锚杆杆尾扭矩与预紧力相互转化的影响因素研究

针对目前井下普遍存在的锚杆杆尾预紧扭矩向预紧力转化效率低的问题,理论分析了预紧扭矩与预紧力之间的关系,建立了数学表达式,分析了锚杆杆尾预紧扭矩转化效率低的主要影响因素。利用锚杆预紧扭矩试验台,试验研究了锚杆杆尾螺纹加工精度、锚杆螺纹处直径及减磨垫片材质3种因素对杆尾预紧扭矩转化效率的影响,得出了螺纹加工精度、锚杆螺纹处直径及减磨垫片材质与锚杆杆尾预紧扭矩转化效率之间的关系,并通过井下试验加以验证。研究结果表明:提高杆尾螺纹加工精度,减小锚杆螺纹直径,使用合适的减摩垫片均能提高杆尾螺纹预紧扭矩向预紧力转化的效率,但减磨垫圈对其影响最显著。井下试验结果与试验室试验结果基本相符,进一步说明了螺纹加工精度、锚杆螺纹处直径及减磨垫片材质对锚杆杆尾预紧扭矩转化效率的影响。     

锚杆螺纹结构与扭矩-预紧力转化关系试验研究

锚杆预紧力是锚杆发挥其主动支护效果的关键。为提高矿井巷道支护锚杆的预紧力,研究了螺纹螺距、牙高、形状对锚杆扭矩-预紧力的转化关系规律;选取了不同锚杆螺纹螺距、螺纹牙高、螺纹形状,通过试验研究螺纹结构对锚杆扭矩-预紧力转化的影响。结果表明:螺纹螺距越大,螺纹牙高越大,锚杆扭矩-预紧力转化率越低;三角形螺纹锚杆的扭矩-预紧力转化率较高。矿井巷道使用锚杆时,为提高锚杆扭矩-预紧力转化效果,可以选取螺纹螺距1.0mm、螺纹牙高0.2mm、螺纹形状为三角形的锚杆。     

一种改进的中空注浆锚杆连接段螺纹参数优化分析

软岩大变形隧道需要及时锚固支护,特别是在围岩强度较低的隧道中,常采用对围岩扰动较小的中空注浆树脂锚杆施加预应力支护,而开挖后围岩产生的大变形将对锚杆性能提出更高的要求,如何提升锚杆强度与变形能力成为控制围岩稳定性的关键。考虑改进的中空注浆锚杆树脂锚固段+砂浆锚固段的螺纹连接特性,利用数值模拟分析了锚杆连接段内螺纹螺距、连接长度、外壁厚度对连接段强度与变形的影响,得到了连接段螺纹最佳组合参数。研究结果表明：连接段破坏模式受螺纹抗剪强度、钢筋与中空外壁抗拉强度的影响,可分为中空外壁拉断破坏、螺纹滑脱破坏、钢筋拉断破坏3种。当连接段长度较短时,易发生螺纹滑脱破坏,随着连接长度的增加,连接段强度薄弱点由螺纹转移至中空外壁。不同螺纹螺距条件下存在临界连接长度使得连接段内各强度均能得到有效发挥,从而提高锚杆连接段的整体强度。随着螺纹螺距的增加,连接段整体受力性能得到显著改善,当螺纹螺距为1.5 mm时,螺纹抗剪强度最差,在设计时应尽量避免。在中空外壁直径不变时,钢筋直径过大易导致连接段外壁拉断破坏,过小易导致钢筋拉断破坏,在设计时应合理匹配钢筋直径与中空外壁直径。随着中空外壁直径的增加,连接段破坏...     

锚杆构件力学性能及匹配性

在分析煤矿巷道锚杆支护构件破坏形式与原因的基础上,研究了锚杆各构件,包括杆体、螺纹段、托板、球形垫圈及减摩垫圈的力学性能。采用理论计算与数值模拟分析了杆体与螺纹段在不同受力状态下的应力分布特征。在实验室进行了锚杆形状、参数对其锚固力及安装阻力影响的试验,托板压缩性能及锚杆尾部构件匹配性试验。研究了树脂锚固剂的力学性能及影响因素。研究结果表明：锚杆受拉伸、弯曲、扭转、剪切及其组合作用,煤矿巷道锚杆处于屈服是一种常态,杆体有4个位置易发生破断。螺纹显著改变了螺纹段表面及附近部位的应力分布,在螺纹牙底处出现明显的应力集中。拱形托板压缩变形可分为5个阶段,拱高必须达到一定值才能保证足够的承载能力。锚杆尾部构件几何形状、参数及力学性能应相互匹配,才能使锚杆处于较好的受力状态。树脂锚固剂应与杆体、钻孔匹配,保证锚杆-锚固剂、锚固剂-围岩之间界面有良好的黏结性能。研究成果已应用于多类困难巷道,大幅减少了锚杆支护构件的破坏,显著提高了巷道支护效果。      

