錨桿支護用錨桿的設計與研究

錨桿支護用錨桿的設計與研究

我國現行金屬錨桿結構一般不合理，導致了地下錨桿保護道路的安全隱患和經濟浪費。主要表現如下：1。支撐桿整體延伸量小，無法適應圍巖變形，通常導致尾斷裂失敗。2.支撐材料的有效利用率低，浪費了大量材料。因此，如何合理設計支撐結構，具有良好的技術經濟性能，是解決煤礦道路維護中必須解決的主要生產技術問題。為了改變中國長期使用低強度支撐的情況，近年來，我國大力發(fā)展了高強度和高強度支撐。該支撐系統(tǒng)在提高道路保護的效果、保障道路安全以及簡化開采工作的端頭區(qū)維護技術方面具有明顯的優(yōu)越性，有利于采井區(qū)的快速發(fā)展，有利于實現高產、穩(wěn)產開采。目前，高強度支助帶技術在國內外得到廣泛應用，取得了重大的技術經濟效益和社會效益。1錨桿尾骨折機1.1等強錨桿錨桿目前我國使用的金屬錨桿一般都是用螺紋鋼鋼筋加工而成.首先將符合設計要求的螺紋鋼鋼筋按錨桿長度需要截割成設計長度,再將鋼筋一端(長度100mm)切削成圓,最后在切削成圓的錨尾上滾壓出螺紋制造出錨桿.這樣加工后錨桿尾部部分的螺紋內徑比桿體公稱直徑小10%～13%(表1),截面面積小20%～22%(表2).由于錨桿的極限載荷取決于整根桿體中最薄弱部分的強度,所以這種普通螺紋鋼鋼筋錨桿的材料(強度)浪費超過20%;同時,由于錨桿尾部破斷載荷較小,在尾部發(fā)生破斷時往往達不到螺紋鋼鋼筋的屈服載荷,錨桿桿體部分不能產生延伸,降低了錨桿的整體延伸率,這樣不能有效地適應和控制圍巖變形,給巷道支護安全帶來隱患.為解決這一問題,人們積極發(fā)展等強錨桿,即使錨尾極限承載力等于錨桿桿體部分的承載力.主要有兩種方法:①應用精軋右旋螺紋鋼鋼筋錨桿,配合特制螺母制成等強錨桿,它不需要像普通螺紋鋼鋼筋錨桿那樣專門加工錨尾,保證了錨桿整個長度上強度的一致,但因存在錨桿右旋螺紋不利于攪拌樹脂錨固劑、螺紋升角過大、螺母不易擰緊且容易松動以及成本高等缺陷,沒有被廣泛推廣應用;②將普通螺紋鋼鋼筋錨桿尾部螺紋部分進行熱處理,使錨尾部分的抗拉強度大于桿體部分,但是,由于這種方法引起錨尾脆性加大,在井下實際應用過程中卻更容易破斷.1.2采焦錨桿兩端偏心荷載時錨桿兩端孔口壓力較好,錨桿兩端孔實驗表明,經過錨尾熱處理的受純拉伸作用的錨桿,當錨桿受力達到破壞強度時,錨桿的整體延伸率只有10%左右.由于錨桿、鉆孔及與巷道表面所呈角度的不一以及托盤等原因,錨桿尾部受偏心載荷的情況難以避免.所以在偏心荷載條件下,錨尾部產生的附加彎矩極有可能是導致錨尾斷裂的根本原因.為從根本上闡明錨尾熱處理后尾部的斷裂機制,下面擬從理論上對其作進一步的分析.(1)各軸抗彎力的點為便于分析,這里假定錨尾處于純偏心載荷工作狀態(tài),并假定載荷作用范圍在螺母內切圓周線上或以內且為一集中力.計算模型如圖1所示.以錨桿軸線為X軸,螺母截面中心為原點,通過圓心截面內的任意兩條垂直直線為Y和Z軸.假設螺母受到的偏心力Q作用在截面上P(yQ,zQ)點(圖1(b)),將Q分別向Y軸上的(yQ,0)點和Z軸的(zQ,0)點簡化,于是偏心力轉化為作用于XZ及XY平面內的彎曲力偶矩為M0yy0=QzQ,M0ZΖ0=QyQ.