錨桿附件力學(xué)性能匹配性研究

吳 擁 政

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；4.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

錨桿支護(hù)是目前我國(guó)煤礦巷道主體支護(hù)方式[1]，其支護(hù)附件主要包括錨桿桿體、螺母、托板、調(diào)心球墊、減摩墊片等。影響巷道支護(hù)效果的因素很多，其中支護(hù)附件力學(xué)性能的匹配性是實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)能力充分發(fā)揮的關(guān)鍵影響因素。近年來，由于巷道賦存地質(zhì)條件日益復(fù)雜，傳統(tǒng)低強(qiáng)度支護(hù)材料難以滿足現(xiàn)場(chǎng)工程要求，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位相繼開發(fā)出高強(qiáng)度錨桿、熱處理錨桿、預(yù)應(yīng)力鋼棒等高強(qiáng)度支護(hù)材料[2-3]。作為錨桿支護(hù)材料的重要組成部分，錨桿附件也得到了快速發(fā)展。但由于普遍重視錨桿桿體材料開發(fā)，對(duì)錨桿附件的重視度不夠，多個(gè)礦區(qū)出現(xiàn)了由于附件不合理或不匹配，導(dǎo)致附件破壞失效，嚴(yán)重影響了巷道支護(hù)效果。對(duì)于錨桿桿體及附件，我國(guó)學(xué)者開展了大量研究。姜鐵明[4]開展了錨桿構(gòu)件(桿體、托盤、錨固劑)支護(hù)作用機(jī)制研究，分析了不同支護(hù)構(gòu)件對(duì)巷道支護(hù)效果的影響；康紅普等[5]對(duì)錨桿構(gòu)件力學(xué)性能及匹配性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究了錨桿各構(gòu)件包括桿體、螺紋段、托盤、調(diào)心球墊及減摩墊圈的力學(xué)性能，認(rèn)為錨桿各構(gòu)件力學(xué)性只有相互匹配，才能充分發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用。另外，煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院自2005年起，對(duì)錨桿支護(hù)構(gòu)件力學(xué)性能、支護(hù)作用、各構(gòu)件間的相互匹配性等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，其研究成果主要集中在3個(gè)方面：①錨桿支護(hù)構(gòu)件的合理結(jié)構(gòu)、尺寸及材質(zhì)。通過研究錨桿桿體、減摩墊片、金屬網(wǎng)等構(gòu)件的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能間的相互關(guān)系，確定了適合煤礦巷道使用的構(gòu)件合理結(jié)構(gòu)和材質(zhì)[6-7]。②錨桿支護(hù)構(gòu)件的力學(xué)性能。研究了錨桿桿體、托板、鋼帶等支護(hù)構(gòu)件的力學(xué)性能，為不同地質(zhì)條件下支護(hù)構(gòu)件的選取提供了依據(jù)[8-11]。③錨桿構(gòu)件的支護(hù)作用。通過開展不同組合構(gòu)件預(yù)應(yīng)力傳遞模型試驗(yàn)，研究了不同組合構(gòu)件對(duì)預(yù)應(yīng)力傳遞的影響機(jī)制[12-14]。上述研究成果已廣泛應(yīng)用于我國(guó)巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)與工程中，顯著提高了巷道支護(hù)效果。筆者在分析錨桿附件破壞失效的基礎(chǔ)上，研究了錨桿螺母、托板、調(diào)心球墊及減摩墊片等附件的力學(xué)性能及匹配性，確定了煤礦巷道錨桿附件的技術(shù)要求和選取原則。并通過井下實(shí)例分析，驗(yàn)證了錨桿附件匹配性對(duì)支護(hù)能力充分發(fā)揮的影響。

1 井下錨桿附件破壞失效狀況

錨桿附件主要包括螺母、托板、調(diào)心球墊及減摩墊片等，錨桿附件安裝如圖1所示。在圍巖受到擠壓或動(dòng)載作用下，錨桿各附件均會(huì)出現(xiàn)不同程度的破壞失效。

