基于物质-场分析的可拆卸矿用锚具的优化设计研究

罗 文，毛爱菊，杨俊彩，范润喜，彭 鹏

(1.国能神东煤炭有限责任公司，陕西 榆林 719315；2.天津市振华预应力技术有限公司，天津 300385)

预应力锚固技术在建筑、桥梁、隧道、水利工程等领域都有广泛的应用，可以有效地提高各种结构的强度、稳定性以及安全性[1，2]。预应力锚固技术将可承受拉力的构件(锚索或锚杆)设计布置在岩土层中，将较稳定的岩土地层与被加固件紧密结合，通过对被加固件主动施加压应力而构成稳定的结构复合体[3，4]。在煤矿巷道支护使用过程中，锚固技术对原岩扰动较小，具有承载能力高、施工技术成熟、安全可靠等特点[5，6]。

预应力锚固技术在煤矿支护中的应用具有重要意义，采用预应力锚固技术的煤矿在其综采工作面回采后，由于锚索的锚固及锚索的悬吊作用，工作面后方巷道顶板不能随采面放顶而冒落，从而形成工作面上下端头后部的较大范围悬顶，导致悬顶三角区瓦斯聚集超限、区段煤柱压力增大等，给回采带来较大安全隐患。此外，拆除的托盘可以二次使用，从而降低巷道支护与维护费用[7，8]。

国内外学者针对预应力锚索支护方式采用理论、仿真、实验室及现场试验进行系统研究。康红普团队针对高应力围岩巷道提出了“支护-改性-卸压”[9]、“卸压-支护-防护”[10]等协同控制技术，并针对支护材料进行详细研究[11，12]。此外，众多学者对预应力锚具进行研究，黄毅等[13]设计了缓黏结预应力锚具，通过实验室试验及仿真研发了配套缓黏结筋的锚具产品；董昊等[14]对反拉法测试曲线的突变段原因进行探讨，提出了反拉荷载在夹片拉脱过程中需克服锚具握裹力从而导致突变段产生的观点；张峰等[15，16]为研究张拉力荷载测试曲线突变段和夹片咬合力的关系，采用拉脱法检测预应力钢绞线受力，并结合电阻式压力传感器测试了混凝土梁锚具下与锚具之间的受力状态，此外，提出了塑性变形导致的咬合力测试方案；刘中沛[17]对锚具产生影响的钢绞线、样品处理、组件安装、组件预紧、加载速度控制及设备影响等六种因素进行系统分析；曾胜武[18]对锚具进行静载试验发现，锚具本身性能及设备精度、长期稳定性对试验的影响较大；褚晓威等[19]发现锚索与夹片硬度差不合理、锚索直径误差偏大、锚索强度和硬度偏大、限位距离不合理和锚具质量是影响锚固效果的主要因素；费汉兵等[20]对我国现行预应力钢绞线用锚具的夹片进行对比分析，并对规范中夹片锚具的硬度取值范围和测试方法给予建议；李健等[21]借助正交试验对可拆卸锚具非自锁性能的设计参数进行试验研究，并寻找到一组合理的设计参数；马振乾等[22]采用有限差分法软件FLAC2D从动力扰动的角度分析锚具滑移机制，通过挤压锚具和螺纹锚具相互结合解决锚具滑移问题。

综上所述，为了解决锚索锚具拆除存在的问题，现有的研究成果主要从巷道围岩控制角度出发，不断完善巷道围岩控制理论，提高预应力锚索支护技术，针对锚具构件主要从实验室试验角度出发，鲜有从物质-场角度进行锚具结构优化。因此，作者分析了锚环-夹片-锚索三者之间物质-场关系，从消除非有效完整功能的物质-场模型、减缓有害功能的物质-场模型等两个方面进行优化，进行二次锚具结构改进，分析了张拉力与破断负荷比和拆卸锚具剩余载荷，从而研发出一种新型锚具，实现安全高效的预应力锚索锚具拆除，解决回采巷道顶板安全问题，保障正常回采和安全生产。

1 矿用锚具受力及卸锚分析

预应力锚索是用柔性的预应力材料制作，由锚索、锚具、锚固段及其锚固的围岩、预开的锚索孔等组成。矿用锚具作为预应力锚索核心构件，主要由夹片和锚环组成，其中锚环内孔为锥面，夹片外部也制备出相适配的锥面。锚具的受力符合楔块原理，夹片越往内径小的锚环方向受力，两者之间的夹持力越大，锚具对锚索的锁止越紧。将矿用锚具简化后的受力分析如图1所示。

图1 矿用锚具受力简图Fig.1 Stress diagram of mine anchorage

其中，θ为夹片与锚环的锥角，f1为夹片与锚环之间的总压应力反力、α为夹片与锚环之间的摩擦角，f2为夹片与锚索之间的夹持力、β为夹片与锚索之间的摩擦角。对锚索结构进行受力分析可知：

f1h=f1cos(θ+α)

