玻璃钢锚杆预紧力影响因素研究

2021-09-23薛福祥刘建庄

陕西煤炭 2021年5期

薛福祥，刘建庄，李准，杨拓

(华北理工大学矿业工程学院，河北唐山 063210)

0 引言

锚杆支护是现代深井支护的重要手段，锚杆支护从过去到现在，经过长时间的改进与实践，锚固性能正在不断地前进与发展，锚固的形式也经过了从机械方式锚固、水泥砂浆锚固、树脂锚固等多阶段的发展；新型高强玻璃钢锚杆具有耐腐蚀、易切割、高强度的性能在深井矿山得到了应用，通过实际验证取得了很好的稳固效果和成本缩减[1-3]。新型高强预紧力玻璃钢锚杆，通过分析影响预紧力的因素有利于更好地加强其锚固性能，促使锚杆杆体更好地发挥锚固效果，在巷道围岩支护和工作面临时支护的过程中避免出现因锚杆断裂发生的伤人事故、更好地增强锚杆的锚固性能[4-7]。玻璃钢锚杆包含整体式玻璃钢锚杆和分离式玻璃钢锚杆，整体式玻璃钢锚杆杆体受力一致，杆体不易破坏，但其杆体表面螺纹不易加工，且螺母不易拧紧；分离式结构的玻璃钢锚杆缺乏整体性，其锚尾螺纹与杆体通过一定的方式连接起来，由于尾部单独连接，其尾部连接部位是强度最薄弱环节，在支护过程中容易松动而出现安全事故[8-11]。因此，分析玻璃钢锚杆的预紧力在支护中显得更加重要，目前整体式全螺纹玻璃钢锚杆在矿山支护应用中较多，但是玻璃钢锚杆在锚固的过程中除了其部分组件包含托盘、螺母等构件外，其预紧力的大小也是评估锚固性能的重要标准，评判预紧力就要分析其影响因素，分析其组件对预紧力的影响，进而分析锚固性能的强弱。

1 锚杆预紧力试验

1.1 试验方式

试验一共有4小组，通过施加不同的扭矩分析不同的预紧力下锚杆的受力情况，采用不同的锚杆扭矩，不同直径的锚杆而获得不同的预紧力，预紧力的大小主要是通过预紧力试验装置的大小来判断的，然后记录试验所得数据，通过横向、纵向去分析不同的扭矩对锚杆预紧力的影响，预紧力试验装置如图1所示。

1-锚杆托盘；2-锚杆测力计；3-旋转扭矩扳手；4-螺母；5-压力表图1 扭矩-预紧力试验装置示意Fig.1 Test device for torque-preload

1.2 试验方案

试验采用2种不同直径的玻璃钢锚杆进行，分别是φ20 mm和φ25 mm锚杆，其型号、材质、螺纹距离、牙高都选取相同的锚杆。然后，通过预紧力试验装置的压力表来进行直接读取，施加的锚杆预紧扭矩情况分别为40 N·m、80 N·m、160 N·m、400 N·m，锚杆预紧力情况见表1。

表1 锚杆预紧扭矩对锚杆预紧力的影响

1.3 试验结果

由表1可以看出，玻璃钢锚杆的扭矩是影响锚杆预紧力的重要原因。首先，在相同的扭矩下，直径20 mm锚杆的预紧力相对直径25 mm锚杆的预紧力较大。预紧力的施加强度最后都要反映到它的锚固性能上，直径20 mm的玻璃钢锚杆当施加400 N·m的时候它的预紧力可以达到56.4 kN，与直径25 mm的玻璃钢锚杆相差11 kN。其次，经过试验得出的玻璃钢锚杆的实测预紧力的大小都要小于理论值，这与实际测量过程中测试的手段、过程损耗、试验的步骤都有一定的关系。

2 影响预紧力的因素

2.1 预紧力与扭转力矩的关系

扭转力矩是影响预紧力大小的重要因素，施加不同的力矩，锚杆会有不同的预紧力，在材质、长度、直径等一定条件下使得锚杆的锚固性能更加充分发挥是研究扭转力矩的重要原因。根据预紧力的计算公式可以知道支护过程中预紧力、预紧扭矩、预紧系数的关系

(1)

