錨桿臨界預(yù)緊力矩與初始托錨力的轉(zhuǎn)換機(jī)制研究

摘 要：錨桿支護(hù)在煤礦巷道中尤為重要，尤其是針對(duì)錨桿的臨界預(yù)緊力矩與初始托錨力的轉(zhuǎn)換機(jī)制研究更是重中之重。本文主要從在安裝錨桿時(shí)，由于錨桿的脫錨力完全失效等原因，最終導(dǎo)致它的錨固徹底失效或呈現(xiàn)一種低效的工程背景下入手。通過理論分析，以及在實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)各種規(guī)格的錨桿進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，最終研究得出了不同規(guī)格的錨桿預(yù)緊力矩與托錨力作用關(guān)系，為錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了很好的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：錨桿支護(hù);臨界預(yù)緊力矩;初始托錨力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.052

1 引言

在利用錨桿對(duì)圍巖巷道進(jìn)行支護(hù)的過程當(dāng)中，發(fā)揮作用的不僅僅是錨桿，在這一承載結(jié)構(gòu)當(dāng)中，錨桿、錨網(wǎng)、鋼帶以及托盤等構(gòu)件同樣起著無法估量的效果。這各個(gè)構(gòu)件同時(shí)發(fā)揮作用，能夠極大地提高錨桿的支護(hù)效果，錨桿在支護(hù)時(shí)，能夠?qū)鷰r的表面施加一種徑向支護(hù)力，這種支護(hù)力的存在能夠更好的使圍巖實(shí)現(xiàn)由平面應(yīng)力狀態(tài)到三向應(yīng)力狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，在這種轉(zhuǎn)化下，能夠減小巷道在受到應(yīng)力擾動(dòng)或者采動(dòng)時(shí)的變形，進(jìn)而加大圍巖的承載強(qiáng)度。至于托錨力，指的就是為了使圍巖保持穩(wěn)定，這種來自于護(hù)表構(gòu)件的力，比如說托盤等。換言之，預(yù)緊力與托錨力相一致，通過扭矩螺母，可以進(jìn)一步提高預(yù)緊力。預(yù)緊力的加大或者托錨力的提高，都能夠很大程度上抑制巷道在掘進(jìn)的時(shí)候發(fā)生的圍巖變形。

2 托錨力完全損失造成的支護(hù)失效

在研究錨桿的時(shí)候，毋庸置疑會(huì)研究它的托錨力，而錨桿在支護(hù)的過程當(dāng)中，其托錨力發(fā)揮作用是主要分為三大階段，分別為初始托錨力、工作托錨力和殘余托錨力，每一種托錨力針對(duì)的錨桿支護(hù)階段有所差異。通過大量的調(diào)查并且研究發(fā)現(xiàn)，在大范圍的錨桿支護(hù)工程當(dāng)中，其錨固系統(tǒng)會(huì)逐漸的產(chǎn)生一種效能損失，根據(jù)時(shí)間的不同，這種托錨力發(fā)生會(huì)慢慢損耗、部分損失以及完全損耗至零等三大階段。接下來主要研究的是在安裝錨桿時(shí)，由于錨桿的脫錨力完全失效等原因，最終導(dǎo)致它的錨固徹底失效或呈現(xiàn)一種低效的現(xiàn)象。

當(dāng)錨桿的托錨力一直下降，直至將為零，就意味著錨桿已經(jīng)完全失效，已經(jīng)喪失了其對(duì)圍巖的支護(hù)效果。造成錨桿失效的原因主要有三種情況：

第一種情況是錨桿在與粘結(jié)劑發(fā)生接觸的地方產(chǎn)生了破壞，或者在使用粘結(jié)劑的時(shí)候，這種粘結(jié)體和煤巖體直接接觸的地方發(fā)生了破壞，這兩者是最容易導(dǎo)致錨桿發(fā)生失效的地方，因?yàn)楫?dāng)接觸面完全發(fā)生破壞的時(shí)候，其孔內(nèi)部就只有粘結(jié)體與孔壁的摩擦力，這種摩擦力的存在會(huì)導(dǎo)致巷道發(fā)生大尺度變形，無法用錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù);

