錨桿支護合理預緊力的確定及優化

同曉軍

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

我國大多數煤礦為井工開采[12]，開拓方式主要以巷道掘進為主，有超過70%的巷道都是靠錨桿支護的[35]。隨著煤炭開采逐漸進入智能化、高速化開采階段，煤層擾動影響隨之增加，煤層巷道掘進、支護難度也隨之增加[68]。多數礦井通過改進錨桿(索)的強度、增加錨桿數量等方法來應對支護問題，但由于預緊力低、錨桿配套不合理等因素，造成支護失效，影響巷道掘進速度。分析煤礦五大災害事故發生起數以及死亡率占比統計發現，頂板事故次數在逐年增加[912]。因此，回采工作面兩側巷道掘進時必須加強支護，保證巷道圍巖的穩定性，這樣才能實現煤礦安全生產的目標，才能達到建設高產高效回采工作面的要求[1315]。

為此，尋求工程實踐中錨桿預緊扭矩與軸向預緊力的對應關系，通過確定錨桿支護所需的預緊力來保障巷道錨桿支護設計和施工的科學性，以期為錨桿支護技術的發展提供指導。

1 錨桿預緊力作用的理論分析

以層狀頂板為例，分析錨桿預緊力的作用。巷道開掘以后，前期頂板受掘進工作面支撐，下沉和離層都很小。此時安裝錨桿，預緊力大，錨固范圍內巖層的整體剛度高，巖層處于壓縮狀態，巖層間不發生離層和彎曲變形等有害變形，巖層的完整性和整體強度得到保持。錨桿為巖層之間提供的約束離層的抗力為

(1)

錨桿為巖層之間增加的抗剪力為

(2)

式中，P0為錨桿預緊力，kN；d為錨桿直徑，m；τ為錨桿抗剪強度，MPa；n為每排錨桿數；ar為錨桿排距，m；f為巖層間的摩擦系數；B為巷道寬度，m。

可以看出，錨桿越粗，錨桿的強度越高，錨桿的預應力越大，錨桿支護的巖層抗分層能力越強。預緊力計算公式為

(3)

式中，f1為螺母與螺紋的摩擦系數；f2為螺母與螺紋的摩擦系數；d2為螺紋中徑，mm；d0為墊片直徑,mm；D1為螺母端部外接圓直徑,mm；s為螺紋導程,mm；n為螺紋頭數，頭；t為螺距，mm；M為預緊扭矩,N·m；T為錨桿預緊力,kN。轉換系數k為

(4)

則錨桿預緊力與螺母預緊力矩之間的關系可表示為

T=k·M

(5)

由式(5)可知，錨桿預緊力與螺母預緊力矩成正比，同時取決于系數k，k值越大，相同的預緊扭矩對應的錨桿預緊力越大，支護效果越好。本文通過研究錨桿預緊力與螺母預緊力矩之間的準確關系來對現場實際進行指導。

2 預緊力試驗

2.1 試驗設備

對于樹脂錨固劑錨固的金屬錨桿，錨桿的一端用錨固劑錨固后，另一端必須用螺母擰緊，并施加一定的預緊扭矩。這樣才能使錨桿與巷道圍巖形成相互作用的支護體系。要較為準確地控制錨桿預緊力大小，為尋求錨桿預緊扭矩與錨桿預緊力間轉化關系，采用專用的M-T試驗臺，主要由測力系統、扭矩扳手及試驗支撐臺3部分組成，結構如圖1所示。

1-扭矩扳手；2-套筒；3-錨桿螺母；4-減摩墊片；5-球墊；6-錨桿；7-實驗支撐臺；8-電阻應變儀；9-測力傳感器；10-傳力板圖1 扭矩試驗裝置結構示意Fig.1 Schematic diagram of the structure of the torque test device

2.2 試驗方案及數據處理

試驗選取錨桿編號為M18、M20、M22、M24、M27，對比了減摩墊片和無減摩墊片情況下不同扭矩條件轉化軸向預緊力情況，試驗結果見表1。

表1 扭矩與軸向預緊力轉化對應關系

根據試驗結果，錨桿預緊扭矩與軸向預緊力轉化關系曲線如圖2～6所示。可以看出，錨桿預緊力矩與軸向預緊力成線性比例，錨桿預緊力隨錨桿預緊力矩的增加而增加。換算系數k反映了錨桿預緊力矩和預緊力之間的對應關系，k值越大，減摩效果越好，相同預緊力矩對應的錨桿預緊力越大。在相同的預緊力矩下，減摩墊可以明顯增加錨桿的預緊力，預緊力矩越大，減摩墊的效果越明顯。

