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锚杆支护材料物理力学参数及技术要求

作者:贺 华 陈强强 曹海青  时间:2019-07-22  点击:212

摘   煤矿井巷工程支护材料的优劣与选择,直接关系到支护巷道的稳定与安全,锚杆支护代表了巷道支护技术的发展方向,搜集列举了7中常用锚杆支护材料的相关物理力学参数和技术要求,供在设计和实际使用时进行选择参考。

关键词 锚杆支护;物理力学;技术要求

 

煤矿井巷工程支护材料的优劣与选择,直接关系到支护巷道的稳定与安全,理论研究和实践经验均证明,锚杆支护作为巷道的先进支护方式,有着架棚不可比拟的诸多优越性,锚杆支护代表了巷道支护技术的发展方向,世界各国和国内各大型煤矿都把锚杆支护作为巷道的主要支护形式,国内许多矿区的锚杆支护率都达到了100%,取得了巨大的技术、经济效益。锚杆支护应用涉及的材料较多,本文将常用材料的相关物理力学参数和技术要求进行归纳列出,供在设计和实际使用时进行选择参考。

圆钢锚杆杆体

力学性能见表1。

 

普通圆钢粘结式锚杆主要存在以下缺点:①杆体强度低,Q235圆钢的屈服强度只有240MPa,抗拉强度也只有380Mpa。②刚度低,圆钢锚杆一般为端锚,变形均匀分布在除锚固端以外的整个杆体上,对围岩变形与离层控制能力弱。 ③锚杆尾部螺纹部分直径比杆体小,因此,承载能力小于杆体,麻花端截面积也小于杆体截面积,导致杆体不等强。基于圆钢锚杆存在上述缺点,在地压较大的巷道中应避免使用。

2 高强度锚杆杆体

所谓高强度锚杆有两个概念,一是指采用20MnSi建筑螺纹钢及其改进型锚杆,如右旋等强全螺纹锚杆、左旋无纵筋螺纹钢杆体等,这种锚杆其力学性能指标比Q235圆钢锚杆提高了很多(见表2),而且在近10年多的锚杆支护巷道中,基本上采用了这种材质的锚杆;二是开发锚杆专用高强度钢材。基于材质的高强 度锚杆杆体是从炼钢开始,设计专用的锚杆钢材配方,根据我国巷道与地质生产条件,目前主要有3个级别的锚杆螺纹钢筋,钢的牌号与化学成分见表3。

 

对于直径22mm的RHBR600型钢筋,屈服力达到228.1KN,拉断力达到 304.1KN,分别是同直径建筑螺纹钢的1.79倍和1.63倍,是同直径圆钢的2.5倍和2.11倍,真正实现了高强度。

 

3 螺母

螺母是锚杆的主要组成部分,其作用主要有两方面:一是通过拧紧螺母压紧托板给锚杆施加预应力;二是围岩变形后通过托板、螺母传递到杆体,杆体工作阻力增大,控制围岩变形。因此,螺母是传递和施加应力的部件。对螺母有以下技术要求:①螺母承载能力应与杆体相匹配。螺母的破坏会导致整个锚杆失效。②螺母的结构形状,螺纹的规格与加工精度有利于给锚杆施加较大的预应力。③螺母有利于锚杆快速安装。

4 托板(托盘)

锚杆托板的作用主要有两方面:一是通过螺母施加扭矩,压紧托板给螺母提供预紧力,并使预紧力扩散,扩大锚杆的作用范围;二是围岩变形后载荷作用于托板,通过托板将载荷传递到锚杆杆体,增大锚杆工作阻力,进而控制围岩变形。因此,托板是锚杆非常重要的构件之一,其质量的优劣直接关系到锚杆系统作用的发挥。对托板有以下技术要求:①托板的承载能力应与杆体相匹配,托板的过大变形与破坏会导致锚杆支护的能力大大降低,甚至失效。②托板应有一定的变形能力,当载荷较大时可压缩、让压,不致脆裂、失效。③托板应有一定的面积,有利于锚杆预紧力的扩散。④托板应有一定的调心能力,以适应顶板角度的变化,尽量避免偏载而降低锚杆的支护能力。实践证明,拱形托板具有良好的力学性能。为满足高强度锚杆杆体的需要,必须严格检验配套托板的力学性能,使之与锚杆承载能力相配套。

5 钢筋托梁(梯子梁)

钢筋托梁的优点是加工简单、成本低、重量轻、使用方便,但是,钢筋托梁存在以下明显弊端:①采用焊接加工,整体力学性能差,焊接处容易开裂。②托梁宽度窄,护表面积小、作用差,钢筋与围岩表面线接触,不利于锚杆预紧力扩散。③强度低、组合作用差。④刚度小,控制围岩变形能力差。钢筋托梁规格与力学参数见表5。

 

6 W型钢带

W型钢带是用薄钢板经过多道轨辊连续进行冷弯、滚压成型的产品。由于钢带在冷弯成型过程中的硬化效应,可使钢带强度提高 10%-15%,W型钢带的几何型状和力学性能使其具有较好的支护效果,是一种性能比较优越的锚杆组合构件,其优点主要为以下几点: ①护表面积大,护表作用强,有利于锚杆预紧力扩散和锚杆作用范围扩大。②强度比较高,组合作用好。③刚度大,抗弯性能好,控制围岩变形的能力强。W型钢带规格与力学参数见表6。

 

W型钢带的主要缺点是:当选用钢带较薄、巷道压力较大时,易出现托板压入或压穿钢带,导致钢带发生剪切和撕裂钢带。采用适当加大钢带厚度,或选用强度更高的钢材可以解决这个问题。

7 锚索

锚索由索体(钢绞线)、锚具和托板组成。锚索的特点是锚固深度大,承载能力高,可施加较大的预紧力,因而可以获得比较理想的支护效果。其加固范围、支护强度、可靠性是普通锚杆支护所无法比拟的。我国自上世纪90年代研制成功小孔径树脂锚固剂预应力锚索后,锚索在煤巷得到大面积推广应用,成为困难巷道补强加固的主要手段。小孔径树脂锚固剂预应力锚索杆体材料采用钢绞线,对钢绞线有以下要求:①应有较大的拉断载荷,以发挥锚索承载能力大的特点。②具有较大强度的同时,应具有一定的延伸率,保证在一定变形量下不破断。③直径应与钻孔直径相匹配,保证锚索锚固力。④应有一定的柔性。井下使用时可弯曲插入钻孔,又能与钻机连接,搅拌树脂锚固剂。常用Ф15.24、1860级钢绞线力学参数如表7。

 

在煤层埋藏深、巷道压力大的条件下,经常发生小直径锚索被拉断现象,严重影响了巷道的支护效果和稳定性。为此,近年来又研制成功了更大直径的钢绞线(表8),并且钢绞线的结构也有很大改进,不仅显著提高了索体的拉断力,而且使索体直径与钻孔直径的配合更加合理,现已在很多煤矿推广应用,取得了明显的支护效果。

 

锚索托板有多种形式,但无论何种形式的托板,都要求与锚索强度相适应。大量使用的钢板平托板,其厚度不应小于12mm,一般采用15mm。

8 结论

1)锚杆支护代表了巷道支护技术的发展方向,锚杆支护工艺取得了巨大的技术、经济效益。

2)搜集列举了7中常用锚杆支护材料的相关物理力学参数和使用要求。

3)能够为支护设计、实际使用及支护材料质量检测等工程实践提供依据。

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