煤巷锚杆预紧力损失特征及围岩控制机理研究_于智卓.pdf

：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金面上项目（）作者简介：于智卓（），男，内蒙古通辽人，硕士，工程师，主要从事矿山安全与灾害防治、矿山压力与岩层控制等方向的研究与管理工作，：。引用格式：于智卓，孙 鑫，刘克臣 煤巷锚杆预紧力损失特征及围岩控制机理研究 煤炭工程，（）：煤巷锚杆预紧力损失特征及围岩控制机理研究于智卓，孙 鑫，刘克臣（山西朔州山阴金海洋五家沟煤业有限公司，山西 朔州；中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州）摘 要：锚杆预紧力对维持煤巷围岩稳定具有重要作用，然而现场工程中因预紧力损失造成的巷道失稳现象普遍发生。分析了锚杆预紧扭矩与预紧力间的转化关系，研究了五家沟煤矿现场锚杆预紧力损失现象，揭示了锚杆预紧力损失行为特征及原因，并探究了不同预紧力损失率下锚杆对围岩应力及位移分布的影响。研究发现：现场锚杆预紧扭矩与预紧力基本呈线性正相关，但受支护构件间摩擦和巷道围岩条件影响，锚杆预紧力损失率均值范围为 ，而锚杆预紧力损失加重可导致巷道浅部围岩应力下降，围岩变形及塑性区深度和体积增加，降低围岩的承载能力。研究可为现场锚杆预紧施工提供指导，提高支护初期巷道围岩的稳定。关键词：锚杆预紧力；预紧力损失；围岩控制；巷道支护 中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；锚杆支护已成为我国煤矿巷道支护的主要方式，其实质就是锚杆岩体相互作用形成具有更高强度的锚固承载体，。但巷道锚杆支护区顶板下沉垮冒，而锚杆实际受力却很小的现象时有发生，其重要原因是，锚杆在安装时没有及时施加适当的预应力，导致巷道围岩中未形成层状顶板预应力支护承载结构，。目前，我国煤矿主要通过拧紧锚杆尾部螺母和压紧锚杆托盘实现锚杆预紧，已有研究表明锚杆第卷第期 煤 炭 工 程 ，的预紧扭矩与预紧力存在强烈的线性关系。然而，现场应用发现施加特定的预紧扭矩时，锚杆实际受到的预紧力普遍低于理论计算的预紧力，即现场锚杆预紧时预紧力存在较大损失。研究表明，导致预紧过程中锚杆预紧力损失的原因主要有巷道围岩条件、支护构件的摩擦系数、锚杆螺纹加工精度、锚杆及螺母材质及减摩材料类型等。提高锚杆预紧力的措施主要包括增大预紧扭矩和提高扭矩转换效率。由于预紧扭矩受到预紧设备输出扭矩限制，加之高扭矩对锚杆损伤较大，因此如何提高扭矩转换效率成为降低预紧力损失的关键，学者对此开展了大量研究。范建明通过实验研究了锚杆直径、减摩垫片材质对锚杆扭矩系数的影响，确定扭矩系数值范围在 ，并提出相同预紧扭矩下减摩措施可使预紧力值提高约 。贾瑞荣等实测了煤巷锚杆分别在有无减摩垫圈条件下，不同预紧扭矩对应的锚杆预紧力，研究表明减摩垫圈能提高锚杆预应力约 以上。王朋等测试了不同强度等级的镀锌螺栓扭矩系数影响因素，发现高强螺栓可增大扭矩转化效率，而螺栓润滑可促进转化效率的提升。付玉凯推导出预紧力和预紧扭矩之间的数学关系，并试验研究了锚杆螺纹精度、锚杆直径及减磨垫片材质 种因素对扭矩转化效率的影响。薛刚等现场实测对比了不同直径、不同减摩系数下锚杆实际预紧力和理论预紧力的差异，发现减小摩擦可降低扭矩系数。现有研究对预紧扭矩与预紧力间的关系进行研究，并利用室内实验确定了影响扭矩系数大小的主要因素，但是对现场锚杆预紧扭矩转化规律及预紧力损失行为研究较少，因此，本研究通过现场锚杆预紧扭矩转化实验，揭示预紧扭矩转化规律及预紧力损失特征，对指导巷道锚杆支护具有重要意义。锚杆预紧扭矩与预紧力转化规律分析煤矿锚杆预紧力施加主要利用拧紧锚杆尾部螺母，从而压紧锚杆托板实现的。根据经典理论，设 为锚杆预紧扭矩，为锚杆预紧力，则锚杆预紧扭矩与预紧力关系见式（）。定义扭矩转化系数为，其值表示预紧扭矩转化为锚杆预紧力的效率，则从式（）可以看出，受锚杆材质及规格、加工精度、摩擦系数等因素的影响，且分析式（）可知，增加预紧扭矩和降低减小转换系数是提高锚杆预紧力的关键。