天地科技:吳擁政——錨杆杆體動態力學特性及應變率效應實驗

2021-01-16 全國能源信息平臺

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創新點

採用實驗室試驗對不同衝擊韌性錨杆的靜態和動態力學特性進行了測試，從微-細觀角度分析了不同韌性錨杆的抗衝擊性能，分析了應變率大小對錨杆動態力學響應的影響規律，得出CRM700錨杆對衝擊載荷具有良好的適應性。研究結果揭示了衝擊載荷下錨杆支護材料動態力學特性及應變率效應，可為衝擊地壓巷道支護提供參考。

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作 者

吳擁政1,2,3,付玉凱1,2,3,鄭建偉1,2,3

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單 位

1. 天地科技股份有限公司 開採設計事業部；2. 煤炭科學研究總院 開採研究分院；3. 煤炭資源高效開採與潔淨利用國家重點實驗室

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研究背景

衝擊地壓作為深部煤礦開採過程中常遇到的典型煤巖動力災害,其發生的強度和頻次逐步增加。衝擊地壓還有可能誘發諸多次生災害,如煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸以及突水等。衝擊地壓巷道圍巖控制作為實現巷道防衝的重要手段之一,越來越受到國內外學者的關注。

與其他支護形式相比,錨杆支護對於防控巷道衝擊地壓具有獨特的優勢。衝擊地壓巷道對錨杆材質要求更高,既要求錨杆具有靜載下的高強度,又要求具有動載荷下瞬時延伸吸能特性。

目前,國內外學者在衝擊地壓巷道支護的研究集中在錨杆支護材料、防衝支架等方面,但現場應用中發現,有些支護材料適合在低衝擊能量或者低應變率效應下的衝擊地壓巷道使用,有些材料則相反。現有研究中對錨杆支護材料動態力學特性及應變率效應的內容較少。

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摘 要

為了揭示在衝擊載荷下錨杆支護材料動態力學特性及應變率效應,為不同震級衝擊地壓巷道支護設計提供參考與借鑑,達到衝擊地壓巷道分級防控的目的。採用實驗室試驗對不同衝擊韌性錨杆的靜態和動態力學特性進行了測試,從微-細觀角度分析了不同韌性錨杆的抗衝擊性能,分析了應變率大小對錨杆動態力學響應的影響規律。

實驗結果表明:CRM700錨杆的衝擊吸收功分別是HRB500和CRM60的1.30倍和1.14倍,峰值載荷分別是兩種錨杆的1.18倍和1.07倍,瞬時變形量分別是兩種錨杆的1.33倍和0.91倍;CRM700錨杆和HRB500錨杆斷口形態和金相組織顯著不同,HRB500錨杆斷口源區為韌窩形態,中部擴展區為準解理+少量韌窩,終斷區為韌窩形態,金相組織為鐵素體+珠光體;而CRM700錨杆斷口附近全部為韌窩形態,金相組織為回火索氏體+貝氏體+鐵素體。

同時,應變率對HRB500錨杆的屈服強度、抗拉強度和應變影響顯著,而對CRM600錨杆的影響較小,對CRM700錨杆的影響最小。對比3種錨杆的動態力學特性,CRM700錨杆的載荷曲線和衝擊功曲線比較平滑,材料受到衝擊載荷後呈現出緩慢斷裂的特性,對衝擊載荷具有良好的適應性。並且CRM700錨杆強度對應變率敏感性差,應變隨應變率的提高顯著增大,很好的適應了高應變率下的衝擊載荷,在高應變率衝擊載荷作用下,能通過增加瞬時變形提高吸能能力。

兩者晶粒度級別不同,HRB500錨杆的晶粒度為6級,而CRM700錨杆的晶粒度為10級,晶粒度越高,晶粒越小,強化效果越好;同時晶粒減小後晶體界面增多,有效阻礙了裂紋的擴展,晶界面面積相應也增大,晶界上的夾雜物濃度降低,從而避免了沿晶斷裂,極大提高了錨杆的抗衝擊性能。

晶粒尺寸越小,位錯在第2相周圍積聚的梯度越低,其錨杆力學特性應變率敏感性越弱。總之,無論從衝擊載荷曲線和衝擊功曲線特徵,還是在應變率的敏感性方面,CRM700錨杆均表現出對衝擊載荷具有良好的適應性,其在高應變率衝擊載荷作用下能通過增加瞬時變形提高吸能能力。

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部分圖片

錨杆杆體載荷-位移曲線

錨杆示波衝擊曲線

HRB500錨杆斷口形貌

CRM700錨杆斷口形貌

錨杆斷口金相組織

快速拉伸試驗裝置

試樣照片及其尺寸

不同應變率下3種錨杆應力-應變曲線

不同應變率下錨杆試樣延伸率

不同應變率下錨杆試樣的斷面收縮率

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作者簡介

吳擁政，男，1978年5月19日生，河南修武人，博士，研究員，碩士生導師，中國煤炭科工集團首席科學家，中煤科工開採研究院有限公司巷道所所長。獲國家和省部級科技獎勵30餘項，發表學術論文70餘篇，授權發明專利30餘件。入選國家百千萬人才工程，獲國家有突出貢獻中青年專家、孫越崎青年科技獎、全國煤炭青年五四獎章、最美煤炭科技工作者等稱號。

研究方向

巷道礦壓與支護技術

主要成果

一直從事煤礦巷道礦壓與支護技術的研究和推廣工作，取得多項研究成果。發明了煤礦井下地質力學原位快速測試方法及裝備；開發出煤礦巷道錨杆支護成套技術，精細化研究了高預應力錨杆支護系列材料及配套構件；提出煤柱留巷巷道定向水力壓裂卸壓機理，開發出小孔徑定向水力壓裂堅硬頂板控制技術與裝備；發明了錨杆動靜載力學性能綜合測試系統，開發了高衝擊韌性超高強度錨杆材料，提出衝擊地壓巷道錨杆支護原則，開發了煤礦巷道抗衝擊預應力支護關鍵技術。

來源：

吳擁政,付玉凱,鄭建偉.錨杆杆體動態力學特性及應變率效應實驗[J].煤炭學報,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.

責任編輯：常 琛

編輯整理：郭曉煒

審核：常 琛

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