锚杆附件力学性能匹配性研究

吴 拥 政

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；4.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

0 引 言

锚杆支护是目前我国煤矿巷道主体支护方式[1]，其支护附件主要包括锚杆杆体、螺母、托板、调心球垫、减摩垫片等。影响巷道支护效果的因素很多，其中支护附件力学性能的匹配性是实现锚杆支护能力充分发挥的关键影响因素。近年来，由于巷道赋存地质条件日益复杂，传统低强度支护材料难以满足现场工程要求，国内相关单位相继开发出高强度锚杆、热处理锚杆、预应力钢棒等高强度支护材料[2-3]。作为锚杆支护材料的重要组成部分，锚杆附件也得到了快速发展。但由于普遍重视锚杆杆体材料开发，对锚杆附件的重视度不够，多个矿区出现了由于附件不合理或不匹配，导致附件破坏失效，严重影响了巷道支护效果。对于锚杆杆体及附件，我国学者开展了大量研究。姜铁明[4]开展了锚杆构件(杆体、托盘、锚固剂)支护作用机制研究，分析了不同支护构件对巷道支护效果的影响；康红普等[5]对锚杆构件力学性能及匹配性进行了系统研究，研究了锚杆各构件包括杆体、螺纹段、托盘、调心球垫及减摩垫圈的力学性能，认为锚杆各构件力学性只有相互匹配，才能充分发挥锚杆的支护作用。另外，煤炭科学研究总院开采研究分院自2005年起，对锚杆支护构件力学性能、支护作用、各构件间的相互匹配性等进行了系统研究，其研究成果主要集中在3个方面：①锚杆支护构件的合理结构、尺寸及材质。通过研究锚杆杆体、减摩垫片、金属网等构件的结构与力学性能间的相互关系，确定了适合煤矿巷道使用的构件合理结构和材质[6-7]。②锚杆支护构件的力学性能。研究了锚杆杆体、托板、钢带等支护构件的力学性能，为不同地质条件下支护构件的选取提供了依据[8-11]。③锚杆构件的支护作用。通过开展不同组合构件预应力传递模型试验，研究了不同组合构件对预应力传递的影响机制[12-14]。上述研究成果已广泛应用于我国巷道锚杆支护设计与工程中，显著提高了巷道支护效果。笔者在分析锚杆附件破坏失效的基础上，研究了锚杆螺母、托板、调心球垫及减摩垫片等附件的力学性能及匹配性，确定了煤矿巷道锚杆附件的技术要求和选取原则。并通过井下实例分析，验证了锚杆附件匹配性对支护能力充分发挥的影响。

1 井下锚杆附件破坏失效状况

锚杆附件主要包括螺母、托板、调心球垫及减摩垫片等，锚杆附件安装如图1所示。在围岩受到挤压或动载作用下，锚杆各附件均会出现不同程度的破坏失效。

1)锚杆螺母破坏失效。锚杆螺母破坏主要表现为螺母内螺纹或锚杆外螺纹段的螺纹在剪应力作用下被拉平而失效，主要是由于螺母的螺纹强度、刚度及尺寸与锚杆外螺纹匹配性差，螺母螺纹抗剪性能低于锚杆杆体强度，导致螺母被拉脱而失效(图2)。

图1 锚杆附件安装Fig.1 Installation of bolt components

图2 螺母与锚杆螺纹破坏失效Fig.2 Failure photos of nut and bolt thread

2)锚杆托板破坏失效。锚杆托板主要有拱形托板、平托板、异性托板等形式，其中拱形托板使用最为广泛。拱形托板失效的形式主要为拱高被压平、四角翘起、局部撕裂及孔口变大，最终使托板承载能力降低或结构破坏而失效，严重限制了锚杆支护能力的充分发挥(图3)。

图3 托板破坏状况Fig.3 Damage of supporting plate

3)锚杆调心球垫及减摩垫片破坏状况。煤矿井下常见的调心球垫变形破坏如图4所示，不合理的调心球垫没有发挥调心的作用，导致锚杆杆体与螺母发生自锁，锚杆杆体出现偏载，局部出现高剪切应力，导致杆体弯曲、断裂。

