錨桿桿體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性及應(yīng)變率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

吳擁政，付玉凱，鄭建偉

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013; 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

沖擊地壓作為深部煤礦開采過程中常遇到的典型煤巖動(dòng)力災(zāi)害，其發(fā)生的強(qiáng)度和頻次逐步增加。沖擊地壓還有可能誘發(fā)諸多次生災(zāi)害，如煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸以及突水等。沖擊地壓巷道圍巖控制作為實(shí)現(xiàn)巷道防沖的重要手段之一，越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1-3]。

與其他支護(hù)形式相比，錨桿支護(hù)對(duì)于防控巷道沖擊地壓具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。沖擊地壓巷道對(duì)錨桿材質(zhì)要求更高，既要求錨桿具有靜載下的高強(qiáng)度，又要求具有動(dòng)載荷下瞬時(shí)延伸吸能特性[4]。在防控沖擊地壓巷道方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作:康紅普等[1]研究了沖擊地壓巷道圍巖變形破壞特征，提出沖擊地壓巷道錨桿支護(hù)原則，認(rèn)為錨桿支護(hù)控制沖擊地壓巷道的本質(zhì)在于形成支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)、降低應(yīng)力集中程度和改善圍巖受力狀態(tài);姜耀東等[5]采用環(huán)形可收縮支架來控制巷道沖擊地壓;何滿潮等[6]采用橫阻變形錨桿和錨索吸收沖擊地壓產(chǎn)生的能量，通過吸能減沖來減弱沖擊載荷對(duì)巷道的破壞效應(yīng);潘一山等[7]提出了圍巖-吸能材料-鋼支架支護(hù)系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力，均化圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，提高了沖擊地壓巷道的抗沖擊能力;高明仕等[8]提出沖擊地壓巷道的強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)模型，分析了其防沖抗震機(jī)理;顧金才等[9]進(jìn)行了爆炸荷載條件下錨固洞室破壞形態(tài)對(duì)比試驗(yàn)研究;吳擁政等[10-11]以實(shí)際發(fā)生沖擊失穩(wěn)的巷道為例，分析了沖擊載荷作用下錨固圍巖動(dòng)載響應(yīng)特征，對(duì)比分析了沖擊載荷前后錨桿力學(xué)性能;單仁亮等[12]采用相似模型研究了爆炸作用下錨桿的力學(xué)響應(yīng);王愛文等[13-14]通過研究錨桿的靜載-動(dòng)載力學(xué)特性，揭示了防沖錨桿索的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，認(rèn)為非等強(qiáng)螺紋鋼錨桿和防沖吸能錨索抵抗沖擊破壞的能力要優(yōu)于傳統(tǒng)等強(qiáng)錨桿和錨索。近幾年來，煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院針對(duì)沖擊地壓巷道，開發(fā)了高強(qiáng)度、高沖擊韌性熱處理錨桿，研究了不同錨桿的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性和微觀、宏觀破斷機(jī)理，提出沖擊地壓巷道應(yīng)優(yōu)先選用高強(qiáng)度、高沖擊韌性、高延伸率的熱處理材質(zhì)錨桿[15-19]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在沖擊地壓巷道支護(hù)的研究集中在錨桿支護(hù)材料、防沖支架等方面，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，有些支護(hù)材料適合在低沖擊能量或者低應(yīng)變率效應(yīng)下的沖擊地壓巷道使用，有些材料則相反。現(xiàn)有研究中對(duì)錨桿支護(hù)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)特性及應(yīng)變率效應(yīng)的內(nèi)容較少。筆者通過研究不同沖擊韌性錨桿的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，從微-細(xì)觀分析錨桿的抗沖擊性能，研究應(yīng)變率大小對(duì)錨桿動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，以期為不同震級(jí)沖擊地壓巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考與借鑒，最終達(dá)到?jīng)_擊地壓巷道分級(jí)防控的目的。

