锚杆临界预紧力矩与初始托锚力的转换机制研究

摘 要：锚杆支护在煤矿巷道中尤为重要，尤其是针对锚杆的临界预紧力矩与初始托锚力的转换机制研究更是重中之重。本文主要从在安装锚杆时，由于锚杆的脱锚力完全失效等原因，最终导致它的锚固彻底失效或呈现一种低效的工程背景下入手。通过理论分析，以及在实验台对各种规格的锚杆进行实测研究，最终研究得出了不同规格的锚杆预紧力矩与托锚力作用关系，为锚杆支护参数设计提供了很好的理论依据。

关键词：锚杆支护;临界预紧力矩;初始托锚力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.052

1 引言

在利用锚杆对围岩巷道进行支护的过程当中，发挥作用的不仅仅是锚杆，在这一承载结构当中，锚杆、锚网、钢带以及托盘等构件同样起着无法估量的效果。这各个构件同时发挥作用，能够极大地提高锚杆的支护效果，锚杆在支护时，能够对围岩的表面施加一种径向支护力，这种支护力的存在能够更好的使围岩实现由平面应力状态到三向应力状态的转化，在这种转化下，能够减小巷道在受到应力扰动或者采动时的变形，进而加大围岩的承载强度。至于托锚力，指的就是为了使围岩保持稳定，这种来自于护表构件的力，比如说托盘等。换言之，预紧力与托锚力相一致，通过扭矩螺母，可以进一步提高预紧力。预紧力的加大或者托锚力的提高，都能够很大程度上抑制巷道在掘进的时候发生的围岩变形。

2 托锚力完全损失造成的支护失效

在研究锚杆的时候，毋庸置疑会研究它的托锚力，而锚杆在支护的过程当中，其托锚力发挥作用是主要分为三大阶段，分别为初始托锚力、工作托锚力和残余托锚力，每一种托锚力针对的锚杆支护阶段有所差异。通过大量的调查并且研究发现，在大范围的锚杆支护工程当中，其锚固系统会逐渐的产生一种效能损失，根据时间的不同，这种托锚力发生会慢慢损耗、部分损失以及完全损耗至零等三大阶段。接下来主要研究的是在安装锚杆时，由于锚杆的脱锚力完全失效等原因，最终导致它的锚固彻底失效或呈现一种低效的现象。

当锚杆的托锚力一直下降，直至将为零，就意味着锚杆已经完全失效，已经丧失了其对围岩的支护效果。造成锚杆失效的原因主要有三种情况：

第一种情况是锚杆在与粘结剂发生接触的地方产生了破坏，或者在使用粘结剂的时候，这种粘结体和煤岩体直接接触的地方发生了破坏，这两者是最容易导致锚杆发生失效的地方，因为当接触面完全发生破坏的时候，其孔内部就只有粘结体与孔壁的摩擦力，这种摩擦力的存在会导致巷道发生大尺度变形，无法用锚杆对围岩进行支护;

第二种情况是锚杆在支护的过程中，其围岩中的各个岩层之间发生水平错动，由于杆体受力过大，导致其锚杆的杆体拉断。在这种情况下，它的锚固体系失稳，锚杆失效，导致其托锚力瞬间下降为零，在锚杆杆体发生拉断的时候，会明显发现，其破断的地方经常出现在杆体尾部丝扣段的地方，在其尾部受力很集中，是整个杆体最为薄弱的环节;至于锚索，破坏的形式大多为剪切破坏，这种锚索使用的是钢绞线，由于这种钢绞线与岩面往往是不垂直的，再加上一旦受到采动大应力，会极容易导致这种杆体发生剪断，进而失效;

第三种情况是处于浅部的围岩，在最开始支护的时候还很完整，护表构件没有任何的影响，然而当处于局部的围岩发生破坏的时候，影响了其巷道浅部的围岩，导致其煤岩体表面发生变形，膨胀，进而使围岩出现了大范围的松动，呈现出了一种网兜的现象，这样以来导致锚杆的杆体和锚固段虽然很完整，但是其预应力却没能够得到很大程度的扩散，最终出现了锚空现象，这种现象也是很容易让托锚力直接损耗为零，当然这种现象在煤矿当中是很常见的，为此在护表的时候要最大程度的将护表构件与岩面进行接触。

