一种新的切削工具磨损测试方法，用于评估泡沫添加剂在密集砂砾地层中盾构TBM隧道施工过程中对挖掘效果的影响

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：New cutting tool wear testing method for evaluating the influence of foam additive on plowing effect during shield TBM tunnelling in dense sandy gravel ground

锚杆锁片失效机理及防失效技术研究中，针对Kuangou煤矿B2煤层巷道周围岩振动导致的锚杆锁片渐进失效问题，通过SRVS振动模拟装置（50Hz额定频率）结合理论分析、数值模拟和实验室/现场试验，揭示低频振动与锁片失效的正线性关系（振动频率每增加1Hz，失效概率提升0.8%），并创新性提出DPFE装置（含反退出力模块和螺栓外径扩容结构），实验显示其使锁片失效率从17%降至0。

　　

贾厚生|张志明|高彦西|傅梦雄|王国英|李超|彭波|江文远

河南理工大学，焦作 454000，中国

摘要

为了解决在频繁的周围岩石振动下电缆螺栓锁具失效的问题，本研究重点关注了光沟煤矿B2煤层中存在岩爆危险的开采巷道。通过理论分析、数值模拟、实验室测试和现场实验，开发了一种周围岩石振动模拟装置（SRVS）。该装置用于研究电缆螺栓锁具的失效机制。提出了一种防止锁具失效和电缆螺栓弹出的新技术，并分析了该技术的工作原理。研究发现，频繁的低能量振动是导致锁具逐渐松动并最终失效的根本原因，振动频率与锁具失效率之间存在正线性相关。在锁具下方施加一个小的抗后退力可以提高其锁定性能。例如，施加100 N的抗后退力可使锁具的失效推力增加152 kN，提高了48%。基于这些发现，开发了一种用于防止锁具失效和电缆螺栓弹出的集成装置（DPFE），该装置主要由抗后退装置和抗弹出结构组成。该装置在锁具下方施加抗后退力，并增加电缆螺栓的外径，进一步防止锁具松动，大大提高了锁具的锁定力，防止锁具失效和断裂的电缆螺栓弹出。在光沟煤矿B2煤层I010206工作面的开采巷道进行的工程对比测试表明，未安装DPFE的电缆螺栓中有17%出现了锁具滑动或掉落的情况。相比之下，安装了DPFE的螺栓在整个开采过程中没有出现锁具失效的迹象。

引言

电缆螺栓是巷道支护系统中稳定周围岩石的主要支撑部件。随着电缆螺栓钢绞线断裂能力的不断提高和树脂锚固技术的不断改进，在特殊周围岩石条件下，锁具的锁定性能已成为电缆螺栓支护系统中的一个关键薄弱环节（贾厚生，2025；李等人，2024；史等人，2022；徐等人，2020），尤其是在受到显著周围岩石振动的巷道中。例如，具有岩爆倾向的煤层巷道可能会经历突然的动态事件，破坏支撑结构。尽管系统性的岩爆预防和控制措施消除了大规模的动态事件，但局部低能量扰动仍然会发生。这些低能量事件会在周围岩石中产生振动，频繁的振动可能会逐渐削弱锁具的保持能力。岩石振动可能导致锁具失效，在严重情况下，甚至会导致电缆螺栓断裂和弹出。近年来，煤矿作业中电缆螺栓弹出的事件有所增加，导致受伤人数不断增加。这些现象严重危及地下人员的安全，并降低了隧道周围岩石控制的效果。

目前，主要有两类方法和技术途径用于防止由于电缆螺栓锁具失效而导致的锚杆失效。第一类方法侧重于提高电缆螺栓的延展性能和抗冲击性能，以在冲击和变形过程中保持其支撑稳定性，从而降低锁具失效的风险。（傅等人，2024a；傅等人，2024b；吴等人，2020）开发了具有高强度、高延展率和优异抗冲击性能的电缆螺栓。这些螺栓已被证明能够在多次高能量冲击下保持稳定，并开发了一种恒定阻力吸能电缆螺栓（CRLDC）（王等人，2023a；王等人，2023b；王等人，2023c）。如图1a所示，普通电缆螺栓在受到冲击载荷后，其钢绞线会散开，断裂处的钢绞线没有明显的缩颈现象。然而，由于高延展电缆螺栓出色的吸能特性，其在冲击下的断裂倾向较低，从而确保了在周围岩石振动条件下的电缆螺栓支撑稳定性。“这种恒定阻力吸能支撑技术提高了锚固系统的抗冲击能力和吸能能力，从而在动态载荷条件下保持支撑稳定性，如图1b所示。（杨等人，2023a；杨等人，2023b；史等人，2024；陶等人，2024）提出了一种新型电缆螺栓设计，采用了负泊松比结构，作为先进的支撑部件，具有更好的性能。该创新系统能够在极端地质应力条件下承受大的变形，同时提供高恒定阻力，有效防止锁具滑动。Knox和Hadjigeorgiou（2022；Knox和Hadjigeorgiou，2023；李等人，2023）不仅对吸能岩栓进行了传统的冲击测试，还深入研究了其性能，确定了提高吸能的关键因素，并优化了这些螺栓的设计和应用。

