同曉軍

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

我國(guó)大多數(shù)煤礦為井工開采[12]，開拓方式主要以巷道掘進(jìn)為主，有超過70%的巷道都是靠錨桿支護(hù)的[35]。隨著煤炭開采逐漸進(jìn)入智能化、高速化開采階段，煤層擾動(dòng)影響隨之增加，煤層巷道掘進(jìn)、支護(hù)難度也隨之增加[68]。多數(shù)礦井通過改進(jìn)錨桿(索)的強(qiáng)度、增加錨桿數(shù)量等方法來應(yīng)對(duì)支護(hù)問題，但由于預(yù)緊力低、錨桿配套不合理等因素，造成支護(hù)失效，影響巷道掘進(jìn)速度。分析煤礦五大災(zāi)害事故發(fā)生起數(shù)以及死亡率占比統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，頂板事故次數(shù)在逐年增加[912]。因此，回采工作面兩側(cè)巷道掘進(jìn)時(shí)必須加強(qiáng)支護(hù)，保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，這樣才能實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的目標(biāo)，才能達(dá)到建設(shè)高產(chǎn)高效回采工作面的要求[1315]。

為此，尋求工程實(shí)踐中錨桿預(yù)緊扭矩與軸向預(yù)緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過確定錨桿支護(hù)所需的預(yù)緊力來保障巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)和施工的科學(xué)性，以期為錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 錨桿預(yù)緊力作用的理論分析

以層狀頂板為例，分析錨桿預(yù)緊力的作用。巷道開掘以后，前期頂板受掘進(jìn)工作面支撐，下沉和離層都很小。此時(shí)安裝錨桿，預(yù)緊力大，錨固范圍內(nèi)巖層的整體剛度高，巖層處于壓縮狀態(tài)，巖層間不發(fā)生離層和彎曲變形等有害變形，巖層的完整性和整體強(qiáng)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(yù)緊力，kN；d為錨桿直徑，m；τ為錨桿抗剪強(qiáng)度，MPa；n為每排錨桿數(shù)；ar為錨桿排距，m；f為巖層間的摩擦系數(shù)；B為巷道寬度，m。

可以看出，錨桿越粗，錨桿的強(qiáng)度越高，錨桿的預(yù)應(yīng)力越大，錨桿支護(hù)的巖層抗分層能力越強(qiáng)。預(yù)緊力計(jì)算公式為

(3)

式中，f1為螺母與螺紋的摩擦系數(shù)；f2為螺母與螺紋的摩擦系數(shù)；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(dǎo)程,mm；n為螺紋頭數(shù)，頭；t為螺距，mm；M為預(yù)緊扭矩,N·m；T為錨桿預(yù)緊力,kN。轉(zhuǎn)換系數(shù)k為

(4)

則錨桿預(yù)緊力與螺母預(yù)緊力矩之間的關(guān)系可表示為

T=k·M

(5)

由式(5)可知，錨桿預(yù)緊力與螺母預(yù)緊力矩成正比，同時(shí)取決于系數(shù)k，k值越大，相同的預(yù)緊扭矩對(duì)應(yīng)的錨桿預(yù)緊力越大，支護(hù)效果越好。本文通過研究錨桿預(yù)緊力與螺母預(yù)緊力矩之間的準(zhǔn)確關(guān)系來對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行指導(dǎo)。

2 預(yù)緊力試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

對(duì)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(yù)緊扭矩。這樣才能使錨桿與巷道圍巖形成相互作用的支護(hù)體系。要較為準(zhǔn)確地控制錨桿預(yù)緊力大小，為尋求錨桿預(yù)緊扭矩與錨桿預(yù)緊力間轉(zhuǎn)化關(guān)系，采用專用的M-T試驗(yàn)臺(tái)，主要由測(cè)力系統(tǒng)、扭矩扳手及試驗(yàn)支撐臺(tái)3部分組成，結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)支撐臺(tái)；8-電阻應(yīng)變儀；9-測(cè)力傳感器；10-傳力板圖1 扭矩試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the structure of the torque test device

2.2 試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)選取錨桿編號(hào)為M18、M20、M22、M24、M27，對(duì)比了減摩墊片和無(wú)減摩墊片情況下不同扭矩條件轉(zhuǎn)化軸向預(yù)緊力情況，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 扭矩與軸向預(yù)緊力轉(zhuǎn)化對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，錨桿預(yù)緊扭矩與軸向預(yù)緊力轉(zhuǎn)化關(guān)系曲線如圖2～6所示。可以看出，錨桿預(yù)緊力矩與軸向預(yù)緊力成線性比例，錨桿預(yù)緊力隨錨桿預(yù)緊力矩的增加而增加。換算系數(shù)k反映了錨桿預(yù)緊力矩和預(yù)緊力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，k值越大，減摩效果越好，相同預(yù)緊力矩對(duì)應(yīng)的錨桿預(yù)緊力越大。在相同的預(yù)緊力矩下，減摩墊可以明顯增加錨桿的預(yù)緊力，預(yù)緊力矩越大，減摩墊的效果越明顯。

