矿用锚索腐蚀程度对其力学性能影响特征数值模拟研究
作者：
刘少伟, 牛帅, 贺德印, 李旭泽, 张玮钰
作者单位：
1. 河南理工大学 能源科学与工程学院, 河南 焦作 454000;
2. 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心, 河南 焦作 454000;
3. 陕西富源煤业有限公司, 陕西 延安 727500
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摘要
由高强度低松弛预紧力钢绞线制成的矿用锚索与树脂胶结合可提供强大预应力, 加固巷道围岩和顶板破碎煤层, 但在顶板淋水条件下, 锚索自由段相比锚固段更易发生材料腐蚀致断裂失效显现。通过理论分析明晰了受腐蚀锚索自由段在拉伸作用下裂纹扩展致断裂机制, 结合实验室试验与数值模拟探寻了矿用锚索在高矿化度矿井水淋水环境下腐蚀断裂特征, 及蚀坑深度、表面腐蚀率与锚索自由段延伸率、极限载荷的相关性。研究结果表明: 锚索自由段在拉伸作用下受环境因素影响表面产生蚀坑后, 在蚀坑尖端出现应力集中, 并衍生呈裂纹扩展致脆性断裂, 其延伸率与蚀坑深度成负相关; 锚索极限载荷降低的主要影响因素为腐蚀率, 其与腐蚀率成负相关; 锚索自由段腐蚀程度为30%, 表面蚀坑深度小于0.5 mm时, 19股结构锚索承载力优于相同直径的7股锚索; 蚀坑深度大于0.5 mm时, 7股结构锚索承载力实现反超。
图片
图 1 锚索自由段腐蚀形式
图 2 锚索表面不同蚀坑深度示意
图 3 锚索蚀坑裂纹扩展模型
图 4 现场腐蚀与未腐蚀锚索图像
图 5 锚索图像灰度梯度直方图
图 6 未腐蚀锚索力学参数试验校对
图 7 锚索表面蚀坑示意
图 8 不同腐蚀程度锚索数值模型
图 9 7股锚索应力演化及破断特征过程
图 10 蚀坑深度与腐蚀率不同时7股锚索应力演化过程
图 11 不同腐蚀程度及深坑深度下锚索拉伸位移−载荷曲线
图 12 蚀坑深度与腐蚀率不同时19股锚索应力演化过程
图 13 不同规格锚索受腐蚀拉伸破坏过程
图 14 不同腐蚀程度及深坑深度下锚索拉伸位移−载荷曲线
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