新型端部錨固可回收錨桿力學性能試驗與應用

崔鵬毅

（山西潞安環保能源開發股份有限公司 五陽煤礦，山西 長治 046200）

1 概 況

錨桿支護是當前巷道支護手段中施工最方便、工人勞動強度最低且支護效果最好的支護形式，它對圍巖的作用主要是懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用以及后來發展并得到廣泛應用的強度強化作用等。錨桿打設到圍巖中，可將圍巖體的受力狀態從二向受力變為三向受力，有效提高了圍巖的自承能力，增加了圍巖體本身的穩定程度，從而可以保證巷道圍巖的長期穩定。

錨桿桿體作為一次性消耗用品，一旦錨固到煤巖體后，一般均無法取出再次使用，即使巷道服務年限已滿，錨桿桿體也均留在煤（巖）體內。但是，對于工作面煤壁側的錨桿，一般隨著工作面推進、煤炭的采出而將錨桿從煤體中清理出來，清理出來的錨桿由于生銹、錨固劑的粘結影響等因素，一般也無法再次復用。

隨著煤礦精益管理的推進，為進一步降低生產成本，提高經濟效益，諸多專家學者和煤炭企業對可回收錨桿進行了研發。一般來說，可回收錨桿類型可總結為3 類，分別是機械式回收、力學式回收和化學回收。

與其他國家相比，我國可回收錨桿技術的研究與應用起步較晚，但由于我國煤炭企業較多，對可回收錨桿的需求更大，因此，我國的可回收錨桿發展較其它國家快很多。國內許多專家學者也從錨桿的制作工藝、回收工藝、桿體材料等方面對可回收錨桿技術進行了深度探討，但大都停留在理論分析和試驗室試驗的層面上，現場應用案例較少。該項目研發的新型可回收錨桿，除能保證可回收錨桿的錨固能力、防腐能力、適用范圍等適應絕大部分的地質條件外，還能保證現場回收工藝簡單，對錨桿桿體本身的破壞小。

2 錨桿結構設計

2.1 可回收錨桿結構設計

此次設計的新型端錨可回收錨桿為錨固段和可回收桿體段兩部分，在兩部分之間加裝連接套，連接套與可回收桿體段螺紋連接，與錨固段螺紋焊接。整個結構設計為可回收桿體、錨固套及錨固段桿體、托盤、固定螺母、球墊等，如圖1 所示。

圖1 新型端錨可回收錨桿的結構組成示意Fig.1 Structural composition of a newtype of endanchored recoverable anchor bolt

2.2 可回收錨桿的加工

可回收錨桿的長度根據巷道支護設計采用的錨桿長度而定。通常情況下錨固段長度800 mm，可回收段桿體的長度為1 500 mm，連接套長100 mm，錨固段和可回收段桿體的直徑為22 mm，連接套直徑為30～32 mm，連接套與錨固段螺紋連接并焊接，與可回收桿體段螺紋連接，如圖2 和圖3所示。

圖2 可回收錨桿整體結構Fig.2 Overall structure of recoverable anchor bolt

圖3 可回收錨桿連接部分結構Fig.3 Connection structure of recoverable anchor bolt

安裝時可提前將錨固段和非錨固段連接在一起，也可以利用錨桿鉆機的扭矩在安裝錨桿時再把兩段連接在一起。可回收錨桿的連接螺栓是經過特殊熱處理，強度達到桿體的屈服強度，做到錨固段、連接套和可回收段的強度相匹配，保持和發揮螺紋鋼錨桿桿體的強度及延伸性能與整根錨桿的力學性能相當。

3 錨桿拉伸破壞試驗與分析

3.1 試驗目的

可回收錨桿能否成功的一個關鍵技術是要求連接件的強度同被連接件的強度相當，但是其直徑不能太大，否則會導致錨桿錨固孔徑增大，錨固長度變短，影響錨桿錨固力。根據水桶效應，當一個連接段中包含多個危險截面時，其中最薄弱的部分抗拉強度就決定了整個系統的抗拉強度。可回收錨桿的整體強度可能是由可回收錨桿的連接部分強度決定，而連接部分主要包括連接套管的強度和車絲的錨桿桿體的強度以及它們之間的連接強度。只有連接部件的抗拉強度大于或等于螺紋鋼錨桿桿體的強度，可回收錨桿的工作性能才能達到或者接近于正常的螺紋鋼錨桿的工作性能。因此，有必要對可回收錨桿的連接件進行抗拉強度的力學分析。此次設計采用的連接套管的材質為25MnSi，并經過特殊熱處理，連接套管試件的力學模型如圖4 所示。

圖4 連接件參數Fig.4 Connector parameters

3.2 試件加工

為獲得項目提出的可回收錨桿的抗拉強度，對制作的4 根可回收錨桿和2 根螺紋鋼錨桿分別截取400 mm 長度，在實驗室進行了極限拉拔試驗。試驗中選取常用的3 根φ22 mm 的可回收錨桿（編號為試件A、試件B、試件C），截取長度為400 mm，帶連接套的錨固段200 mm 和自由段桿體200 mm。為了對比分析連接套的強度與可回收錨桿桿體的強度，又選取2 根φ22 mm 的自由段錨桿桿體（編號為試件D 和試件E）。由于錨固段與可回收段桿體通過連接套的螺紋連接，實驗前預估連接套的強度可能低于可回收錨桿桿體（直徑22 mm）的強度，但如果連接套的強度能夠達到直徑為φ20 mm 桿體的強度，也可以認為連接套能夠滿足支護的強度要求，因此再選取1 根φ22 mm 的自由段錨桿桿體（編號為試件F），通過車床加工其兩端桿體，使之直徑為20 mm，長度各100 mm。試驗中使用的試件如圖5 所示。