圖2 M18螺栓試驗結果Fig.2 Test results of M18 bolts

圖3 M20螺栓試驗結果Fig.3 Test results of M20 bolts

圖4 M22螺栓試驗結果Fig.4 Test results of M22 bolts

圖5 M24螺栓試驗結果Fig.5 Test results of M24 bolts

圖6 M27螺栓試驗結果Fig.6 Test results of M27 bolts

3 工程試驗

3.1 井下試驗數據分析

錨桿預緊扭矩與預緊力轉化井下試驗地點為黃陵二號煤礦二盤區211回風巷與420膠帶巷，211回風巷為2號煤層2盤區回采巷道。巷道圍巖地質力學參數測試結果表明，2號煤層平均強度為10.67 MPa，煤質中硬偏軟。211工作面掘進巷道斷面為矩形4.6 m×3.8 m(寬×高)。試驗所用錨桿規格為MSGLW-400/22 mm×2 800 mm，測試相關參數為錨桿長度2.8 m，螺紋規格為M24，錨固劑長度分別為600 mm、700 mm與950 mm，錨桿孔鉆頭直徑為28 mm；托板為高強度拱形托板，配調心球墊；螺母與球形墊圈之間部分加1010尼龍減摩墊片。

主要通過在托板下面安裝錨桿測力計的方法來測定錨桿預緊力。采用力矩扳手對錨桿螺母施加預緊扭矩，由于211回風巷所用扳手最大量程為300 N·m，因此211回風巷現場實測為300 N·m以內的錨桿預緊力，420膠帶巷現場實測為500 N·m以內的錨桿預緊力。測試數據經計算對應轉化系數k值見表2與表3，根據測試結果繪制預緊扭矩與預緊力轉化關系曲線如圖7與圖8所示。

表2 211回風巷錨桿預緊力矩轉化結果統計

表3 420膠帶巷錨桿預緊力矩轉化結果統計

圖7 211回風巷井下實測結果Fig.7 Underground measurement results of 211 return air roadway

圖8 420膠帶巷井下實測結果Fig.8 Underground measurement results of 420 belt roadway

3.2 錨桿合理預緊力的優化

為了使得研究更加具有論證性，對比試驗數據和實測數據，見表4。井下實測數據取指定扭矩下測試預緊力平均值，實驗室數據為加減摩墊片數據。

表4 實驗室與井下實測錨桿預緊力對比

從工程試驗和實驗室試驗的結果對比來看，實驗室試驗和工程試驗數據都表明，錨桿預應力矩與錨桿預應力呈基本線性關系，錨桿預應力隨預應力矩的增大而增大。當預應力矩為500 N·m時，實驗室測得的預應力與鉆孔測得的預應力之差為53.57 kN，這說明錨固力矩越大，預應力之差越大。兩者之間存在差異的主要原因是實驗室的試驗條件與鉆孔中的工程測試完全不同，實驗室使用的錨桿螺紋是標準螺栓，加工精度高，表面光滑，螺母與螺紋之間的摩擦力小，所以k值大，預應力大；而井下使用的錨桿是線材軋制加工，加工精度低，螺母與螺紋之間的摩擦力大，所以k值小，預應力小。煤礦巷道支護錨桿用于提高錨桿預緊力的方法主要為增加螺母的預緊力矩M和增加減摩墊片。在煤礦井下施工時可以采用專門的高扭矩設備，對于該礦，建議采用氣動扳機或扭矩倍增器施加高預緊扭矩，且扭矩建議大于400 N·m，以滿足支護及相關規范要求。其次，上述試驗表明，在螺母與托板之間加減摩墊片，可減少摩擦阻力，增大轉換系數k值來增加錨桿預緊力，井下使用時應選擇合適的減摩墊片，可以顯著提高錨桿預緊力，實現高效減摩。

4 結論

(1)巷道支護錨桿預緊力與螺母預緊力矩成正比，且取決于系數k，k值越大，減摩效果越好，相同的預緊扭矩對應的錨桿預緊力越大，支護效果越好。

(2)在相同的預緊扭矩下，減摩墊片可使錨桿預緊力顯著提高，且預緊扭矩越大，減摩墊片的作用越明顯，錨桿預緊力也更大。

(3)工程試驗表明礦用的錨桿預緊力轉化系數為0.08～0.18，轉化率較低，建議設計預緊扭矩為400 N·m，轉化后預緊力為32～72 kN，則預緊力效果較好，支護強度大。