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硕士学位论文硕士学位论文 提高锚杆预紧力技术及装置的研究提高锚杆预紧力技术及装置的研究 学位类型学位类型 学术型学位 学科学科 （专业学位类别）（专业学位类别） 安全技术及工程 作者姓名作者姓名 孙雪峰 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 李树清 教授 实践导师姓名及实践导师姓名及职称职称 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2014 年 6 月 6 日 密密 级级公开 中图分类号中图分类号X936 万方数据 提高锚杆预紧力技术及装置的研究提高锚杆预紧力技术及装置的研究 学位类型学位类型 学术型学位 学科学科（专业学位类别）（专业学位类别） 安全技术及工程 作者姓名作者姓名 孙雪峰 作者学号作者学号 11010103001 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 李树清 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2014 年 6 月 6 日 学 位 授 予 单 位学 位 授 予 单 位 湖 南 科 技 大 学 万方数据 Study on Technology and Device for Improving Pre-tightening Force of Rockbol Type of Degree Academic Degree Discipline Safety Technology and Engineering Candidate Sun Xuefeng Student Number 11010103001 Supervisor and Professional Title Prof. LI Shuqing Practice Mentor and Professional Title School School of Energy and Safety Engineering Date 2014.6.6 University Hunan university of science and technology 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 i 摘摘 要要 提高锚杆预紧力是提高锚杆支护效果的重要途径。国内煤矿巷道较多使用锚 杆支护，但较低的预紧力严重制约了锚杆支护在困难复杂条件下的应用。在提高 锚杆预紧力方面，我国众多学者总结出应从两方面入手一是提高螺母安装扭矩 M；其次是提高螺母安装扭矩与锚杆预紧力的转换系数 k 值。为提高锚杆预紧力， 本人和导师提出了一个基于滚动摩擦原理的锚杆预紧装置，并获批了国家专利。 本文基于该专利开展了研究工作。 本文采用理论分析、实验室实验和现场试验相结合的方法分析了这种提高锚 杆预紧力技术及装置的可行性，并开发了产品在现场试用。研究结果如下 （1）分析了锚杆预紧力在锚杆支护中的作用，分析得到了影响锚杆预紧力的 因素，提出了新型锚杆预紧技术及装置改进方向。 （2）总结锚杆预紧力的施加技术，提出锚杆预紧技术及装置的构想并通过力 学分析得到其良好的减摩效果。 （3）对锚杆预紧装置进行设计，并制作了试用品。 （4）在锚杆试验平台上开展了锚杆预紧装置实验，最终得到锚杆扭矩与预紧 力关系曲线图，进而得出在预紧扭矩低于 80 N m 时，锚杆预紧装置提高预紧力的 作用不明显，在预紧扭矩由 80 N m 提升到 200 N m 时，锚杆预紧装置提高预紧力 的作用显著提高。 （5）在工程现场试用，取得了较好的效果。 关键词锚杆支护；预紧力；预紧扭矩；预紧装置；实验室实验 万方数据 ii 万方数据 iii ABSTRACT Boosting the bolt pre-tightening force is an important way to improve the effectiveness of bolting. In china, bolt supporting is mostly applied in coal mine roadway, but too weak pre-tightening force will seriously restrict the application of bolt supporting in difficult conditions. As for the boost of the bolt pre-tightening force, many scholars in our country resort to two means to achieve this end The first is to improve the nut installation torque M; the second one is to reduce the conversion coefficient k between nut installation torque and bolt pre-tightening force. In order to increase the bolt pre-tightening force, my tutor has suggested a bolt pre-tightening device which has been granted national patent. This paper conducts research based on this patent. In this paper, theoretical analysis, laboratory experiments and field tests were combined to look at the feasibility of this technology and the device. The results were as follows 1 Analyzed the role of bolt pre-tightening force in bolting, with factors that influence bolt pre-tightening force obtained and new model of bolt pre-tightening technology and device developed. 2 Summarized the technology of applying bolt pre-tightening; proposed the idea of bolt preload technology and devices; get their good friction reduction by mechanical analysis. 3 Designed bolt pre-tightening device and made a trial product. 4 Conducted an experiment on bolt test plat, culminating with a graph of the relationship between torque and bolt preload when pretension torsional moment goes below 80 N m, bolt pre-tightening force has little effect; while pretension torsional moment is increased to 200 N m, pre-tightening force is largely increased by pre-tightening device. 5 Achieved good result on the spot. 