通過分析,這時錨桿受到軸向拉伸和兩個純彎曲力的共同作用.所以錨尾處橫截面上軸力及彎矩為N=Q;My=M0yy0=QzQ;MZ=M0ZΖ0=QyQ.錨尾橫截面上任意點(y,z)的應力由材料力學得式中,A為錨尾有效截面積;iy,iz分別為橫截面對Y和Z軸的慣性半徑.令σ=0,則中性軸方程1+ZQz/i2yy2+YQy/i2zz2=0.可知中性軸為一個不通過原點的直線,它在Y和Z軸上的截矩分別為ay=-i2zz2/yQ,az=-i2yy2/zQ.在YZ內平面過(0,-i2zz2/yQ)作與中性軸垂直的直線,然后得到錨尾截面圓周載荷分布曲線,如圖1(c)所示,可得到截面圓周上受力較大的點D1,D2.(2)錨固系統(tǒng)的破壞機制假設錨桿傳遞給托盤與螺母結合部位的載荷為偏心載荷,很顯然,對端錨固此處載荷為最大,故端錨情況下,錨桿最易在尾部發(fā)生斷裂;對于全錨,假定為理想全錨工作狀態(tài),即由“中性點”理論,錨尾端的剪應力達最大τmax,而拉應力σ=0,說明錨固系統(tǒng)沒有作用力傳遞給托盤與螺母的結合部位.現假定中性點保持不變,并假定若錨固系統(tǒng)有傳遞給托盤與螺母結合部位的載荷即認為是偏心載荷Q.一般來說,錨固劑的剪切強度τn隨圍巖力學性質的惡化而急劇降低.據文獻,對中硬巖τn=16MPa,而對軟巖τn=2MPa.在圍巖變形的作用下,如某一時刻剪應力τmax大于或等于錨固劑的剪切強度τn,則黏結劑開始變形,剪應力重分布,錨固段由完全彈性區(qū)變?yōu)樗苄詤^(qū)與彈性區(qū).因為一般都假設錨桿與黏結劑共同變形,則因在塑性區(qū)內也保持這個規(guī)律,故此時塑性區(qū)內黏結應力可近似認為保持錨固劑本身的強度,這時托盤與螺母結合部位的載荷仍為零,錨固系統(tǒng)支護力全部通過黏結劑傳遞給圍巖.一般桿體的變形大于錨固劑的變形,假設某一時刻,桿體變形橫截面必然收縮,則黏結劑與桿體脫離,黏結劑開始從孔口破壞.此時錨固系統(tǒng)支護力雖然大部分通過黏結劑傳遞給圍巖,但已有一小部分傳遞給托盤.也就是說,錨尾端此時已存在一偏心載荷,但此時偏心載荷小于錨尾的屈服強度.隨圍巖變形量的增加,錨桿受力逐漸加大,在錨桿的某個截面上必然出現一個受力比較大的點,隨著應力的逐漸增加,當達到材料的強度極限時,這個點開始出現破壞,并逐漸向內發(fā)展.當裂紋貫通時,就出現了破斷現象.可見錨尾處偏心載荷超過了材料強度極限,熱處理后,其延伸率僅10%左右,所以在錨尾處先破壞.2硬臂箱的結構類型和加工制造2.1桿體錨桿的確定金屬粗尾錨桿主要由桿體及桿尾組成,如圖2所示.桿體與桿尾為同一材質的整體式,錨桿可據工程需要選擇不同的材質,即桿體可據需要加工成不同的外觀型式,而桿尾一般為滾絲加工的螺紋.該錨桿在結構上區(qū)別于其它錨桿的最大特點是:桿尾的螺紋公稱直徑大于桿體直徑,且桿體與桿尾為整體式連接而非焊接方式.下面通過實驗研究錨桿材料的選擇以及桿體與錨尾螺紋的最佳匹配關系.(1)實驗設計設計和實施實驗的中心思想是,通過不同的螺紋直徑與桿體直徑組合,進行錨桿拉伸實驗,得出合理的級配關系.具體實驗設計見表3.實驗方法為,在實驗室的30t材料試驗機上進行常規(guī)拉伸試驗.