锚杆支护合理预紧力的确定及优化

2022-09-28同晓军

陕西煤炭 2022年5期

同晓军

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西延安 727307)

0 引言

我国大多数煤矿为井工开采[12]，开拓方式主要以巷道掘进为主，有超过70%的巷道都是靠锚杆支护的[35]。随着煤炭开采逐渐进入智能化、高速化开采阶段，煤层扰动影响随之增加，煤层巷道掘进、支护难度也随之增加[68]。多数矿井通过改进锚杆(索)的强度、增加锚杆数量等方法来应对支护问题，但由于预紧力低、锚杆配套不合理等因素，造成支护失效，影响巷道掘进速度。分析煤矿五大灾害事故发生起数以及死亡率占比统计发现，顶板事故次数在逐年增加[912]。因此，回采工作面两侧巷道掘进时必须加强支护，保证巷道围岩的稳定性，这样才能实现煤矿安全生产的目标，才能达到建设高产高效回采工作面的要求[1315]。

为此，寻求工程实践中锚杆预紧扭矩与轴向预紧力的对应关系，通过确定锚杆支护所需的预紧力来保障巷道锚杆支护设计和施工的科学性，以期为锚杆支护技术的发展提供指导。

1 锚杆预紧力作用的理论分析

以层状顶板为例，分析锚杆预紧力的作用。巷道开掘以后，前期顶板受掘进工作面支撑，下沉和离层都很小。此时安装锚杆，预紧力大，锚固范围内岩层的整体刚度高，岩层处于压缩状态，岩层间不发生离层和弯曲变形等有害变形，岩层的完整性和整体强度得到保持。锚杆为岩层之间提供的约束离层的抗力为

(1)

锚杆为岩层之间增加的抗剪力为

(2)

式中，P0为锚杆预紧力，kN；d为锚杆直径，m；τ为锚杆抗剪强度，MPa；n为每排锚杆数；ar为锚杆排距，m；f为岩层间的摩擦系数；B为巷道宽度，m。

可以看出，锚杆越粗，锚杆的强度越高，锚杆的预应力越大，锚杆支护的岩层抗分层能力越强。预紧力计算公式为

(3)

式中，f1为螺母与螺纹的摩擦系数；f2为螺母与螺纹的摩擦系数；d2为螺纹中径，mm；d0为垫片直径,mm；D1为螺母端部外接圆直径,mm；s为螺纹导程,mm；n为螺纹头数，头；t为螺距，mm；M为预紧扭矩,N·m；T为锚杆预紧力,kN。转换系数k为

(4)

则锚杆预紧力与螺母预紧力矩之间的关系可表示为

T=k·M

(5)

由式(5)可知，锚杆预紧力与螺母预紧力矩成正比，同时取决于系数k，k值越大，相同的预紧扭矩对应的锚杆预紧力越大，支护效果越好。本文通过研究锚杆预紧力与螺母预紧力矩之间的准确关系来对现场实际进行指导。

2 预紧力试验

2.1 试验设备

对于树脂锚固剂锚固的金属锚杆，锚杆的一端用锚固剂锚固后，另一端必须用螺母拧紧，并施加一定的预紧扭矩。这样才能使锚杆与巷道围岩形成相互作用的支护体系。要较为准确地控制锚杆预紧力大小，为寻求锚杆预紧扭矩与锚杆预紧力间转化关系，采用专用的M-T试验台，主要由测力系统、扭矩扳手及试验支撑台3部分组成，结构如图1所示。

1-扭矩扳手；2-套筒；3-锚杆螺母；4-减摩垫片；5-球垫；6-锚杆；7-实验支撑台；8-电阻应变仪；9-测力传感器；10-传力板图1 扭矩试验装置结构示意Fig.1 Schematic diagram of the structure of the torque test device

