錨桿錨索預(yù)緊力值實(shí)驗(yàn)及配套測力計(jì)初裝值設(shè)計(jì)

白俊杰，趙銀虎，李偉良

(霍州煤電集團(tuán) 生產(chǎn)技術(shù)部， 山西 霍州 031400)

錨桿錨索預(yù)緊力作為礦壓研究的主要力學(xué)參數(shù)之一，許多學(xué)者先后從支護(hù)理論、作用、轉(zhuǎn)換關(guān)系、損失原因等方面進(jìn)行了研究，如郭金剛等[1]提出減磨墊片的增設(shè)對平托盤、球形托盤預(yù)緊力和預(yù)緊轉(zhuǎn)矩之間的轉(zhuǎn)化效能都有較大幅度的提高，280 N·m轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的預(yù)緊力增幅分別為38.8%和112.1%；付玉凱[2]提出錨桿桿尾螺紋加工精度、錨桿螺紋直徑及減磨墊片材質(zhì)都影響錨桿桿尾的扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化效率；王強(qiáng)、吳擁政[3]提出錨桿預(yù)緊扭矩超過400 N·m，預(yù)緊力增加變得緩慢，再增加錨桿扭矩，獲得的預(yù)緊力增量很小。合理的錨桿預(yù)緊力可以增加巖體的圍壓，有效改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，改善被錨固巖體的力學(xué)性能，增大被錨巖體的強(qiáng)度，有利于保持巷道圍巖的穩(wěn)定。目前，針對井下現(xiàn)場不同類型錨桿錨索預(yù)緊力的損失，剩余有效預(yù)緊力，尤其是與之配套的測力計(jì)初裝標(biāo)準(zhǔn)值的研究相對較少。因此，選取霍州煤電集團(tuán)公司9座礦井不同支護(hù)材料、施工機(jī)具等，以實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定與之配套的測力計(jì)初裝標(biāo)準(zhǔn)值或范圍值。

1 錨桿預(yù)緊力矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)

錨桿預(yù)緊力指安裝錨桿時，通過擰緊螺母施加在錨桿上的拉力，錨桿測力計(jì)安裝初始值理論上為扭矩轉(zhuǎn)換成軸向力的值，但實(shí)際上受多種因素影響，兩者之間存在一定差值，如井下使用的錨桿材質(zhì)、螺母、螺紋等加工精度均較實(shí)驗(yàn)室材質(zhì)差，會影響錨桿扭矩與預(yù)緊力之間的轉(zhuǎn)化效率，造成預(yù)緊力損失。為確定錨桿測力計(jì)安裝初始值，需對預(yù)緊力矩與預(yù)緊力之間的轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定損失率。

現(xiàn)選取BHRB335型d18 mm和d20 mm錨桿加裝球形托盤、減磨墊片，并將力矩控制在400 N·m以內(nèi)進(jìn)行力矩-力轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。其中，地面以模擬實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行，將選配好的錨桿在實(shí)驗(yàn)機(jī)固定后，再以50 N·m遞增頻率逐步施加力矩，通過錨桿測力計(jì)讀取不同扭矩下錨桿所受軸向力的大小。井下實(shí)驗(yàn)則分別選在不同礦井、不同埋藏深度以及圍巖類型不同的位置，將錨桿以日常施工方式錨固在頂板上，然后人工通過力矩扳手緩慢緊固，緊固過程中，通過預(yù)裝的測力計(jì)讀取每增加50 N·m力矩下，錨桿所受軸向力的大小。

1.1 d18 mm錨桿轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)(一組)

1) 實(shí)驗(yàn)室預(yù)緊力矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1. 150 N·m力矩時，預(yù)緊力平均值38 kN；200 N·m力矩時，預(yù)緊力平均值52 kN；250 N·m力矩時，預(yù)緊力平均值63 kN；300 N·m力矩時，預(yù)緊力平均值75 kN.

圖1 d18 mm錨桿力矩-力轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

2) 井下現(xiàn)場預(yù)緊力矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2. 200 N·m力矩時，測力計(jì)監(jiān)測平均值29.7 kN；250 N·m力矩時，測力計(jì)監(jiān)測平均值32.6 kN；300 N·m力矩時，測力計(jì)監(jiān)測平均值34.3 kN.

圖2 d18 mm錨桿力矩-力現(xiàn)場測試結(jié)果圖

對比一組井上下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)力矩控制在200～300 N·m時，實(shí)驗(yàn)室預(yù)緊力為52～75 kN，現(xiàn)場為30～34.3 kN，現(xiàn)場預(yù)緊力損失率42.9%～54.2%，監(jiān)測預(yù)緊力為屈服載荷的35%～40.4%. 錨桿力矩轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1.

