锚杆预紧力与锚杆杆体受力实测研究

锚杆预紧力与锚杆杆体受力实测研究

赵国辉 ,申乾

陕煤集团神木红柳林矿业有限公司   陕西榆林   719300

摘要：针对目前井下普遍存在的锚杆杆尾预紧扭矩向预紧力转化效率低的问题，分析了锚杆杆体的受力影响因素，制定了锚杆扭矩力与预紧力的井下试验方案，通过研究表明，锚杆的预紧力与预紧扭矩存在正相关的关系，并提出了增大锚杆预紧力的解决方案。

关键词：预紧力；扭矩力；锚杆支护

前言

预应力是锚杆支护中的关键参数，是区别锚杆支护属于主动支护还是被动支护的参数，无预应力或预应力很低的锚杆支护属于被动支护，只有围岩发生变形后才能被动地支护巷道，无法控制围岩的早期变形与离层；预应力锚杆支护属于真正的主动支护，能及时控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现，保持围岩的完整性，减小围岩强度的降低。在岩土加固工程以及煤矿巷道支护过程中，预应力锚杆已经得到广泛应用，在边坡加固、坝体工程、基坑工程，以及隧道和地下硐室工程中，预应力锚杆是有效的加固手段，在这些岩土工程中进行锚杆支护设计时预应力是关键参数[1-2]。

1.锚杆杆体受力影响因素分析

锚杆杆体受力状态的影响因素众多,大致可分为三大类：一是巷道围岩地质力学参数,包括地应力、围岩强度与结构；二是巷道使用特征,包括巷道断面形状、尺寸,采动影响等；三是锚杆支护参数,包括锚杆直径、长度、锚杆间排距、锚杆角度、锚固方式及锚杆预应力等。下面着重分析锚杆角度、锚固方式及预应力对杆体受力状态的影响。

1.1锚杆角度对杆体影响

锚杆角度过大、过小都不利于巷道的维护。国内目前对锚杆角度的研究较少,大部分支护设计中靠近巷帮的顶板锚杆安设角度为与垂线成10°-30°之间。顶板其余锚杆都垂直岩面打设；帮部锚杆中,靠近顶底板的两根锚杆与水平线呈10°-30°之间。其余也垂直岩面打设。专家通过研究锚杆预紧力为60kN时，顶板角锚杆与垂线呈0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、40°时锚杆时的预应力分布，得出以下结论：

（1）当顶板角锚杆垂直布置时,角锚杆与中部锚杆形成的有效压应力区相互连接与叠加,在顶板形成厚度较大、分布比较均匀的压应力区,覆盖了锚固区的大多数面积，锚杆预应力扩散与叠加效果最好。

（2）随着顶板角锚杆角度增加,角锚杆形成的有效压应力区与中部锚杆形成的有效压应力区逐步分离,叠加区域越来越小。当顶板角锚杆角度达到15°，两个压应力区明显分离。继续加大角锚杆角度,角锚杆与中部锚杆的压应力区分开的更远,成为彼此独立的支护单元,锚杆支护的整体作用受到严重影响。

（3）顶板角锚杆角度越大,锚杆预应力形成的有效压应力区越小。而且,较高的压应力主要集中在锚杆尾部附近,在锚杆中部与端部压应力则较小,这不利于锚杆支护作用的充分发挥。

在考虑锚杆预应力的条件下,在近水平煤层巷道中,顶板角锚杆最好垂直布置。如考虑施工需要一定的角度,最大角度不应超过10°[3-5]。

1.2锚固方式的影响

按锚杆锚固长度,可将锚固方式分为端部锚固、加长锚固与全长锚固。对于端部锚固锚杆,锚固剂的作用在于提供粘结力,使锚杆能承受一定的拉力。锚杆拉力除锚固端外,沿长度方向是均匀分布的。由于锚杆与钻孔间有较大空隙,所以锚杆抗剪能力只有在岩层发生较大错动后才能发挥出来。对于全长锚固锚杆,锚固剂的作用比较复杂,主要有两方面：将锚杆杆体与钻孔孔壁粘结在一起,使锚杆随着岩层移动承受拉力；当岩层发生错动时,与杆体共同起抗剪作用,阻止岩层发生滑动。

对于端部锚固锚杆,杆体各部位的应力和应变相等。在锚固范围内,任何部位岩层的离层都均匀地分散到整个杆体的长度上,导致杆体受力对围岩变形和离层不敏感,支护刚度低。对于全长锚固锚杆,这种分散是不可能的,致使应力、应变沿锚杆长度方向分布极不均匀,离层和滑动大的部位锚杆受力很大,杆体受力对围岩变形和离层很敏感,能及时抑制围岩离层与滑动,支护刚度高[6-7]。

1.3预应力的影响

锚杆安装时,施加预应力越大,能获得越大的初锚力,有利于最大限度抑制围岩离层与破坏。但同时也要考虑锚杆各部件、特别是杆体强度对锚杆安装扭矩的限制。安装扭矩过大会使锚杆承受较大的扭矩,加之锚杆的受拉、受剪切等,锚固在井下巷道围岩中的负载锚杆承受复合外力作用,锚杆杆体实际破断强度低于单向抗拉强度。因此实际使用中出现锚杆在杆体尾部螺纹处发生断裂,锚杆在锚固与自由端交界处断裂等情况[3]。