图4 调心球垫变形破坏Fig.4 Deformation and failure of self aligning ball cushion

煤矿常用的减摩垫片为聚四氟乙烯、1010尼龙、改性1010尼龙、高密度聚乙烯。个别矿区不使用减摩垫片或采用在螺纹处涂抹黄油的方式来代替减摩垫片，不合理的减摩垫片预紧力转化系数低，且在拧紧螺母过程中垫片易断裂脱落，无法实现减摩效果。

2 锚杆附件力学性能匹配性研究

GB/T 35056—2018《煤矿巷道锚杆支护技术规范》(下文简称国标)中要求煤矿巷道锚杆支护设计中要包含锚杆附件材料和规格[15]。设计选用的锚杆支护材料应符合国家及相关行业标准，锚杆杆体及其附件的力学性能应相互匹配。为此，在实验室开展了锚杆螺母与杆体、托板与球垫及减摩垫片与球垫力学性能匹配性试验。

2.1 螺母与杆体匹配性试验

1)试验方法。选用直径为22 mm的锚杆，钢材强度500 MPa，螺距3 mm，螺纹为三角形，螺纹公称直径24 mm。主要考虑螺母不同强度等级、不同厚度及不同形状，强度等级分别为5级、6级和8级，螺母厚度分别为20 mm和30 mm，螺母形状为法兰螺母和非法兰螺母。将试样制作成标准试样，在材料试验机上开展拉伸试验，测试螺母与杆体连接处的力学性能匹配性。

2)螺母强度对连接处力学性能的影响。不同强度等级螺母与杆体的拉伸载荷曲线如图5所示。由图5可得，当螺母强度为5级时，随着载荷的增加，试样位移逐步增大，螺母连接处出现脱扣，锚杆杆体并未出现破断，而是螺母与杆体出现滑脱(图6)。出现上述现象的主要原因为螺母强度较低，受载达到一定数值后，螺母部分螺纹被拉脱，而杆体外螺纹仍保持完好，在拉伸曲线上表现为载荷波动。整体来看，5级螺母强度低，与杆体不匹配。

图5 不同强度螺母与杆体拉伸载荷曲线Fig.5 Tensile load curves of nut and rod with different strength

图6 5级螺母滑脱Fig.6 Slipping failure of grade 5 nut

当螺母强度等级为6级和8级时，锚杆杆体出现了破断，破断载荷达到280 kN，且从锚杆受载到破断整个过程中，锚杆螺母连接处一直保持完好，未出现脱扣的现象。

图7 不同齿高螺母与杆体拉伸载荷Fig.7 Tensile load of nut and rod with different tooth height

由图7可得，当齿高为0.6H时，试样最大载荷200 kN，螺母与杆体连接处出现滑脱，试样拉伸载荷急剧降低，载荷降低至80 kN。随后拉伸载荷进一步增加，然后又急剧降低，螺母内螺纹全部被拉脱，连接处失去承载能力。

当齿高为0.7H和0.8H时，试样从开始拉伸到破断，螺母螺纹均未出现滑脱的现象，载荷达到230 kN左右时锚杆出现屈服，280 kN时锚杆破断，最大位移近40 mm。在整个拉伸过程中，螺母与杆体连接处未出现相对滑动，这说明0.7H和0.8H齿高的螺纹可满足锚杆的需要。

4)螺母厚度对连接处力学性能的影响。实验室测试了螺母厚度为20 mm和30 mm试样的拉伸承载特性，测试结果发现：2种螺母在锚杆破断前均未出现相对滑动，螺母螺纹也未出现滑脱，2种螺母均满足锚杆使用要求，锚杆在载荷225 kN出现屈服，275 kN出现破断。法兰螺母和非法兰螺母对试样的承载力影响不大，2种螺母的试样最大承载力和位移基本相同，这说明法兰螺母和非法兰螺母均能满足使用要求(图8)。

图8 不同螺母锚杆连接处破断特征Fig.8 Fracture characteristics of bolt joint under different nuts