（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中，和 分别为螺母外接圆直径、锚杆直径和螺线线环平面直径，；为螺纹升角，（）；，分别为丝扣间摩擦系数和螺母与托盘间摩擦系数。本研究在五家沟煤矿 主运巷开展，该巷道内锚杆采用 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，左旋无纵筋螺纹钢各参数见表。将各参数代入式（）可得五家沟矿锚杆理论扭矩转化系数为 。现场试验 试验巷道地质条件本试验在五家沟煤矿 辅运巷开展，该巷道埋深 ，工作面煤层结构简单稳定，走向变化较小，煤层倾角 ，煤层厚度平均 ，巷道内无陷落柱及断层等突出地质构造。巷道顶板煤层内含有 层夹矸，夹矸平均厚度 之间，岩性以泥岩、炭质泥岩为主。煤层顶底板岩层分布见表。表 锚杆预紧力计算参数参数类型参数值 表 煤层顶底板岩层岩性平均厚度 备注粗质砂岩基本顶细粒砂岩 直接顶煤 煤层砂质泥岩 直接底施工技术 煤 炭 工 程 年第 期 巷道支护参数 辅运巷沿煤层底板掘进，巷道设计长度，该巷道尺寸为 ，矩形断面。支护方式为锚网索带，顶板及两帮锚杆采用 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶锚杆间排距 ，帮锚杆间排距 ，锚杆托盘为 高强拱形托盘。顶锚杆和帮锚杆均使用双速 和 树脂锚固剂进行锚固。其中，顶锚杆锚固力不低于 ，帮锚杆锚固力不低于 。锚索采用 的钢绞线，间排距 。每根锚索使用 根 和双速 树脂锚固剂，确保锚索端头在稳定基岩中的锚固长度。锚索托盘采用 的钢板制作，锚固力不小于 。试验开展选取五家沟煤矿 主运巷为试验点，在距巷道开口 处的巷道顶板中部打设 个锚固孔，然后将托盘紧贴顶板安装到锚杆，并将锚杆应力计置于托盘上方，通过扭矩扳手扭紧螺母施加不同等级的预紧扭矩，最后利用锚杆（索）应力计测定不同预紧扭矩对应的锚杆预紧力值，每根锚杆重复预紧 次。实验中锚杆、托盘、锚固剂型号及预紧扭矩等级见表。表 五家沟煤矿现场试验参数锚杆类型锚杆尺寸 托盘型号托盘尺寸 锚固剂型号扭矩等级（）左旋螺纹钢方拱托盘 树脂锚固剂（间隔）锚杆预紧力转化规律及损失特征分析 锚杆预紧扭矩转化规律分析五家沟煤矿顶板锚杆预紧力随预紧扭矩变化规律如图 所示，图中 和 为帮部 和 锚杆，为各锚杆不同预紧次数下对应的预紧力，为预紧扭矩。由图 可知，和 锚杆预紧过程中，锚杆预紧力随预紧扭矩的增大而增加，且基本呈线性相关。但是，预紧扭矩在 范围增加时，和 锚杆对应的平均预紧力变化范围分别为 和 ，这表明预紧扭矩相同时，不同锚杆的对应的预紧力值不相等，即不同锚杆对应的扭矩转化效率存在差异。然而现场试验保持锚杆型号和预紧施工条件均一致的情况下预紧力值仍不相等，由此推测，巷道表面平整度和围岩破碎度等围岩条件对扭矩转化效率存在较大的影响。为了研究锚杆预紧扭矩与预紧力间的转化关系，计算各锚杆不同预紧扭矩下重复预紧时的预紧力均值，绘制预紧扭矩与平均预紧力关系曲线，然后进行拟合分析，拟合结果如图 所示。由图 可知，锚杆的平均预紧力和预紧扭矩的线性程度较好，且和 锚杆拟合曲线斜率分别为 和 ，表明 锚杆的扭矩转化效率更高。理论而言，各锚杆的扭矩转化系数均为 ，而扭矩转化效率与预紧力损失直接相关，表明两根锚杆均存在预紧力损失图 和 锚杆预紧扭矩与预紧力关系现象，且 比 锚杆的预紧力损失更严重。锚杆预紧力损失特征分析和 锚杆预紧力损失统计结果如图 所示，图中，和，分别为 和、间的差值，表示不同预紧次数下锚杆预紧力相比初次预紧时的损失量。由预紧扭矩与预紧力关系曲线可知，重复预紧时，随着预紧次数增加锚杆预紧力值明显下降，表明重复预紧会促进锚杆预紧力产生损失。但是 和 锚杆的损失特征不同。由图 可知，锚杆的，和，范围分别为 和 年第 期 煤 炭 工 程 施工技术 图 五家沟矿左帮锚杆 关系及拟合曲线 ，锚杆的，和，范围分别为 和 ，这表明第二次预紧时 锚杆的预紧力损失更高，而 锚杆第三次预紧时的损失率更高。此外，由图可知随着预紧扭矩的增加，锚杆预紧力损失量也普遍增大，表明预紧力大小对预紧力损失也会产生影响。