1.2 d20 mm錨桿轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)(二組)

1) 實(shí)驗(yàn)室預(yù)緊力矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3. 200 N·m力矩時，預(yù)緊力平均值54 kN；250 N·m力矩時，預(yù)緊力平均值65 kN；300 N·m力矩時，預(yù)緊力平均值77 kN；350 N·m力矩時，預(yù)緊力平均值95 kN.

表1 d18 mm錨桿力矩轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

圖3 d20 mm錨桿力矩-力轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)圖

2) 井下現(xiàn)場預(yù)緊力矩-預(yù)緊力轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4. 250 N·m力矩時，測力計(jì)監(jiān)測平均值39.5 kN；300 N·m力矩時，測力計(jì)監(jiān)測平均值43.2 kN；350 N·m力矩時，測力計(jì)監(jiān)測平均值46.3 KN.

圖4 d20 mm錨桿力矩-力現(xiàn)場測試結(jié)果圖

對比二組井上下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)力矩控制在250～350 N·m時，實(shí)驗(yàn)室預(yù)緊力為65～95 kN，現(xiàn)場為39.5～46.3 kN，現(xiàn)場預(yù)緊力損失率39%～51.2%，監(jiān)測預(yù)緊力為屈服載荷的37.6%～44%.錨桿力矩轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 d20 mm錨桿力矩轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

2 錨桿測力計(jì)安裝初始值設(shè)計(jì)

井上下力矩-力轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，錨桿測力計(jì)安裝初始值因施加力矩大小變化而變化，即應(yīng)通過設(shè)定固定力矩值方式來控制現(xiàn)場錨桿測力計(jì)安裝初始值大小。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，力矩值每增加50 N·m，監(jiān)測預(yù)緊力值提高5%～9%，預(yù)緊力損失率增加5%～7%，說明在通過提高力矩值增加預(yù)緊力的同時，其相應(yīng)預(yù)緊力損失率呈遞增趨勢，且遞增速度呈上升趨勢；其次，井下力矩-力轉(zhuǎn)換損失率一組平均值48.5%，二組44.7%，實(shí)驗(yàn)室與井下現(xiàn)場損失率平均值46.6%.

為滿足設(shè)計(jì)預(yù)緊力為屈服載荷的30%～60%要求[4]，BHRB335型d18 mm錨桿測力計(jì)安裝初始值不低于25.5 kN，當(dāng)力矩控制在200～300 N·m時，測力計(jì)初始值為28～36 kN；BHRB335型d20 mm錨桿測力計(jì)安裝初始值不低于31.5 kN，當(dāng)力矩控制在250～350 N·m時，測力計(jì)初始值為35～51 kN.

3 錨索預(yù)緊力損失實(shí)驗(yàn)

錨索測力計(jì)安裝初始值為理想狀態(tài)下錨索張拉鎖定后的數(shù)值，與現(xiàn)場張拉力、預(yù)應(yīng)力損失率等有關(guān)，除了受儀器儀表精度誤差、儀器儀表安裝角度、接觸面等因素影響外，還受張拉鎖定過程中彈性回縮、錨索直徑、長度、張拉程度、張拉千斤頂以及錨具等多種因素影響[5]. 因此，在設(shè)計(jì)初始安裝值前，需對預(yù)緊力損失率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定損失率大小。

選取不同型號、長度錨索，進(jìn)行預(yù)緊力損失實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選在不同礦井、不同埋藏深度以及圍巖類型不同的位置，將錨索以日常施工方式錨固在頂板上，然后分別選用不同油泵結(jié)構(gòu)張拉機(jī)具進(jìn)行張拉，張拉鎖定后，分別記錄施加的張拉力值和預(yù)裝的測力計(jì)監(jiān)測值。

3.1 d18.9 mm錨索現(xiàn)場張拉實(shí)驗(yàn)(一組)

選取1×7結(jié)構(gòu)d18.9 mm(抗拉強(qiáng)度1 860 MPa)錨索，在張拉力、錨索長度、張拉機(jī)具類型等不同條件下進(jìn)行現(xiàn)場張拉實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3.

表3 不同條件下d18.9 mm錨索現(xiàn)場張拉實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

由表3分析可知，1×7結(jié)構(gòu)d18.9 mm(抗拉強(qiáng)度1 860 MPa)錨索預(yù)緊力平均損失率為29.3%；單缸油泵結(jié)構(gòu)預(yù)緊力損失率27.3%，雙缸油泵結(jié)構(gòu)預(yù)緊力損失率38.3%；5 m以下錨索預(yù)緊力損失率34.8%，6 m左右錨索預(yù)緊力損失率28.5%，8 m左右錨索預(yù)緊力損失率25%；現(xiàn)場張拉力180～190 kN時，損失率32%，張拉力200 kN時，損失率28.6%，張拉力220 kN時，損失率23.9%.

