新型端部锚固可回收锚杆力学性能试验与应用

崔鹏毅

（山西潞安环保能源开发股份有限公司 五阳煤矿，山西 长治 046200）

1 概 况

锚杆支护是当前巷道支护手段中施工最方便、工人劳动强度最低且支护效果最好的支护形式，它对围岩的作用主要是悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用以及后来发展并得到广泛应用的强度强化作用等。锚杆打设到围岩中，可将围岩体的受力状态从二向受力变为三向受力，有效提高了围岩的自承能力，增加了围岩体本身的稳定程度，从而可以保证巷道围岩的长期稳定。

锚杆杆体作为一次性消耗用品，一旦锚固到煤岩体后，一般均无法取出再次使用，即使巷道服务年限已满，锚杆杆体也均留在煤（岩）体内。但是，对于工作面煤壁侧的锚杆，一般随着工作面推进、煤炭的采出而将锚杆从煤体中清理出来，清理出来的锚杆由于生锈、锚固剂的粘结影响等因素，一般也无法再次复用。

随着煤矿精益管理的推进，为进一步降低生产成本，提高经济效益，诸多专家学者和煤炭企业对可回收锚杆进行了研发。一般来说，可回收锚杆类型可总结为3 类，分别是机械式回收、力学式回收和化学回收。

与其他国家相比，我国可回收锚杆技术的研究与应用起步较晚，但由于我国煤炭企业较多，对可回收锚杆的需求更大，因此，我国的可回收锚杆发展较其它国家快很多。国内许多专家学者也从锚杆的制作工艺、回收工艺、杆体材料等方面对可回收锚杆技术进行了深度探讨，但大都停留在理论分析和试验室试验的层面上，现场应用案例较少。该项目研发的新型可回收锚杆，除能保证可回收锚杆的锚固能力、防腐能力、适用范围等适应绝大部分的地质条件外，还能保证现场回收工艺简单，对锚杆杆体本身的破坏小。

2 锚杆结构设计

2.1 可回收锚杆结构设计

此次设计的新型端锚可回收锚杆为锚固段和可回收杆体段两部分，在两部分之间加装连接套，连接套与可回收杆体段螺纹连接，与锚固段螺纹焊接。整个结构设计为可回收杆体、锚固套及锚固段杆体、托盘、固定螺母、球垫等，如图1 所示。

图1 新型端锚可回收锚杆的结构组成示意Fig.1 Structural composition of a newtype of endanchored recoverable anchor bolt

2.2 可回收锚杆的加工

可回收锚杆的长度根据巷道支护设计采用的锚杆长度而定。通常情况下锚固段长度800 mm，可回收段杆体的长度为1 500 mm，连接套长100 mm，锚固段和可回收段杆体的直径为22 mm，连接套直径为30～32 mm，连接套与锚固段螺纹连接并焊接，与可回收杆体段螺纹连接，如图2 和图3所示。

图2 可回收锚杆整体结构Fig.2 Overall structure of recoverable anchor bolt

图3 可回收锚杆连接部分结构Fig.3 Connection structure of recoverable anchor bolt

安装时可提前将锚固段和非锚固段连接在一起，也可以利用锚杆钻机的扭矩在安装锚杆时再把两段连接在一起。可回收锚杆的连接螺栓是经过特殊热处理，强度达到杆体的屈服强度，做到锚固段、连接套和可回收段的强度相匹配，保持和发挥螺纹钢锚杆杆体的强度及延伸性能与整根锚杆的力学性能相当。

3 锚杆拉伸破坏试验与分析

3.1 试验目的

可回收锚杆能否成功的一个关键技术是要求连接件的强度同被连接件的强度相当，但是其直径不能太大，否则会导致锚杆锚固孔径增大，锚固长度变短，影响锚杆锚固力。根据水桶效应，当一个连接段中包含多个危险截面时，其中最薄弱的部分抗拉强度就决定了整个系统的抗拉强度。可回收锚杆的整体强度可能是由可回收锚杆的连接部分强度决定，而连接部分主要包括连接套管的强度和车丝的锚杆杆体的强度以及它们之间的连接强度。只有连接部件的抗拉强度大于或等于螺纹钢锚杆杆体的强度，可回收锚杆的工作性能才能达到或者接近于正常的螺纹钢锚杆的工作性能。因此，有必要对可回收锚杆的连接件进行抗拉强度的力学分析。此次设计采用的连接套管的材质为25MnSi，并经过特殊热处理，连接套管试件的力学模型如图4 所示。

图4 连接件参数Fig.4 Connector parameters

3.2 试件加工

为获得项目提出的可回收锚杆的抗拉强度，对制作的4 根可回收锚杆和2 根螺纹钢锚杆分别截取400 mm 长度，在实验室进行了极限拉拔试验。试验中选取常用的3 根φ22 mm 的可回收锚杆（编号为试件A、试件B、试件C），截取长度为400 mm，带连接套的锚固段200 mm 和自由段杆体200 mm。为了对比分析连接套的强度与可回收锚杆杆体的强度，又选取2 根φ22 mm 的自由段锚杆杆体（编号为试件D 和试件E）。由于锚固段与可回收段杆体通过连接套的螺纹连接，实验前预估连接套的强度可能低于可回收锚杆杆体（直径22 mm）的强度，但如果连接套的强度能够达到直径为φ20 mm 杆体的强度，也可以认为连接套能够满足支护的强度要求，因此再选取1 根φ22 mm 的自由段锚杆杆体（编号为试件F），通过车床加工其两端杆体，使之直径为20 mm，长度各100 mm。试验中使用的试件如图5 所示。