2.2 托板与调心球垫匹配性试验

锚杆托板的形状有多种，拱形可调心托板是我国目前煤矿井下最常用的托板，拱形托板结构合理，能充分发挥锚杆支护作用[16]。

2.2.1 托板与调心球垫匹配关系

为了研究托板与调心球垫的匹配性，分别选择潞安漳村煤矿(以下简称漳村矿)、新乡鼎盛(以下简称鼎盛)、潞安五阳煤矿(以下简称五阳矿)、晋城市利晨矿用支护材料有限公司(以下简称利晨)使用的托板进行试验，4个厂家的托板尺寸均为150 mm×150 mm×10 mm，材质为Q235，托板结构参数见表1。

表1 不同托板的参数Table 1 Parameters of different pallets

对上述4种托板和调心球垫进行了承载力特性测试，测试结果如图9所示。

图9 不同托板承载力曲线Fig.9 Bearing capacity curves of different pallet

由图9可得，漳村矿的托板承载力达到250 kN后，承载力出现缓慢增加，托板四角翘起，托板拱部产生较大变形，拱部逐步被压平，托板失效时最大承载力达到400 kN以上；鼎盛的托板承载达到170 kN时，承载力出现缓慢增加的趋势，托板四角翘起，承载力达到200 kN时，承载力又出现快速增加的趋势，托板最终失效的最大承载力为270 kN；五阳矿的托板承载力逐步上升到250 kN，然后承载力基本保持稳定，变形一直增加，最后四角翘起，托板最大承载力为250 kN；利晨的托板承载力达到260 kN时，承载力出现缓慢增加趋势，托板变形特征与漳村矿的基本相同，最大承载力为370 kN。

整体来看，4种托板和调心球垫的承载力基本能够满足普通500号锚杆的需要，但五阳矿和利晨的球垫刚度较低，在压缩过程中，球垫产生较大变形，当受载较大时，无法实现调心作用。漳村矿和鼎盛生产的调心球垫刚度相对较高，受载过程中球垫变形小，基本能够实现调心要求。

2.2.2 调心球垫调心效果试验

巷道表面坑洼不平，锚杆很难与岩面保持垂直，锚杆与岩面不垂直使锚杆承受侧向作用力，从而导致锚杆受弯或受剪破断。调心球垫的主要作用是通过调节锚杆的角度，可使锚杆在一定的角度范围内自适应，从而不出现受弯或受剪破断。

为了测试调心球垫的调心效果，分别测试了鼎盛和漳村矿调心球垫在10°岩面的调心效果(图10)。试验过程中转矩采用转矩扳手施加，转矩从0施加至500 N·m，分别记录调心球垫调心角度、托板旋转角度和锚杆弯曲角度，测试结果如图11和图12所示。

图10 2种托板与球垫Fig.10 Two kind of pallet and ball pad

图11 漳村矿组合结构的调心角度曲线Fig.11 Alignment angle curves of combined structure inZhangcun Mine

图12 鼎盛组合结构的调心角度曲线Fig.12 Alignment angle curves of combination structure inDingsheng Company

由图11可得，随着锚杆预紧转矩的增加，锚杆弯曲角度、托板旋转角度及垫圈调节角度均相应增加。在预紧转矩达到500 N·m时，锚杆弯曲角度达到2°，托板旋转角度为5°，调心球垫的最大调心角度为3°。

鼎盛的组合结构在转矩施加的过程中，锚杆弯曲角度和托板旋转角度相应增加，而调心球垫调心的角度变化不大。在预紧转矩达到500 N·m时，锚杆弯曲角度达到7.7°，托板旋转角度为9.2°，调心球垫的最大调心角度为1.6°。

整体来看，漳村矿托板球窝与调心球垫外表面接触更加合理，其调心效果相对较好。球垫刚度、强度越高，调心效果越好。否则，调心球垫会由于产生较大变形而失去调心作用。

2.3 减摩垫片与球垫匹配性试验

减摩垫片的主要作用是通过减小螺母端部与调心球垫接触面的摩擦力，从而提高螺母的预紧转矩与锚杆轴力预紧力的转化系数，最终提高锚杆支护效果。试验选取煤矿最为常用的螺纹公称直径为M24的螺母，开展5组试验，分别为未使用减摩垫片、1010尼龙、聚四氟乙烯、高密度聚乙烯及改性1010尼龙，预紧转矩从0至800 N·m，实时监测不同预紧转矩下的锚杆轴力，测试结果如图13所示。

