扩胀-摩擦式吸能防冲锚索及其力学特性

TD324; 冲击危险巷道围岩冲击大变形造成锚固支护材料过载失效已成为深部煤矿巷道支护技术中亟待解决的工程难题.针对传统钢绞线锚索难以适应围岩冲击作用而出现的过载拉断问题,基于金属圆管扩胀塑性变形及摩擦耗能原理,研发了 一种扩胀-摩擦式吸能防冲锚索.采用塑性力学理论开展了吸能防冲锚索吸能原理解析分析,并结合正交模拟试验讨论了吸能装置结构尺寸及材料属性对吸能阻力的影响规律及敏感性,得到了影响吸能防冲锚索吸能阻力的主控因素.研究结果表明:吸能防冲锚索的吸能装置在让位吸能过程中,吸能装置吸能总阻力可分为扩胀变形阻力和滑动摩擦阻力2部分.吸能套管壁厚、膨胀比、屈强比、摩擦因数以及扩径台锥角对扩胀变形阻力、滑动摩擦阻力的影响规律存在显著差异,吸能套管屈强比增加会导致吸能总阻力降低,扩径台锥角越大,降低速度越快;滑动摩擦阻力对吸能套管膨胀比变化较为敏感,而扩胀变形阻力对扩径台锥角变化极为敏感,增大扩径台锥角可迅速降低滑动摩擦阻力,增大扩胀变形阻力,从而改变2者在吸能总阻力中的占比;扩径台锥角相同时滑动摩擦阻力对吸能套管膨胀比的敏感性显著大于扩胀变形阻力;摩擦因数直接影响滑动摩擦阻力,而对扩胀变形阻力没有影响.6因素5水平正交模拟试验结果表明:影响吸能总阻力的因素主次顺序为吸能套管壁厚、扩径台锥角、吸能套管屈强比、挤压圆台高度、吸能套管膨胀比以及摩擦因数,吸能总阻力数值模拟与理论计算结果的相对误差在10％以下,吸能套管壁厚、膨胀比、屈强比、摩擦因数以及扩径台锥角,对吸能总阻力的影响趋势与理论分析基本一致.理论解析、数值模拟与试验结果具有较高的吻合程度,证实了吸能防冲锚索解析模型、数值模型的正确性,可作为吸能防冲锚索结构设计的理论依据.通过调整吸能装置的材料及结构参数,可以实现吸能阻力在300～500 kN的调整,以匹配不同型号钢绞线.