锚杆预紧扭矩与初锚力关系研究及应用

３２河北煤炭２００１年第２期锚杆预紧扭矩与初锚力关系研究及应用

郭海书，李彦苍

（河北金牛能源股份有限公司葛泉矿，河北邢台０５４１０２）

摘要：对锚杆预紧扭矩与初锚力的关系进行了理论分析、试验研究，并使之量化，提出二次预紧等提高

初锚力措施，对于解决当前锚杆预紧扭矩偏低，锚空失效多的问题，具有一定的指导意义。

关键词：锚杆；预紧扭矩；初锚力

中图分类号：ＴＤ３５０．１文献标识码：Ｂ文章编号：１００７一１０８３（２００１）０２—００３２—０２

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目前，煤巷锚网支护巷道普遍存在锚杆初锚力低，对岩性较好的顶板而言，锚空失效不很明显，但三类及其以下顶板，由于预紧扭矩低，顶板离层、漏顶，导致锚杆托盘接顶不实，锚空失效，锚网支护顶板稳定性明显降低。

１锚固力及支护机理

从锚杆安设到失效过程，锚杆锚固力可分为初锚力、工作锚固力和残余锚固力三个作用阶段，其中初锚力受人为影响最大，且对围岩稳定起着重要作用，锚杆迅速获得较大的初锚力，锚杆主动支护效应越明显。

影响锚杆初锚力的主要因素：（１）合适的锚固剂；（２）适当的预紧扭矩。锚杆预扭矩的大小对顶板稳定性具有决定作用，当预紧扭矩大到一定程度，锚杆获得较大的初锚力，与初撑力相类似的锚杆主动支护作用不仅使锚杆长度范围内顶板离层消除，并且使顶板趋于“刚化”，有效地控制其上方顶板离层，使巷道顶板形成一个压力自撑结构。

快速提高锚杆预拉力的关键途径为：（１）采用双速树脂药卷锚固锚杆，靠锚杆机自身旋转扭矩，实现快速安装；（２）提高安装锚杆时的预紧力，树脂凝固之后，靠锚杆机本身旋转扭矩作用，使锚杆本身被施加较大的预紧力，然后采用大扭矩扳手或大扭矩风动扳机二次预紧。２锚杆预紧扭矩与锚杆初锚力关系

一般螺纹驱动力与轴向力有如下关系：

Ｆｔ＝殛（１，＋ｌＤ）

式中Ｅ——螺纹驱动力；

ｒ——轴向力。

则锚杆预紧扭矩与初锚力（轴向力）有如下关系：

Ｍ＝ＦｔＤ＝ｔ９０Ｙ＋ｐ）ＤＴ＝Ｋｒ

式中ｒ——初锚力，Ⅲ；

Ｋ——与接触面、螺纹形式、杆体直径等因素有关；

Ｍ——锚杆预紧力，Ｎｍ；

Ｄ——杆体直径，ｍ；

ｙ——升角，与螺纹的形式、导程、杆径有关；

１０——当量摩擦角，ｌＤ＝∽斌，工为当量摩擦系数，与螺纹的形式、接触面、材料等有关。

由式（１）可以看出，锚杆预紧扭矩与初锚力基本成线性关系，锚杆预紧扭矩越大，锚杆获得的初锚力越大，不同的接触面、螺纹形式、螺距、杆径，其对应关系不同。但是，在工程实践中，预紧扭矩、初锚力的关系不易量化，需要经过实验分析得出Ｋ值。

用扭矩扳手、锚杆拉力计等对不同的锚杆，在不同的预紧扭矩下，测定了其初锚力，见表ｌ。经分析整理，可以得出如下结论：

（１）锚杆预紧扭矩与初锚力基本成线性关系。

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２００１年第２期河北煤炭３３

（２）采用不同材质、不同杆径、不同形式的锚杆，对应的Ｋ值不同，常用锚杆的Ｋ值如下：

声２２螺纹钢锚杆（杆尾滚丝）Ｋ＝Ｍ／ｒ＝８．８６

声２２全螺纹钢锚杆Ｋ＝肘／丁＝９．０６

声１４普通金属锚杆Ｋ＝Ｍ，ｒ＝５．２４

（３）Ｋ值受杆体螺纹中径影响最大，其次是螺距、螺纹形式等因素。

（４）螺纹的螺距越大，螺纹的升角Ｙ越大，Ｋ越大，一定的预紧扭矩所得到的初锚力越小；反之螺纹的螺距越小，螺纹的升角Ｙ越小，Ｋ越小，一定的预紧扭矩所得到的初锚力越大。

（５）杆体及螺母螺纹接触面越粗糙，其摩擦当量角越大，Ｋ值越大，一定预紧扭矩所得到的初锚力越小。

（６）螺母在上升预紧中除受丝与丝之间摩擦力外，还受到螺母与垫球之间水平摩擦力，摩擦扭矩也在Ｊ定程度上降低了初锚力。因此，试验采用在螺母与球垫之间增加一薄塑料垫圈，以降低摩擦扭矩，在一定程度上提高了锚杆初锚力。

表１锚杆预紧扭矩与初锚力关系测试３实践应用

葛泉矿煤巷锚网支护，预锚杆采用纰螺纹钢锚杆，帮锚杆采用士１４普通金属锚杆，按照经验，顶

锚杆预紧扭矩≥８０Ｎｍ，帮锚杆预紧扭矩≥５０Ｎｍ，则

对应的初锚力分别为≥８ｋＮ，≥９．５Ⅲ。很明显，顶板锚杆初锚力偏低，仅是设计工作锚固力的ｌ／１５和１，３左右，远未达到设计要求，因此有必要采用大扭矩扳手或风动扳机二次预紧，以确保顶帮支护强度，提高围岩稳定性。

１４２２工作面切眼顶板风化严重，强度低，扩切眼（５．６ｍ×２．６ｍ）掘进时，最初采用锚杆机预紧，由于压风风压低，锚杆机预紧扭矩为７０Ｎｈ左右，

切眼扩过后，顶板下沉比较明显，顶板离层迅速至临界线，初期１０天顶板下沉２．５咖，平均每天下沉２．５眦ｌ，及时采用风动扳机二次预紧锚杆，预紧扭

矩≥３００Ｎｍ，锚杆初锚力≥３０ｌ【Ｎ，切眼下段顶板支护

状况明显好转，锚杆较大的初锚力，使顶板趋于“刚化”，基本控制了直接顶顶板的离层，再由适当加密的锚索补强支护，有效地控制了顶板下沉，下段采用锚杆机预紧后，即采用风动扳机二次预紧之后，经设点观测，初期顶板下沉仅为１删ｄ，１０天后，顶板下沉量为０．２ｒｎＩｌｌ／ｄ，顶板基本趋于稳定，保证了工作面的顺利安装。

４结论

从理论上看，锚杆初锚力越大，支护效果越好，

即锚杆主动支护较锚杆被动支护效果好，特别是三

类及其以下顶板，采用锚杆支护，必须控制初期顶板变形；采用二次预紧加大预紧力，保证初锚力是提高巷道稳定性行之有效的手段，但对于不同形式的锚杆、不同围岩条件及不同用途的巷道，锚杆初锚力以及预紧扭矩设计多大合适，有待于进一步探讨。

作者简介：郭海书（１９７０一），男，河北邢台县人，邢台矿业集团葛泉矿技术科助理工程师。

（收稿日期：２００１—０２—１３；编辑：吕桂安）

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