第二类方法通过直接优化锁具的结构或参数来提高锁具的锁定稳定性。马等人（2016）从动态扰动的角度分析了电缆螺栓锁具的滑动机制，并结合了挤压锁具和螺纹锁具，有效解决了动态扰动下的锁具滑动问题。（詹等人，2024a；詹等人，2024b；詹等人，2025）分析了电缆螺栓锁具的载荷传递机制，并通过优化锁具的楔角、锁具与钢绞线之间的摩擦系数等参数，有效提高了锁具的稳定性。（陈等人，2022；彭等人，2022）研究了不同电缆螺栓锁具的锁定效果，确定了不同锁具的最佳锁定位置，并通过现场监测验证了锁具在最佳锁定位置下的高稳定性。为了解决振动条件下电缆螺栓锁具锁定效果差的问题，（张等人，2024；杨等人，2023a；杨等人，2023b）基于柔性减震原理开发了一种减震锁具。该装置包括减震弹簧等部件，旨在有效提高电缆螺栓在频繁振动条件下的承载性能。

通过提高电缆螺栓的机械性能，可以有效增强电缆螺栓支撑的稳定性，从而充分利用锁具的锁定力。然而，在周围岩石频繁振动的情况下，锁具的锁定稳定性仍然是限制电缆螺栓支撑质量的主要因素。在这种条件下，锁具容易因剧烈振动而突然位移和滑动。提高电缆螺栓锁具的锁定质量是防止锁具失效的最直接方法。目前，该领域的研究主要是理论性的，缺乏简单有效的实施方法。

本文研究了由于电缆螺栓锁具滑动和掉落导致的电缆螺栓支撑失效问题。通过分析锁具失效的根本原因，提出了一种防止锁具失效和电缆螺栓弹出的新技术。开发了一种操作简单、性能稳定的装置，实验和实际应用结果均显示出良好的效果。该装置对于提高巷道电缆螺栓支撑的质量具有实际价值，特别是在高振动和频繁突然变形等恶劣岩石条件下。

章节摘录

巷道工程地质概况及电缆螺栓锁具的失效特性

光沟煤矿位于中国新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州呼图壁县屈尔沟镇。目前，该矿正在开采B2煤层，这是一种稳定的特厚煤层。煤层厚度为9.5–11.8米，平均值为10.85米。直接顶板主要由泥岩、砂质泥岩和粉砂岩组成，局部为中粗砂岩和细砂岩。

周围岩石振动模拟装置（SRVS）的开发

为了获得巷道周围岩石振动事件与电缆螺栓锁具掉落之间的内在关系，在实验室模拟了在频繁周围岩石振动条件下的电缆螺栓支撑试验。开发了一种具有高激励频率和大激励力的周围岩石振动模拟装置（SRVS），如图5所示。周围岩石振动模拟装置（SRVS）的额定频率为50 Hz，

电缆螺栓锁具锁定及防止失效的机制分析

在正常情况下，电缆螺栓锁具的失效是一个渐进过程，电缆螺栓钢绞线与锁具之间的逐渐滑动会导致锁具掉落。基于此，建立了电缆螺栓锁具的结构力学模型，如图8所示。

当电缆螺栓被拉动时，锁套通过楔形面对嵌入的卡件施加压力，嵌入的卡件对电缆螺栓钢绞线产生挤压压力，因此

防止锁具失效和电缆螺栓弹出装置（DPFE）的开发和使用方法

基于机械分析和数值模拟的结果，结合煤矿中常见的电缆螺栓模型以及现场锚杆施工的要求，开发了一种用于防止锁具失效和电缆螺栓弹出的集成装置（DPFE）。该装置设计简单、性能可靠，其物理结构和应用方法如图14所示

结论

为了解决在频繁周围岩石振动条件下电缆螺栓锁具的失效问题，提出了一种防止锁具失效和电缆螺栓弹出的新技术，并开发了一种用于防止这两种情况的集成装置。通过理论分析、数值模拟、实验室测试和现场验证，检验了该方法和装置的工作机制和有效性。

讨论

本研究分析了电缆螺栓锁具失效的机制。基于关于锁具紧固失效机制的研究，提出了一种防止电缆螺栓锁具回缩和弹出的技术，并开发了一种结构简单、安装方便的集成装置。该装置确保锁具在长期高频振动条件下仍保持稳定的紧固状态

作者贡献声明

贾厚生：撰写——原始草稿、软件、方法论、数据整理。张志明：撰写——审稿与编辑、项目管理、概念构思。高彦西：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、调查。傅梦雄：软件、资源。王国英：方法论。李超：调查。彭波：调查。江文远：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52474095）、河南省优秀青年科学基金项目（252300421107）和河南省重点研发与推广项目（252102321161）的支持。