(1)

f1v=f1sin(θ+α)

(2)

式中，f1h和f1v分别为f1在水平方向和竖直方向的分力。

分析可知，对于夹片的整体受力而言，其水平方向的受力大小相同，即：

f1h=f2

(3)

工作状态下，夹片与锚索之间不能够产生相对的滑动，也就是必须满足f1v≤f2tanβ，即：

θ+α≤β

(4)

根据已有的研究成果[23]发现，一种锚具的结构相较于其他类型锚具在锚固效果上具有优势，锚具具体尺寸见表1。

表1 矿用锚具具体尺寸Table 1 Specific dimensions of mine anchors

在实际支护过程中，对矿用锚具进行拆卸时，通常采用限位、张拉的方式使用千斤顶对锚索施加载荷，在正常预应力载荷条件下，需要的卸锚力较大，且张拉后锚索上的夹片咬合锚索，无法弹出，锚索内仍存留部分残余预应力，存在较大的安全隐患。虽然此锚具夹片和锚环之间存在0.1°的锥角，接触面积不全面，但在卸载时仍需要较大的张拉力，因此论文将在表1型号锚具的结构基础上进行优化。

2 矿用锚具物质-场模型分析

为了进一步对矿用锚具的受力进行分析，可以采用物质-场模型来描述其使用和拆卸过程中的各种要素及其相互作用。

2.1 物质-场模型介绍

物质-场模型[24]是TRIZ方法的重要分析工具，用于分析与现存技术相关的模型类问题。所有技术系统的功能都是为了实现某种功能，而所有的系统都可以分解成三个基本元素：两个物质(S1，S2)和一个场(F)，复杂系统可以通过连接多个“物场”三角形来建模。其中物质S1是系统动作的接收者，场F通过物质S2作用于物质S1，改变S1，场是一个能量的概念，包括各种类型的场。本研究中的场主要为力场，如图2所示。

图2 最小系统的物质-场模型Fig.2 Sub-field model of the smallest system

TRIZ中将基本物质-场模型分为4类，如图3所示。

图3 物质-场模型的分类Fig.3 Classification of matter-field models

2.2 基于物质-场模型锚具使用分析

矿用预应力锚索的物质-场模型表现为锚索-夹片-锚环相互作用模型，在锚具的使用和拆卸情境下，物质场分析可以分别从使用过程和拆卸过程两个角度展开。退锚即将锚索端部的锚具拆卸下来，使其失去张拉功能其方法是利用专用退锚器对锁具外套施加向上的作用力，使锚环与夹片同时脱离，夹片脱离后锚索与索具脱离，锚索的锚固随即失效。

为了进一步分析锚具受力状况，建立了矿用锚具使用和拆卸情境下的问题物质-场模型，如图4所示。

图4 矿用锚具使用和拆卸情景下的物质-场模型Fig.4 Sub-field model of use and disassembly of mine anchors

图6 夹片和锚环作用的问题模型Fig.6 Problem model of the action of clip and anchor ring

对矿用锚具使用和拆卸情景下的物质-场模型进一步分析，可知锚具在实际使用和拆卸情境下存在的问题主要包括以下三个方面：

1)卸锚工具张拉锚索时需要先夹固锚索，钢绞线不易夹持，导致施力困难，表现出非有效完成功能的物质-场模型，场主要为夹拉机械场，如图5所示。

图5 卸锚工具和锚索作用的问题模型
Fig.5 Problem model of the action of anchor unloading tools and anchor cables

3)卸锚后夹片从锚环脱出，但夹片与锚索咬合，使夹片从锚索脱离困难，夹片对锚索表现出有效的物质-场模型，场主要为咬合机械场，锚索对夹片表现出有害功能的物质-场模型，场主要为摩擦机械场，如图7所示。

图7 锚索和夹片作用的问题模型Fig.7 Problem model of anchor cable and clip action

锚具优化将从消除非有效完整功能的物质-场模型、减缓有害功能的物质-场模型等两个角度出发，进一步完善锚具结构，可满足支护过程中锚具的预紧力和退锚的要求。

2.3 矿用锚具卸锚问题的解决和结构优化

矿用锚具在卸锚过程中，通常拆用张拉千斤顶等卸锚工具夹持并张拉锚索，使锚索延展，带动夹片从锚索中脱离，但钢绞线本身的材质和表面结构特性使其不易被夹持，张拉力施加困难。基于上述分析，本研究提出的新型可拆卸矿用锚具应克服上述问题，具备以下性能：预应力加载情况下，锚具应具备良好的锚固性能，满足国标GB/T14370要求的静载锚固性能；拆卸锚索时，拆卸力低于锚索张拉锚固力的50%，锚具拆卸后锚索的剩余力为0；锚具拆卸过程不产生火花，安全可靠。

