關(guān)于召開第六屆山西省煤炭總工程師論壇暨山西省煤炭安全綠色智能開采論壇的通知

預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)支護(hù)效果起著決定性作用。但是，長(zhǎng)期以來，由于很多礦區(qū)沒有認(rèn)識(shí)到預(yù)應(yīng)力的重要性，而且錨桿施工機(jī)具不能提供較大的預(yù)應(yīng)力，導(dǎo)致我國(guó)煤礦錨桿預(yù)應(yīng)力普遍偏低，一般預(yù)緊力矩為100-150N．m，預(yù)緊力為15-20kN,有的甚至為零，嚴(yán)重影響了錨桿支護(hù)作用的發(fā)揮。

一、錨桿預(yù)應(yīng)力值的選擇

錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的原則是控制圍巖不出現(xiàn)明顯的離層、滑動(dòng)與拉應(yīng)力區(qū)。實(shí)踐證明，如果選擇合理的預(yù)應(yīng)力值，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)離層與滑動(dòng)的有效控制。根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，以及國(guó)內(nèi)部分礦區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合我國(guó)煤礦巷道條件與施工機(jī)具，一般可選擇錨桿預(yù)緊力為桿體屈服載荷的30-60%。表1列出了不同錨桿的預(yù)緊力取值（桿體屈服載荷的50%）?？梢?，錨桿直徑越大，桿體材質(zhì)強(qiáng)度越高，要求的預(yù)應(yīng)力值越高。

表1 不同材質(zhì)與規(guī)格錨桿的預(yù)應(yīng)力值

二、錨桿預(yù)應(yīng)力的影響因素

目前，我國(guó)煤礦錨桿預(yù)應(yīng)力主要是通過擰緊錨桿尾部螺母，壓緊托板實(shí)現(xiàn)的。錨桿預(yù)應(yīng)力與螺母預(yù)緊力矩、螺紋規(guī)格及摩擦系數(shù)等因數(shù)之間有如下關(guān)系：

式中：f1—螺母與錨桿螺紋段間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；

fo—螺母、墊圈端面間滑動(dòng)摩擦系數(shù)；

d2—螺紋中徑，mm；

d0—墊片內(nèi)徑，mm；

D1—螺母端部有效接觸面外接圓直徑，mm；

s—螺紋導(dǎo)程，mm,

s=nt

n—螺紋頭數(shù)；

t—螺距，mm；

M—螺母預(yù)緊力矩，kN·m；

P0—錨桿預(yù)緊力，kN。

若令：

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：

P0=kM

可見，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。影響k值大小的關(guān)鍵因素為：一是螺母與錨桿螺紋段間的摩擦系數(shù)f1，f1越大，k值越小；二是螺母、墊圈端面間的摩擦系數(shù)f0，f0越小，k值越大；三是錨桿直徑，錨桿越粗，k值越小。

三、錨桿預(yù)應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)室與井下試驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

某研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室選取螺紋公稱直徑為M18、M20、M22、M24、M27等五種型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)螺栓，進(jìn)行不同端面減摩條件下，錨桿預(yù)緊力矩與預(yù)緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系試驗(yàn)。減摩條件分為：不使用減摩墊片，減摩墊片分別為聚四氟乙烯、1010尼龍、改性1010尼龍及高密度聚乙烯。

圖1、圖2分別為M20、M24螺栓預(yù)緊力矩與預(yù)緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

圖1  M20錨桿預(yù)緊力矩與預(yù)緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線

圖中：200-不使用減摩墊片；202-1010尼龍；203-改性1010尼龍；204-高密度聚乙烯

圖2  M24 錨桿預(yù)緊力矩與預(yù)緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線

圖中：240-不使用減摩墊片；242-1010尼龍；243-改性1010尼龍；244-高密度聚乙烯

(1)錨桿預(yù)緊力矩與預(yù)緊力基本成線性關(guān)系，錨桿預(yù)緊力隨預(yù)緊力矩增加而增大。

(2)比例系數(shù)k反映了錨桿預(yù)緊力矩與預(yù)緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，k值越大，減摩效果越好，相同的預(yù)緊力矩對(duì)應(yīng)的錨桿預(yù)緊力越大。

(3)在相同預(yù)緊力矩下，減摩墊片可使錨桿預(yù)緊力顯著提高。其中，1010尼龍墊片的減摩效果最為明顯。

(4)聚四氟乙烯和改性1010尼龍墊片的壓延性較差，一般預(yù)緊力矩達(dá)到200～300N·m時(shí)即被螺母擠出并發(fā)生斷裂，減摩效果降低。1010尼龍墊片的壓延性好，在螺母擰緊的過程中被擠壓成連續(xù)的薄片，最后形成碗狀，始終起到減摩作用。

2.井下實(shí)測(cè)

井下對(duì)φ25mm的錨桿預(yù)緊力進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試條件為：錨桿長(zhǎng)度2.4m，錨固長(zhǎng)度1200mm，螺紋規(guī)格為M27；托板為高強(qiáng)度拱形托板，配球形墊圈；螺母與配球形墊圈之間加1010尼龍減摩墊片。托板下面安裝錨桿測(cè)力計(jì)，測(cè)定錨桿軸向力。

