錨桿預(yù)緊力和工作拉力力學(xué)分析

郭興明,石白云

(山西大同大學(xué)工學(xué)院，山西大同 037003）

錨桿預(yù)緊力和工作拉力力學(xué)分析

郭興明,石白云

(山西大同大學(xué)工學(xué)院，山西大同 037003）

本文依據(jù)力學(xué)基本理論，對煤礦井下巷道樹脂錨桿支護結(jié)構(gòu)在靜荷載作用下的預(yù)緊力和工作拉力進行力學(xué)分析，以期為錨桿支護參數(shù)選擇提供一定的理論依據(jù).

錨桿 預(yù)緊力 工作拉力

由于我國煤炭賦存條件復(fù)雜，絕大多數(shù)礦井采用井工開采.錨桿支護對巷道圍巖強度起到強化作用，能提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，加之具有支護成本低、成巷速度快、勞動強度小、巷道斷面利用率高、簡化工作面超前支護，同時由于錨桿插入圍巖使得圍巖積極主動承受地壓，限制了圍巖變形、位移和裂隙，明顯改善作業(yè)環(huán)境和安全生產(chǎn)條件等優(yōu)點，可提高礦井的經(jīng)濟效益，因而成為礦井巷道支護的一種主要支護形式.

《煤礦安全規(guī)程》要求“錨桿的托板必須緊貼巖壁，并用機械力矩扳手擰緊”，從力學(xué)角度分析，在靜荷載作用下，錨桿端部螺紋滿足自鎖條件，不會松脫.但是由于井下施工受炮震、頂板來壓、采動地壓，加上風(fēng)化、剝蝕、淋水對頂板巖層的侵蝕，錨桿端部螺母上的摩擦力勢必減小，致使螺母松動，嚴重時造成支護失效.因而施工中必須對對頂螺母加強緊固，以保證支護質(zhì)量.

1 對頂螺母結(jié)構(gòu)和作用機理

目前井工開采巷道采用樹脂錨桿支護，桿體尾端使用對頂螺母加以緊固.對頂螺母是在錨桿尾端上旋合的兩個螺母 (主螺母、副螺母)，如圖1(a)所示，除了主螺母預(yù)緊防松以外，副螺母起加固緊固作用.

圖1 螺母結(jié)構(gòu)及受軸向力作用示意圖

2 錨桿受軸向載荷作用機理

2.1 受工作拉力前

常用的端頭錨固樹脂錨桿，在桿體產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力前已經(jīng)擰緊螺母，桿體受有預(yù)緊力，受力如圖1(b)所示.在靜載荷作用下，彈性范圍內(nèi)，螺母預(yù)緊產(chǎn)生的力通過托板作用在頂板巖石上的壓力大小也應(yīng)該為F′.依據(jù)胡克定律得：錨桿絕對伸長量為

巖石頂板絕對壓縮量為

式中，L為錨桿長度；Cm，Cy分別為錨桿、巖石的抗拉壓剛度.C＝E·A，E為材料的彈性模量；A為桿體的橫截面積.

按照《材料力學(xué)》有關(guān)材料“小變形假設(shè)”，可以清楚地判定，在彈性范圍內(nèi)，錨桿或巖石所受到得預(yù)緊力F′與其相應(yīng)的絕對變形成正比.

2.2 受巖石頂板作用產(chǎn)生工作拉力

當螺母擰緊后，錨桿承受工作拉力，正常情況下錨桿桿體具有足夠的強度，托板和巖石頂板間不會產(chǎn)生縫隙，但是錨桿所受的總拉力F0并不等于F′與F的和，這是因為錨桿桿體在工作拉力的作用下發(fā)生了軸向拉伸變形，桿體進一步伸長，相應(yīng)的螺母預(yù)緊力F′則降為F″(剩余預(yù)緊力).根據(jù)錨桿桿體靜力平衡條件，這是錨桿所受總拉力F0= F″+F，錨桿所受拉力增量為F0-F′.那么，錨桿相對變形增量：

從圖1(c)可以看出其相對變形量，在靜載荷小變形條件下，認為托板緊貼巖面，按變形協(xié)調(diào)條件有：δm＝δy，即

2.3 受橫向荷載作用

假如錨桿只受靜荷作用，在螺母預(yù)緊時，螺紋間產(chǎn)生了摩擦力矩，因此錨桿在工作之前就受到拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力.