1)錨桿螺母破壞失效。錨桿螺母破壞主要表現(xiàn)為螺母內(nèi)螺紋或錨桿外螺紋段的螺紋在剪應(yīng)力作用下被拉平而失效，主要是由于螺母的螺紋強(qiáng)度、剛度及尺寸與錨桿外螺紋匹配性差，螺母螺紋抗剪性能低于錨桿桿體強(qiáng)度，導(dǎo)致螺母被拉脫而失效(圖2)。

圖1 錨桿附件安裝Fig.1 Installation of bolt components

圖2 螺母與錨桿螺紋破壞失效Fig.2 Failure photos of nut and bolt thread

2)錨桿托板破壞失效。錨桿托板主要有拱形托板、平托板、異性托板等形式，其中拱形托板使用最為廣泛。拱形托板失效的形式主要為拱高被壓平、四角翹起、局部撕裂及孔口變大，最終使托板承載能力降低或結(jié)構(gòu)破壞而失效，嚴(yán)重限制了錨桿支護(hù)能力的充分發(fā)揮(圖3)。

圖3 托板破壞狀況Fig.3 Damage of supporting plate

3)錨桿調(diào)心球墊及減摩墊片破壞狀況。煤礦井下常見的調(diào)心球墊變形破壞如圖4所示，不合理的調(diào)心球墊沒有發(fā)揮調(diào)心的作用，導(dǎo)致錨桿桿體與螺母發(fā)生自鎖，錨桿桿體出現(xiàn)偏載，局部出現(xiàn)高剪切應(yīng)力，導(dǎo)致桿體彎曲、斷裂。

圖4 調(diào)心球墊變形破壞Fig.4 Deformation and failure of self aligning ball cushion

煤礦常用的減摩墊片為聚四氟乙烯、1010尼龍、改性1010尼龍、高密度聚乙烯。個(gè)別礦區(qū)不使用減摩墊片或采用在螺紋處涂抹黃油的方式來代替減摩墊片，不合理的減摩墊片預(yù)緊力轉(zhuǎn)化系數(shù)低，且在擰緊螺母過程中墊片易斷裂脫落，無(wú)法實(shí)現(xiàn)減摩效果。

2 錨桿附件力學(xué)性能匹配性研究

GB/T 35056—2018《煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(下文簡(jiǎn)稱國(guó)標(biāo))中要求煤礦巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中要包含錨桿附件材料和規(guī)格[15]。設(shè)計(jì)選用的錨桿支護(hù)材料應(yīng)符合國(guó)家及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，錨桿桿體及其附件的力學(xué)性能應(yīng)相互匹配。為此，在實(shí)驗(yàn)室開展了錨桿螺母與桿體、托板與球墊及減摩墊片與球墊力學(xué)性能匹配性試驗(yàn)。

2.1 螺母與桿體匹配性試驗(yàn)

1)試驗(yàn)方法。選用直徑為22 mm的錨桿，鋼材強(qiáng)度500 MPa，螺距3 mm，螺紋為三角形，螺紋公稱直徑24 mm。主要考慮螺母不同強(qiáng)度等級(jí)、不同厚度及不同形狀，強(qiáng)度等級(jí)分別為5級(jí)、6級(jí)和8級(jí)，螺母厚度分別為20 mm和30 mm，螺母形狀為法蘭螺母和非法蘭螺母。將試樣制作成標(biāo)準(zhǔn)試樣，在材料試驗(yàn)機(jī)上開展拉伸試驗(yàn)，測(cè)試螺母與桿體連接處的力學(xué)性能匹配性。

