錨桿錨索預緊力值實驗及配套測力計初裝值設計

白俊杰，趙銀虎，李偉良

(霍州煤電集團 生產技術部， 山西 霍州 031400)

錨桿錨索預緊力作為礦壓研究的主要力學參數之一，許多學者先后從支護理論、作用、轉換關系、損失原因等方面進行了研究，如郭金剛等[1]提出減磨墊片的增設對平托盤、球形托盤預緊力和預緊轉矩之間的轉化效能都有較大幅度的提高，280 N·m轉矩對應的預緊力增幅分別為38.8%和112.1%；付玉凱[2]提出錨桿桿尾螺紋加工精度、錨桿螺紋直徑及減磨墊片材質都影響錨桿桿尾的扭矩與預緊力轉化效率；王強、吳擁政[3]提出錨桿預緊扭矩超過400 N·m，預緊力增加變得緩慢，再增加錨桿扭矩，獲得的預緊力增量很小。合理的錨桿預緊力可以增加巖體的圍壓，有效改變圍巖的應力狀態，改善被錨固巖體的力學性能，增大被錨巖體的強度，有利于保持巷道圍巖的穩定。目前，針對井下現場不同類型錨桿錨索預緊力的損失，剩余有效預緊力，尤其是與之配套的測力計初裝標準值的研究相對較少。因此，選取霍州煤電集團公司9座礦井不同支護材料、施工機具等，以實驗室實驗為基礎，結合現場大量實驗數據，確定與之配套的測力計初裝標準值或范圍值。

1 錨桿預緊力矩-預緊力轉換實驗

錨桿預緊力指安裝錨桿時，通過擰緊螺母施加在錨桿上的拉力，錨桿測力計安裝初始值理論上為扭矩轉換成軸向力的值，但實際上受多種因素影響，兩者之間存在一定差值，如井下使用的錨桿材質、螺母、螺紋等加工精度均較實驗室材質差，會影響錨桿扭矩與預緊力之間的轉化效率，造成預緊力損失。為確定錨桿測力計安裝初始值，需對預緊力矩與預緊力之間的轉化效率進行實驗，確定損失率。

現選取BHRB335型d18 mm和d20 mm錨桿加裝球形托盤、減磨墊片，并將力矩控制在400 N·m以內進行力矩-力轉換實驗。其中，地面以模擬實驗方式進行，將選配好的錨桿在實驗機固定后，再以50 N·m遞增頻率逐步施加力矩，通過錨桿測力計讀取不同扭矩下錨桿所受軸向力的大小。井下實驗則分別選在不同礦井、不同埋藏深度以及圍巖類型不同的位置，將錨桿以日常施工方式錨固在頂板上，然后人工通過力矩扳手緩慢緊固，緊固過程中，通過預裝的測力計讀取每增加50 N·m力矩下，錨桿所受軸向力的大小。

1.1 d18 mm錨桿轉換實驗(一組)

1) 實驗室預緊力矩-預緊力轉換實驗結果見圖1. 150 N·m力矩時，預緊力平均值38 kN；200 N·m力矩時，預緊力平均值52 kN；250 N·m力矩時，預緊力平均值63 kN；300 N·m力矩時，預緊力平均值75 kN.

圖1 d18 mm錨桿力矩-力轉換實驗結果圖

2) 井下現場預緊力矩-預緊力轉換實驗結果見圖2. 200 N·m力矩時，測力計監測平均值29.7 kN；250 N·m力矩時，測力計監測平均值32.6 kN；300 N·m力矩時，測力計監測平均值34.3 kN.

圖2 d18 mm錨桿力矩-力現場測試結果圖

對比一組井上下實驗結果，當力矩控制在200～300 N·m時，實驗室預緊力為52～75 kN，現場為30～34.3 kN，現場預緊力損失率42.9%～54.2%，監測預緊力為屈服載荷的35%～40.4%. 錨桿力矩轉換實驗結果見表1.