冲击韧性对锚杆力学性能影响的试验研究

高强度锚杆在井下使用时经常发生螺纹段脆断现象,这与锚杆材料的冲击韧性密切相关,测试了4个厂家屈服强度500 MPa锚杆的冲击吸收功,不同厂家锚杆冲击韧性差别较大,冲击吸收功从19~165 J不等。对具有不同冲击吸收功锚杆的杆体段和螺纹段分别进行弯曲试验、拉伸试验、复合应力下破坏试验,试验结果表明:冲击韧性影响锚杆螺纹段的冷弯性,当冲击吸收功低于30 J时,锚杆螺纹段冷弯性差;冲击韧性对杆体的冷弯性、杆体段和螺纹段的伸长率没有影响;冲击韧性影响锚杆复合应力下破坏状态,当冲击功低于19 J时,复合应力下锚杆易出现脆性破坏。认为屈服强度500 MPa高强锚杆的冲击吸收功不应低于30 J。     

强力锚杆杆体尾部破断机理研究

针对煤矿井下部分强力锚杆尾部螺纹发生破断且无“径缩”问题,对锚杆杆体尾部螺纹段进行了受力分析,得到由于变径导致应力集中,球面自锁、球面回转中心不合理导致球面自锁使锚杆受力恶化;对杆体尾部进行了实验室试验,对破断杆尾进行了化验分析,试验了不同安装角度对锚杆受弯断裂的影响;采用有限元数值模拟方法,介绍分析了杆体尾部的力学状态及应力分布状况,得到最不利受力位置。在潞安漳村矿井下强烈动压巷道进行了工业性试验,针对部分锚杆出现破断问题,提出多项优化方案,减小有害受力对杆体的影响。     

锚杆螺纹与螺母联接力学特性的数值模拟研究

采用有限元数值模拟方法对锚杆尾部螺纹联接的受力及变形特性进行了研究,包括不同螺纹齿高、螺纹间隙及螺母强度等级等因素对螺纹连接的影响,得出螺纹齿高应不小于0.7H、螺纹间隙最好为0.048mm、螺母强度应比锚杆杆体屈服强度高一个等级等结论。     

锚杆尾部螺纹联接的试验研究

针对井下锚杆尾部螺纹联接存在脱扣的现象,采用数值模拟和实验室试验的方法,研究了锚杆杆体屈服强度为500 MPa时,不同螺母强度、齿高、厚度和形状对螺纹联接的影响,分析了螺母强度等级分别为5级、6级、8级,齿高分别为0.6H、0.7H、0.8H、0.875H,螺纹厚度分别为24mm和30 mm及其法兰螺母对螺纹联接的影响,得出锚杆屈服强度为500 MPa时,螺母强度等级不低于6级,齿高不低于0.7H,厚度为24 mm的螺母即可满足锚杆强度的需要,法兰螺母会使得各圈螺纹牙受力更加均匀。     

螺纹钢等强锚杆杆体螺纹段加工工艺浅析

选材、选择合适的加工工艺,对加工过程中影响螺纹偏差的一些因素进行有效控制,提高锚杆杆体螺纹段的承载力,从而实现锚杆杆体的等强,提高锚杆支护的安全可靠性,确保矿井安全生产.     

刚性长螺纹锚杆及其在巷帮支护中的应用

为避免巷道扩帮后重新补打锚杆,研发了巷帮支护的一种新型刚性长螺纹锚杆,并在焦作煤业集团赵固二矿进行现场试验,对试验巷道进行深基点位移监测和表面位移监测,监测结果表明,由于刚性长螺纹锚杆有高强长螺纹锚尾,在扩帮后,只需继续拧紧螺母,截掉外露多余部分即可,刚性长螺纹锚杆可以充分利用原有巷帮支护,避免重新补打锚杆,不仅节省扩帮维修费用,还能缩短巷道维修时间,其支护效果要优于普通锚网索的支护效果。     

锚杆尾部螺纹加工精度对预应力影响的实验研究

在研究螺母扭矩与锚杆预应力关系的基础上,分析螺纹加工精度对锚杆预应力的影响,及影响螺纹加工精度的主要因素,包括锚杆材质、加工工艺与设备。专门设计了螺纹扭矩与锚杆预应力关系实验台,对采用国内外不同工艺与设备加工的锚杆试件进行了螺纹扭矩与预应力关系试验。实验得出：螺纹精度越高,消耗在摩擦力上的扭矩越小,扭矩转化系数越高;在...     

锚杆侧向冲击载荷下动力响应及抗冲击机理

为了研究冲击载荷作用下锚杆的动态力学性能,测试了5种不同材质的锚杆杆体力学参数。采用自由落锤冲击实验装置对不同锚杆进行了侧向抗冲击性能实验,分析了侧向冲击载荷下锚杆的动力响应。进行了5种不同冲击高度的侧向抗冲击实验,得到不同冲击高度下不同锚杆的冲击动态响应曲线,锚杆表面轴向的应变时程曲线,冲击作用点的力-位移时程曲线。研究发现,在相同冲击能量下,锚杆冲击吸收功越高冲击峰值载荷越小,冲击作用时间随着冲击高度增大逐渐减小;冲击吸收功越高,锚杆应变峰值及残余应变越大;不同锚杆冲击力峰值和最大位移明显不同,峰值强度和最大位移越大,破断能越大。对锚杆抗冲击机理进行了研究,发现控制材质中有益及有害元素含量,可提高锚杆的抗冲击性能。测试了断口组织和金相组织,得到锚杆冲击吸收功越高,晶粒度级别越高的结论。     