2.2 试验方案及数据处理

试验选取锚杆编号为M18、M20、M22、M24、M27，对比了减摩垫片和无减摩垫片情况下不同扭矩条件转化轴向预紧力情况，试验结果见表1。

表1 扭矩与轴向预紧力转化对应关系

根据试验结果，锚杆预紧扭矩与轴向预紧力转化关系曲线如图2～6所示。可以看出，锚杆预紧力矩与轴向预紧力成线性比例，锚杆预紧力随锚杆预紧力矩的增加而增加。换算系数k反映了锚杆预紧力矩和预紧力之间的对应关系，k值越大，减摩效果越好，相同预紧力矩对应的锚杆预紧力越大。在相同的预紧力矩下，减摩垫可以明显增加锚杆的预紧力，预紧力矩越大，减摩垫的效果越明显。

图2 M18螺栓试验结果Fig.2 Test results of M18 bolts

图3 M20螺栓试验结果Fig.3 Test results of M20 bolts

图4 M22螺栓试验结果Fig.4 Test results of M22 bolts

图5 M24螺栓试验结果Fig.5 Test results of M24 bolts

图6 M27螺栓试验结果Fig.6 Test results of M27 bolts

3 工程试验

3.1 井下试验数据分析

锚杆预紧扭矩与预紧力转化井下试验地点为黄陵二号煤矿二盘区211回风巷与420胶带巷，211回风巷为2号煤层2盘区回采巷道。巷道围岩地质力学参数测试结果表明，2号煤层平均强度为10.67 MPa，煤质中硬偏软。211工作面掘进巷道断面为矩形4.6 m×3.8 m(宽×高)。试验所用锚杆规格为MSGLW-400/22 mm×2 800 mm，测试相关参数为锚杆长度2.8 m，螺纹规格为M24，锚固剂长度分别为600 mm、700 mm与950 mm，锚杆孔钻头直径为28 mm；托板为高强度拱形托板，配调心球垫；螺母与球形垫圈之间部分加1010尼龙减摩垫片。

主要通过在托板下面安装锚杆测力计的方法来测定锚杆预紧力。采用力矩扳手对锚杆螺母施加预紧扭矩，由于211回风巷所用扳手最大量程为300 N·m，因此211回风巷现场实测为300 N·m以内的锚杆预紧力，420胶带巷现场实测为500 N·m以内的锚杆预紧力。测试数据经计算对应转化系数k值见表2与表3，根据测试结果绘制预紧扭矩与预紧力转化关系曲线如图7与图8所示。

表2 211回风巷锚杆预紧力矩转化结果统计

表3 420胶带巷锚杆预紧力矩转化结果统计

图7 211回风巷井下实测结果Fig.7 Underground measurement results of 211 return air roadway

图8 420胶带巷井下实测结果Fig.8 Underground measurement results of 420 belt roadway

3.2 锚杆合理预紧力的优化

为了使得研究更加具有论证性，对比试验数据和实测数据，见表4。井下实测数据取指定扭矩下测试预紧力平均值，实验室数据为加减摩垫片数据。

表4 实验室与井下实测锚杆预紧力对比

从工程试验和实验室试验的结果对比来看，实验室试验和工程试验数据都表明，锚杆预应力矩与锚杆预应力呈基本线性关系，锚杆预应力随预应力矩的增大而增大。当预应力矩为500 N·m时，实验室测得的预应力与钻孔测得的预应力之差为53.57 kN，这说明锚固力矩越大，预应力之差越大。两者之间存在差异的主要原因是实验室的试验条件与钻孔中的工程测试完全不同，实验室使用的锚杆螺纹是标准螺栓，加工精度高，表面光滑，螺母与螺纹之间的摩擦力小，所以k值大，预应力大；而井下使用的锚杆是线材轧制加工，加工精度低，螺母与螺纹之间的摩擦力大，所以k值小，预应力小。煤矿巷道支护锚杆用于提高锚杆预紧力的方法主要为增加螺母的预紧力矩M和增加减摩垫片。在煤矿井下施工时可以采用专门的高扭矩设备，对于该矿，建议采用气动扳机或扭矩倍增器施加高预紧扭矩，且扭矩建议大于400 N·m，以满足支护及相关规范要求。其次，上述试验表明，在螺母与托板之间加减摩垫片，可减少摩擦阻力，增大转换系数k值来增加锚杆预紧力，井下使用时应选择合适的减摩垫片，可以显著提高锚杆预紧力，实现高效减摩。