天地科技：吴拥政——锚杆杆体动态力学特性及应变率效应实验

创新点

采用实验室试验对不同冲击韧性锚杆的静态和动态力学特性进行了测试，从微-细观角度分析了不同韧性锚杆的抗冲击性能，分析了应变率大小对锚杆动态力学响应的影响规律，得出CRM700锚杆对冲击载荷具有良好的适应性。研究结果揭示了冲击载荷下锚杆支护材料动态力学特性及应变率效应，可为冲击地压巷道支护提供参考。

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作 者

吴拥政^1,2,3,付玉凯^1,2,3,郑建伟^1,2,3

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单 位

1. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部；2. 煤炭科学研究总院 开采研究分院；3. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室

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研究背景

冲击地压作为深部煤矿开采过程中常遇到的典型煤岩动力灾害,其发生的强度和频次逐步增加。冲击地压还有可能诱发诸多次生灾害,如煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸以及突水等。冲击地压巷道围岩控制作为实现巷道防冲的重要手段之一,越来越受到国内外学者的关注。

与其他支护形式相比,锚杆支护对于防控巷道冲击地压具有独特的优势。冲击地压巷道对锚杆材质要求更高,既要求锚杆具有静载下的高强度,又要求具有动载荷下瞬时延伸吸能特性。

目前,国内外学者在冲击地压巷道支护的研究集中在锚杆支护材料、防冲支架等方面,但现场应用中发现,有些支护材料适合在低冲击能量或者低应变率效应下的冲击地压巷道使用,有些材料则相反。现有研究中对锚杆支护材料动态力学特性及应变率效应的内容较少。

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摘 要

为了揭示在冲击载荷下锚杆支护材料动态力学特性及应变率效应,为不同震级冲击地压巷道支护设计提供参考与借鉴,达到冲击地压巷道分级防控的目的。采用实验室试验对不同冲击韧性锚杆的静态和动态力学特性进行了测试,从微-细观角度分析了不同韧性锚杆的抗冲击性能,分析了应变率大小对锚杆动态力学响应的影响规律。

实验结果表明:CRM700锚杆的冲击吸收功分别是HRB500和CRM60的1.30倍和1.14倍,峰值载荷分别是两种锚杆的1.18倍和1.07倍,瞬时变形量分别是两种锚杆的1.33倍和0.91倍;CRM700锚杆和HRB500锚杆断口形态和金相组织显著不同,HRB500锚杆断口源区为韧窝形态,中部扩展区为准解理+少量韧窝,终断区为韧窝形态,金相组织为铁素体+珠光体;而CRM700锚杆断口附近全部为韧窝形态,金相组织为回火索氏体+贝氏体+铁素体。

同时,应变率对HRB500锚杆的屈服强度、抗拉强度和应变影响显著,而对CRM600锚杆的影响较小,对CRM700锚杆的影响最小。对比3种锚杆的动态力学特性,CRM700锚杆的载荷曲线和冲击功曲线比较平滑,材料受到冲击载荷后呈现出缓慢断裂的特性,对冲击载荷具有良好的适应性。并且CRM700锚杆强度对应变率敏感性差,应变随应变率的提高显著增大,很好的适应了高应变率下的冲击载荷,在高应变率冲击载荷作用下,能通过增加瞬时变形提高吸能能力。

两者晶粒度级别不同,HRB500锚杆的晶粒度为6级,而CRM700锚杆的晶粒度为10级,晶粒度越高,晶粒越小,强化效果越好;同时晶粒减小后晶体界面增多,有效阻碍了裂纹的扩展,晶界面面积相应也增大,晶界上的夹杂物浓度降低,从而避免了沿晶断裂,极大提高了锚杆的抗冲击性能。

晶粒尺寸越小,位错在第2相周围积聚的梯度越低,其锚杆力学特性应变率敏感性越弱。总之,无论从冲击载荷曲线和冲击功曲线特征,还是在应变率的敏感性方面,CRM700锚杆均表现出对冲击载荷具有良好的适应性,其在高应变率冲击载荷作用下能通过增加瞬时变形提高吸能能力。

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部分图片

锚杆杆体载荷-位移曲线

锚杆示波冲击曲线

HRB500锚杆断口形貌

CRM700锚杆断口形貌

锚杆断口金相组织

快速拉伸试验装置

试样照片及其尺寸

不同应变率下3种锚杆应力-应变曲线

不同应变率下锚杆试样延伸率

不同应变率下锚杆试样的断面收缩率

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作者简介

吴拥政，男，1978年5月19日生，河南修武人，博士，研究员，硕士生导师，中国煤炭科工集团首席科学家，中煤科工开采研究院有限公司巷道所所长。获国家和省部级科技奖励30余项，发表学术论文70余篇，授权发明专利30余件。入选国家百千万人才工程，获国家有突出贡献中青年专家、孙越崎青年科技奖、全国煤炭青年五四奖章、最美煤炭科技工作者等称号。

研究方向

巷道矿压与支护技术

主要成果

一直从事煤矿巷道矿压与支护技术的研究和推广工作，取得多项研究成果。发明了煤矿井下地质力学原位快速测试方法及装备；开发出煤矿巷道锚杆支护成套技术，精细化研究了高预应力锚杆支护系列材料及配套构件；提出煤柱留巷巷道定向水力压裂卸压机理，开发出小孔径定向水力压裂坚硬顶板控制技术与装备；发明了锚杆动静载力学性能综合测试系统，开发了高冲击韧性超高强度锚杆材料，提出冲击地压巷道锚杆支护原则，开发了煤矿巷道抗冲击预应力支护关键技术。

来源：

吴拥政,付玉凯,郑建伟.锚杆杆体动态力学特性及应变率效应实验[J].煤炭学报,2020,45(11):3709-3716.

WU Yongzheng,FU Yukai,ZHENG Jianwei. Dynamic mechanical properties and strain rate effect of bolts[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(11):3709-3716.

责任编辑：常 琛

编辑整理：郭晓炜

审核：常 琛

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