图5 试件编号Fig.5 Specimen number

3.3 试验仪器

试验采用河南理工大学土木工程实验室采购的WAW-300 型300 kN 电液伺服万能试验机，试验机配套了对应的试验数据采集系统、连续式标点机、游标卡尺和切割机等配套试验设备。

3.4 试验数据记录

利用电液伺服万能试验机进行可回收锚杆连接处的拉拔试验，得出试件的最大应力、抗拉强度、上屈服强度、下屈服强度、上屈服力、下屈服力等，试验数据见表1。

由表1 可以看出，不带连接件的φ22 mm 锚杆，最大拉力为273.1～277.4 kN，屈服力为205.7～208.9 kN，抗拉强度为718.4～729.7 MPa；当夹持φ22 mm 锚杆的端部细段（φ20 mm）时，其最大力为195.39 kN，屈服力为138.26 kN，抗拉强度为514.05 MPa，其破断位置在锚杆的端部细段（φ20 mm），说明连接套的强度接近于φ20 mm 锚杆杆体钢筋强度。

3.5 试验结果分析

根据拉断的可回收锚杆连接件试件A～C 的相关试验结果，整理其屈服力、拉断破坏力和破坏位置，见表2。可见，可回收锚杆连接件可以抵抗的破坏力平均值为194.0 kN，在拉力平均达到190.0 kN 时会进入屈服阶段，破断位置均在连接套内螺纹较薄位置。

表2 锚杆连接件拉至破坏统计Table 2 Bolt connector pull-to-failure statistics

由表2 可看出，可回收锚杆的最大抗拉破坏强度平均约194.0 kN，低于正常的螺纹钢锚杆锚杆杆体的抗拉强度，即275.25 kN。由此可见，连接件的强度仍然达不到杆体本身的破断荷载，对整个可回收锚杆的强度产生了制约，因此，欲提高可回收锚杆整体抗拉强度，需在连接件的结构、材料或改善加工工艺上下功夫，以期进一步提高连接部分的抗拉强度，减弱“木桶”效应的影响等。根据夹持φ22 mm 锚杆的端部细段（φ20 mm）的拉断破坏试验结果，可回收锚杆的最大抵抗拉力破坏能力略高于φ20 mm 锚杆杆体钢筋的抵抗破坏能力138.26 kN。

4 工业性试验

选择五阳煤矿7509 回风巷掘进巷道为试验地点。7509 回风巷（包括7509 回风巷出煤巷、7509回风巷车场、7509 回风巷回风通道、7509 回风巷联络巷，7509 回风巷外段和7509 回风巷里段）位于+600 水平75 采区。试验巷道选择为7509 回风巷里段。509 综采工作面回风巷里段为矩形断面，巷道宽5.0 m，高3.5 m，原支护方案设计采用树脂加长锚固强力锚杆锚索组合支护系统。

可回收锚杆安装在巷道内靠近工作面侧巷帮，第一周每天记录1 次数据，后续每周记录1 次。7509 回风巷试验段共布置200 根可回收锚杆，按照5%的抽检比，共进行了10 组拉拔试验，平均拉拔力为140.2 kN。

根据7509 回风巷里段3 号测站对帮锚杆的受力监测记录（图6）数据分析，锚杆受力稳定在107.8 kN（14 MPa），小于可回收锚杆拉拔力检测平均值140.2 kN，同时小于实验室测得的最大抵抗拉力破坏能力194.0 kN，证明可回收锚杆的锚固力能够满足回采巷道支护的要求。

图6 7509 回风巷里段帮锚杆受力监测记录Fig.6 Monitoring record of bolt stress in the inner section of 7509 return airway

当帮部锚杆施工完毕后，通过定扭矩扳手和反力臂施加锚杆预紧力矩（档位为1，设定值为300 N·m），然后，用扭力扳手实测试验锚杆的预紧力矩值，共测定5 组数据，记录结果见表3。

表3 试验锚杆的预紧力矩Table 3 Pre-tightening torque of test bolt

经过计算，通过定扭矩扳手施加锚杆预紧力矩的实测平均值为297 N·m，与设定值之间的误差小于5%，说明定扭矩扳手达到了设计要求，能够解决现场锚杆预紧力矩“超拧紧”或“欠拧紧”的问题，使得锚杆预紧力矩在合理范围内，提高锚杆锚固质量。

5 结 语

研制的新型可回收树脂金属锚杆的连接套保证了螺纹联接段具有足够的承载力，并且具有拆卸和安装简单方便、连接紧固可靠、能量传递效率高等特点。工业性试验研究结果表明，项目提出的可回收锚杆锚固力性能稳定，承载性能可靠，可回收2/3 以上的杆体，满足巷道围岩控制的要求，具有较好的推广价值。