图13 减摩垫片转矩与预紧力转化测试结果Fig.13 Test results of torque and preload conversion of antifriction gasket

由图13可得，锚杆预紧力与转矩基本呈线性增加关系，随着预紧转矩的增加，锚杆预紧力相应增加。在同一转矩下，不同减摩垫片的锚杆预紧力显著不同，使用减摩垫片的锚杆预紧力明显增高。当转矩达到400 N·m时，未使用减摩垫片、聚四氟乙烯、1010尼龙、改性1010尼龙及高密度聚乙烯减摩垫片的锚杆轴力分别为70.0、76.1、94.1、82.3和90.1 kN，其中1010尼龙垫片减摩效果最好。试验过程中，聚四氟乙烯和改性1010尼龙垫片受压延性较差，当预紧转矩超过200 N·m时，垫片易开裂脱落，无法发挥其减摩效果。与其相比，1010尼龙垫片受压延性较好，在受压过程中会产生挤压变形，最后形成碗状，很好地发挥了减摩效果。

3 锚杆附件技术要求

不同规格的锚杆附件其力学性能差异较大，严重影响锚杆支护效果。同时，锚杆附件匹配性也会影响锚杆的受力状态，锚杆附件不匹配会导致锚杆产生不协调变形，从而致使锚杆因非正常承载而破断。

3.1 螺母

螺母的技术要求：①承载能力与杆尾螺纹相匹配，因为其破坏会导致整个锚杆失效；②规格、形状及加工精度利于给锚杆施加高预应力；③有利于锚杆快速安装。

不同强度级别的锚杆应选择合适的螺母型号，从而实现螺母和杆体力学性能的匹配，335号、400号、500号及600号锚杆要求配套螺纹及螺母性能等级分别不低于4级、5级、6级和8级。

3.2 托板

托板的技术要求：①承载能力与杆体相匹配，托板的过大变形与破坏会极大降低锚杆的支护能力，甚至导致支护体系失效；②有一定的变形能力，受力压缩后不脆裂或过量外翻导致失效(图14)；③有一定的面积，利于锚杆预应力的有效扩散；④有一定的调心能力，适当调节锚杆受力，使锚杆处于较好的受力状态。

图14 冷冲压托板开裂Fig.14 Cracking of cold stamping pallet

托板的承载力与托板的材质、厚度、形状、拱高及加工工艺等有关。结合目前煤矿井下常用的ø22 mm的335号和500号锚杆，杆体屈服力分别为127、190 kN，对应的托板承载力不低于165 kN和247 kN，以拱形托板为宜，尺寸120 mm×120 mm～200 mm×200 mm，厚度分别不低于8 mm和10 mm，拱高不低于34 mm。锚杆托板应保持下端面平整，不得出现四角翘起。在围岩松软破碎或高地应力情况下可选用尺寸更大的托板。

3.3 调心垫圈

调心球垫的技术要求：①承载能力与杆体相匹配；②规格及孔径大小与杆体直径匹配，过大或过小都易导致锚杆受力恶化破断或失去调心作用。

调心球垫多为锻造件，材料多为A3钢或Q235钢，强度与托板相当。调心球垫内径与杆体间直径差1～2 mm为宜。调心球垫直径或厚度过大，会导致调心球垫与调心托板的球窝不匹配，出现锚杆被卡破断及调心垫圈严重扭曲破坏的情况。

锚杆托板球窝几何形状及力学性能应与调心球垫相匹配，调心球垫应能允许锚杆杆体与托板之间有不小于10°的偏角而不出现卡阻现象。

3.4 减摩垫片

减摩垫圈的材质对其性能起关键作用，减摩垫片的外径需与调心球垫外径相近，调心球垫与杆体间隙过大容易造成减摩垫片的断裂或切分，减摩效果大幅降低[18]。对于普通巷道，优先选用1010尼龙垫片，特别复杂困难的巷道也可选用轴承作为减摩垫片。

4 锚杆附件的井下应用与支护效果

锚杆及其附件已经广泛应用于煤矿井下巷道，取得较好的支护效果[19-21]。但是，如果锚杆附件不匹配或设计不当，会由于附件破坏而导致支护体系失效，严重影响巷道支护效果。