2)螺母強(qiáng)度對(duì)連接處力學(xué)性能的影響。不同強(qiáng)度等級(jí)螺母與桿體的拉伸載荷曲線如圖5所示。由圖5可得，當(dāng)螺母強(qiáng)度為5級(jí)時(shí)，隨著載荷的增加，試樣位移逐步增大，螺母連接處出現(xiàn)脫扣，錨桿桿體并未出現(xiàn)破斷，而是螺母與桿體出現(xiàn)滑脫(圖6)。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)槁菽笍?qiáng)度較低，受載達(dá)到一定數(shù)值后，螺母部分螺紋被拉脫，而桿體外螺紋仍保持完好，在拉伸曲線上表現(xiàn)為載荷波動(dòng)。整體來看，5級(jí)螺母強(qiáng)度低，與桿體不匹配。

圖5 不同強(qiáng)度螺母與桿體拉伸載荷曲線Fig.5 Tensile load curves of nut and rod with different strength

圖6 5級(jí)螺母滑脫Fig.6 Slipping failure of grade 5 nut

當(dāng)螺母強(qiáng)度等級(jí)為6級(jí)和8級(jí)時(shí)，錨桿桿體出現(xiàn)了破斷，破斷載荷達(dá)到280 kN，且從錨桿受載到破斷整個(gè)過程中，錨桿螺母連接處一直保持完好，未出現(xiàn)脫扣的現(xiàn)象。

圖7 不同齒高螺母與桿體拉伸載荷Fig.7 Tensile load of nut and rod with different tooth height

由圖7可得，當(dāng)齒高為0.6H時(shí)，試樣最大載荷200 kN，螺母與桿體連接處出現(xiàn)滑脫，試樣拉伸載荷急劇降低，載荷降低至80 kN。隨后拉伸載荷進(jìn)一步增加，然后又急劇降低，螺母內(nèi)螺紋全部被拉脫，連接處失去承載能力。

當(dāng)齒高為0.7H和0.8H時(shí)，試樣從開始拉伸到破斷，螺母螺紋均未出現(xiàn)滑脫的現(xiàn)象，載荷達(dá)到230 kN左右時(shí)錨桿出現(xiàn)屈服，280 kN時(shí)錨桿破斷，最大位移近40 mm。在整個(gè)拉伸過程中，螺母與桿體連接處未出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，這說明0.7H和0.8H齒高的螺紋可滿足錨桿的需要。

4)螺母厚度對(duì)連接處力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了螺母厚度為20 mm和30 mm試樣的拉伸承載特性，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2種螺母在錨桿破斷前均未出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，螺母螺紋也未出現(xiàn)滑脫，2種螺母均滿足錨桿使用要求，錨桿在載荷225 kN出現(xiàn)屈服，275 kN出現(xiàn)破斷。法蘭螺母和非法蘭螺母對(duì)試樣的承載力影響不大，2種螺母的試樣最大承載力和位移基本相同，這說明法蘭螺母和非法蘭螺母均能滿足使用要求(圖8)。

圖8 不同螺母錨桿連接處破斷特征Fig.8 Fracture characteristics of bolt joint under different nuts

2.2 托板與調(diào)心球墊匹配性試驗(yàn)

錨桿托板的形狀有多種，拱形可調(diào)心托板是我國(guó)目前煤礦井下最常用的托板，拱形托板結(jié)構(gòu)合理，能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)作用[16]。

2.2.1 托板與調(diào)心球墊匹配關(guān)系

為了研究托板與調(diào)心球墊的匹配性，分別選擇潞安漳村煤礦(以下簡(jiǎn)稱漳村礦)、新鄉(xiāng)鼎盛(以下簡(jiǎn)稱鼎盛)、潞安五陽(yáng)煤礦(以下簡(jiǎn)稱五陽(yáng)礦)、晉城市利晨礦用支護(hù)材料有限公司(以下簡(jiǎn)稱利晨)使用的托板進(jìn)行試驗(yàn)，4個(gè)廠家的托板尺寸均為150 mm×150 mm×10 mm，材質(zhì)為Q235，托板結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 不同托板的參數(shù)Table 1 Parameters of different pallets

對(duì)上述4種托板和調(diào)心球墊進(jìn)行了承載力特性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同托板承載力曲線Fig.9 Bearing capacity curves of different pallet