万方数据 iv Key Words bolting; pre-tightening force; pretension torsional moment; pre tightening device; laboratory tests 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 目目 录录 摘摘 要要................................................................................................. i ABSTRACT .....................................................................................iii 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景 ................................................................................................1 1.2 研究现状 ................................................................................................2 1.2.1 锚杆支护概况 .............................................................................2 1.2.2 预应力锚杆支护研究现状 ..........................................................3 1.2.3 提高锚杆预紧力技术及装置研究现状 .......................................3 1.2.4 存在问题 .....................................................................................5 1.3 研究意义 ................................................................................................5 1.4 研究内容及方法 ....................................................................................5 1.4.1 研究内容 .....................................................................................5 1.4.2 研究方法 .....................................................................................6 1.4.3 技术路线 .....................................................................................6 第二章第二章 锚杆预紧技术及装置的理论分析锚杆预紧技术及装置的理论分析 2.1 锚杆预紧力的作用 ...............................................................................9 2.2 锚杆预紧力的影响因素 ...................................................................... 10 2.2.1 影响锚杆支护预紧力的因素分析............................................. 10 2.2.2 提高锚杆预紧力的措施 ............................................................ 11 2.3 锚杆预紧力施加技术概况 ................................................................... 11 2.3.1 通过增加锚杆预紧扭矩提高锚杆预紧力 ................................. 11 2.3.2 通过在锚杆螺母和垫板之间加减摩垫圈提高预紧力 .............. 12 2.3.3 通过液压张拉器张拉提高预紧力............................................. 13 2.4 新型锚杆预紧技术及装置的提出 ....................................................... 14 2.4.1 基于滚动摩擦原理的锚杆预紧技术及装置 ............................. 14 万方数据 目 录 2.4.2 锚杆预紧装置的具体实施方式 ................................................ 15 2.5 锚杆预紧装置力学分析 ....................................................................... 16 2.5.1 锚杆预紧过程中减摩器的力学分析 ......................................... 16 2.5.2 应用滚动摩擦原理减小摩擦扭矩的分析 ................................. 17 2.6 锚杆预紧装置的预紧效果分析 ........................................................... 20 2.6.1 扭矩和锚杆预紧力的关系分析 ................................................ 20 2.6.2 锚杆预紧装置的应用计算 ....................................................... 21 2.7 本章小结 .............................................................................................. 23 第三章第三章 锚杆预紧装置的研制锚杆预紧装置的研制 3.1 锚杆预紧装置的研制要求 ................................................................... 25 3.2 锚杆预紧装置材料的选择 ................................................................... 25 3.3 规格尺寸及设计图纸 .......................................................................... 28 3.4 本章小结 .............................................................................................. 30 第四章第四章 锚杆预紧装置实验锚杆预紧装置实验研究研究 4.1 锚杆预紧装置实验平台及实验器材 ................................................... 31 4.1.1 锚杆实验平台 ........................................................................... 31 4.1.2 实验器材 ................................................................................... 32 4.2 实验方案及实验步骤 .......................................................................... 33 4.3 实验结果及分析 .................................................................................. 35 4.3.1 实验结果 .................................................................................. 35 4.3.2 实验结果分析 .......................................................................... 41 4.4 锚杆测力计回弹现象 .......................................................................... 43 4.5 本章小结 .............................................................................................. 