锚杆螺纹结构与扭矩-预紧力转化关系试验研究

李远清

（济宁矿业集团朱家峁煤矿 ，陕西 榆林 719000）

随着我国煤炭资源开采深度逐渐增加，深井巷道支护难度逐渐提高。预应力锚杆支护以其主动加固围岩的特点，在深井巷道支护中更能充分发挥其有效作用[1,2]。通过高强预应力锚杆可以使围岩由原来的破碎状态变为为一个整体，破坏面的抗剪强度得到提高来实现的[3-5]。

对于高强预应力锚杆，许多学者研究了预应力锚杆锚固止裂效应和预紧力矩转化的影响因素等[6,7]。李国彪等[8]通过试验研究了锚杆尾部螺纹加工精度对预应力的影响。

目前，对于锚杆螺纹结构影响锚杆预紧力的问题研究较少，为提高煤矿巷道的预应力锚杆加固效果，本文研究了锚杆螺纹的螺距、牙高、形状对锚杆预紧力的影响规律，优选出扭矩-预紧力转化率最高的锚杆螺纹结构。

1 试验方法与试验设备

研究锚杆螺纹结构对锚杆预紧力的关系，选取不同螺纹螺距、牙高、形状的锚杆进行扭矩-预紧力转化试验，分析各组试验对应的转化效率，评价锚杆螺纹结构对锚杆预紧力的影响。试验设备包括锚杆应力计、扭矩扳手和夹紧固定装置。试验装置如图1所示。

图1 扭矩-预紧力试验装置示意图

选取锚杆直径为20mm，锚杆螺纹的螺距为1.0mm、2.0mm、3.0mm，研究螺纹螺距对锚杆扭矩-预紧力转化的影响；固定螺纹螺距为2.0mm，选取锚杆螺纹的牙高为0.2mm、0.4mm、0.6mm，研究螺纹牙高对锚杆扭矩-预紧力转化的影响；选取螺纹形状为矩形螺纹、三角形螺纹和梯形螺纹，研究螺纹形状对锚杆扭矩-预紧力转化的影响。

2 试验结果与分析

通过上述扭矩选取不同螺纹螺距、牙高、形状的锚杆进行扭矩-预紧力转化试验，分析各组试验对应的转化效率。

2.1 不同螺纹螺距

图2 不同螺纹螺距对应的锚杆扭矩-预紧力关系

图2 为不同螺纹螺距对应的锚杆扭矩-预紧力关系。由图2可知，随着锚杆扭矩增大，其预紧力均逐渐增大。相同扭矩对应的不同螺距的锚杆预紧力是不同的，螺纹螺距为1.0mm、2.0mm、3.0mm的预紧力依次减小。当扭矩为300N·m时，螺距为1.0mm、2.0mm、3.0mm的锚杆预紧力分别为7T、4.8T、2.5T，对应的扭矩-预紧力转化率分别为0.023T/N·m、0.016T/N·m、0.008T/N·m。

当扭矩大于300N·m之后，螺纹螺距3.0mm的锚杆扭矩-预紧力曲线基本平稳，继续增大扭矩，其预紧力变化不会太大，而螺纹螺距1.0mm的锚杆尚有逐渐增大的趋势，继续增大扭矩能够获得更大的预紧力。

说明螺纹螺距越大，锚杆扭矩-预紧力转化率越低，螺纹螺距越大对应的螺母与杆体之间的摩擦力越大，扭矩转化为有用的预紧力的部分越少，所以减小螺纹螺距是提高锚杆扭矩-预紧力转化率的一种方法。

2.2 不同螺纹牙高

图3为不同螺纹牙高对应的锚杆扭矩-预紧力关系。由图3可知，相同扭矩对应的不同螺纹牙高的锚杆预紧力是不同的，螺纹牙高为0.2mm、0.4mm、0.6mm的预紧力依次降低。当扭矩为200N·m时，牙高0.2mm、0.4mm、0.6mm的锚杆预紧力分别为4T、2.6T、1.8T，对应的扭矩 -预紧力转化率分别为0.02T/N·m、0.013T/N·m、0.009T/N·m；当扭矩为 400N·m时，牙高0.2mm、0.4mm、0.6mm的锚杆预紧力分别为6.8T、4.9T、2.9T，对应的扭矩-预紧力转化率分别为0.017T/N·m、0.012T/N·m、0.007T/N·m。