提高锚杆预紧力的技术措施分为两方面：其一是提高螺母安装力矩；其二是降低锚杆预紧力与螺母安装力矩的转换系数。螺母安装力矩是由锚杆安装机具的输出扭矩决定的,是影响锚杆预紧力的关键因素。顶推力对巷道顶板提供一个很高的压紧力,在锚杆安装以后,该力通过托板传给锚杆,增加预紧力。

由于国内普遍采用单体锚杆钻机钻装锚杆,这种锚杆钻机输出扭矩一般为

100-150N·m,无法实现锚杆的高预紧力。因此为了大幅度提高锚杆的预紧力矩,措施之一是采用专门的高扭矩螺母拧紧设备,这就带来了锚杆施加扭矩过程中对锚杆杆体的扭曲变形。井下锚杆预紧扭矩在300N·m,时,锚杆轴向预紧力达到50kN。随着锚杆扭矩增加,预紧力逐渐增大,但当锚杆扭矩超过400N·m时,预紧力增加变得缓慢,再增加锚杆扭矩,获得的预紧力增量很小[6]。

2.现场试验方案

2.1试验区域工程地质概况

43104回风顺槽长3158m，掘进断面宽5.7m，高3.25m，为矩形断面，断面面积为18.525m2。工作面地表以平缓的砂丘地貌为主，仅在砂地上形成一些浅沟，沟深一般小于10米,工作面中部平坦处存在部分耕地，无水库、河流等地表水体，但存在一些民用水井，工作面地表植被覆盖良好，地势总体呈东北高西南低走势。煤层上部存在少量2-2煤剥蚀、火烧后的边角残煤，煤层间距33～35米。上覆地层厚度为98～139米，上覆岩层厚度15～59米，松散层厚度42～129米。工作面地表无村庄，无河流等水体，工作面中部偏西有通村简易道路穿过工作面。通过北二盘区3-1煤大巷掘进资料及196，211，5-HB2水，5-HB3、6-HB3、6-HB4、6-HB5、6-HB6水、6-HB7、7-HB3水钻孔资料分析，整个工作面煤层厚度2.7～3.15米，大部分区域不含夹矸，煤层结构简单，局部煤层中部可能会存在1层薄层泥岩夹矸，但范围不大。煤层顶底板岩性如表1所示：

表1  煤层顶底板岩性特征表

2.2试验方案

本次试验选取的试验地点为北二盘区3-1煤43104回风辅运顺槽，试验区段为2100m-2150m，该区段巷道起伏小、顶底板条件好，具备本次工业性试验的要求。试验工具为扭矩扳手、CMSW6(A)矿用锚杆(索)无损检测仪。利用扭矩扳手对顶部锚杆施加不同的扭矩力，用CMSW6(A)矿用锚杆(索)无损检测仪检测不同扭矩力下的预紧力，从而得到扭矩力与预紧力的对应关系。具体试验方案如表2所示：

表2锚杆扭矩力与预紧力现场实测记录表

3.试验结果分析

对井下12根顶锚杆进行了现场实测，分析测试数据得到了如下结果：

表3 锚杆扭矩力与预紧力现场实测记录表

通过分析得到的数据，可以得出以下结论：

1.在直径为20mm，锚杆长度为2200mm的条件下，锚杆的预紧力与预紧扭矩存在正相关的关系，转换系数约为0.13。

2.转换系数存在细小差别原因在于锚杆预紧过程中托盘、调心球垫角度无法保证完全一致所造成的。

4.结论

为了提高锚杆的支护效果，通过分析试验结果，初步得出增大锚杆预紧力的途径有：

（1）尽可能地增加安装锚杆时的预紧扭矩。根据锚杆杆体材料和锚固剂的力学性能、锚固剂与钻孔的黏结特性,在允许的情况下,可采用大扭矩扳手、大扭矩锚杆钻机或气动扳手进行锚杆预紧。

（2）保证锚杆尾部螺纹与螺母之间的光洁,减小摩擦当量角。可以通过控制锚杆的加工工艺或在尾部螺纹段涂抹润滑油脂等办法实现。

（3）减小锚杆螺母与托盘或球垫之间的摩擦力。由于锚杆螺母与托盘或球垫之间存在的水平摩擦力形成了摩擦扭矩,消减了施工机具提供的预紧扭矩,造成锚杆预紧力下降。因此,可在螺母与托盘或球垫之间增加尼龙垫圈,以降低摩擦阻力。

参考文献

[1]康红普,姜铁明,高富强.预应力锚杆支护参数的设计[J].煤炭学报,2008(07):721-726.

[2]李志兵,张农,韩昌良,钱德雨.锚固预紧力与预紧力矩相互关系的研究[J].中国矿业大学学报,2012,41(02):189-193.

[3]吴拥政.锚杆杆体的受力状态及支护作用研究[D].煤炭科学研究总院,2009.

[4]王成,杜泽生,李志兵.锚杆初始支护阻力的计算及预测[J].煤炭学报,2012,37(12):1982-1986.

[5]常聚才,谢广祥.锚杆预紧力对煤矿巷道支护效果的响应特征研究[J].采矿与安全工程学报,2012,29(05):657-661.

[6]张广云.锚杆预紧扭矩与预紧力关系研究[J].科技情报开发与经济,2011,21(01):195-198.

[7]付玉凯.锚杆杆尾扭矩与预紧力相互转化的影响因素研究[J].采矿与安全工程学报,2016,33(05):800-805.