杨猛 胡秉昊

摘 要：结合矿用小孔径预应力锚索在承载过程中锁具出现的典型失效形式，运用大型通用有限元分析软件ABAQUS模拟动、静载荷作用下锚索锁具失效的动态演化过程，并分析锚索锁具结构、安装预紧力对锁具稳定性的影响。

关键词：锚索锁具失效因素;ABAQUS仿真软件;预紧力

一、项目研究背景与意义

在深部岩体工程中，锚索支护是煤矿巷道中普遍采用的一种支护手段，然而难免会受到爆破振动、矿震以及某些因素造成的地壳运动等动载荷作用后，这样极易出现夹片式锚具滑移，因此，在深井巷道工程实践中锚索在实际承载过程中，锚索锁具失效现象十分普遍，锚索锁具飞出伤人甚至致死的事故屡有发生。而倘若锚具出现滑移，锚索就会飞出，一方面造成巷道维护困难甚至引发冒顶事故，另一方面由于承载的巨大应力瞬间丧失，使得二力平衡被打破，巨大的应力致使锁具飞出，对井下工人极易造成难以估量的伤害。所以围绕动、静载作用下锚索锁具失效的动态演化过程及其影响因素展开研究具有一定的实用价值和理论意义。

本次项目基于ABAQUS仿真有限元软件通过建模调试进而构建数值力学模型开展相关研究工作。模拟出动载荷状态下锚索锁具滑移的全部过程，并分析锚索锁具结构、安装预紧力对锁具稳定性的影响。

二、锚索锚具滑移机制及控制研究

深部岩体工程中，锚索在围岩变形后处于高承载应力状态，受到爆破振动、矿震等动载荷作用后，极易出现夹片式锚具滑移，而一旦锚具出现滑移，锚索则失去其加固作用，造成巷道维护困难甚至引发冒顶事故。

针对锚索锚具滑移甚至拉脱的问题，根据锚索锚固过程中锚具的受力分析结果[59]，可在锚索锚具后方安设一种锚索锚具防滑自锁装置，以充分发挥锚索的锚固承载能力，实现锚索的及时主动支护作用，有效防止锚索锚固作用降低或丧失，力学机理分析如下：

在锚索锚固过程中，锚具各部分的受力如图2.1所示，在增设防滑自锁装置后锚具受力分析见图2.2。

假设锚具夹片锥角为α ，夹片与锚环之间的摩擦角为β ，夹片与锚索索体之间的摩擦角为θ ，令μ1=tanθ，μ2=tanθ 。

对于锚环，在水平方向上，由力的平衡可得：

由上式可知，由于锥角α 固定，若夹片与锚环之间的摩擦角β 不变，随着N 增大，锚环与夹片之间的相互作用力N1 逐渐增大。

对于夹片，在竖直方向上，由力的平衡可得：

由上式可知，若锚环与夹片之间的摩擦角β 不变，随着锚环与夹片之间的相互作用力 增大，夹片与锚索索体之间相互作用力N2 也应增大。这就意味着夹片与锚索索体作用后，夹片应能提供更大的抵抗锚具滑移的力。若N1 增大，θ 减少，则易引起锚具滑移。

由力的平衡条件可得：P=N 。假设夹片不滑动，μ2N2 是夹片与锚索索体作用后，夹片与锚索索体之间的摩擦力，则应有：

联立式2-4、式2-5，可得：

要使锚具获得可靠的锚固力不滑移，应满足锚索索体与夹片之間的摩擦角θ 不小于锥角α 和锚环与夹片之间的摩擦角β之和，即：

综合上述锚具受力公式式2-4、式2-5可知，在锚索锚固过程中，由于巷道围岩变形或围岩体受到新的扰动围岩产生变形后锚索索体所受拉力P 增加，即围岩与托盘或者锚环之间的相互作用力N 增大，随即锚环与夹片之间的相互作用力N1 增大，夹片与锚索索体之间的相互作用力N2亦会增大，此时为了与锚索索体所受拉力P平衡，要求夹片提供更大的摩擦力，即锚索索体与夹片之间要有更大的摩擦力，以发挥和保持锚具的锚固作用。