1 錨桿靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)特性

1.1 靜載荷作用下錨桿桿體力學(xué)性能

目前煤礦巷道錨桿支護(hù)用材料分為熱軋和熱處理兩種，熱軋螺紋鋼錨桿鋼號(hào)為HRB400,HRB500和HRB600，熱處理錨桿鋼號(hào)為CRM600和CRM700。本次試驗(yàn)選取沖擊地壓巷道支護(hù)較常用的HRB500,CRM600和CRM700三種類型，采用JAW-1500型試驗(yàn)機(jī)對(duì)3種錨桿的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，桿體力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表1，錨桿桿體強(qiáng)度-位移曲線如圖1所示。

表1 錨桿桿體力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of bolt materials

圖1 錨桿桿體載荷-位移曲線Fig.1 Load-displacement curves of bolt

從測(cè)試結(jié)果可以看出，3種錨桿材料強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率等均滿足現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。隨著鋼號(hào)的提高，鋼材的屈服強(qiáng)度和破斷強(qiáng)度顯著提高，而延伸率隨之降低，CRM600錨桿的斷面收縮率最大，其次是CRM700，HRB500最小，從斷面收縮率指標(biāo)來看，CRM600錨桿和CRM700錨桿的韌塑性較好。

從錨桿強(qiáng)度-位移曲線來看，3種錨桿的強(qiáng)度-位移曲線形態(tài)基本相同，錨桿鋼號(hào)越高，峰值強(qiáng)度越大，破斷位移越小。

1.2 沖擊載荷作用下錨桿桿體力學(xué)性能分析

采用ASME示波沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)桿體制作的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行示波沖擊，試驗(yàn)依據(jù)GB2106《金屬夏比(U型缺口)沖擊試驗(yàn)方法》測(cè)定。試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，缺口深度2 mm。通過示波沖擊可以獲取金屬材料的最大破斷力、沖擊吸收功及沖擊載荷曲線，3種錨桿材料的示波沖擊曲線如圖2所示。

示波沖擊結(jié)果顯示，HRB500,CRM600和CRM700的沖擊吸收功分別為128,145和166 J，CRM700的沖擊吸收功分別是HRB500和CRM600的1.30倍和1.14倍，與HRB500和CRM600相比，CRM700錨桿鋼材在沖擊載荷作用下能吸收更多的能量。

從錨桿載荷實(shí)測(cè)曲線來看，3種錨桿形態(tài)基本相同，CRM700錨桿載荷曲線的峰值載荷最大，為23.5 kN，HRB500和CRM600的峰值載荷分別為20和22 kN。CRM700的峰值載荷是HRB500和CRM600的1.18倍和1.07倍，與其他2種錨桿相比，CRM700號(hào)錨桿在沖擊載荷作用下承載能力更強(qiáng)。

從示波沖擊曲線來看，CRM700錨桿沖擊載荷下的瞬時(shí)變形量(瞬時(shí)變形量是指試樣受到?jīng)_擊載荷作用開始至試樣完全斷裂所產(chǎn)生的總變形)達(dá)到20 mm，HRB500和CRM600的瞬時(shí)變形量分別為15和22 mm，與其他兩種錨桿相比，CRM700錨桿鋼材的瞬時(shí)變形量是HRB500錨桿的1.33倍，而略小于CRM600錨桿。

總體來看，CRM700錨桿的載荷實(shí)測(cè)曲線和沖擊功曲線比較平滑，CRM600次之，HRB500最差。這主要由錨桿材質(zhì)的斷裂方式?jīng)Q定，CRM700錨桿韌性較好，裂紋緩慢擴(kuò)展后斷裂，載荷曲線表現(xiàn)出平滑特征;HRB500錨桿鋼材產(chǎn)生裂紋后，出現(xiàn)突然斷裂，載荷曲線表現(xiàn)為急劇跌落特征。主裂紋的擴(kuò)展致使載荷曲線急劇跌落，HRB500 和CRM600兩種錨桿材料受到?jīng)_擊載荷作用后，材料斷裂主要由主裂紋的擴(kuò)展引起的，急劇跌落后的曲線是由次生裂紋引起的，次生裂紋擴(kuò)展也能吸收少部分的能量。與前面2種錨桿相比，CRM700的載荷曲線比較平滑，這說明其主裂紋和次生裂紋差別不大，裂紋擴(kuò)展較均勻，吸能特性更優(yōu)。

