錨桿臨界預緊力矩與初始托錨力的轉換機制研究

摘 要：錨桿支護在煤礦巷道中尤為重要，尤其是針對錨桿的臨界預緊力矩與初始托錨力的轉換機制研究更是重中之重。本文主要從在安裝錨桿時，由于錨桿的脫錨力完全失效等原因，最終導致它的錨固徹底失效或呈現一種低效的工程背景下入手。通過理論分析，以及在實驗臺對各種規格的錨桿進行實測研究，最終研究得出了不同規格的錨桿預緊力矩與托錨力作用關系，為錨桿支護參數設計提供了很好的理論依據。

關鍵詞：錨桿支護;臨界預緊力矩;初始托錨力

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

1 引言

在利用錨桿對圍巖巷道進行支護的過程當中，發揮作用的不僅僅是錨桿，在這一承載結構當中，錨桿、錨網、鋼帶以及托盤等構件同樣起著無法估量的效果。這各個構件同時發揮作用，能夠極大地提高錨桿的支護效果，錨桿在支護時，能夠對圍巖的表面施加一種徑向支護力，這種支護力的存在能夠更好的使圍巖實現由平面應力狀態到三向應力狀態的轉化，在這種轉化下，能夠減小巷道在受到應力擾動或者采動時的變形，進而加大圍巖的承載強度。至于托錨力，指的就是為了使圍巖保持穩定，這種來自于護表構件的力，比如說托盤等。換言之，預緊力與托錨力相一致，通過扭矩螺母，可以進一步提高預緊力。預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的時候發生的圍巖變形。

2 托錨力完全損失造成的支護失效

在研究錨桿的時候，毋庸置疑會研究它的托錨力，而錨桿在支護的過程當中，其托錨力發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，每一種托錨力針對的錨桿支護階段有所差異。通過大量的調查并且研究發現，在大范圍的錨桿支護工程當中，其錨固系統會逐漸的產生一種效能損失，根據時間的不同，這種托錨力發生會慢慢損耗、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，由于錨桿的脫錨力完全失效等原因，最終導致它的錨固徹底失效或呈現一種低效的現象。

當錨桿的托錨力一直下降，直至將為零，就意味著錨桿已經完全失效，已經喪失了其對圍巖的支護效果。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劑發生接觸的地方產生了破壞，或者在使用粘結劑的時候，這種粘結體和煤巖體直接接觸的地方發生了破壞，這兩者是最容易導致錨桿發生失效的地方，因為當接觸面完全發生破壞的時候，其孔內部就只有粘結體與孔壁的摩擦力，這種摩擦力的存在會導致巷道發生大尺度變形，無法用錨桿對圍巖進行支護;

第二種情況是錨桿在支護的過程中，其圍巖中的各個巖層之間發生水平錯動，由于桿體受力過大，導致其錨桿的桿體拉斷。在這種情況下，它的錨固體系失穩，錨桿失效，導致其托錨力瞬間下降為零，在錨桿桿體發生拉斷的時候，會明顯發現，其破斷的地方經常出現在桿體尾部絲扣段的地方，在其尾部受力很集中，是整個桿體最為薄弱的環節;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大應力，會極容易導致這種桿體發生剪斷，進而失效;

第三種情況是處于淺部的圍巖，在最開始支護的時候還很完整，護表構件沒有任何的影響，然而當處于局部的圍巖發生破壞的時候，影響了其巷道淺部的圍巖，導致其煤巖體表面發生變形，膨脹，進而使圍巖出現了大范圍的松動，呈現出了一種網兜的現象，這樣以來導致錨桿的桿體和錨固段雖然很完整，但是其預應力卻沒能夠得到很大程度的擴散，最終出現了錨空現象，這種現象也是很容易讓托錨力直接損耗為零，當然這種現象在煤礦當中是很常見的，為此在護表的時候要最大程度的將護表構件與巖面進行接觸。

3 預緊力矩與托錨力的轉換機制的實測研究

錨桿在巷道支護過程當中尤為重要，然而其錨桿的托錨力更是支護當中不可或缺的一個重要因素。無論是錨桿的托錨力還是錨桿的預緊力，要想增加托錨力，需要依靠錨桿鉆機、液壓法張緊螺母或風動扳手擰緊螺母的方式才能實現，這三種方式在煤礦當中都是很常見的，在對錨桿進行支護的時候，給錨桿施加的預緊力越大，它的初始托錨力就會越大，圍巖的承載能力就越好，對圍巖的約束性就越強。國家規定對錨桿的初始預緊力矩為150N·m。但是在實際當中應用的時候，這種“高預緊力”卻沒有很明確的范圍，也缺乏理論的指導，在現場對錨桿施加預應力的時候是通過斷續式加載的方式完成的。

張農等認為在支護初期對錨桿施加預應力的時候，其錨固范圍內的圍巖會處于彈塑性變形階段，在這一理論基礎上，推導出了有關預緊力P與力矩T（φ）之間的表達式，如下：

本文為了能夠很好預應力錨固系統錨固作用，為錨桿錨固作用機理及錨固失效提供理論指導，特通過預應力錨固系統錨固作用綜合實驗臺來對此進行深究。在此模擬的是3根等長2 800mm、不同直徑的錨桿，直徑分別為Φ22、Φ20和Φ18mm，在測試的過程當中，主要測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緊力矩與托錨力的作用關系，每一根錨桿都多多進行測試，如圖1所示。得到以下規律：

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

（2）其錨桿的平均預緊力矩在大于125N·m后趨于穩定，在平均預緊力矩大于250N·m后，它的平均扭矩系數可以達到0.18，這時對應的平均托錨力為68.3kN;由于錨桿的預緊力矩越大，導致它的托錨力就會越高，在不同直徑等長的錨桿當中，Φ20mm的錨桿最為明顯。

4 結論

通過對等長2800mm，不同直徑（Φ22、Φ20和Φ18mm）的錨桿進行測試研究，分析得知：

（1）當錨桿的預緊力矩低于200N·m的時候，其預緊力矩與托錨力之間沒有構成非常明顯的線性關系，一者增加不會引發另一者增加，導致這種現象的原因是受到了托盤與墊圈等構件的影響，比如說螺紋的加工質量、材料等;

（2）當錨桿的預緊力矩大于200N·m的時候，其預緊力矩與托錨力之間存在構成非常明顯的線性關系;

（3）在對諸多組錨桿進行測試時，會發現四分之一的錨桿其力矩與托錨力始終呈現的都是一種線性關系，但是其扭矩轉化系數要想穩定在某一常數的話，需要將其加扭加至200N·m，所有錨桿都是如此。在試驗當中，對錨桿施加的預緊力矩為200N·m，對應托錨力為43.0kN，此時的平均扭矩系數為0.20，這也是臨界預緊力矩，一旦施加的預緊力過于大，或者超過了臨界預緊力，它的扭矩系數會有0.20增大至0.23，但是轉化效率卻大打折扣，它們之間的關系符合Fl=0.18T+6.84，即給錨桿施加的扭矩每增加100N·m，它的托錨力就會加大18kN。

參考文獻：

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作者簡介：紀關偉（1974-），男，山東泰安人，本科，中級工程師，總經理，從事采礦工程、安全管理。