树脂锚杆锚固性能及影响因素分析

采用理论分析、实验室试验、数值模拟及井下实测相结合的方法对树脂锚杆锚固性能及影响因素进行研究。理论分析了锚杆在拉拔与全长锚固状态下的应力分布特征;在实验室进行了不同形状锚杆、不同钻孔直径下锚杆拉拔力试验,得出了锚杆形状、孔径差对锚杆拉拔力的影响程度;测试了不同模拟钻孔温度、淋水量下锚杆的拉拔力,得出了温度、淋水量与锚杆拉拔力之间的关系。采用有限差分数值模拟软件FLAC3D,计算了不同杆体形状、孔径差、居中度及不同围岩强度下锚固剂、围岩中的剪应力大小,分析了诸因素对剪应力分布的影响,得出了不同条件下剪应力分布特征。在平庄风水沟煤矿井下进行了软岩可锚性试验,实测了软岩不同含水状态下锚杆、锚索拉拔力。最后,提出改进树脂锚杆锚固性能、提高锚固力的建议。     

济三煤矿巷道锚杆支护构件力学性能研究

济三煤矿回采巷道锚杆支护出现帮锚杆托盘被压平、压反、甚至是托盘崩出,造成帮锚杆失效发生破坏的现象,为此,从现场提取部分锚杆、锚索以及托盘等锚固系统构件进行力学性能研究,研究内容包括:锚杆杆体力学性能实验、托盘压缩性能实验和锚索索具性能实验。通过对实验结果的分析,锚杆杆体材料的质量比较稳定,符合安全规程的规定。但托盘的刚度较小,锚索杆体延伸率不适应围岩大变形的要求。因此,改善帮锚杆托盘的材料,增加托盘球壳的冲压高度,可以较好的防止托盘失效;通过增加锚索整体变形量,来提高锚索适应围岩大变形的要求。     

锚杆支护应力场测试与分析

在实验室建立了锚杆支护应力场测试模型,测试了单根与2根锚杆在不同拉伸载荷下的支护应力值及应力场分布特征,分析了2根锚杆形成的支护应力场相互叠加与影响的特点。采用数值模拟,计算了单根、2根锚杆在不同载荷下形成的支护应力场及影响因素,并将实验室测试结果与数值模拟结果进行了对比。研究结果表明:单根锚杆在端部附近应力较高,随着远离锚杆端部,应力逐渐减少,锚杆中部应力较小;在远离锚杆的一侧出现拉应力区;2根锚杆形成的支护应力场主要在模型中部叠加,由于模型前后表面应力扩散范围小,导致两表面附近中部应力很低,模型中心部位远离锚杆,应力也比较小。最后,提出了存在的问题及改进建议。     

吸能防冲锚杆索-围岩耦合振动特征与防冲机理

为提高冲击危险巷道防冲支护的有效性,研发了由内置六角管衬里的吸能套筒、端部设有摩擦圆柱的螺纹钢锚杆、钢绞线锚索与锚杆尾部吸能装置组成的吸能锚杆索。将吸能锚杆索中吸能套筒的作用简化为设置在锚杆底部并联的弹簧与阻尼器,建立了吸能锚杆索-围岩在冲击载荷作用下的三维轴对称力学模型。对黏性阻尼围岩中吸能锚杆索与围岩耦合振动时锚杆顶部动力响应进行了解析研究,获得了锚杆顶部的位移阻抗函数的解析表达。结果表明:在相同频率的冲击载荷作用下,锚杆顶部位移振荡幅值随着围岩黏性阻尼、围岩强度、锚固长度以及锚杆底部阻尼的增加而衰减。采用吸能锚杆索支护时,吸能套筒能够吸收一部分作用在锚杆锚固岩体上的冲击能;后注浆全长锚固增强了支护系统抵抗纵向变形的能力;尾部吸能装置能够削减冲击波的发射拉伸作用;支护系统在冲击载荷作用下的稳定性得到显著提高。在此基础上,初步阐述了吸能锚杆索支护系统的"缓冲-抗震-消波"吸能防冲机理。     

锚杆预紧力对节理岩体抗剪性能影响的试验研究

利用配置的混凝土块体模拟围岩,采用节理直剪的方式,研究了40,80 kN两种预紧力下锚杆对节理岩体抗剪性能的影响。研究结果表明：随着预紧力的提高,锚固节理岩体的初期剪切刚度提高,对于抑制围岩的初期变形,提升锚杆支护效能有重要作用;随着预紧力提高,锚固节理岩体的变形呈阶段性特征,表现为急增阻、缓增阻和降阻3个阶段;井下试验结果表明,提高预紧力,锚杆的工作阻力得到提升,高预紧力全长锚固锚杆支护系统对于节理裂隙围岩的加固效果良好。