圖2 錨桿示波沖擊曲線Fig.2 Impact test curves of bolts

對(duì)比3種錨桿的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，CRM700錨桿不僅能滿足靜載條件下巷道支護(hù)的材料要求，且強(qiáng)度更高，同時(shí)也能滿足沖擊地壓巷道支護(hù)材料所要求的瞬時(shí)變形和吸能特性，CRM700錨桿對(duì)沖擊地壓巷道具有較好的適應(yīng)性。

1.3 錨桿斷口形態(tài)和金相組織分析

委托國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心對(duì)不同沖擊韌性錨桿材料的斷口組織和金相組織進(jìn)行了測(cè)試與分析，鑒于CRM600錨桿和CRM700錨桿均為熱處理加工工藝制作，其斷口形態(tài)和金相組織基本相同，因此，僅對(duì)HRB500和CRM700的斷口組織和金相組織進(jìn)行對(duì)比分析，HRB500錨桿和CRM700錨桿斷口形貌如圖3,4所示，錨桿斷口金相組織如圖5所示。

圖3 HRB500錨桿斷口形貌Fig.3 Microscopic image of HRB500 bolt

圖4 CRM700錨桿斷口形貌Fig.4 Microscopic image of CRM700 bolt

圖5 錨桿斷口金相組織Fig.5 Metallographic structure of bolt fracture

由圖3和4斷口形貌可以看出:HRB500錨桿斷口源區(qū)為韌窩形態(tài)，中部擴(kuò)展區(qū)為準(zhǔn)解理+少量韌窩，終斷區(qū)為韌窩形態(tài);而CRM700錨桿斷口附近全部為韌窩形態(tài);由圖5可以看出，HRB500錨桿金相組織為鐵素體+珠光體，而CRM700錨桿金相組織為回火索氏體+貝氏體+鐵素體，金相組織的差異導(dǎo)致兩者吸收沖擊能量不同。HRB500錨桿的晶粒度為6級(jí)，而CRM700錨桿的晶粒度為10級(jí)。晶粒度越高，晶粒越小，強(qiáng)化效果越好;晶粒減小后晶體界面增多，有效阻礙了裂紋的擴(kuò)展，晶界面面積相應(yīng)也增大，晶界上的夾雜物濃度降低，從而避免了沿晶斷裂，大大提高了錨桿的抗沖擊性能。

2 應(yīng)變率對(duì)錨桿力學(xué)性能的影響

煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，沖擊地壓發(fā)生后，巷道表面圍巖的震動(dòng)速度通常為0～10 m/s內(nèi)，沖擊速度不同，在支護(hù)材料錨桿上表現(xiàn)出沖擊應(yīng)變率不同，部分錨桿在低應(yīng)變率下抗沖擊能量強(qiáng)，反之則較弱。因此，僅采用拉伸測(cè)試和示波沖擊對(duì)于分析錨桿材料的抗沖擊性能有一定的局限性。開展應(yīng)變率對(duì)錨桿動(dòng)態(tài)力學(xué)特性和抗沖擊性能的影響研究很有必要。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

3種錨桿的室溫準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能測(cè)試在InstronF5581萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸采用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS-13B型號(hào)尺寸，每種錨桿進(jìn)行3次準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，以確保試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性。

高速動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)在拉伸裝置ZwickFHTMF5020上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖6所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，獲取試樣載荷-位移曲線(或強(qiáng)度-應(yīng)變曲線)。

圖6 快速拉伸試驗(yàn)裝置Fig.6 High-speed tensile impact tester

2.2 試樣制作及試驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)試樣采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制作，試樣應(yīng)保持均勻光滑以確保材料的單向應(yīng)力狀態(tài)，均勻部分的有效工作長(zhǎng)度稱為標(biāo)距，試樣的過渡部分應(yīng)有適當(dāng)?shù)膱A角以降低應(yīng)力集中，兩端的夾持部分用以傳遞載荷。尺寸如圖7所示，試樣工作部分長(zhǎng)度為15 mm，寬度為6 mm，厚度為3 mm，標(biāo)距為15 mm，圓角半徑為10 mm。