第二種情況是錨桿在支護(hù)的過程中，其圍巖中的各個(gè)巖層之間發(fā)生水平錯(cuò)動(dòng)，由于桿體受力過大，導(dǎo)致其錨桿的桿體拉斷。在這種情況下，它的錨固體系失穩(wěn)，錨桿失效，導(dǎo)致其托錨力瞬間下降為零，在錨桿桿體發(fā)生拉斷的時(shí)候，會(huì)明顯發(fā)現(xiàn)，其破斷的地方經(jīng)常出現(xiàn)在桿體尾部絲扣段的地方，在其尾部受力很集中，是整個(gè)桿體最為薄弱的環(huán)節(jié);至于錨索，破壞的形式大多為剪切破壞，這種錨索使用的是鋼絞線，由于這種鋼絞線與巖面往往是不垂直的，再加上一旦受到采動(dòng)大應(yīng)力，會(huì)極容易導(dǎo)致這種桿體發(fā)生剪斷，進(jìn)而失效;

第三種情況是處于淺部的圍巖，在最開始支護(hù)的時(shí)候還很完整，護(hù)表構(gòu)件沒有任何的影響，然而當(dāng)處于局部的圍巖發(fā)生破壞的時(shí)候，影響了其巷道淺部的圍巖，導(dǎo)致其煤巖體表面發(fā)生變形，膨脹，進(jìn)而使圍巖出現(xiàn)了大范圍的松動(dòng)，呈現(xiàn)出了一種網(wǎng)兜的現(xiàn)象，這樣以來導(dǎo)致錨桿的桿體和錨固段雖然很完整，但是其預(yù)應(yīng)力卻沒能夠得到很大程度的擴(kuò)散，最終出現(xiàn)了錨空現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也是很容易讓托錨力直接損耗為零，當(dāng)然這種現(xiàn)象在煤礦當(dāng)中是很常見的，為此在護(hù)表的時(shí)候要最大程度的將護(hù)表構(gòu)件與巖面進(jìn)行接觸。

3 預(yù)緊力矩與托錨力的轉(zhuǎn)換機(jī)制的實(shí)測(cè)研究

錨桿在巷道支護(hù)過程當(dāng)中尤為重要，然而其錨桿的托錨力更是支護(hù)當(dāng)中不可或缺的一個(gè)重要因素。無論是錨桿的托錨力還是錨桿的預(yù)緊力，要想增加托錨力，需要依靠錨桿鉆機(jī)、液壓法張緊螺母或風(fēng)動(dòng)扳手?jǐn)Q緊螺母的方式才能實(shí)現(xiàn)，這三種方式在煤礦當(dāng)中都是很常見的，在對(duì)錨桿進(jìn)行支護(hù)的時(shí)候，給錨桿施加的預(yù)緊力越大，它的初始托錨力就會(huì)越大，圍巖的承載能力就越好，對(duì)圍巖的約束性就越強(qiáng)。國(guó)家規(guī)定對(duì)錨桿的初始預(yù)緊力矩為150N·m。但是在實(shí)際當(dāng)中應(yīng)用的時(shí)候，這種“高預(yù)緊力”卻沒有很明確的范圍，也缺乏理論的指導(dǎo)，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)錨桿施加預(yù)應(yīng)力的時(shí)候是通過斷續(xù)式加載的方式完成的。

張農(nóng)等認(rèn)為在支護(hù)初期對(duì)錨桿施加預(yù)應(yīng)力的時(shí)候，其錨固范圍內(nèi)的圍巖會(huì)處于彈塑性變形階段，在這一理論基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了有關(guān)預(yù)緊力P與力矩T（φ）之間的表達(dá)式，如下：

