端锚金属锚杆扭矩与拉力的关系

　　摘　要　通过试验对端锚金属锚杆扭矩与拉力的关系进行了探讨，论述了扭矩与拉力关系对保证锚杆支护性能的重要性及影响此关系的因素，指出现行工程实际中普遍采用的用扭矩控制锚杆预拉应力的方法并不是一个好的控制手段，应采用无损锚杆测力装置进行监测。

　　关键词　金属锚杆　扭矩　预拉应力

　　锚杆支护技术是通过人工加固围岩的方法来增强巷道围岩自身强度，充分利用围岩的自承能力，实现对巷道围岩的有效控制。锚杆支护系统中，在其它条件一定的条件下，锚杆的作用效果很大程度上取决于锚杆的安装质量。通常用作端锚的金属锚杆，尾部安装有托盘和螺母。在锚固端能承载以后，必须拧紧螺母，使杆体承受一定的预拉应力，以便给围岩施加载荷。目前工程实际中，还没有直接用于测量锚杆预拉应力的装置。为使锚杆保持一定的预拉应力，多采用控制预紧力矩的方法。有关标准也相应地规定了锚杆的预紧力矩为100 N*m。虽然在理论上可以计算确定扭矩与预紧力的关系，但由于实际工况的复杂性，使得理论与实际往往有一定误差，为此进行了如下试验，得出了实际工作状态中预紧扭矩与锚杆拉应力之间的关系。

1　试验与测量方法

　　对于端部锚固的金属锚杆，不管锚杆起何种作用，锚杆一端用粘结剂或楔块锚固后，另一端必须用螺母拧紧，给锚杆施加一定的预紧拉力，才能使锚杆与围岩形成相互作用的支护体系。根据这一原理设计的试验装置如图1所示。

图1　试验装置示意
1—螺母；2—垫圈；3—传力板；
4—传感器；5—锚杆；6—架体

　　试验时将架体6固定在工作台上，用扭矩板手拧紧螺母1，锚杆5所受的拉力值经荷载传感器4传给静态电阻应变仪，由应变仪直接读出锚杆的预拉应力。
　　试验所用的力传感器是井下普遍采用的CH型荷载传感器，其测量精度为±1%，额定载荷为200 kN，最大载荷为250 kN。传感器为圆盘形，测量时，传感器的两边安装有特制的具有足够刚度和强度的传力板。二次仪表用YJK4500型静态电阻应变仪，其应变测量范围为0～±19 999 με，分辨率为1 με。传感器和电阻应变仪由专用屏蔽电缆连接，采用全桥接法，测量时可直接从应变仪上读出载荷值。选用上海市工具工业研究所研制的R-TW100和R-TW200两种型号的预置型力矩扳手测量扭矩，其测量范围分别为20～100 N*m和80～200 N*m，其测量误差在±4%～±7%之间。

2　试验结果与分析

　　影响锚杆扭矩与拉力关系的因素很多，如工人的实际操作水平和熟练程度，以及锚杆锚固质量等。由于条件所限上述因素未加考虑，主要针对以下两方面对锚杆进行了测试：①不同直径的锚杆；②安装时锚杆端部的摩擦因数(包括螺纹扭合部分和螺母接触面间的摩擦因数)。

2.1　不同锚杆直径的影响
　　针对工程实际中常用的φ14 mm，φ16 mm，φ18 mm和φ20 mm四种直径的锚杆做了拉拔试验，扭矩与拉力的关系曲线如图2所示。

图2　不同锚杆直径的扭矩与拉力关系曲线

1—φ14 mm；2—φ16 mm；
3—φ18 mm；4—φ20 mm

　　从图中可看出，对于相同的扭矩，其它因素一定时，直径越小，锚杆所受的拉力越大，即扭矩一定时，不同直径的杆体所受的预拉应力是不同的。

2.2　锚杆端部摩擦因数的影响

2.2.1　锚杆端部螺纹部分摩擦因数的影响
　　锚杆螺纹部分的摩擦因数对扭矩与拉力的关系有显著的影响。针对螺母配合处的表面加工质量(图3a)、螺纹配合处是否润滑(图3b)和螺母是否为新螺母(图3c)三种情况进行了测试，测试结果如图3所示。

图3　摩擦因数对扭矩与拉力关系的影响
1—表面加工质量好；2—表面加工质量差；
3—使用润滑剂；4—未用润滑剂；
5—使用新螺母；6—使用旧螺母

　　由图3可见：表面加工质量好的锚杆拉力与扭矩的比值要高于表面加工质量差的锚杆；安装时使用润滑剂，在预紧扭矩相同的情况下，锚杆所受的拉力明显高于不使用润滑剂的情况；使用新螺母，锚杆拉力与扭矩的比值明显高于使用旧螺母的情况，这是因为重复使用的旧螺母可能使丝扣部分划伤，致使摩擦因数增大。因此，锚杆端部螺纹部分摩擦因数小，拉力与扭矩的比值就高；反之比值就低。

2.2.2　螺母与接触面间摩擦因数的影响
　　对同一直径的锚杆在未使用垫圈、使用旧垫圈和使用新垫圈3种情况进行了测试，测试结果见图4。

图4　垫圈对扭矩与拉力关系的影响
1—使用新垫圈；2—使用旧垫圈；3—未用垫圈

　　由图4可看出，对于给定的预紧扭矩，未使用垫圈时，锚杆拉力最低；使用新垫圈时，锚杆所受的拉力最高。这是因为使用垫圈后，改善了螺母与拉触面间的表面情况和受力状况，使此部分的摩擦系数降低。

3　结论与建议

　　端锚金属锚杆拉力与扭矩的关系直接影响锚杆的支护效果，对锚杆支护性能起着不可忽视的作用。
　　(1)由于锚杆端部螺纹部分的加工质量对扭矩与拉力的关系有着显著的影响，加工锚杆时应提高此部分的加工质量，且安装过程中应使用润滑剂。
　　(2)使用垫圈能有效地改善锚杆端部的受力状况，降低接触面间的摩擦因数，增加锚杆预紧力。
　　(3)锚杆直径不同，其扭矩与拉力的关系是不同的，杆体越粗，锚杆所受拉力越小。
　　(4)考虑到目前各矿所用锚杆的多样性、加工质量的差异以及操作人员安装水平的不同，目前工程实际中普遍采用的用扭矩控制锚杆预拉应力的方法并不是一个好的控制手段。应采用无损锚杆测力装置进行监测。