圖7 試樣照片及其尺寸Fig.7 Photographs and dimensions of samples

井下沖擊地壓所造成巷道圍巖震動(dòng)速度通常為0～10 m/s，所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率為0～600 s-1，考慮快速拉伸試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)變率測(cè)試范圍，本次實(shí)驗(yàn)所采用的試驗(yàn)機(jī)的拉伸應(yīng)變率選為4種，分別為0.05,33,200,300 s-1。為研究錨桿材料拉伸試樣斷裂模式的應(yīng)變率效應(yīng)，對(duì)3種錨桿材料各進(jìn)行了4種應(yīng)變率效應(yīng)下的快速拉伸試驗(yàn)，每個(gè)加載速度做3組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。

2.3 不同應(yīng)變率下錨桿力學(xué)性能分析

獲取了3種錨桿在4種不同應(yīng)變率下的拉伸工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線，3種錨桿的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線如圖8所示。

圖8 不同應(yīng)變率下3種錨桿應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of three kinds bolts under different strain rates

由圖8(a)中可以看出，HRB500錨桿在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)基本相同，隨著應(yīng)變率的提高，HRB500錨桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著提高，應(yīng)變率為0.05 s-1時(shí)，錨桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為590和748 MPa，應(yīng)變率為300 s-1時(shí)，錨桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為797和916 MPa，HRB500錨桿應(yīng)變率敏感性較強(qiáng)，應(yīng)變率對(duì)其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度影響較大;隨著應(yīng)變率的增大，錨桿的應(yīng)變并不呈線性增加，而是呈先減小后增大的趨勢(shì)，應(yīng)變率為300 s-1時(shí)，錨桿的應(yīng)變最大，達(dá)到0.38。

由圖8(b)中可以看出，CRM600錨桿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)與HRB500錨桿的基本相同，隨著應(yīng)變率的提高，CRB600錨桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有一定提高，應(yīng)變率為0.05 s-1時(shí)，錨桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為680和821 MPa，應(yīng)變率為300 s-1時(shí)，錨桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為812和916 MPa，CRB600錨桿應(yīng)變率敏感性相對(duì)HRB500錨桿較弱，應(yīng)變率對(duì)其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有一定影響，但影響不大;隨著應(yīng)變率的增大，錨桿的應(yīng)變呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，應(yīng)變率為300 s-1時(shí)，錨桿的應(yīng)變最小，達(dá)到0.29。

由圖8(c)中可以看出，CRM700錨桿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)與前兩種錨桿基本相同，隨著應(yīng)變率的提高，CRB700錨桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比準(zhǔn)靜態(tài)下的有一定提高，但當(dāng)應(yīng)變率超過33 s-1時(shí)，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度基本保持不變;隨著應(yīng)變率的增大，錨桿的應(yīng)變呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，應(yīng)變率為300 s-1時(shí)，錨桿的應(yīng)變最大，達(dá)到0.34;應(yīng)變率對(duì)CRM700錨桿的應(yīng)力影響不大，而對(duì)其應(yīng)變影響較為顯著。

總體來看，3種錨桿對(duì)應(yīng)變率均有一定程度的應(yīng)變率敏感性，但敏感程度不同。熱處理錨桿對(duì)應(yīng)變率敏感性較低，即使在高應(yīng)變率下也保持了良好了延伸吸能特性，而熱軋錨桿則與之相反。

2.4 應(yīng)變率對(duì)錨桿延伸率和斷口收縮率的影響

為了分析應(yīng)變率對(duì)不同錨桿的瞬時(shí)延伸率和斷口收縮率的影響，對(duì)試驗(yàn)后試樣的延伸率和斷口收縮率進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖9,10所示。

圖9 不同應(yīng)變率下錨桿試樣延伸率Fig.9 Elongation of bolt specimen at different strain rates

圖10 不同應(yīng)變率下錨桿試樣的斷面收縮率Fig.10 Section shrinkage of bolt specimens at different strain rates

由圖9中可以看出，應(yīng)變率對(duì)3種錨桿的延伸率影響較大，HRB500錨桿延伸率對(duì)高應(yīng)變率比較敏感，而對(duì)低應(yīng)變率敏感性差;CRM600錨桿在低應(yīng)變率下延伸率較大，表現(xiàn)出了良好的吸能特性，但在高應(yīng)變率下(300 s-1)延伸率急劇減小，影響了其吸能特性;CRM700錨桿隨著應(yīng)變率的增加，其延伸率逐漸增大，對(duì)不同應(yīng)變率下的沖擊載荷均有良好的吸能特性。

