深部巷道錨桿支護(hù)材料及結(jié)構(gòu)研制探討

【摘要】對(duì)高性能預(yù)拉力錨桿的研制方法、錨桿桿體表面結(jié)構(gòu)、絲扣的加工要求進(jìn)行了闡述，指明了提高錨桿預(yù)拉力的措施，闡明了錨桿結(jié)構(gòu)和加工性能以及錨桿支護(hù)技術(shù)對(duì)煤炭開采逐步轉(zhuǎn)向深部起著重要的作用。

【關(guān)鍵詞】深部巷道；錨桿；結(jié)構(gòu)；研制

緒論

隨著淺部資源的減少和匱乏，我國(guó)煤炭開采逐步轉(zhuǎn)向深部，開采深度以每年8～12m的速度增加，未來(lái)十年我國(guó)煤礦深部開采的問(wèn)題將越來(lái)越突出。從煤礦井下的實(shí)際情況來(lái)看，深井巷道變形劇烈、維護(hù)困難、支架折損嚴(yán)重、返修率高、維護(hù)費(fèi)用成倍增加，安全狀況惡化等。近年來(lái)，隨著一大批大型國(guó)有老礦井向1000m左右深度延伸，對(duì)深部巖巷圍巖穩(wěn)定與支護(hù)中涉及的理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究顯得尤為迫切，高強(qiáng)度錨桿索支護(hù)在淺部礦井巷道支護(hù)中效果好，但在深部礦井高地壓巷道出現(xiàn)一系列問(wèn)題：錨桿預(yù)應(yīng)力過(guò)低、強(qiáng)度不足、抗沖擊性能差，造成錨桿拉斷或整體失效；錨索直徑小、強(qiáng)度低、延伸率低，與鉆孔匹配性差，出現(xiàn)錨索拉斷或整體滑動(dòng)；鋼帶強(qiáng)度和剛度小，容易撕裂和拉斷，護(hù)頂效果差；錨桿、錨索強(qiáng)度和剛度偏低，單位面積錨桿數(shù)多，間排距小，支護(hù)密度大，嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)速度，造成采掘接續(xù)緊張，這些現(xiàn)象嚴(yán)重影響錨桿支護(hù)效果和安全程度。

針對(duì)這些問(wèn)題開展研究，我們提出高性能錨桿的概念，它是指桿體材質(zhì)符合高強(qiáng)度、延伸率及錨固要求、附件完整、整體強(qiáng)度和幾何尺寸匹配、能夠滿足鉆機(jī)連續(xù)一體化安裝并實(shí)現(xiàn)預(yù)拉力的新型錨桿。

1、高性能預(yù)拉力錨桿的研制

高性能預(yù)拉力錨桿研制方法及特點(diǎn)如下：①采用20MnSi無(wú)縱筋左旋螺紋鋼加工，其強(qiáng)度和延伸率都符合高強(qiáng)度錨桿對(duì)材質(zhì)的要求，材質(zhì)優(yōu)良，取材方便，桿體表面凸紋能夠滿足攪拌阻力和錨固要求，不必二次加工；②外端螺紋部采用低強(qiáng)度損失加工新工藝，螺母、托盤、鋼帶等附件尺寸匹配、強(qiáng)度相當(dāng)；③雙重減摩措施，保證實(shí)現(xiàn)預(yù)拉力（初錨力），并調(diào)整錨桿外端受力；④扭矩螺母實(shí)現(xiàn)快速機(jī)械安裝；⑤有醒目的標(biāo)志直觀顯示安裝施工質(zhì)量；⑥配套的新型附件性能優(yōu)越，包括頂板用M型鋼帶和幫用的Π型輕型帶鋼，前者是針對(duì)W型鋼帶易撕裂、抗彎模量小的缺陷，經(jīng)過(guò)斷面形狀優(yōu)化產(chǎn)生的高翼緣結(jié)構(gòu)；后者是針對(duì)鋼筋梯子梁焊點(diǎn)不牢，整體性差，與圍巖接觸困難的缺陷而開發(fā)出來(lái)的，用料省，整體力學(xué)性能好，它們都屬于更新?lián)Q代產(chǎn)品，有多種規(guī)格和多個(gè)系列。

2、錨桿桿體表面結(jié)構(gòu)

對(duì)于錨桿桿體而言，要求對(duì)樹脂攪拌后，必須充填密實(shí)，才能使錨桿桿體與樹脂的握裹力、孔壁與樹脂之間的粘結(jié)力達(dá)到最大，產(chǎn)生非常大的錨固力。由于普通的螺紋鋼錨桿為表面兩邊帶縱筋、右旋螺紋的桿體，在攪拌樹脂時(shí)，主要帶來(lái)如下問(wèn)題：

①由于兩縱筋的存在，減小了孔壁與錨桿桿體的有效間隙，增大了攪拌時(shí)的阻力，實(shí)踐證明，帶有縱筋的螺紋鋼桿體攪拌時(shí)的扭矩大于80～100N·m。另外，由于兩縱筋比螺紋高，降低了桿體與孔壁之間樹脂的密實(shí)程度。

②右旋螺紋在旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生將樹脂從孔內(nèi)旋出的力量（攪拌樹脂時(shí)，錨桿鉆機(jī)為右旋），不利于錨固劑的充填密實(shí)，降低了錨固劑的錨固程度。