圖2 M18螺栓試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results of M18 bolts

圖3 M20螺栓試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of M20 bolts

圖4 M22螺栓試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of M22 bolts

圖5 M24螺栓試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results of M24 bolts

圖6 M27螺栓試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test results of M27 bolts

3 工程試驗(yàn)

3.1 井下試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

錨桿預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化井下試驗(yàn)地點(diǎn)為黃陵二號(hào)煤礦二盤區(qū)211回風(fēng)巷與420膠帶巷，211回風(fēng)巷為2號(hào)煤層2盤區(qū)回采巷道。巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果表明，2號(hào)煤層平均強(qiáng)度為10.67 MPa，煤質(zhì)中硬偏軟。211工作面掘進(jìn)巷道斷面為矩形4.6 m×3.8 m(寬×高)。試驗(yàn)所用錨桿規(guī)格為MSGLW-400/22 mm×2 800 mm，測(cè)試相關(guān)參數(shù)為錨桿長(zhǎng)度2.8 m，螺紋規(guī)格為M24，錨固劑長(zhǎng)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(qiáng)度拱形托板，配調(diào)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(cè)力計(jì)的方法來測(cè)定錨桿預(yù)緊力。采用力矩扳手對(duì)錨桿螺母施加預(yù)緊扭矩，由于211回風(fēng)巷所用扳手最大量程為300 N·m，因此211回風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為300 N·m以內(nèi)的錨桿預(yù)緊力，420膠帶巷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為500 N·m以內(nèi)的錨桿預(yù)緊力。測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)k值見表2與表3，根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化關(guān)系曲線如圖7與圖8所示。

表2 211回風(fēng)巷錨桿預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表3 420膠帶巷錨桿預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖7 211回風(fēng)巷井下實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.7 Underground measurement results of 211 return air roadway

圖8 420膠帶巷井下實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.8 Underground measurement results of 420 belt roadway

3.2 錨桿合理預(yù)緊力的優(yōu)化

為了使得研究更加具有論證性，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，見表4。井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取指定扭矩下測(cè)試預(yù)緊力平均值，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)為加減摩墊片數(shù)據(jù)。

表4 實(shí)驗(yàn)室與井下實(shí)測(cè)錨桿預(yù)緊力對(duì)比

從工程試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比來看，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)都表明，錨桿預(yù)應(yīng)力矩與錨桿預(yù)應(yīng)力呈基本線性關(guān)系，錨桿預(yù)應(yīng)力隨預(yù)應(yīng)力矩的增大而增大。當(dāng)預(yù)應(yīng)力矩為500 N·m時(shí)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的預(yù)應(yīng)力與鉆孔測(cè)得的預(yù)應(yīng)力之差為53.57 kN，這說明錨固力矩越大，預(yù)應(yīng)力之差越大。兩者之間存在差異的主要原因是實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)條件與鉆孔中的工程測(cè)試完全不同，實(shí)驗(yàn)室使用的錨桿螺紋是標(biāo)準(zhǔn)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力小。煤礦巷道支護(hù)錨桿用于提高錨桿預(yù)緊力的方法主要為增加螺母的預(yù)緊力矩M和增加減摩墊片。在煤礦井下施工時(shí)可以采用專門的高扭矩設(shè)備，對(duì)于該礦，建議采用氣動(dòng)扳機(jī)或扭矩倍增器施加高預(yù)緊扭矩，且扭矩建議大于400 N·m，以滿足支護(hù)及相關(guān)規(guī)范要求。其次，上述試驗(yàn)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(zhuǎn)換系數(shù)k值來增加錨桿預(yù)緊力，井下使用時(shí)應(yīng)選擇合適的減摩墊片，可以顯著提高錨桿預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)高效減摩。

4 結(jié)論

(1)巷道支護(hù)錨桿預(yù)緊力與螺母預(yù)緊力矩成正比，且取決于系數(shù)k，k值越大，減摩效果越好，相同的預(yù)緊扭矩對(duì)應(yīng)的錨桿預(yù)緊力越大，支護(hù)效果越好。

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

(3)工程試驗(yàn)表明礦用的錨桿預(yù)緊力轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.08～0.18，轉(zhuǎn)化率較低，建議設(shè)計(jì)預(yù)緊扭矩為400 N·m，轉(zhuǎn)化后預(yù)緊力為32～72 kN，則預(yù)緊力效果較好，支護(hù)強(qiáng)度大。