本文為了能夠很好預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)錨固作用，為錨桿錨固作用機(jī)理及錨固失效提供理論指導(dǎo)，特通過預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)錨固作用綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)來對(duì)此進(jìn)行深究。在此模擬的是3根等長(zhǎng)2 800mm、不同直徑的錨桿，直徑分別為Φ22、Φ20和Φ18mm，在測(cè)試的過程當(dāng)中，主要測(cè)試的是它們的錨桿軸力（粘錨力）、托錨力以及彎矩，為了能夠更好的得到預(yù)緊力矩與托錨力的作用關(guān)系，每一根錨桿都多多進(jìn)行測(cè)試，如圖1所示。得到以下規(guī)律：

（1）Φ22mm的錨桿測(cè)試了7組，對(duì)其施加的扭矩最大可以達(dá)到335N·m，而托錨力可以達(dá)到80kN;Φ20mm的錨桿測(cè)試了7組，對(duì)其施加的扭矩最大可以達(dá)到340N·m，而托錨力可以達(dá)到88kN;Φ18mm的錨桿測(cè)試了5組，對(duì)其施加的扭矩最大可以達(dá)到250N·m，而托錨力可以達(dá)到72kN。由此可以看出每一根錨桿的預(yù)緊力矩與托錨力都普遍存在著線性相關(guān)的關(guān)系;

（2）其錨桿的平均預(yù)緊力矩在大于125N·m后趨于穩(wěn)定，在平均預(yù)緊力矩大于250N·m后，它的平均扭矩系數(shù)可以達(dá)到0.18，這時(shí)對(duì)應(yīng)的平均托錨力為68.3kN;由于錨桿的預(yù)緊力矩越大，導(dǎo)致它的托錨力就會(huì)越高，在不同直徑等長(zhǎng)的錨桿當(dāng)中，Φ20mm的錨桿最為明顯。

4 結(jié)論

通過對(duì)等長(zhǎng)2800mm，不同直徑（Φ22、Φ20和Φ18mm）的錨桿進(jìn)行測(cè)試研究，分析得知：

（1）當(dāng)錨桿的預(yù)緊力矩低于200N·m的時(shí)候，其預(yù)緊力矩與托錨力之間沒有構(gòu)成非常明顯的線性關(guān)系，一者增加不會(huì)引發(fā)另一者增加，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是受到了托盤與墊圈等構(gòu)件的影響，比如說螺紋的加工質(zhì)量、材料等;

（2）當(dāng)錨桿的預(yù)緊力矩大于200N·m的時(shí)候，其預(yù)緊力矩與托錨力之間存在構(gòu)成非常明顯的線性關(guān)系;

（3）在對(duì)諸多組錨桿進(jìn)行測(cè)試時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)四分之一的錨桿其力矩與托錨力始終呈現(xiàn)的都是一種線性關(guān)系，但是其扭矩轉(zhuǎn)化系數(shù)要想穩(wěn)定在某一常數(shù)的話，需要將其加扭加至200N·m，所有錨桿都是如此。在試驗(yàn)當(dāng)中，對(duì)錨桿施加的預(yù)緊力矩為200N·m，對(duì)應(yīng)托錨力為43.0kN，此時(shí)的平均扭矩系數(shù)為0.20，這也是臨界預(yù)緊力矩，一旦施加的預(yù)緊力過于大，或者超過了臨界預(yù)緊力，它的扭矩系數(shù)會(huì)有0.20增大至0.23，但是轉(zhuǎn)化效率卻大打折扣，它們之間的關(guān)系符合Fl=0.18T+6.84，即給錨桿施加的扭矩每增加100N·m，它的托錨力就會(huì)加大18kN。

參考文獻(xiàn)：

[1]張季如，唐保付.錨桿荷載傳遞機(jī)理分析的雙曲函數(shù)模型[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2002（02）：188-192.

[2]鄭重遠(yuǎn)，黃乃炯.樹脂錨桿及錨固劑[M].北京市：煤炭工業(yè)出版社，1983：261.

[3]張樂文，汪稔.巖土錨固理論研究之現(xiàn)狀[J].巖土力學(xué)，2002（05）：627-631.

作者簡(jiǎn)介：紀(jì)關(guān)偉（1974-），男，山東泰安人，本科，中級(jí)工程師，總經(jīng)理，從事采礦工程、安全管理。