]提出了能量吸收支 护体系的概念。A. J. Jager[20]研发出第一套真正意义 上的能量吸收锚杆——锥形锚杆(cone bolt)。 这种锚 杆主要由光滑金属杆体和扁平锥形端头组成。光滑 金属杆体外表面涂抹薄层润滑材料，如蜡状物，以 便在锚杆受到拉力荷载时在注浆体中滑移。早期的 锥形锚杆只能用水泥砂浆锚固，直到 20 世纪 90 年 代末期，树脂锚固锥形锚杆(MCB)才诞生[21]。这种 改进后的锥形锚杆，在锥形末端增加了一个叶片， 用来搅拌树脂药卷。通过现场应用，发现如果托盘 后方的岩体存在断裂面或松散体，树脂锚固可能会 失效，从而使锚杆加固功能彻底丧失[22]。近些年， 随着人们对能量吸收锚杆和能量吸收支护理念的深 入了解，能量吸收锚杆需求在全球不断扩大，各种 类型的能量吸收锚杆已经在市场上出现，如 Garford 锚杆、Durabar 锚杆、Yielding Secura 锚杆和 Roofex 锚杆等[23-24]。但是，由于这些大变形锚杆主要通过 改变杆体材料属性或者通过点状摩擦结构来实现可 延伸特性，支护阻力往往表现为增阻特征或降阻特 征，无法真正实现恒阻特性，因此在实际工程应用 中不能够提供恒定的支护阻力和较大的变形量。 本文在搜集和整理国内外大变形锚杆研究成果 的基础上，对国内外几种典型能量吸收锚杆的结构 特征、工作机制、力学特性等进行系统分析，针对 其力学特性的增阻性和降阻性缺陷，研发出一种新 型能量吸收支护材料，称为 HMG 型恒阻大变形锚 杆。这种锚杆不同于现有其他能量吸收锚杆结构特 征，它不但可以提供较大的支护阻力和结构变形量， 而且具有恒阻力学特性。本文将针对 HMG 型恒阻 大变形锚杆的结构组成、工作原理、静力拉伸和动 力冲击试验系统进行深入研究，对试验结果进行讨
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引
言
采深度已经超过 1 000 m，相继进入深部资源开采 状态。如瑞士、加拿大、澳大利亚、中国及南非等 国家的金属矿开采深度很多已经超过 1 000 m，有 的甚至超过 3 000 m[1-3]。其中，印度 Kolar 金矿已 有 3 座矿山采深超过 2 400 m，南非 Anglogold 公司
MECHANICAL PROPERTY AND ENGINEERING APPLICATION OF ANCHOR BOLT WITH CONSTANT RESISTANCE AND LARGE DEFORMATION
HE Manchao1，GUO Zhibiao1
，2
(1. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China；2. School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology， Beijing 100083，China)
Abstract：Traditional rigid anchor bolts allow the deformation of surrounding rock of roadway generally below 200 mm. The rigid anchor bolts often appear tensile failure because they cant adapt to the large deformation of surrounding rock. A type of anchor bolts with constant resistance and large deformation was therefore manufatured，which can provide the constant resistance and stable deformation. This type of anchor bolt is mainly composed of a constant resistance device and an elastic rod，which is suitable for supporting the surrounding rock in soft rock or deep roadways to effectively control the engineering disaster of rock burst etc. The anchor bolts of constant resistance and large deformation were tested with an experimental system developed in house. The experimental results show that the maximum value of the accumulated deformation of the anchor bolts with constant resistance is up to 1 000 mm. Field tests were also performed in the roadway support of a typical deep and soft rock mine with good effect. Key words： mining engineering； constant resistance and large deformation anchor bolt； dynamic impact experimental system；static tensile experimental system 大，浅部资源日益减少，目前全球许多金属矿山开
深部能源与矿产资源的安全、有效开发是关系 到国民经济持续发展和国家能源战略安全的重大问 题。随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加
收稿日期：2013–11–01；修回日期：2014–02–24