然而实际情况是，锚具锈蚀以后，由于锚环与夹片属同一种材质，有相互侵蚀作用，夹片与锚环之间的摩擦角β 呈增大倾向，而夹片与锚索索体接触处，由于夹片上的螺纹锈蚀以后，夹片与锚索索体之间的摩擦角θ呈下降趋势，即夹片与钢绞线之间的摩擦力和咬合力减小，导致锚具产生滑移。

导致锚具产生滑移的条件是：

此时，为保证锚具夹片与索体之间不滑动，需要给夹片提供一个额外的补偿力F，其受力分析如图2.2所示，此时由夹片水平方向的受力平衡分析可得：

联立式2-5、式2-7可得：

假设μ1 ，μ2 某一时刻保持不变，而α 是常数，则随着锚索索体所受拉力P 增加， N1 不断增大，F 必然不断增大，从而阻止锚具的滑移，进一步的，由式2-5可知，N2也应增大，锚具的锚固作用和自锁防滑作用增强，充分发挥锚索的锚固承载能力。

此时由锚索体受力平衡分析应有：

由上述锚具受力分析可知，由于围岩变形导致锚索索体受到的拉力P 增大。为了防止锚具滑移，增加一套附属装置后，这套装置除为锚具提供一个额外的防滑力F ，平衡锚具受到的过载外，还有效提高了锚具的锚固作用效果，保证夹片与索体间不发生滑动，以发挥和充分利用锚索的锚固承载能力，阻止锈蚀锚具在锚索索体受力增大或锚具锈蚀后夹片与锚索索体间摩擦力和咬合力下降导致锚具滑移的现象。

基于上述锚具的受力分析，说明了安设锚索锚具防滑自锁装置的必要性。

三、软件建模

基于ABAQUS仿真模拟软件对锚索锁具进行建模，夹片、索体、以及锁具，最后将三者进行装配，通过复杂的调试过后，完成对动载荷作用下锁具失效的过程演示，通过建模过程中对各个模型的参数设置，进而了解各个受力部分，通过参数设置施加应力模拟出现实情况下的矿震冲击，地震等自然条件下意外的动载荷应力施加，根据锁具模型上图2.1受力情况分析，可以得到使得锚索锁具脱落的极限值。

四、课题的研究价值

我国煤矿使用的小孔径预应力锚索一般采用夹片式锚具，由于矿井井下空气湿度大、成分复杂，会使得钢绞线及锚具锈蚀严重，在工作面回采巷道中，锚索在地应力及采场扰动下，锈蚀的锚具会不断滑移，导致锚索失效。

随着工作面回采，采场围岩会发生剧烈的松动和破碎，变形量很大，岩体内部剪胀变形使得锚索索体产生不均匀变形，如果锚索所承受的轴向力和剪切力在短时间内快速增加，索体集聚的弹性势能也会快速增加，当锚索索体其临界抗拉强度时锚索便会断裂失效，并且可能出现弹射现象，严重影响矿井生产安全。因此研究锚具滑移原因及控制原理和方法、锚索破断弹射防护方法具有重要的工程意义和价值。

参考文献：

[1]褚晓威，鞠文君，吴拥政.矿用小孔径预应力锚索单孔锚具滑脱机理研究[J].煤炭科学技术，2014，42（12）：16-19+23.

[2]李路恒. 朱集西矿千米深井沿空掘巷围岩控制技术研究[D].中国矿业大学，2019

[3]李国正. 压力（分散）型锚索锚固作用的现场试验及数值模拟[D].四川大学，2005.

作者简介：

杨猛   1998年11月 辽宁抚顺人 汉族 中国矿业大学 本科在读  工业工程

胡秉昊 1998年5月  辽宁抚顺人 满族 中国矿业大学 本科在读  信息安全

指导教师：

中国矿业大学 矿业工程学院荆升国

基金项目：本文系中国矿业大学2018年度大学生创新训练计划项目，项目编号：201810290205x