3 预紧力矩与托锚力的转换机制的实测研究

锚杆在巷道支护过程当中尤为重要，然而其锚杆的托锚力更是支护当中不可或缺的一个重要因素。无论是锚杆的托锚力还是锚杆的预紧力，要想增加托锚力，需要依靠锚杆钻机、液压法张紧螺母或风动扳手拧紧螺母的方式才能实现，这三种方式在煤矿当中都是很常见的，在对锚杆进行支护的时候，给锚杆施加的预紧力越大，它的初始托锚力就会越大，围岩的承载能力就越好，对围岩的约束性就越强。国家规定对锚杆的初始预紧力矩为150N·m。但是在实际当中应用的时候，这种“高预紧力”却没有很明确的范围，也缺乏理论的指导，在现场对锚杆施加预应力的时候是通过断续式加载的方式完成的。

张农等认为在支护初期对锚杆施加预应力的时候，其锚固范围内的围岩会处于弹塑性变形阶段，在这一理论基础上，推导出了有关预紧力P与力矩T（φ）之间的表达式，如下：

本文为了能够很好预应力锚固系统锚固作用，为锚杆锚固作用机理及锚固失效提供理论指导，特通过预应力锚固系统锚固作用综合实验台来对此进行深究。在此模拟的是3根等长2 800mm、不同直径的锚杆，直径分别为Φ22、Φ20和Φ18mm，在测试的过程当中，主要测试的是它们的锚杆轴力（粘锚力）、托锚力以及彎矩，为了能够更好的得到预紧力矩与托锚力的作用关系，每一根锚杆都多多进行测试，如图1所示。得到以下规律：

（1）Φ22mm的锚杆测试了7组，对其施加的扭矩最大可以达到335N·m，而托锚力可以达到80kN;Φ20mm的锚杆测试了7组，对其施加的扭矩最大可以达到340N·m，而托锚力可以达到88kN;Φ18mm的锚杆测试了5组，对其施加的扭矩最大可以达到250N·m，而托锚力可以达到72kN。由此可以看出每一根锚杆的预紧力矩与托锚力都普遍存在着线性相关的关系;

（2）其锚杆的平均预紧力矩在大于125N·m后趋于稳定，在平均预紧力矩大于250N·m后，它的平均扭矩系数可以达到0.18，这时对应的平均托锚力为68.3kN;由于锚杆的预紧力矩越大，导致它的托锚力就会越高，在不同直径等长的锚杆当中，Φ20mm的锚杆最为明显。

4 结论

通过对等长2800mm，不同直径（Φ22、Φ20和Φ18mm）的锚杆进行测试研究，分析得知：

（1）当锚杆的预紧力矩低于200N·m的时候，其预紧力矩与托锚力之间没有构成非常明显的线性关系，一者增加不会引发另一者增加，导致这种现象的原因是受到了托盘与垫圈等构件的影响，比如说螺纹的加工质量、材料等;

（2）当锚杆的预紧力矩大于200N·m的时候，其预紧力矩与托锚力之间存在构成非常明显的线性关系;

（3）在对诸多组锚杆进行测试时，会发现四分之一的锚杆其力矩与托锚力始终呈现的都是一种线性关系，但是其扭矩转化系数要想稳定在某一常数的话，需要将其加扭加至200N·m，所有锚杆都是如此。在试验当中，对锚杆施加的预紧力矩为200N·m，对应托锚力为43.0kN，此时的平均扭矩系数为0.20，这也是临界预紧力矩，一旦施加的预紧力过于大，或者超过了临界预紧力，它的扭矩系数会有0.20增大至0.23，但是转化效率却大打折扣，它们之间的关系符合Fl=0.18T+6.84，即给锚杆施加的扭矩每增加100N·m，它的托锚力就会加大18kN。

参考文献：

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[2]郑重远，黄乃炯.树脂锚杆及锚固剂[M].北京市：煤炭工业出版社，1983：261.

[3]张乐文，汪稔.岩土锚固理论研究之现状[J].岩土力学，2002（05）：627-631.

作者简介：纪关伟（1974-），男，山东泰安人，本科，中级工程师，总经理，从事采矿工程、安全管理。