根据上述分析，建立锚具的物质-场模型，基于物质-场模型变换规则对其进行转化解决，主要通过消除非有效完整功能的物质-场模型，优化锚具，具体优化过程如图8所示。

图8 矿用锚具物质-场模型转换过程Fig.8 Process of sub-field model conversion of mine anchorage

根据图8的矿用锚具物质-场模型转换中，对卸锚工具夹持拉拔锚索的不足作用场进行了裁剪，将此功能使用卸锚工具对锚环的夹拉作用来替代，同时基于此功能需求对锚环进行了改良设计。将锚环分割为外锚环和内锚芯的分体式结构，外锚环增加T型特征台，可供卸锚工具拉拔使用；锚芯内孔锥角6.0°，外部为圆柱形，与外锚环紧配合。拆锚时，用卸锚工具拉动锚环的T型台，可顺利的将锚环和锚芯脱离。重新设计的锚环结构如图9所示。

图9 锚环改良后的锚具结构Fig.9 The anchorage structure after the improved anchor ring

对锚环改良后的锚具进行了预应力载荷下的卸锚实验，实验结果见表2。通过实验过程及数据可知，改良后的锚具在卸锚过程中拆卸力有较大改善，但仍存在锚芯和锚环的摩擦力过大问题，且拆卸后锚芯与夹片紧密结合，无法破开，剩余力较大，未达到拆卸锚具剩余载荷为0 kN的要求。由于锚芯限制，夹片无法顺利从锚索分离。如图10所示。整体实验结果显示锚具结构仍需进一步优化。

表2 锚环改良后的锚具卸锚实验数据Table 2 Experimental data of anchor unloading with improved anchor ring

图10 卸锚后锚芯与夹片无法脱开Fig.10 Anchor core and clip cannot be detached after anchor unloading

基于上述实验结果，针对图10中最终的问题物质-场模型，继续对其进行模型转换，将锚芯-夹片-锚索之间的有害功能的物质-场模型转化为有效的物质-场模型，如图11所示。

图11 矿用锚具物质—场模型转换过程Fig.11 The second process of sub-field model conversion of mine anchorage

根据图11所示的矿用锚具物质-场模型，对锚芯进行了改良设计，将锚环和锚芯以结合面设计为角度为3°的楔形结构，以大幅减小卸锚力，同时在锚芯上设计出弹性张裂槽，使锚芯与锚环脱离后可自行裂开，从而与夹片分离。锚芯改良的锚具结构如图12所示。

图12 锚芯改良后的锚具结构Fig.12 Anchorage structure after the improved anchor core

对锚芯改良后的锚具重新进行了预应力载荷下的卸锚实验，实验结果见表3。通过实验室试验分析可知，锚芯改良后的锚具在卸锚过程中卸锚顺畅，卸载力低于50%的张拉力，卸锚后锚芯裂开，夹片可轻易从锚索上分离，剩余载荷接近0 kN，满足退锚设计要求。

表3 锚芯改良后的锚具卸锚实验数据Table 3 Experimental data of anchor unloading with improved anchorcore

3 现场试验

为了进一步验证新型可拆卸矿用锚具的现场使用实际效果，在蒙大矿的井下巷道的预应力锚固支护作业中进行应用，并在局部工段进行了卸锚实验，检验新型锚具的结构优化可行性。

蒙大矿实验现场使用的锚索为1×19—21.8—1860 MPa钢绞线，破断负荷为589 kN，支护张拉力选为295 kN。现场卸锚场景如图13所示，现场试验数据见表4。

表4 可拆卸矿用锚具蒙大矿现场实验数据Table 4 Field test data of detachable anchor in Mengda Mine

图13 可拆卸矿用锚具在蒙大矿的卸锚现场Fig.13 Detachable mine anchors at the unloading site of Mengda Mine

现场试验过程和试验数据表明，新型可拆卸矿用锚具解决了卸载力和卸锚后剩余载荷大等问题，即新型可拆卸矿用锚具拆卸力低于50%的张拉力，卸锚后锚芯脱落、夹片弹开并与锚索分离，最终剩余载荷为0 kN，卸锚过程中无冲击和火花现象。

实验结果表明论文提出的新型可拆卸锚具符合国标要求，实际应用性较好，可在煤矿预应力锚固支护中推广应用。

4 结 论

1)将物质—场模型引入锚具的使用和拆卸场景，对锚具结构的存在的结构问题进行优化，提出了一种新型的可拆卸矿用锚具的新结构。

2)锚具从消除非有效完整功能的物质—场模型、减缓有害功能的物质—场模型等两个方面进行优化，设计了外锚环和改良锚芯，外锚环优化非有效完整功能物质—场，改良锚芯将有害功能的物质—场转化为有效物质—场，可满足拆卸力低于50%的张拉力和卸锚后剩余载荷为0 kN的要求。

3)新型可拆卸锚具符合国标要求，实际应用性较好，现场应用效果较好，可满足巷道支护高预应力及回采后小悬顶面积要求，保证巷道围岩安全。