3.2 d21.6 mm錨索現(xiàn)場張拉實(shí)驗(yàn)(二組)

選取1×7結(jié)構(gòu)d21.6 mm(抗拉強(qiáng)度1 860 MPa)錨索，在張拉力、錨索長度等不同條件下進(jìn)行現(xiàn)場張拉實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表4.

表4 不同條件下d21.6 mm錨索現(xiàn)場張拉實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

由表4分析可知，1×7結(jié)構(gòu)d21.6 mm(抗拉強(qiáng)度1 860 MPa)錨索預(yù)緊力平均損失率為29.2%；7 m左右錨索預(yù)緊力損失率31%，8 m左右錨索預(yù)緊力損失率26.7%；現(xiàn)場張拉力200～210 kN時，損失率30.1%，張拉力220～230 kN時，損失率26.7%.

3.3 1 720～1 770 MPa錨索現(xiàn)場張拉實(shí)驗(yàn)(三組)

選取1×7結(jié)構(gòu)d17.8 mm(抗拉強(qiáng)度1 720 MPa)、21.6 mm(抗拉強(qiáng)度1 770 MPa)錨索，進(jìn)行現(xiàn)場張拉實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表5.

表5 抗拉強(qiáng)度1 720～1 770 MPa錨索現(xiàn)場張拉實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

由表5分析可知，1×7結(jié)構(gòu)(抗拉強(qiáng)度1 720～1 770 MPa)錨索預(yù)緊力平均損失率為30.5%；單缸油泵結(jié)構(gòu)預(yù)緊力損失率28.1%，雙缸油泵結(jié)構(gòu)預(yù)緊力損失率32.8%；4.5 m錨索預(yù)緊力損失率32.8%，8.5 m錨索預(yù)緊力損失率28.1%；現(xiàn)場張拉力160 kN時，損失率32.8%，張拉力240 kN時，損失率28.1%.

3.4 3組數(shù)據(jù)綜合分析

3組27個實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，預(yù)緊力平均損失率為29.7%；雙缸油泵張拉機(jī)具的預(yù)緊力損失率大于單缸油泵張拉機(jī)具預(yù)緊力損失率；張拉力逐步增加，預(yù)緊力損失呈遞減趨勢；錨索長度逐步增加，預(yù)緊力損失呈遞減趨勢。張拉力-損失率、錨索長度-損失率曲線分別見圖5，圖6.

圖5 張拉力-損失率曲線圖

圖6 錨索長度-損失率曲線圖

4 錨索測力計(jì)安裝初始值設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場條件和施工機(jī)具現(xiàn)狀，3組27個實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，預(yù)緊力平均損失率為29.7%，即測力計(jì)安裝初始值一般為現(xiàn)場張拉力的70%.

根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，煤礦一般將錨索的預(yù)緊力設(shè)計(jì)為錨索破斷載荷的30%～50%[6].以表3，4，5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，考慮損失率不變，反算監(jiān)測值/破斷力平均值，若想達(dá)到30%最低要求時，第1組張拉力/破斷力平均值應(yīng)大于42.8%，第2組張拉力/破斷力平均值應(yīng)大于42.9%，第3組張拉力/破斷力平均值應(yīng)大于43.2%，3組綜合平均值為42.97%.

為保證預(yù)緊力設(shè)計(jì)符合要求，現(xiàn)場張拉時應(yīng)按不小于43%破斷載荷值進(jìn)行張拉，測力計(jì)初裝值一般為現(xiàn)場張拉預(yù)緊力的70%. 如1×7結(jié)構(gòu)d18.9 mm(抗拉強(qiáng)度1 860 MPa)錨索現(xiàn)場張拉力為176 kN時，測力計(jì)監(jiān)測值123 kN，監(jiān)測值為破斷載荷409 kN的30%，現(xiàn)場張拉力為破斷載荷的43%.

5 結(jié) 論

通過理論分析，實(shí)驗(yàn)室與井下現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出錨桿錨索測力計(jì)安裝初始值設(shè)計(jì)方案。以設(shè)定固定力矩值方式控制錨桿測力計(jì)安裝初始范圍值或平均值。如：BHRB335型d18 mm錨桿測力計(jì)安裝初始值不低于25.5 kN，當(dāng)力矩控制在200～300 N·m時，測力計(jì)初始值為28～36 kN；BHRB335型d20 mm錨桿測力計(jì)安裝初始值不低于31.5 kN，當(dāng)力矩控制在250～350 N·m時，測力計(jì)初始值為35～51 kN.

在考慮錨索張拉預(yù)緊力損失前提下，測力計(jì)初裝值一般為現(xiàn)場張拉力的70%；同時為確保監(jiān)測預(yù)緊力值大于破斷載荷的30%，井下現(xiàn)場張拉力應(yīng)大于錨索破斷載荷的43%.