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(lái)，由于很多礦區(qū)沒(méi)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?jiàn)，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(guò)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(jiàn)，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(guò)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(jiàn)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(guò)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。可見(jiàn)，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(guò)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(guò)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(kāi)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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