新型端部錨固可回收錨桿力學(xué)性能試驗(yàn)與應(yīng)用

崔鵬毅

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 五陽煤礦，山西 長治 046200）

1 概 況

錨桿支護(hù)是當(dāng)前巷道支護(hù)手段中施工最方便、工人勞動(dòng)強(qiáng)度最低且支護(hù)效果最好的支護(hù)形式，它對圍巖的作用主要是懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用以及后來發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用的強(qiáng)度強(qiáng)化作用等。錨桿打設(shè)到圍巖中，可將圍巖體的受力狀態(tài)從二向受力變?yōu)槿蚴芰?，有效提高了圍巖的自承能力，增加了圍巖體本身的穩(wěn)定程度，從而可以保證巷道圍巖的長期穩(wěn)定。

錨桿桿體作為一次性消耗用品，一旦錨固到煤巖體后，一般均無法取出再次使用，即使巷道服務(wù)年限已滿，錨桿桿體也均留在煤（巖）體內(nèi)。但是，對于工作面煤壁側(cè)的錨桿，一般隨著工作面推進(jìn)、煤炭的采出而將錨桿從煤體中清理出來，清理出來的錨桿由于生銹、錨固劑的粘結(jié)影響等因素，一般也無法再次復(fù)用。

隨著煤礦精益管理的推進(jìn)，為進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，諸多專家學(xué)者和煤炭企業(yè)對可回收錨桿進(jìn)行了研發(fā)。一般來說，可回收錨桿類型可總結(jié)為3 類，分別是機(jī)械式回收、力學(xué)式回收和化學(xué)回收。

與其他國家相比，我國可回收錨桿技術(shù)的研究與應(yīng)用起步較晚，但由于我國煤炭企業(yè)較多，對可回收錨桿的需求更大，因此，我國的可回收錨桿發(fā)展較其它國家快很多。國內(nèi)許多專家學(xué)者也從錨桿的制作工藝、回收工藝、桿體材料等方面對可回收錨桿技術(shù)進(jìn)行了深度探討，但大都停留在理論分析和試驗(yàn)室試驗(yàn)的層面上，現(xiàn)場應(yīng)用案例較少。該項(xiàng)目研發(fā)的新型可回收錨桿，除能保證可回收錨桿的錨固能力、防腐能力、適用范圍等適應(yīng)絕大部分的地質(zhì)條件外，還能保證現(xiàn)場回收工藝簡單，對錨桿桿體本身的破壞小。

2 錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 可回收錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的新型端錨可回收錨桿為錨固段和可回收桿體段兩部分，在兩部分之間加裝連接套，連接套與可回收桿體段螺紋連接，與錨固段螺紋焊接。整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為可回收桿體、錨固套及錨固段桿體、托盤、固定螺母、球墊等，如圖1 所示。

圖1 新型端錨可回收錨桿的結(jié)構(gòu)組成示意Fig.1 Structural composition of a newtype of endanchored recoverable anchor bolt

2.2 可回收錨桿的加工

可回收錨桿的長度根據(jù)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)采用的錨桿長度而定。通常情況下錨固段長度800 mm，可回收段桿體的長度為1 500 mm，連接套長100 mm，錨固段和可回收段桿體的直徑為22 mm，連接套直徑為30～32 mm，連接套與錨固段螺紋連接并焊接，與可回收桿體段螺紋連接，如圖2 和圖3所示。

圖2 可回收錨桿整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of recoverable anchor bolt

圖3 可回收錨桿連接部分結(jié)構(gòu)Fig.3 Connection structure of recoverable anchor bolt

安裝時(shí)可提前將錨固段和非錨固段連接在一起，也可以利用錨桿鉆機(jī)的扭矩在安裝錨桿時(shí)再把兩段連接在一起?？苫厥斟^桿的連接螺栓是經(jīng)過特殊熱處理，強(qiáng)度達(dá)到桿體的屈服強(qiáng)度，做到錨固段、連接套和可回收段的強(qiáng)度相匹配，保持和發(fā)揮螺紋鋼錨桿桿體的強(qiáng)度及延伸性能與整根錨桿的力學(xué)性能相當(dāng)。