1.2 d20 mm錨桿轉換實驗(二組)

1) 實驗室預緊力矩-預緊力轉換實驗結果見圖3. 200 N·m力矩時，預緊力平均值54 kN；250 N·m力矩時，預緊力平均值65 kN；300 N·m力矩時，預緊力平均值77 kN；350 N·m力矩時，預緊力平均值95 kN.

表1 d18 mm錨桿力矩轉換實驗結果表

圖3 d20 mm錨桿力矩-力轉換實驗圖

2) 井下現場預緊力矩-預緊力轉換實驗結果見圖4. 250 N·m力矩時，測力計監測平均值39.5 kN；300 N·m力矩時，測力計監測平均值43.2 kN；350 N·m力矩時，測力計監測平均值46.3 KN.

圖4 d20 mm錨桿力矩-力現場測試結果圖

對比二組井上下實驗結果，當力矩控制在250～350 N·m時，實驗室預緊力為65～95 kN，現場為39.5～46.3 kN，現場預緊力損失率39%～51.2%，監測預緊力為屈服載荷的37.6%～44%.錨桿力矩轉換實驗結果見表2.

表2 d20 mm錨桿力矩轉換實驗結果表

2 錨桿測力計安裝初始值設計

井上下力矩-力轉換實驗結果表明，錨桿測力計安裝初始值因施加力矩大小變化而變化，即應通過設定固定力矩值方式來控制現場錨桿測力計安裝初始值大小。

通過實驗數據分析，力矩值每增加50 N·m，監測預緊力值提高5%～9%，預緊力損失率增加5%～7%，說明在通過提高力矩值增加預緊力的同時，其相應預緊力損失率呈遞增趨勢，且遞增速度呈上升趨勢；其次，井下力矩-力轉換損失率一組平均值48.5%，二組44.7%，實驗室與井下現場損失率平均值46.6%.

為滿足設計預緊力為屈服載荷的30%～60%要求[4]，BHRB335型d18 mm錨桿測力計安裝初始值不低于25.5 kN，當力矩控制在200～300 N·m時，測力計初始值為28～36 kN；BHRB335型d20 mm錨桿測力計安裝初始值不低于31.5 kN，當力矩控制在250～350 N·m時，測力計初始值為35～51 kN.

3 錨索預緊力損失實驗

錨索測力計安裝初始值為理想狀態下錨索張拉鎖定后的數值，與現場張拉力、預應力損失率等有關，除了受儀器儀表精度誤差、儀器儀表安裝角度、接觸面等因素影響外，還受張拉鎖定過程中彈性回縮、錨索直徑、長度、張拉程度、張拉千斤頂以及錨具等多種因素影響[5]. 因此，在設計初始安裝值前，需對預緊力損失率進行實驗，確定損失率大小。

選取不同型號、長度錨索，進行預緊力損失實驗。實驗選在不同礦井、不同埋藏深度以及圍巖類型不同的位置，將錨索以日常施工方式錨固在頂板上，然后分別選用不同油泵結構張拉機具進行張拉，張拉鎖定后，分別記錄施加的張拉力值和預裝的測力計監測值。

3.1 d18.9 mm錨索現場張拉實驗(一組)

選取1×7結構d18.9 mm(抗拉強度1 860 MPa)錨索，在張拉力、錨索長度、張拉機具類型等不同條件下進行現場張拉實驗，結果見表3.

表3 不同條件下d18.9 mm錨索現場張拉實驗結果表

由表3分析可知，1×7結構d18.9 mm(抗拉強度1 860 MPa)錨索預緊力平均損失率為29.3%；單缸油泵結構預緊力損失率27.3%，雙缸油泵結構預緊力損失率38.3%；5 m以下錨索預緊力損失率34.8%，6 m左右錨索預緊力損失率28.5%，8 m左右錨索預緊力損失率25%；現場張拉力180～190 kN時，損失率32%，張拉力200 kN時，損失率28.6%，張拉力220 kN時，損失率23.9%.