由圖9可得，漳村礦的托板承載力達(dá)到250 kN后，承載力出現(xiàn)緩慢增加，托板四角翹起，托板拱部產(chǎn)生較大變形，拱部逐步被壓平，托板失效時(shí)最大承載力達(dá)到400 kN以上；鼎盛的托板承載達(dá)到170 kN時(shí)，承載力出現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，托板四角翹起，承載力達(dá)到200 kN時(shí)，承載力又出現(xiàn)快速增加的趨勢(shì)，托板最終失效的最大承載力為270 kN；五陽(yáng)礦的托板承載力逐步上升到250 kN，然后承載力基本保持穩(wěn)定，變形一直增加，最后四角翹起，托板最大承載力為250 kN；利晨的托板承載力達(dá)到260 kN時(shí)，承載力出現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)，托板變形特征與漳村礦的基本相同，最大承載力為370 kN。

整體來看，4種托板和調(diào)心球墊的承載力基本能夠滿足普通500號(hào)錨桿的需要，但五陽(yáng)礦和利晨的球墊剛度較低，在壓縮過程中，球墊產(chǎn)生較大變形，當(dāng)受載較大時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)心作用。漳村礦和鼎盛生產(chǎn)的調(diào)心球墊剛度相對(duì)較高，受載過程中球墊變形小，基本能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)心要求。

2.2.2 調(diào)心球墊調(diào)心效果試驗(yàn)

巷道表面坑洼不平，錨桿很難與巖面保持垂直，錨桿與巖面不垂直使錨桿承受側(cè)向作用力，從而導(dǎo)致錨桿受彎或受剪破斷。調(diào)心球墊的主要作用是通過調(diào)節(jié)錨桿的角度，可使錨桿在一定的角度范圍內(nèi)自適應(yīng)，從而不出現(xiàn)受彎或受剪破斷。

為了測(cè)試調(diào)心球墊的調(diào)心效果，分別測(cè)試了鼎盛和漳村礦調(diào)心球墊在10°巖面的調(diào)心效果(圖10)。試驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)矩采用轉(zhuǎn)矩扳手施加，轉(zhuǎn)矩從0施加至500 N·m，分別記錄調(diào)心球墊調(diào)心角度、托板旋轉(zhuǎn)角度和錨桿彎曲角度，測(cè)試結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖10 2種托板與球墊Fig.10 Two kind of pallet and ball pad

圖11 漳村礦組合結(jié)構(gòu)的調(diào)心角度曲線Fig.11 Alignment angle curves of combined structure inZhangcun Mine

圖12 鼎盛組合結(jié)構(gòu)的調(diào)心角度曲線Fig.12 Alignment angle curves of combination structure inDingsheng Company

由圖11可得，隨著錨桿預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的增加，錨桿彎曲角度、托板旋轉(zhuǎn)角度及墊圈調(diào)節(jié)角度均相應(yīng)增加。在預(yù)緊轉(zhuǎn)矩達(dá)到500 N·m時(shí)，錨桿彎曲角度達(dá)到2°，托板旋轉(zhuǎn)角度為5°，調(diào)心球墊的最大調(diào)心角度為3°。

鼎盛的組合結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)矩施加的過程中，錨桿彎曲角度和托板旋轉(zhuǎn)角度相應(yīng)增加，而調(diào)心球墊調(diào)心的角度變化不大。在預(yù)緊轉(zhuǎn)矩達(dá)到500 N·m時(shí)，錨桿彎曲角度達(dá)到7.7°，托板旋轉(zhuǎn)角度為9.2°，調(diào)心球墊的最大調(diào)心角度為1.6°。

整體來看，漳村礦托板球窩與調(diào)心球墊外表面接觸更加合理，其調(diào)心效果相對(duì)較好。球墊剛度、強(qiáng)度越高，調(diào)心效果越好。否則，調(diào)心球墊會(huì)由于產(chǎn)生較大變形而失去調(diào)心作用。