作者简介：何满潮(1956–)，男，博士，1981 年毕业于长春地质学院工程地质专业，现任教授、博士生导师，主要从事深部岩体力学与工程灾害控制 方面的教学与研究工作。E-mail：hemanchao@
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恒阻大变形锚杆的结构组成
(a) 弹性变形阶段 杆体
2.1 恒阻大变形锚杆的结构 恒阻大变形锚杆由恒阻装置、杆体、托盘和螺 母组成(见图 1)。 其中， 恒阻装置包括恒阻套管和恒 阻体，并且恒阻套管内表面和杆体的外表面均为螺 纹结构，降低了锚杆的自重。恒阻装置，套装于杆 体的尾部，托盘和螺母依次安装在恒阻装置的尾部。 在当前的设计中，恒阻套管的材料强度低于恒阻体 材料强度，这种独特的设计是为了防止恒阻体在恒 阻套管内滑移过程中，恒阻体由于强度较低而发生 摩擦破坏，产生降阻特性，严重影响新型锚杆的恒 阻性能。
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。在这种环境下，一种能够在围岩蠕伸量的新型锚 杆孕育而生，称为可延伸锚杆，也称能量吸收锚杆。
第 33 卷
第7期
何满潮等：恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用
锚固段 钻孔孔壁 恒阻装置 托盘
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论分析，总结 HMG 型恒阻大变形锚杆的力学特性， 并分析该锚杆在我国典型矿区的现场应用效果。
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在深部开采条件下，高地压、高地温、高渗透 压以及开采扰动严重影响着地下巷道围岩的稳定 性，由于传统小变形锚杆允许巷道围岩的变形量一 般均在 200 mm 以下，传统支护技术已经不能够适 应深部巷道围岩非线性大变形破坏特征， 常出现因锚 杆不能适应巷道围岩大变形破坏而被拉断失效[10-15]。 但是，在实际工程应用中，许多传统小变形锚杆仍 然在深部矿井中被广泛应用于控制岩爆灾害 ( 如加 拿大、瑞士等)，虽然这种锚杆能够提供较高的支护 阻力，但是由于缺乏足够的大变形量来应对围岩的 膨胀变形，而经常出现锚杆支护巷道多次返修、锚 杆拉断失效、钢架扭曲变形、浇注混凝土开裂等破 坏现象，不但提高了巷道维修成本，而且为深部工 程埋下了安全隐患。因此，随着矿山开采深度的不 断增加，围岩应力不断加大，锚杆支护不仅需要考 虑支护体系的强度问题，还需要考虑围岩的变形 量
但是在实际工程应用中许多传统小变形锚杆仍然在深部矿井中被广泛应用于控制岩爆灾害如加拿大瑞士等虽然这种锚杆能够提供较高的支护阻力但是由于缺乏足够的大变形量来应对围岩的膨胀变形而经常出现锚杆支护巷道多次返修锚杆拉断失效钢架扭曲变形浇注混凝土开裂等破坏现象不但提高了巷道维修成本而且为深部工程埋下了安全隐患
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岩石力学与工程学报
2014 年
西部深井金矿开采深度已达 3 800 m。在中国煤矿 开采方面，许多矿区的开采深度都已超过了 600～ 800 m，深度超过千米的矿井就有数十个，最大开 采深度已超过 1 300 m(如徐州张小楼矿和新汶孙村 矿 ) 。预计在未来的 20 a ，中国很多煤矿将进入 1 000～1 500 m 的开采深度。随着采深的不断增加， 各种工程灾害日益增多，如矿井冲击地压和软岩大 变形等灾害对深部资源的安全高效开采造成了巨大 威胁[4]。冲击大变形是开采过程中诱发并伴有微震 活动和弹性能突然释放的煤岩体结构破坏过程。应 用传统锚杆支护的巷道远不能够抵抗岩爆产生的瞬 时大变形冲击荷载，从而出现了锚杆断裂、巷道不 同程度破坏的事故。在煤矿方面受岩爆危害的代表 性国家有波兰、德国、英国、挪威、瑞典、加拿大、 南非和印度等。波兰从 1949～1982 年，共发生破坏 性冲击大变形破坏 3 097 次，造成 401 人死亡， 120 000 m 井巷被破坏；德国鲁尔煤矿 1910～1978 年，发生破坏性冲击大变形破坏 283 次，冲击深 度 590～1 100 m ；造成严重的经济损失。中国最 早的冲击地压记录是 1933 年发生于抚顺胜利煤田 。 中国是世界上头号煤炭生产和消费国家，近年来原 煤年产量均在 2 Gt 以上。 随着浅部矿产资源的日益 枯竭，煤炭资源开采正在向深部发展，冲击地压频 数增加。从 1949～1997 年，近 50 a 内 33 个煤矿冲 击地压发生次数达 2 000 多起
100083)
摘要：传统刚性锚杆允许巷道围岩的变形量一般均在 200 mm 以下，不能适应巷道围岩大变形破坏而被拉断失效。 自主研发的恒阻大变形锚杆能提供恒定工作阻力和稳定变形量，该锚杆主要由恒阻装置和弹性杆体组成，适应于 软岩巷道、深部巷道的围岩支护，可以有效控制冲击地压等工程灾害。利用自主研发的恒阻大变形锚杆(索)试验 系统对恒阻大变形锚杆进行室内力学特性试验，试验结果表明，恒阻范围内累计变形量最大值可达 1 000 mm。在 我国典型深部软岩矿井巷道支护进行现场科学试验，效果良好。 关键词：采矿工程；恒阻大变形锚杆；动力冲击试验系统；静力拉伸试验系统 中图分类号：TD 32 文献标识码：A DOI:10.13722/ki.jrme.2014.07.001 文章编号：1000–6915(2014)07–1297–12
第 33 卷
第 7 期
2014 年 7 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.33 No.7 July，2014
恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用
何满潮 1，郭志飚 1
，2
(1. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京