图3 不同螺纹牙高对应的锚杆扭矩-预紧力关系

根据曲线变化趋势可以看出，对螺纹牙高0.6的锚杆继续增大扭矩，其预紧力提高幅度将基本不变；扭矩400N·m之后，螺纹牙高0.2mm的锚杆扭矩-预紧力转化曲线依次呈逐渐增大的趋势，说明继续增大扭矩能够获得更大的锚杆预紧力。螺纹牙高越大，锚杆扭矩-预紧力转化率越低。这是由于螺纹牙高越大，对应的螺纹升角越大，螺母旋转需要克服的阻力越大，导致扭矩转化为锚杆预紧力的有效部分减少，所以减小螺纹牙高是提高锚杆扭矩-预紧力转化率的一种方法。

2.3 不同螺纹形状

锚杆矩形螺纹、三角形螺纹和梯形螺纹的示意图如图4所示。不同螺纹形状对应的锚杆扭矩-预紧力关系如图5所示。

图4 不同螺纹形状示意图

图5 不同螺纹形状对应的锚杆扭矩-预紧力关系

由图5可知，不同形状螺纹对应的锚杆扭矩和预紧力是不同的，相同扭矩情况下，三角形螺纹锚杆预紧力大于梯形螺纹锚杆预紧力大于矩形螺纹锚杆预紧力。当扭矩小于250N·m时，三角形螺纹锚杆和梯形锚杆的曲线变化相似，当扭矩大于250N·m时，三种形状螺纹锚杆的扭矩-预紧力转化差距越来越大。当扭矩为300N·m时，矩形螺纹锚杆、三角形螺纹锚杆、梯形螺纹锚杆的预紧力分别为2.6T、5.7T、4.5T，则对应的扭矩-预紧力转化率分别为0.0087T/N·m、0.019T/N·m、0.015T/N·m。当扭矩为 450N·m时，矩形螺纹锚杆、三角形螺纹锚杆、梯形螺纹锚杆的预紧力分别为3T、8T、5.8T，则对应的扭矩-预紧力转化率分别为0.0067T/N·m、0.018T/N·m、0.013T/N·m。

说明三角形螺纹锚杆的扭矩-预紧力转化率较高，大于梯形螺纹锚杆，大于矩形螺纹锚杆。矩形螺纹和梯形螺纹的摩擦力较大，尤其是矩形螺纹，三角形螺纹的摩擦力较小，所以三角形螺纹锚杆的扭矩-预紧力转化率高。且矩形螺纹锚杆的最大预紧力仅为3T，三角形螺纹锚杆的预紧力能够达到8T，尚且能够继续增大。

2.4 试验总结

由上述不同螺纹螺距、牙高、形状的扭矩-预紧力转化试验分析可见，为提高锚杆扭矩-预紧力转化效果，可以选取螺纹螺距1.0mm、螺纹牙高0.2mm、螺纹形状为三角形的锚杆。

3 结 论

1）螺纹螺距越大，锚杆扭矩-预紧力转化率越低，螺纹螺距越大对应的螺母与杆体之间的摩擦力越大，减小螺纹螺距是提高锚杆扭矩-预紧力转化率的一种方法。

2）螺纹牙高越大，锚杆扭矩-预紧力转化率越低。螺纹牙高越大，对应的螺纹升角越大，螺母旋转需要克服的阻力越大，减小螺纹牙高是提高锚杆扭矩-预紧力转化率的一种方法。

3）三角形螺纹锚杆的扭矩-预紧力转化率较高，大于梯形螺纹锚杆，大于矩形螺纹锚杆。矩形螺纹和梯形螺纹的摩擦力较大，三角形螺纹的摩擦力较小，所以三角形螺纹锚杆的扭矩-预紧力转化率高。

4）矿井巷道使用锚杆时，为提高锚杆扭矩-预紧力转化效果，可以选取螺纹螺距1.0mm、螺纹牙高0.2mm、螺纹形状为三角形的锚杆。