3 錨桿拉伸破壞試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

可回收錨桿能否成功的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是要求連接件的強(qiáng)度同被連接件的強(qiáng)度相當(dāng)，但是其直徑不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致錨桿錨固孔徑增大，錨固長度變短，影響錨桿錨固力。根據(jù)水桶效應(yīng)，當(dāng)一個(gè)連接段中包含多個(gè)危險(xiǎn)截面時(shí)，其中最薄弱的部分抗拉強(qiáng)度就決定了整個(gè)系統(tǒng)的抗拉強(qiáng)度?？苫厥斟^桿的整體強(qiáng)度可能是由可回收錨桿的連接部分強(qiáng)度決定，而連接部分主要包括連接套管的強(qiáng)度和車絲的錨桿桿體的強(qiáng)度以及它們之間的連接強(qiáng)度。只有連接部件的抗拉強(qiáng)度大于或等于螺紋鋼錨桿桿體的強(qiáng)度，可回收錨桿的工作性能才能達(dá)到或者接近于正常的螺紋鋼錨桿的工作性能。因此，有必要對可回收錨桿的連接件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度的力學(xué)分析。此次設(shè)計(jì)采用的連接套管的材質(zhì)為25MnSi，并經(jīng)過特殊熱處理，連接套管試件的力學(xué)模型如圖4 所示。

圖4 連接件參數(shù)Fig.4 Connector parameters

3.2 試件加工

為獲得項(xiàng)目提出的可回收錨桿的抗拉強(qiáng)度，對制作的4 根可回收錨桿和2 根螺紋鋼錨桿分別截取400 mm 長度，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了極限拉拔試驗(yàn)。試驗(yàn)中選取常用的3 根φ22 mm 的可回收錨桿（編號(hào)為試件A、試件B、試件C），截取長度為400 mm，帶連接套的錨固段200 mm 和自由段桿體200 mm。為了對比分析連接套的強(qiáng)度與可回收錨桿桿體的強(qiáng)度，又選取2 根φ22 mm 的自由段錨桿桿體（編號(hào)為試件D 和試件E）。由于錨固段與可回收段桿體通過連接套的螺紋連接，實(shí)驗(yàn)前預(yù)估連接套的強(qiáng)度可能低于可回收錨桿桿體（直徑22 mm）的強(qiáng)度，但如果連接套的強(qiáng)度能夠達(dá)到直徑為φ20 mm 桿體的強(qiáng)度，也可以認(rèn)為連接套能夠滿足支護(hù)的強(qiáng)度要求，因此再選取1 根φ22 mm 的自由段錨桿桿體（編號(hào)為試件F），通過車床加工其兩端桿體，使之直徑為20 mm，長度各100 mm。試驗(yàn)中使用的試件如圖5 所示。

圖5 試件編號(hào)Fig.5 Specimen number

3.3 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用河南理工大學(xué)土木工程實(shí)驗(yàn)室采購的WAW-300 型300 kN 電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)配套了對應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、連續(xù)式標(biāo)點(diǎn)機(jī)、游標(biāo)卡尺和切割機(jī)等配套試驗(yàn)設(shè)備。

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

利用電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行可回收錨桿連接處的拉拔試驗(yàn)，得出試件的最大應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度、上屈服強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度、上屈服力、下屈服力等，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

由表1 可以看出，不帶連接件的φ22 mm 錨桿，最大拉力為273.1～277.4 kN，屈服力為205.7～208.9 kN，抗拉強(qiáng)度為718.4～729.7 MPa；當(dāng)夾持φ22 mm 錨桿的端部細(xì)段（φ20 mm）時(shí)，其最大力為195.39 kN，屈服力為138.26 kN，抗拉強(qiáng)度為514.05 MPa，其破斷位置在錨桿的端部細(xì)段（φ20 mm），說明連接套的強(qiáng)度接近于φ20 mm 錨桿桿體鋼筋強(qiáng)度。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)拉斷的可回收錨桿連接件試件A～C 的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，整理其屈服力、拉斷破壞力和破壞位置，見表2?？梢?，可回收錨桿連接件可以抵抗的破壞力平均值為194.0 kN，在拉力平均達(dá)到190.0 kN 時(shí)會(huì)進(jìn)入屈服階段，破斷位置均在連接套內(nèi)螺紋較薄位置。