對于端頭錨固的錨桿支護體，錨桿桿體和錨桿孔之間有一定間隙，工作時巖層產(chǎn)生相對錯動，巖層之間將作用有橫向載荷(剪力Fs)，它是靠預(yù)緊對頂螺母后在巖層接觸面間產(chǎn)生的摩擦力來傳遞，如圖2所示.

圖2 在橫向載荷作用下受力示意圖

在靜載荷作用下，巖層間處于相對穩(wěn)定平衡狀態(tài)，巖層之間的相互作用靜摩擦力遠大于由對頂螺母預(yù)緊產(chǎn)生的力F′，不會對錨桿桿體造成較大的剪切變形.

2.4 強度考慮

在保證支護質(zhì)量和使用安全的前提下，要求錨桿螺紋部分還要有足夠的強度.對頂螺母預(yù)緊后，錨桿螺紋部分除了受預(yù)緊力F′產(chǎn)生的拉伸作用外，還受擰緊力矩旋給錨桿螺紋的扭矩Mn的作用，螺紋危險截面上產(chǎn)生的拉應(yīng)力σ和扭矩切應(yīng)力τ分別為：

式中，d1為錨桿螺紋內(nèi)徑；d2為錨桿螺紋外徑.

煤礦井下錨桿支護常用直徑為18 mm的Q235圓鋼加工而成，尾端加工成長約10 cm的三角螺紋.一般可取tanρv＝0.17，tanΨ＝0.05，d2＝1.1d1，Ψ為螺紋升角，ρv為摩擦角，詳見圖3所示.圖中Q為擰螺母時的水平推力，R為全反力，是螺紋斜面摩擦力f′和斜面上的法向約束反力N的矢量和.

圖3 螺紋展開示意圖

由上兩個應(yīng)力計算表達式，可得τ＝0.5σ.

由于錨桿材料為塑性材料，根據(jù)《材料力學(xué)》第四強度理論，其當量應(yīng)力為：

則，螺紋部分的強度條件可表達為：

式中，［σ］為錨桿材料的許用拉應(yīng)力.

3 思考和設(shè)想

⑴由于井下施工的特殊性，要想精確計算和確定出錨桿預(yù)緊力和工作拉力，除了考慮交變應(yīng)力和疲勞強度以外，巷道本身圍巖情況是決定因素.

⑵為了保證錨桿支護的可靠性，定期或不定期的螺母防松檢查緊固是必不可少的.

⑶實際施工中普遍使用樹脂錨桿支護，采用對頂螺母預(yù)緊防松，這樣勢必增加了錨桿的外漏長度，多用了緊固螺母，不但提高了施工成本，同時也使得巷道有效斷面積減小.能否采用彈簧墊圈替代預(yù)緊螺母起到防松作用，是一個有待探求的技術(shù)問題.

[1]郭興明.礦山工程力學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]何滿朝，袁和生.中國煤礦錨桿支護理論與實踐[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[3]陳秩平.綜采工作面超前支護支撐壓力觀測與分析[J].山西大同大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，25(3):63-65.

[4]黃慶國，陳連城.唐山溝礦煤巷錨桿—錨索支護技術(shù)研究[J].山西大同大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，25(4):55-58.

Bolt Preload and Tensile M echanical Analysis

GUO Xing-ging,SHIBai-yun
(School of Engineering,Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037003)

The paper is based on the basic theory ofmechanics of coalmine tunnel resin bolting the structure,under the action of static loads and work preload tension formechanical analysis,with a view to bolting parameters provide some theoretical basis.

bolt；preload；tension ofwork

R711.7

A

〔編輯 石白云〕

1674-0874(2010)02-0072-03

2010-01-30

郭興明(1965-)，男，山西懷仁人，副教授，研究方向：煤礦井下支護.