2.3 減摩墊片與球墊匹配性試驗(yàn)

減摩墊片的主要作用是通過減小螺母端部與調(diào)心球墊接觸面的摩擦力，從而提高螺母的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩與錨桿軸力預(yù)緊力的轉(zhuǎn)化系數(shù)，最終提高錨桿支護(hù)效果。試驗(yàn)選取煤礦最為常用的螺紋公稱直徑為M24的螺母，開展5組試驗(yàn)，分別為未使用減摩墊片、1010尼龍、聚四氟乙烯、高密度聚乙烯及改性1010尼龍，預(yù)緊轉(zhuǎn)矩從0至800 N·m，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同預(yù)緊轉(zhuǎn)矩下的錨桿軸力，測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

圖13 減摩墊片轉(zhuǎn)矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化測(cè)試結(jié)果Fig.13 Test results of torque and preload conversion of antifriction gasket

由圖13可得，錨桿預(yù)緊力與轉(zhuǎn)矩基本呈線性增加關(guān)系，隨著預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的增加，錨桿預(yù)緊力相應(yīng)增加。在同一轉(zhuǎn)矩下，不同減摩墊片的錨桿預(yù)緊力顯著不同，使用減摩墊片的錨桿預(yù)緊力明顯增高。當(dāng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到400 N·m時(shí)，未使用減摩墊片、聚四氟乙烯、1010尼龍、改性1010尼龍及高密度聚乙烯減摩墊片的錨桿軸力分別為70.0、76.1、94.1、82.3和90.1 kN，其中1010尼龍墊片減摩效果最好。試驗(yàn)過程中，聚四氟乙烯和改性1010尼龍墊片受壓延性較差，當(dāng)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩超過200 N·m時(shí)，墊片易開裂脫落，無(wú)法發(fā)揮其減摩效果。與其相比，1010尼龍墊片受壓延性較好，在受壓過程中會(huì)產(chǎn)生擠壓變形，最后形成碗狀，很好地發(fā)揮了減摩效果。

3 錨桿附件技術(shù)要求

不同規(guī)格的錨桿附件其力學(xué)性能差異較大，嚴(yán)重影響錨桿支護(hù)效果。同時(shí)，錨桿附件匹配性也會(huì)影響錨桿的受力狀態(tài)，錨桿附件不匹配會(huì)導(dǎo)致錨桿產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，從而致使錨桿因非正常承載而破斷。

3.1 螺母

螺母的技術(shù)要求：①承載能力與桿尾螺紋相匹配，因?yàn)槠淦茐臅?huì)導(dǎo)致整個(gè)錨桿失效；②規(guī)格、形狀及加工精度利于給錨桿施加高預(yù)應(yīng)力；③有利于錨桿快速安裝。

不同強(qiáng)度級(jí)別的錨桿應(yīng)選擇合適的螺母型號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)螺母和桿體力學(xué)性能的匹配，335號(hào)、400號(hào)、500號(hào)及600號(hào)錨桿要求配套螺紋及螺母性能等級(jí)分別不低于4級(jí)、5級(jí)、6級(jí)和8級(jí)。

3.2 托板

托板的技術(shù)要求：①承載能力與桿體相匹配，托板的過大變形與破壞會(huì)極大降低錨桿的支護(hù)能力，甚至導(dǎo)致支護(hù)體系失效；②有一定的變形能力，受力壓縮后不脆裂或過量外翻導(dǎo)致失效(圖14)；③有一定的面積，利于錨桿預(yù)應(yīng)力的有效擴(kuò)散；④有一定的調(diào)心能力，適當(dāng)調(diào)節(jié)錨桿受力，使錨桿處于較好的受力狀態(tài)。