表2 錨桿連接件拉至破壞統(tǒng)計(jì)Table 2 Bolt connector pull-to-failure statistics

由表2 可看出，可回收錨桿的最大抗拉破壞強(qiáng)度平均約194.0 kN，低于正常的螺紋鋼錨桿錨桿桿體的抗拉強(qiáng)度，即275.25 kN。由此可見，連接件的強(qiáng)度仍然達(dá)不到桿體本身的破斷荷載，對整個(gè)可回收錨桿的強(qiáng)度產(chǎn)生了制約，因此，欲提高可回收錨桿整體抗拉強(qiáng)度，需在連接件的結(jié)構(gòu)、材料或改善加工工藝上下功夫，以期進(jìn)一步提高連接部分的抗拉強(qiáng)度，減弱“木桶”效應(yīng)的影響等。根據(jù)夾持φ22 mm 錨桿的端部細(xì)段（φ20 mm）的拉斷破壞試驗(yàn)結(jié)果，可回收錨桿的最大抵抗拉力破壞能力略高于φ20 mm 錨桿桿體鋼筋的抵抗破壞能力138.26 kN。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

選擇五陽煤礦7509 回風(fēng)巷掘進(jìn)巷道為試驗(yàn)地點(diǎn)。7509 回風(fēng)巷（包括7509 回風(fēng)巷出煤巷、7509回風(fēng)巷車場、7509 回風(fēng)巷回風(fēng)通道、7509 回風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)巷，7509 回風(fēng)巷外段和7509 回風(fēng)巷里段）位于+600 水平75 采區(qū)。試驗(yàn)巷道選擇為7509 回風(fēng)巷里段。509 綜采工作面回風(fēng)巷里段為矩形斷面，巷道寬5.0 m，高3.5 m，原支護(hù)方案設(shè)計(jì)采用樹脂加長錨固強(qiáng)力錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)。

可回收錨桿安裝在巷道內(nèi)靠近工作面?zhèn)认飵?，第一周每天記? 次數(shù)據(jù)，后續(xù)每周記錄1 次。7509 回風(fēng)巷試驗(yàn)段共布置200 根可回收錨桿，按照5%的抽檢比，共進(jìn)行了10 組拉拔試驗(yàn)，平均拉拔力為140.2 kN。

根據(jù)7509 回風(fēng)巷里段3 號(hào)測站對幫錨桿的受力監(jiān)測記錄（圖6）數(shù)據(jù)分析，錨桿受力穩(wěn)定在107.8 kN（14 MPa），小于可回收錨桿拉拔力檢測平均值140.2 kN，同時(shí)小于實(shí)驗(yàn)室測得的最大抵抗拉力破壞能力194.0 kN，證明可回收錨桿的錨固力能夠滿足回采巷道支護(hù)的要求。

圖6 7509 回風(fēng)巷里段幫錨桿受力監(jiān)測記錄Fig.6 Monitoring record of bolt stress in the inner section of 7509 return airway

當(dāng)幫部錨桿施工完畢后，通過定扭矩扳手和反力臂施加錨桿預(yù)緊力矩（檔位為1，設(shè)定值為300 N·m），然后，用扭力扳手實(shí)測試驗(yàn)錨桿的預(yù)緊力矩值，共測定5 組數(shù)據(jù)，記錄結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)錨桿的預(yù)緊力矩Table 3 Pre-tightening torque of test bolt

經(jīng)過計(jì)算，通過定扭矩扳手施加錨桿預(yù)緊力矩的實(shí)測平均值為297 N·m，與設(shè)定值之間的誤差小于5%，說明定扭矩扳手達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠解決現(xiàn)場錨桿預(yù)緊力矩“超擰緊”或“欠擰緊”的問題，使得錨桿預(yù)緊力矩在合理范圍內(nèi)，提高錨桿錨固質(zhì)量。

5 結(jié) 語

研制的新型可回收樹脂金屬錨桿的連接套保證了螺紋聯(lián)接段具有足夠的承載力，并且具有拆卸和安裝簡單方便、連接緊固可靠、能量傳遞效率高等特點(diǎn)。工業(yè)性試驗(yàn)研究結(jié)果表明，項(xiàng)目提出的可回收錨桿錨固力性能穩(wěn)定，承載性能可靠，可回收2/3 以上的桿體，滿足巷道圍巖控制的要求，具有較好的推廣價(jià)值。