由圖10可以看出，應(yīng)變率對(duì)3種錨桿試樣的斷面收縮率也有一定影響。HRB500錨桿的斷面收縮率隨著應(yīng)變率的增加先減少后增大，CRM600錨桿和CRM700錨桿的斷面收縮率隨著應(yīng)變率的增大而減小，而CRM600號(hào)錨桿衰減程度更快，表明其在高應(yīng)變率沖擊下不易變形吸能，CRM700號(hào)錨桿斷面收縮率衰減程度較小，對(duì)不同應(yīng)變率下的沖擊載荷均有良好的適應(yīng)性。

2.5 應(yīng)變率對(duì)錨桿動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響的微觀作用機(jī)制

對(duì)于金屬材料來說，在受到高應(yīng)變率沖擊載荷作用下，金相組織中大量的位錯(cuò)積聚在第2相周圍，晶粒間的位錯(cuò)會(huì)受到抑制作用，導(dǎo)致金屬材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而提高。比如HRB500錨桿材料，其鐵素體晶粒尺寸大，晶粒級(jí)別為6級(jí)，在不同的應(yīng)變率沖擊載荷作用下，金相組織中的鐵素體內(nèi)部位錯(cuò)在第2相周圍積聚的梯度不同，其在力學(xué)特性上表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率敏感性較強(qiáng);而對(duì)CRM700錨桿來說，其金相組織中的鐵素體晶粒尺寸為10級(jí)，晶粒尺寸小，且鐵素體較均勻的環(huán)繞在第2相晶粒周圍，其受到不同應(yīng)變率沖擊載荷作用后，金相組織中的位錯(cuò)積聚程度降低，力學(xué)特性表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率敏感性較弱。

3種材料試樣的斷面收縮率隨應(yīng)變率的提高而減小，而CRM700錨桿的延伸率反隨著應(yīng)變率的提高而增加，這主要是由于在高應(yīng)變率作用下，金相組織中鐵素體中位錯(cuò)在極短時(shí)間內(nèi)受到極高的切應(yīng)力作用，極高的切應(yīng)力超過了晶粒滑移系的臨界分切應(yīng)力，所以晶粒會(huì)產(chǎn)生更大的位錯(cuò)滑移，大幅度提高了材料的延伸率。

3 結(jié) 論

(1)CRM700錨桿的沖擊吸收功分別是HRB500和CRM600的1.30倍和1.14倍;峰值載荷分別是兩種錨桿的1.18倍和1.07倍;瞬時(shí)變形量分別是兩種錨桿的1.33倍和0.91倍。CRM700錨桿的載荷曲線和沖擊功曲線比較平滑，材料受到?jīng)_擊載荷后呈現(xiàn)出緩慢斷裂的特性，對(duì)沖擊載荷具有良好的適應(yīng)性。

(2)應(yīng)變率對(duì)3種錨桿的力學(xué)特性影響規(guī)律差異較大，應(yīng)變率對(duì)HRB500錨桿的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和應(yīng)變影響顯著，對(duì)CRM600錨桿的影響較小，對(duì)CRM700錨桿的影響最小。CRM700錨桿應(yīng)變隨應(yīng)變率的提高顯著增大，很好的適應(yīng)了高應(yīng)變率下的沖擊載荷，在高應(yīng)變率沖擊載荷作用下，能通過增加瞬時(shí)變形提高吸能能力。

(3)錨桿動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的差異本質(zhì)在于金相組織的不同，金相組織中的鐵素體晶粒尺寸越大，位錯(cuò)在第2相周圍積聚的梯度就越高，在力學(xué)特性表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率敏感性越強(qiáng);反之，鐵素體晶粒尺寸小，那么其位錯(cuò)積聚規(guī)律與之相反。高應(yīng)變率使鐵素體中位錯(cuò)在極短時(shí)間內(nèi)受到極高的切應(yīng)力作用，致使晶粒會(huì)產(chǎn)生更大的位錯(cuò)滑移，大幅度提高了材料的延伸率，從而使材料能夠吸收更多的能量。