圖14 冷沖壓托板開裂Fig.14 Cracking of cold stamping pallet

托板的承載力與托板的材質(zhì)、厚度、形狀、拱高及加工工藝等有關(guān)。結(jié)合目前煤礦井下常用的?22 mm的335號(hào)和500號(hào)錨桿，桿體屈服力分別為127、190 kN，對(duì)應(yīng)的托板承載力不低于165 kN和247 kN，以拱形托板為宜，尺寸120 mm×120 mm～200 mm×200 mm，厚度分別不低于8 mm和10 mm，拱高不低于34 mm。錨桿托板應(yīng)保持下端面平整，不得出現(xiàn)四角翹起。在圍巖松軟破碎或高地應(yīng)力情況下可選用尺寸更大的托板。

3.3 調(diào)心墊圈

調(diào)心球墊的技術(shù)要求：①承載能力與桿體相匹配；②規(guī)格及孔徑大小與桿體直徑匹配，過大或過小都易導(dǎo)致錨桿受力惡化破斷或失去調(diào)心作用。

調(diào)心球墊多為鍛造件，材料多為A3鋼或Q235鋼，強(qiáng)度與托板相當(dāng)。調(diào)心球墊內(nèi)徑與桿體間直徑差1～2 mm為宜。調(diào)心球墊直徑或厚度過大，會(huì)導(dǎo)致調(diào)心球墊與調(diào)心托板的球窩不匹配，出現(xiàn)錨桿被卡破斷及調(diào)心墊圈嚴(yán)重扭曲破壞的情況。

錨桿托板球窩幾何形狀及力學(xué)性能應(yīng)與調(diào)心球墊相匹配，調(diào)心球墊應(yīng)能允許錨桿桿體與托板之間有不小于10°的偏角而不出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。

3.4 減摩墊片

減摩墊圈的材質(zhì)對(duì)其性能起關(guān)鍵作用，減摩墊片的外徑需與調(diào)心球墊外徑相近，調(diào)心球墊與桿體間隙過大容易造成減摩墊片的斷裂或切分，減摩效果大幅降低[18]。對(duì)于普通巷道，優(yōu)先選用1010尼龍墊片，特別復(fù)雜困難的巷道也可選用軸承作為減摩墊片。

4 錨桿附件的井下應(yīng)用與支護(hù)效果

錨桿及其附件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦井下巷道，取得較好的支護(hù)效果[19-21]。但是，如果錨桿附件不匹配或設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)由于附件破壞而導(dǎo)致支護(hù)體系失效，嚴(yán)重影響巷道支護(hù)效果。

潞安五陽(yáng)煤礦7602回風(fēng)巷埋深約450 m，沿3號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，鄰近7601工作面剛回采結(jié)束，距離7601工作面采空區(qū)3～8 m，屬小煤柱動(dòng)壓掘進(jìn)巷道。采用數(shù)值計(jì)算結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出巷道初始支護(hù)設(shè)計(jì)：采用強(qiáng)力錨桿、錨索組合支護(hù)系統(tǒng)，并參照上述研究成果進(jìn)行錨桿附件的精細(xì)化設(shè)計(jì)。

錨桿桿體為?22 mm的500號(hào)強(qiáng)力錨桿，極限拉斷力為247 kN，屈服力為190 kN，斷后延伸率大于20%，常溫V型沖擊吸收功≥40 J，桿尾螺紋規(guī)格為M24，采用滾壓加工工藝成型。頂幫錨桿長(zhǎng)度均為2.4 m，采用4支低黏度樹脂錨固劑全長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固；錨桿托板采用高強(qiáng)度拱型托板，托板屈服強(qiáng)度不低于Q235級(jí)，尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，托板高度不低于36 mm，承載能力不低于247 kN；配合調(diào)心球墊和1010尼龍減摩墊片；采用配套高強(qiáng)度螺母M24×3，采用滾壓加工工藝成型。螺母性能等級(jí)為6級(jí)；采用W鋼護(hù)板及金屬經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)表，型號(hào)為W235/280/5.0，鋼護(hù)板屈服強(qiáng)度不低于Q235級(jí)，寬280 mm，厚度5 mm，長(zhǎng)度450 mm，壓槽內(nèi)平面寬度160 mm，破斷力為442.5 kN。