采用氣動(dòng)扳手對(duì)錨桿螺母施加預(yù)緊力，預(yù)緊力矩為300～700N·m，從錨桿測(cè)力計(jì)上測(cè)出相應(yīng)的預(yù)緊力。測(cè)試數(shù)據(jù)及與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。從表中可看出以下幾點(diǎn)：

表2  實(shí)驗(yàn)室與井下實(shí)測(cè)錨桿預(yù)緊力對(duì)比（φ25mm錨桿）

(1)井下錨桿預(yù)緊力矩在300N·m時(shí)，錨桿預(yù)緊力達(dá)到50kN。隨著錨桿力矩增加，預(yù)緊力逐漸增大。但當(dāng)錨桿力矩超過400 N·m時(shí)，預(yù)緊力增加變得緩慢，再增加錨桿力矩，獲得的預(yù)緊力增量很小。

(2)實(shí)驗(yàn)室錨桿預(yù)緊力測(cè)試數(shù)據(jù)表明，隨著錨桿預(yù)緊力矩增加，預(yù)緊力基本線性增大。因此，隨著錨桿力矩增加，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)與井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差值逐步增大。當(dāng)錨桿力矩為700N·m時(shí)，預(yù)緊力差值高達(dá)108kN?？梢?，錨桿預(yù)緊力矩越大，預(yù)緊力差值越大。

(3)導(dǎo)致出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因之一是：實(shí)驗(yàn)室采用的錨桿螺紋為標(biāo)準(zhǔn)螺栓，加工精度高，表面光滑，螺母與螺紋間的摩擦力小，因此k值大，預(yù)緊力大；而井下使用的錨桿，采用滾絲加工工藝，加工精度低，螺母與螺紋間的摩擦力大，因此k值小，預(yù)緊力小。這種現(xiàn)象在錨桿預(yù)緊力矩大的情況下更為突出。

(4)另外一個(gè)重要原因是，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件與井下有較大差別。如實(shí)驗(yàn)室錨桿托板置于比較平滑、剛性的試驗(yàn)臺(tái)上，錨桿受力均勻；而井下巷道頂板一般比較粗糙，甚至松軟破碎、凹凸不平，導(dǎo)致錨桿受力不均勻。

四、提高錨桿預(yù)應(yīng)力的技術(shù)措施

提高錨桿預(yù)應(yīng)力的技術(shù)措施分為兩方面：其一是提高螺母預(yù)緊力矩M；其二是提高錨桿預(yù)緊力與螺母預(yù)緊力矩的轉(zhuǎn)換系數(shù)k值。

1.提高螺母預(yù)緊力矩M

螺母預(yù)緊力矩是由錨桿安裝機(jī)具的輸出扭矩決定的，是影響錨桿預(yù)緊力的關(guān)鍵因素。美國(guó)、澳大利亞等采煤技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，普遍采用錨桿臺(tái)車、掘錨聯(lián)合機(jī)組施工錨桿。一方面，錨桿鉆機(jī)的輸出扭矩很大，有的超過500N·m，能夠保證錨桿的高預(yù)緊力；另一方面，錨桿臺(tái)車對(duì)頂板的頂推力很大，能夠達(dá)到400kN以上。頂推力對(duì)巷道頂板提供一個(gè)很高的壓緊力，在錨桿安裝以后，該力通過托板傳給錨桿，增加預(yù)緊力。

國(guó)內(nèi)普遍采用單體錨桿鉆機(jī)鉆裝錨桿，這種錨桿鉆機(jī)輸出扭矩一般為100-150N·m，頂推力在10kN左右，無(wú)法實(shí)現(xiàn)錨桿的高預(yù)緊力。

為了大幅度提高錨桿的預(yù)緊力矩，措施之一是采用專門的高扭矩螺母擰緊設(shè)備（如氣動(dòng)扳機(jī)），但是給錨桿安裝增加了一道工序；其二是在適宜的條件下，引進(jìn)、開發(fā)錨桿臺(tái)車和掘錨聯(lián)合機(jī)組，保證錨桿快速、高質(zhì)量安裝。

2.提高錨桿預(yù)緊力與螺母預(yù)緊力矩的轉(zhuǎn)換系數(shù)k

提高錨桿預(yù)緊力與螺母預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)換系數(shù)k值的主要措施是：降低螺母與錨桿螺紋段間的摩擦系數(shù)f1；減小螺母、墊圈端面間的摩擦系數(shù)f0。

降低f1的措施包括：提高螺紋加工精度等級(jí)，減少摩擦阻力和摩擦扭矩；采用油脂對(duì)螺紋部進(jìn)行潤(rùn)滑，減少摩擦阻力。因此，改善錨桿螺紋加工工藝與設(shè)備，提高錨桿螺紋加工精度，對(duì)提高錨桿預(yù)應(yīng)力和支護(hù)效果具有重要意義。

減小f0的措施是采用高效減摩副，減少螺母、墊圈和托盤之間的摩擦阻力和摩擦扭矩。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，而且減摩墊片的材質(zhì)起關(guān)鍵作用。井下使用時(shí)應(yīng)選擇合適的減摩墊片，實(shí)現(xiàn)高效減摩，顯著提高錨桿預(yù)緊力。

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