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(zhuǎn)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(xiàn)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(guī)格的錨桿進行實測研究，最終研究得出了不同規(guī)格的錨桿預緊力矩與托錨力作用關(guān)系，為錨桿支護參數(shù)設(shè)計提供了很好的理論依據(jù)。

關(guān)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(fā)揮作用的不僅僅是錨桿，在這一承載結(jié)構(gòu)當中，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。這各個構(gòu)件同時發(fā)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?qū)鷰r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(xiàn)由平面應力狀態(tài)到三向應力狀態(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(wěn)定，這種來自于護表構(gòu)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(fā)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(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，每一種托錨力針對的錨桿支護階段有所差異。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工程當中，其錨固系統(tǒng)會逐漸的產(chǎn)生一種效能損失，根據(jù)時間的不同，這種托錨力發(fā)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(xiàn)一種低效的現(xiàn)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(jīng)完全失效，已經(jīng)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(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，這兩者是最容易導致錨桿發(fā)生失效的地方，因為當接觸面完全發(fā)生破壞的時候，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導致巷道發(fā)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(fā)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(wěn)，錨桿失效，導致其托錨力瞬間下降為零，在錨桿桿體發(fā)生拉斷的時候，會明顯發(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大應力，會極容易導致這種桿體發(fā)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(gòu)件沒有任何的影響，然而當處于局部的圍巖發(fā)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(fā)生變形，膨脹，進而使圍巖出現(xiàn)了大范圍的松動，呈現(xiàn)出了一種網(wǎng)兜的現(xiàn)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(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，當然這種現(xiàn)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(gòu)件與巖面進行接觸。

3 預緊力矩與托錨力的轉(zhuǎn)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(xiàn)，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(guī)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(xiàn)場對錨桿施加預應力的時候是通過斷續(xù)式加載的方式完成的。

張農(nóng)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(nèi)的圍巖會處于彈塑性變形階段，在這一理論基礎(chǔ)上，推導出了有關(guān)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(tǒng)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(tǒng)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(guān)系，每一根錨桿都多多進行測試，如圖1所示。得到以下規(guī)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(guān)的關(guān)系;

（2）其錨桿的平均預緊力矩在大于125N·m后趨于穩(wěn)定，在平均預緊力矩大于250N·m后，它的平均扭矩系數(shù)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(jié)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(gòu)成非常明顯的線性關(guān)系，一者增加不會引發(fā)另一者增加，導致這種現(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(gòu)成非常明顯的線性關(guān)系;

（3）在對諸多組錨桿進行測試時，會發(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(shù)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(shù)會有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，它的托錨力就會加大18kN。

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