然后在錨桿檢測中心200t改制材料試驗機上進行錨桿成型產品性能檢測試驗.(2)最優(yōu)直徑級配關系試件材料的不同,粗尾錨桿的力學性能有較大的變化(表4).由表4可見,材料由A3鋼變化到20MnSi螺紋鋼時,其屈服載荷及極限載荷分別提高57%和38%.A3鋼粗尾錨桿當桿體直徑由20增加到22mm時,其屈服及極限載荷分別提高16%和13%.可見,相同材料錨桿,直徑大的力學性能好一些.相同直徑的桿體,則其力學性質隨直徑級配的變化而有所不同.一般是隨級配值的增大,力學性質有所提高.在純拉伸條件下,錨尾雖斷裂,但增大級配關系與增大直徑減小級配關系效果相當.目前從技術經濟合理為原則考慮,具體對桿徑≤20mm來說,最優(yōu)直徑級配關系為2mm.桿徑>20mm時,保證錨尾不斷裂的級配關系為4mm,但當桿徑為22mm時,其級配關系因M26為較少采用的第3系列而變?yōu)?mm.2.2旋轉桿的加工和制造金屬粗尾錨桿成型工藝流程如圖3所示.金屬粗尾錨桿成型設備主要包括:錨桿鋼筋桿體輸送機、中頻加熱系統(tǒng)、錨尾鐓粗系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等.3粗尾錨桿破斷分析通過一個簡化的全錨工作狀態(tài)的彎曲變形算例來比較說明金屬粗尾錨桿防破斷的剛度條件,從而給出粗尾錨桿的防斷裂機理.由材料力學得最大撓度fB為fB=?MaEI(L?a2).fB=-ΜaEΙ(L-a2).現假定錨桿材料為A3鋼,E=210GM/m2,對普通錨桿體為?16,錨尾為M16;對粗尾錨桿為?16,M20.由上式計算的不同偏心載荷Q及松動段長度a下的普通錨桿與粗尾錨桿的最大撓度值見表5.由表5可見,普通錨桿在偏心荷載引起的彎矩M作用下,其最大撓度值大于相同條件下的粗尾錨桿,計算得出其倍數關系為1.96.為更好地比較二者的破斷機制,假定最大撓度值由0～100mm范圍內所產生,對普通錨桿(含熱處理強化錨尾)其整體延伸率平均看作20%,對粗尾錨桿其延伸率平均看作為26%,由解析關系很容易得出,對普通錨尾,其破斷的最大撓度臨界值為66mm;對粗尾其破斷的最大撓度臨界值為77mm,由表5可以明顯看出,粗尾錨桿的防破斷性能優(yōu)于普通錨桿.另外倘若按延伸率分段發(fā)揮考慮,一般熱處理錨尾處的延伸率平均不足10%,即使按10%計算,則其破斷的最大撓度臨界值僅為46mm,很顯然熱處理錨尾更易斷裂.綜上分析,粗尾錨桿的防破斷機理:粗尾錨桿避免錨尾破斷的關鍵技術是既讓錨尾強度高于桿體,同時又不讓錨尾產生脆性斷裂(錨尾熱處理后,雖然強度有所提高,但韌性卻大大降低,形成了一種“寧折不彎”的特性).由于錨尾部螺紋直徑大,保證了錨桿單純受拉力作用時不在尾部斷裂;同時因錨尾未經任何處理,故塑性好,可以在局部彎曲應力超過屈服強度時,尾部可及時產生一定的塑性變形來逐步消除過大的彎曲應力.這樣無論錨桿及其尾部所受的應力狀態(tài)如何,粗尾錨桿都較其它錨桿不易發(fā)生斷裂.4錨桿抗破斷作用(1)我國現用金屬錨桿結構普遍不合理,導致錨桿支護巷道存在安全隱患和經濟上的浪費.錨尾破斷的前提條件是偏心載荷,當偏心載荷的大小超過錨尾材料的強度極限時,錨尾出現破壞.(2)偏心載荷的存