式中，F为玻璃钢锚杆预紧力；M为锚杆施加的扭矩；d为玻璃钢锚杆直径；K为锚杆扭矩系数，它与锚杆的直径、材质、接触面、螺纹形式有着直接的关系[12]。从预紧力计算公式可以看出，玻璃钢锚杆的直径与扭矩系数具有一致的变化关系，玻璃钢锚杆的预紧力的大小需要通过改变锚杆的直径和锚杆的扭矩系数来提高[13]。

2.2 螺纹螺距、牙高与预紧力的关系

2.2.1 螺纹螺距的影响

为了分析不同高度的螺纹螺距和螺纹牙高与玻璃钢锚杆预紧力之间的关系，分别选取了不同玻璃钢锚杆的螺纹螺距、螺纹牙高，进行了不同试验，观察与记录得出影响玻璃钢锚杆预紧力的影响因素。对于高强玻璃钢锚杆，分组实现对不同长度的螺纹螺距、不同长度的牙高进行锚杆预紧力大小的试验。锚杆的螺纹螺距存在大小不同的间距，选取合适的螺纹螺距对于研究玻璃钢锚杆的预紧力具有重要的意义[14-15]。采用不同型号的螺纹螺距，再选取不同的扭矩进行试验，试验所采用的螺纹螺距分别为1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm。通过设置不同的螺纹螺距进行相同扭矩的试验以后进行数据记录，试验一共收集了8组不同的数据，在相同扭矩的情况下研究不同的螺纹螺距的锚杆预紧力的大小，如图2所示。

通过图2可知，随着锚杆扭矩增大，3种不同螺纹螺距的玻璃钢锚杆的预紧力在逐渐增大，但是变化程度却不相同，螺纹螺距越小它的预紧力就越大，螺纹之间的咬合程度也就越强；固定横坐标扭矩分析，不同螺距的玻璃钢锚杆可以看出它的预紧力是不同的，其预紧力从1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm的预紧力依次变小。如果继续增加锚杆的扭矩，可以看出其预紧力变化不明显，但是螺纹螺距为1.0 mm的锚杆正在不断的增长，因此，适当减小螺纹螺距可以提高锚杆的预紧力。

图2 扭矩-预紧力与不同螺纹螺距关系Fig.2 Relationship between torque-preload and different thread pitches

2.2.2 螺纹牙高的影响

螺纹牙高的大小也是影响锚杆预紧力的重要原因，分析不同的螺纹牙高对于锚杆预紧力的影响有着重要的意义。试验采用了螺纹牙高为0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm的牙高，当扭矩为200 N·m时，螺纹牙高0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm的锚杆预紧力分别为5 T、2.5 T、1.6 T，不同试验数据所显示的螺纹牙高它们的扭矩预紧力的大小分别为0.02 T/(N·m)、0.013 T/(N·m)、0.009 T/(N·m)；当扭矩为300 N·m时，螺纹牙高0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm的锚杆预紧力分别为6.5 T、5.0 T、2.6 T，对应的扭矩-预紧力转化率分别为0.015 T/(N·m)、0.012 T/(N·m)、0.005 T/(N·m)。

据图3可以看出，当扭矩150 N·m之后，不同螺纹牙高的锚杆差距在变大。在扭矩达到150 N·m以后，0.2 mm牙高的递增趋势相对于0.4 mm、0.6 mm在变大。因此，当扭矩在大于150 N·m以后0.2 mm的螺纹牙高能够获得更大的锚杆预紧力。

图3 扭矩-预紧力与不同螺纹牙高关系Fig.3 Relationship between torque-preload and different thread height

2.3 试验结论

预紧力扭矩是影响玻璃钢锚杆预紧力的直接原因，在玻璃钢锚杆直径可承受的锚固范围之下可以通过加大扭矩的方法改变预紧力。其次，经过试验可以看出在相同直径、相同材质等唯一变量的情况下螺纹螺距越大对应的螺母与杆体之间的摩擦力越大，扭矩转化为预紧力的部分就越少。最后试验得出，玻璃钢锚杆可以选取螺纹螺距1.0～2.0 mm、螺纹牙高0.2～0.3 mm的螺纹间距和螺纹牙高，来使螺纹与螺距能更好地与围岩进行锚固，增强锚固性能，维护围岩的稳定，防止锚杆的打滑与松动现象，进而提高锚杆的预紧力。