3.2 d21.6 mm錨索現場張拉實驗(二組)

選取1×7結構d21.6 mm(抗拉強度1 860 MPa)錨索，在張拉力、錨索長度等不同條件下進行現場張拉實驗，結果見表4.

表4 不同條件下d21.6 mm錨索現場張拉實驗結果表

由表4分析可知，1×7結構d21.6 mm(抗拉強度1 860 MPa)錨索預緊力平均損失率為29.2%；7 m左右錨索預緊力損失率31%，8 m左右錨索預緊力損失率26.7%；現場張拉力200～210 kN時，損失率30.1%，張拉力220～230 kN時，損失率26.7%.

3.3 1 720～1 770 MPa錨索現場張拉實驗(三組)

選取1×7結構d17.8 mm(抗拉強度1 720 MPa)、21.6 mm(抗拉強度1 770 MPa)錨索，進行現場張拉實驗，結果見表5.

表5 抗拉強度1 720～1 770 MPa錨索現場張拉實驗結果表

由表5分析可知，1×7結構(抗拉強度1 720～1 770 MPa)錨索預緊力平均損失率為30.5%；單缸油泵結構預緊力損失率28.1%，雙缸油泵結構預緊力損失率32.8%；4.5 m錨索預緊力損失率32.8%，8.5 m錨索預緊力損失率28.1%；現場張拉力160 kN時，損失率32.8%，張拉力240 kN時，損失率28.1%.

3.4 3組數據綜合分析

3組27個實驗數據表明，預緊力平均損失率為29.7%；雙缸油泵張拉機具的預緊力損失率大于單缸油泵張拉機具預緊力損失率；張拉力逐步增加，預緊力損失呈遞減趨勢；錨索長度逐步增加，預緊力損失呈遞減趨勢。張拉力-損失率、錨索長度-損失率曲線分別見圖5，圖6.

圖5 張拉力-損失率曲線圖

圖6 錨索長度-損失率曲線圖

4 錨索測力計安裝初始值設計

根據現場條件和施工機具現狀，3組27個實驗數據表明，預緊力平均損失率為29.7%，即測力計安裝初始值一般為現場張拉力的70%.

根據國內外經驗，煤礦一般將錨索的預緊力設計為錨索破斷載荷的30%～50%[6].以表3，4，5實驗數據為基礎，考慮損失率不變，反算監測值/破斷力平均值，若想達到30%最低要求時，第1組張拉力/破斷力平均值應大于42.8%，第2組張拉力/破斷力平均值應大于42.9%，第3組張拉力/破斷力平均值應大于43.2%，3組綜合平均值為42.97%.

為保證預緊力設計符合要求，現場張拉時應按不小于43%破斷載荷值進行張拉，測力計初裝值一般為現場張拉預緊力的70%. 如1×7結構d18.9 mm(抗拉強度1 860 MPa)錨索現場張拉力為176 kN時，測力計監測值123 kN，監測值為破斷載荷409 kN的30%，現場張拉力為破斷載荷的43%.

5 結 論

通過理論分析，實驗室與井下現場實驗，并結合以往工程實踐經驗，提出錨桿錨索測力計安裝初始值設計方案。以設定固定力矩值方式控制錨桿測力計安裝初始范圍值或平均值。如：BHRB335型d18 mm錨桿測力計安裝初始值不低于25.5 kN，當力矩控制在200～300 N·m時，測力計初始值為28～36 kN；BHRB335型d20 mm錨桿測力計安裝初始值不低于31.5 kN，當力矩控制在250～350 N·m時，測力計初始值為35～51 kN.

在考慮錨索張拉預緊力損失前提下，測力計初裝值一般為現場張拉力的70%；同時為確保監測預緊力值大于破斷載荷的30%，井下現場張拉力應大于錨索破斷載荷的43%.