潞安五阳煤矿7602回风巷埋深约450 m，沿3号煤层顶板掘进，邻近7601工作面刚回采结束，距离7601工作面采空区3～8 m，属小煤柱动压掘进巷道。采用数值计算结合工程实践经验，提出巷道初始支护设计：采用强力锚杆、锚索组合支护系统，并参照上述研究成果进行锚杆附件的精细化设计。

锚杆杆体为ø22 mm的500号强力锚杆，极限拉断力为247 kN，屈服力为190 kN，断后延伸率大于20%，常温V型冲击吸收功≥40 J，杆尾螺纹规格为M24，采用滚压加工工艺成型。顶帮锚杆长度均为2.4 m，采用4支低黏度树脂锚固剂全长预应力锚固；锚杆托板采用高强度拱型托板，托板屈服强度不低于Q235级，尺寸为150 mm×150 mm×10 mm，托板高度不低于36 mm，承载能力不低于247 kN；配合调心球垫和1010尼龙减摩垫片；采用配套高强度螺母M24×3，采用滚压加工工艺成型。螺母性能等级为6级；采用W钢护板及金属经纬网护表，型号为W235/280/5.0，钢护板屈服强度不低于Q235级，宽280 mm，厚度5 mm，长度450 mm，压槽内平面宽度160 mm，破断力为442.5 kN。

设计锚杆间排距均为0.9 m，顶板每排7根锚杆，帮每排8根锚杆，锚杆预紧转矩要达到400 N·m，禁止超过550 N·m。顶板锚索直径22 mm，长度7.3 m，树脂与注浆联合锚固。采用300 mm×300 mm×16 mm高强度可调心托板，托板承载能力不低于600 kN。采用配套强度锁具。锚索采用三花布置，每2排锚杆打3根锚索，排距0.9 m，间距1.8 m。

在矿压监测期间，巷道两帮移近量为265 mm，窄煤柱侧帮变形量为150 mm，顶板下沉量55 mm，底鼓量140 mm；顶板浅部离层27 mm，深部离层10 mm；锚杆平均受力135 kN，锚索受力为244 kN，巷道支护状况良好。从现场观测情况来看，有无调心球垫时，锚杆受力状况差异较大，有调心球垫时，在锚杆与围岩不垂直时，锚杆也不会受弯而破断，钢护板受力完好，而无调心球垫时，部分锚杆出现受弯折断，或钢护板弯折失效，有无调心球垫锚杆安装如图15所示。

图15 有无调心球垫时锚杆安装对比Fig.15 Comparison of bolt installation without gasket and with gasket

5 结 论

1)锚杆附件主要由螺母、托板、调心球垫及减摩垫片等组成，各附件的变形破坏失效严重影响了锚杆支护作用的发挥。锚杆螺母失效形式主要为内螺纹被拉平，导致螺母脱落失效；拱形托板失效的形式为拱高被压平、四角翘起及局部撕裂等，托板承载能力降低失去承载能力；锚杆调心球垫和减摩垫片的失效为无法实现杆体角度的调节和提高预紧力转化系数。

2)锚杆螺母的强度等级、内螺纹齿高及厚度对锚杆连接处力学性能有一定影响，锚杆连接处强度与螺母强度等级、螺纹齿高及螺母厚度呈正相关，500号锚杆杆体选用的螺母强度不宜低于6级，齿高不小于0.7H，螺母厚度不小于20 mm；托板承载力与托板厚度、拱高呈正相关，厚度10 mm、拱高40 mm的托板承载力基本能够满足现场使用要求。不同托板与调心球垫的匹配性差异较大，球垫与托板孔口接触越合理、刚度越高越有利于锚杆角度调节；不同材质减摩垫片的减摩效果有一定差异，与其他减摩垫片相比，1010尼龙垫片减摩效果好，有一定延性，很好地发挥了减摩效果。

3)基于测试结果和现场应用情况，确定了锚杆附件技术要求，提出了不同强度等级锚杆各附件选择的原则和力学参数。在分析上述锚杆附件力学性能匹配性的基础上，开发了相应的锚杆附件，并在井下进行了试验，大幅度提高了锚杆的支护效果，减少了因锚杆附件不匹配出现的锚杆因非正常承载出现的破断现象。