設(shè)計(jì)錨桿間排距均為0.9 m，頂板每排7根錨桿，幫每排8根錨桿，錨桿預(yù)緊轉(zhuǎn)矩要達(dá)到400 N·m，禁止超過550 N·m。頂板錨索直徑22 mm，長(zhǎng)度7.3 m，樹脂與注漿聯(lián)合錨固。采用300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板，托板承載能力不低于600 kN。采用配套強(qiáng)度鎖具。錨索采用三花布置，每2排錨桿打3根錨索，排距0.9 m，間距1.8 m。

在礦壓監(jiān)測(cè)期間，巷道兩幫移近量為265 mm，窄煤柱側(cè)幫變形量為150 mm，頂板下沉量55 mm，底鼓量140 mm；頂板淺部離層27 mm，深部離層10 mm；錨桿平均受力135 kN，錨索受力為244 kN，巷道支護(hù)狀況良好。從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況來看，有無(wú)調(diào)心球墊時(shí)，錨桿受力狀況差異較大，有調(diào)心球墊時(shí)，在錨桿與圍巖不垂直時(shí)，錨桿也不會(huì)受彎而破斷，鋼護(hù)板受力完好，而無(wú)調(diào)心球墊時(shí)，部分錨桿出現(xiàn)受彎折斷，或鋼護(hù)板彎折失效，有無(wú)調(diào)心球墊錨桿安裝如圖15所示。

圖15 有無(wú)調(diào)心球墊時(shí)錨桿安裝對(duì)比Fig.15 Comparison of bolt installation without gasket and with gasket

5 結(jié) 論

1)錨桿附件主要由螺母、托板、調(diào)心球墊及減摩墊片等組成，各附件的變形破壞失效嚴(yán)重影響了錨桿支護(hù)作用的發(fā)揮。錨桿螺母失效形式主要為內(nèi)螺紋被拉平，導(dǎo)致螺母脫落失效；拱形托板失效的形式為拱高被壓平、四角翹起及局部撕裂等，托板承載能力降低失去承載能力；錨桿調(diào)心球墊和減摩墊片的失效為無(wú)法實(shí)現(xiàn)桿體角度的調(diào)節(jié)和提高預(yù)緊力轉(zhuǎn)化系數(shù)。

2)錨桿螺母的強(qiáng)度等級(jí)、內(nèi)螺紋齒高及厚度對(duì)錨桿連接處力學(xué)性能有一定影響，錨桿連接處強(qiáng)度與螺母強(qiáng)度等級(jí)、螺紋齒高及螺母厚度呈正相關(guān)，500號(hào)錨桿桿體選用的螺母強(qiáng)度不宜低于6級(jí)，齒高不小于0.7H，螺母厚度不小于20 mm；托板承載力與托板厚度、拱高呈正相關(guān)，厚度10 mm、拱高40 mm的托板承載力基本能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。不同托板與調(diào)心球墊的匹配性差異較大，球墊與托板孔口接觸越合理、剛度越高越有利于錨桿角度調(diào)節(jié)；不同材質(zhì)減摩墊片的減摩效果有一定差異，與其他減摩墊片相比，1010尼龍墊片減摩效果好，有一定延性，很好地發(fā)揮了減摩效果。

3)基于測(cè)試結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，確定了錨桿附件技術(shù)要求，提出了不同強(qiáng)度等級(jí)錨桿各附件選擇的原則和力學(xué)參數(shù)。在分析上述錨桿附件力學(xué)性能匹配性的基礎(chǔ)上，開發(fā)了相應(yīng)的錨桿附件，并在井下進(jìn)行了試驗(yàn)，大幅度提高了錨桿的支護(hù)效果，減少了因錨桿附件不匹配出現(xiàn)的錨桿因非正常承載出現(xiàn)的破斷現(xiàn)象。