图 和 锚杆预紧力损失统计结果 锚杆预紧力损失原因分析巷道开挖后，围岩由原来的三向应力状态变为二向受力，巷道周边发生较大变形形成围岩破碎区（），巷道帮部成为具有复杂结构的多裂隙实体煤，同时该区域也是锚杆的作用范围，。因此，对锚杆施加预紧力时，托盘对围岩的压缩可用岩体三轴压缩实验中的应力应变关系模型解释。托盘对岩体进行压缩时，岩体内的结构面（节理、裂隙等）被压密闭合，所以岩体在托盘压力作用下产生持续纵向变形，从而引起托盘与围岩间产生松弛，导致预紧力发生损失。研究发现当围岩表面平整度较差时，也会造成锚杆预紧力发生较大损失，这是由于围岩平整度较差时托盘不能紧贴围岩表面平行安装，导致锚杆调心球垫、锚杆托盘和锚杆与螺母间螺纹产生额外接触和侧向挤压，使得锚杆与其他支护构件间产生额外的摩擦扭矩，导致锚杆预紧过程中预紧力损失增加。此外本研究中为了减少减摩垫片挤压变形对预紧力变化的影响，试验过程中未在螺母和锚杆应力计间安装减磨垫片。因此，预紧过程中设定施加的预紧扭矩值并未完全转为为预紧力，而有相当一部分用来克服摩擦力矩，即用于施加预紧力的实际预紧扭矩低于设计预紧扭矩，从而导致实际预紧力要低于理论预紧力。另外，重复预紧过程中，反复预紧也会使得从锚杆和螺母上剥落的铁屑增多，同时破坏锚杆和螺母表面的氧化层，导致螺母托盘、以及锚杆螺母螺纹间的摩擦系数逐渐增加，这将造成预紧扭矩转化效率更低，预紧力损失更加严重。预紧力损失对围岩控制作用分析 模型构建及实验方法利用数值模拟分析不同锚杆预紧力损失率下围岩应力及位移分布特征，揭示预紧力损失对巷道失稳的控制作用，对现场锚杆预紧施工中预紧力值的设计非常重要。岩层及巷道模型如图 所示，模拟的岩层物理力学参数见表。地层模型尺寸 ，六面体单元网格数 个，节点数 个，巷道变形破坏本构模型为 ，模型底部边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定，上边界按采深 计算施加 的竖向荷载以模拟上覆岩体自重，模拟巷道尺寸为 。图 数值模拟模型施工技术 煤 炭 工 程 年第 期表 岩层物理力学参数岩性体积模量 剪切模量 泊松比内摩擦角（）抗拉强度 密度（）煤 砂质泥岩 中粒砂岩 粉砂岩 细粒砂岩 本模拟通过研究不同预紧力损失率下巷道锚杆支护效果，模拟方案以 预紧扭矩对应的 预紧力为标准，设置预紧力损失等级分别为（）、（）、（）和（），对比不同预紧力下巷道围岩变形破坏情况。图 不同预紧力损失率下巷道应力分布 预紧力损失对围岩变形特征的影响锚杆不同预紧力损失率下的围岩应力分布特征如图 所示。由图 可知，巷道顶底板及帮部围岩均处于压应力状态，当初始预紧力损失率为，和 时，顶底板 内围岩应力范围分别为 ，和 ，两帮 内围岩应力范围分别为 ，和 。由此可见，随着锚杆预紧力损失增加巷道浅部围岩内应力逐渐减小，低应力区分布范围加深，表明预紧力损失不利于预紧力在围岩中扩散，导致浅部围岩应力水平降低，使得低应力区内岩层的强度和刚度降低，无法形成有效的锚固承载结构。此外，帮部煤体 内出现应力集中，随着预紧力损失率的增加最大应力值在 间逐渐增加，而且两帮煤体中的应力集中范围也逐渐增大，表明预紧力损失会增加帮部煤体内应力水平和范围，从而造成煤巷两帮变形量的增加，不利于巷道围岩的稳定。锚杆不同预紧力损失率下的巷道变形特征如图 所示。由图 可知，预紧力损失率从 增加至 时，顶板最大下沉量分别为 ，和 ，底鼓量为 ，和 ，左右两帮收敛量基本相同分别为 ，。由此可知，巷道开挖后巷道围岩发生变形，在相同围岩及预紧条件下，呈现出“帮部收敛量顶板下沉量底鼓量”的规律，而且巷道围岩最大变形量随着预紧力损失率增加而增大。图 不同预紧力损失率下巷道变形曲线对比顶底板位移，发现两者呈现出明显的非对称性，但顶板达到变形稳定所需的时间更长，表明顶板变形速率相比于底鼓更慢。分析原因可知，预紧力损失导致巷道顶板及两帮围岩承载能力减弱，年第 期 煤 炭 工 程 施工技术 引起顶板及两帮变形量增大，使得围岩应力得到较大程度的释放，则通过煤帮传递到底板的应力水平和范围降低，故底板变形相对顶板与帮部更小，而且由于底板未进行锚杆支护，所以变形速率相对更快。对比两帮位移，发现帮部围岩变形规律基本相