針對(duì)普通螺紋鋼桿體存在的缺陷，將錨桿桿體直接加工成單向無(wú)縱筋左旋螺紋鋼，使螺紋方向與攪拌樹脂時(shí)的方向相反。這樣，在攪拌樹脂時(shí)，左旋螺紋會(huì)對(duì)樹脂產(chǎn)生向孔內(nèi)的推力，增加樹脂的密實(shí)程度，增大錨桿的錨固力。

不同錨桿桿體的錨固力試驗(yàn)結(jié)果如圖所示，實(shí)驗(yàn)中所采用的螺紋鋼錨桿桿體直徑均為20mm，錨固段長(zhǎng)度為300mm。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，雙向有縱筋普通螺紋鋼錨桿錨固力平均為46.3kN，單向無(wú)縱筋右旋螺紋鋼錨桿錨固力為48.7kN，單向無(wú)縱筋左旋錨桿錨固力91.3kN。由此可以看出，單向無(wú)縱筋左旋螺紋鋼錨桿，在使用過(guò)程中，可以充分?jǐn)嚢铇渲?，并增大了樹脂的密?shí)程度，減少了樹脂固化后的收縮量，增大了錨桿的錨固力。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，單向左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿比雙向有縱筋普通螺紋鋼錨桿的錨固力提高了94%，達(dá)到了非常好的錨固效果。

單向左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿桿體有如下幾個(gè)幾何參數(shù)：橫肋寬度、橫肋高度、間距、螺旋角等，它們都影響攪拌阻力和粘結(jié)能力，通過(guò)優(yōu)化斷面形狀和橫肋幾何參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低阻高粘的性能。

3、提高預(yù)拉力的措施

由于鋼與鋼之間的摩擦系數(shù)無(wú)法改變，所以，影響錨桿預(yù)拉力的因素主要有兩個(gè)：擰緊力矩M，這主要取決于安裝機(jī)具的輸出力矩；螺紋力矩基本上是固定不變的，錨桿預(yù)拉力主要取決于螺母與托盤之間的摩擦阻力。

（1）提高安裝機(jī)具的扭緊力矩M

安裝機(jī)具輸出擰緊力矩的大小是決定錨桿預(yù)拉力的關(guān)鍵。目前，國(guó)外先進(jìn)的采煤國(guó)家，如美國(guó)、澳大利亞等，普遍采用掘錨聯(lián)合機(jī)組進(jìn)行巷道掘進(jìn)和安裝錨桿，獲得錨桿高預(yù)拉力的措施是：第一，錨桿臺(tái)車的安裝頂推力很大，能夠達(dá)到445kN的安裝頂推力，安裝頂推力能夠?qū)ο锏理敯逄峁┮粋€(gè)很高的壓緊力，該力在錨桿安裝以后便由錨桿通過(guò)托盤保持住。第二，安裝錨桿時(shí)，輸出的擰緊力矩非常大，可以達(dá)到542N·M。如此可以保證錨桿預(yù)拉力可以達(dá)到其桿體屈服強(qiáng)度的70%。現(xiàn)在，我國(guó)錨桿打眼和安裝普遍采用單體錨桿鉆機(jī)，這種錨桿鉆機(jī)的輸出扭矩一般在100～140N·M之間，頂推力不超過(guò)10kN，難以滿足提高錨桿預(yù)拉力的要求。采用高扭矩的沖擊式風(fēng)扳機(jī)可以提高錨桿預(yù)拉力，如山東濟(jì)南交通學(xué)校機(jī)械廠生產(chǎn)的BK-20型風(fēng)扳機(jī)，其輸出扭矩可以達(dá)到490N·m，但機(jī)械性能不穩(wěn)定，應(yīng)用受到限制。

（2）采取減摩措施

施加預(yù)拉力到一定值后，螺母與托盤之間的摩擦阻力已經(jīng)非常大，使錨桿鉆機(jī)的扭矩大部分消耗在摩擦力上，無(wú)法使扭矩轉(zhuǎn)化為桿體上的預(yù)拉力，要滿足設(shè)計(jì)的預(yù)拉力的要求，必需在螺母與托盤之間加上“潤(rùn)滑”裝置，減少摩擦阻力。經(jīng)試驗(yàn)，在螺母與托盤之間加上一個(gè)金屬墊圈和一個(gè)塑料墊圈，可以極大地減少摩擦阻力，達(dá)到“潤(rùn)滑”的目的。

4、結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)淺部資源的減少和匱乏，煤炭開采逐步轉(zhuǎn)向深部。經(jīng)探明，我國(guó)煤炭埋深在-600m以下和-1000m以下的儲(chǔ)量約占總儲(chǔ)量的73%和53%，東部煤炭資源埋深在1000～2000m的儲(chǔ)量占2000m以淺總儲(chǔ)量的83%，同時(shí)，我國(guó)金屬礦產(chǎn)開發(fā)也在向深部發(fā)展，其中，金川鎳礦、紅透山銅礦等開采深度都已達(dá)到了1000m以下?？梢灶A(yù)計(jì)，再過(guò)一、二十年，現(xiàn)有的許多煤礦和新近開發(fā)的礦井都會(huì)進(jìn)入深部開采，研究深部開采理論和技術(shù)已勢(shì)在必行。合理的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)、錨桿結(jié)構(gòu)和加工性能等不僅可保證回采巷道的安全可靠，而且可取得顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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