圖5 試件編號Fig.5 Specimen number

3.3 試驗儀器

試驗采用河南理工大學土木工程實驗室采購的WAW-300 型300 kN 電液伺服萬能試驗機，試驗機配套了對應的試驗數據采集系統、連續式標點機、游標卡尺和切割機等配套試驗設備。

3.4 試驗數據記錄

利用電液伺服萬能試驗機進行可回收錨桿連接處的拉拔試驗，得出試件的最大應力、抗拉強度、上屈服強度、下屈服強度、上屈服力、下屈服力等，試驗數據見表1。

由表1 可以看出，不帶連接件的φ22 mm 錨桿，最大拉力為273.1～277.4 kN，屈服力為205.7～208.9 kN，抗拉強度為718.4～729.7 MPa；當夾持φ22 mm 錨桿的端部細段（φ20 mm）時，其最大力為195.39 kN，屈服力為138.26 kN，抗拉強度為514.05 MPa，其破斷位置在錨桿的端部細段（φ20 mm），說明連接套的強度接近于φ20 mm 錨桿桿體鋼筋強度。

3.5 試驗結果分析

根據拉斷的可回收錨桿連接件試件A～C 的相關試驗結果，整理其屈服力、拉斷破壞力和破壞位置，見表2。可見，可回收錨桿連接件可以抵抗的破壞力平均值為194.0 kN，在拉力平均達到190.0 kN 時會進入屈服階段，破斷位置均在連接套內螺紋較薄位置。

表2 錨桿連接件拉至破壞統計Table 2 Bolt connector pull-to-failure statistics

由表2 可看出，可回收錨桿的最大抗拉破壞強度平均約194.0 kN，低于正常的螺紋鋼錨桿錨桿桿體的抗拉強度，即275.25 kN。由此可見，連接件的強度仍然達不到桿體本身的破斷荷載，對整個可回收錨桿的強度產生了制約，因此，欲提高可回收錨桿整體抗拉強度，需在連接件的結構、材料或改善加工工藝上下功夫，以期進一步提高連接部分的抗拉強度，減弱“木桶”效應的影響等。根據夾持φ22 mm 錨桿的端部細段（φ20 mm）的拉斷破壞試驗結果，可回收錨桿的最大抵抗拉力破壞能力略高于φ20 mm 錨桿桿體鋼筋的抵抗破壞能力138.26 kN。

4 工業性試驗

選擇五陽煤礦7509 回風巷掘進巷道為試驗地點。7509 回風巷（包括7509 回風巷出煤巷、7509回風巷車場、7509 回風巷回風通道、7509 回風巷聯絡巷，7509 回風巷外段和7509 回風巷里段）位于+600 水平75 采區。試驗巷道選擇為7509 回風巷里段。509 綜采工作面回風巷里段為矩形斷面，巷道寬5.0 m，高3.5 m，原支護方案設計采用樹脂加長錨固強力錨桿錨索組合支護系統。

可回收錨桿安裝在巷道內靠近工作面側巷幫，第一周每天記錄1 次數據，后續每周記錄1 次。7509 回風巷試驗段共布置200 根可回收錨桿，按照5%的抽檢比，共進行了10 組拉拔試驗，平均拉拔力為140.2 kN。

根據7509 回風巷里段3 號測站對幫錨桿的受力監測記錄（圖6）數據分析，錨桿受力穩定在107.8 kN（14 MPa），小于可回收錨桿拉拔力檢測平均值140.2 kN，同時小于實驗室測得的最大抵抗拉力破壞能力194.0 kN，證明可回收錨桿的錨固力能夠滿足回采巷道支護的要求。

圖6 7509 回風巷里段幫錨桿受力監測記錄Fig.6 Monitoring record of bolt stress in the inner section of 7509 return airway

當幫部錨桿施工完畢后，通過定扭矩扳手和反力臂施加錨桿預緊力矩（檔位為1，設定值為300 N·m），然后，用扭力扳手實測試驗錨桿的預緊力矩值，共測定5 組數據，記錄結果見表3。

表3 試驗錨桿的預緊力矩Table 3 Pre-tightening torque of test bolt

經過計算，通過定扭矩扳手施加錨桿預緊力矩的實測平均值為297 N·m，與設定值之間的誤差小于5%，說明定扭矩扳手達到了設計要求，能夠解決現場錨桿預緊力矩“超擰緊”或“欠擰緊”的問題，使得錨桿預緊力矩在合理范圍內，提高錨桿錨固質量。

5 結 語

研制的新型可回收樹脂金屬錨桿的連接套保證了螺紋聯接段具有足夠的承載力，并且具有拆卸和安裝簡單方便、連接緊固可靠、能量傳遞效率高等特點。工業性試驗研究結果表明，項目提出的可回收錨桿錨固力性能穩定，承載性能可靠，可回收2/3 以上的桿體，滿足巷道圍巖控制的要求，具有較好的推廣價值。