43 第五章第五章 工程实践工程实践 5.1 工程概况 ............................................................................................. 45 5.2 巷道支护方案 ..................................................................................... 46 5.2.1 锚杆支护参数 ........................................................................... 46 5.2.2 锚索支护参数 ........................................................................... 47 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 5.2.3 锚梁及网参数 ........................................................................... 48 5.2.4 喷射混凝土参数........................................................................ 49 5.3 锚杆预紧装置的应用.......................................................................... 49 5.3.1 锚杆预紧装置的使用情况 ........................................................ 49 5.3.2 锚杆托锚力观测结果 ................................................................ 50 5.4 巷道矿压观测结果及分析 .................................................................. 52 5.5 本章小结 ............................................................................................. 53 第六章第六章 结论与展望结论与展望 6.1 结论 ..................................................................................................... 55 6.2 创新点 .................................................................................................. 56 6.3 展望 ..................................................................................................... 56 参考文献参考文献 .......................................................................................... 57 致致 谢谢 .......................................................................................... 61 附录附录 A攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目 ................... 63 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 在巷道支护中，锚杆支护具有显著的优越性，其表现集中体现在锚杆支护可 以充分利用围岩的自承能力将载体变成承载体。同时锚杆支护可以节约大量的钢 材，减少支护中材料的运输量和井下装卸支架的工作量，从而减轻工作人员的劳 动强度并且改善了作业环境。如今锚杆支护有效地提高巷道围岩稳定性，保持运 巷、风巷和开切眼的畅通，可以使回采工作面进行快速推进，从而使锚杆支护在 煤矿中得到广泛的使用。 近年来随着锚杆预紧技术的逐渐成熟，锚杆预紧力在护坡工程、基坑建设、 煤矿巷道中应用越来越广泛 [1]，尤其是在煤矿井下作业中更显得尤为重要。煤矿 开采已经持续了几个世纪，随着煤矿资源被不断的开发利用，煤矿井下的作业形 式也由以前的露天煤矿开采慢慢演变成为浅层煤矿开采，再到如今的深层煤矿开 采，开采深度的增加势必会带来地应力的增加，虽然一些常年在矿山工作的老工 人能够采用老办法对巷道进行支护，但是没有足够科学技术的支撑其危险系数难 以估量，一旦发生事故后果不堪设想；因此工作在煤矿支护方面的学者和专家们 就结合相应理论提出了控制巷道稳定的措施，锚杆预紧技术从此慢慢的得到了煤 矿企业及相关专家学者们的重视；此外，随着煤矿安全事故的频发，比如冒顶、 片帮、底鼓事故的发生，不仅严重威胁到了煤矿的安全生产，甚至还造成了井下 工作人员的死亡，解决煤矿井下支护安全已经刻不容缓；专家学者们对此也是绞 尽脑汁，不仅在创新新型支护方案的同时，也在不断的研究原有支护方案的不足 之处并加以改进；在研究原有支护方案时，有的专家学者发现锚杆初期预紧力的 增加可以显著的提升巷道的稳定性，能使巷道顶板、两帮、底板在前、中、后期 的变形中明显减小，因此，锚杆预紧技术就得到了广泛的重视 [2-3]。 锚杆支护是矿井巷道普遍使用的支护方式，而锚杆支护技术的关键是做好锚 杆预紧力的施加工作，使锚杆支护能够有效地减小巷道围岩的变形。目前，国内 外通常采用增大锚杆预紧扭矩的手段来提高锚杆预紧力，该方法虽然能够取得一 定的效果，但还不能满足困难复杂条件下的支护要求，同时施加力度过大会使得 锚杆锚固失效，所以锚杆预紧力提高的幅度比较有限，并且提高对锚杆钻机、风 万方数据 第一章 绪论 - 2 - 动扳手等锚杆螺母紧固机具以及锚杆所选材料的要求。因此，有必要研究出一种 辅助方法或技术用以提高锚杆预紧力。 1.2 研究现状研究现状 1.2.1 锚杆支护概况锚杆支护概况 锚杆支护首先出现在十八世纪初的美国，初始应用在建筑修缮方面，之后被 当时的工业大国，德国及前苏联应用到地下工程之中，并且前苏联首创了锚喷结 合的支护方式。十九世纪中页，瑞士生产了高效喷射机，并在支护中采用了速凝 剂。这之后，喷浆与锚杆相结合的支护方式在瑞士、德国、瑞典、挪威、加拿大、 英国、美国和澳大利亚等西方发达国家的地下工程中得到了广泛应用。目前，对 锚杆支护技术的研究和应用最领先的应属澳大利亚，然而美国却是发展顶板锚固 技术和最先应用顶板锚杆桁架的主要国家之一[4]。 我国在锚杆支护技术上的研究及应用起步较晚，所以在锚杆支护技术方面需 要先学习澳大利亚、美国、苏联等国家的先进技术，之后慢慢发展适合于自身的 锚杆支护技术。从我国锚杆支护技术的发展史来看，我国煤矿井下巷道支护经历 了从最初的单体支柱支护、棚式支护以及之后的锚杆支护。我国锚杆支护在本世 纪 80 年代中期才处于起步阶段，其主要进行一些相关的基础性研究；1991 年之 后，我国在锚杆支护方面取得了很多科研成果，同时积极引进国外的先进技术， 推动了锚杆支护在煤矿上的广泛应用。现今，我国几乎全部矿区都在应用锚杆支 护技术，并取得了显著的经济效益。 锚杆支护技术的发展主要经历了以下几个阶段 （1）机械式端头锚固锚杆的应用阶段。机械端头锚固主要分为倒楔式、涨壳 式、楔缝式等，其特点为锚固力低、刚度小、可靠性差，受岩石硬度的影响大， 所以此阶段的锚杆支护技术还不够成熟[5-6]。 （2）全长锚固锚杆的应用阶段。在经过机械式锚杆时期之后，专家们相继研 制出各种新型锚杆，如砂浆锚杆、水胀锚杆、树脂锚杆等，这类锚杆的特点主要 是锚固力大、可靠性高，适应性强[7-8]。 （3）锚注技术的发展阶段。锚注技术是一种将锚杆支护和注浆技术结合为一 的锚杆注浆技术，此项技术很快就在煤矿支护中得到应用。它充分利用锚杆加固 与注浆加固中各自的优点，用于复杂煤层的加固，是一项实用性强、应用范围广 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 - 3 - 的工程加固技术[9-10]。 1.2.2 预应力锚杆支护研究现状预应力锚杆支护研究现状 预应力锚杆支护技术的应用要追溯到一个世纪以前， 早在 1872 年英国北威尔 士露天页岩矿就首次应用锚杆加固边坡[11]。 1911 年， 美国 Aberschiesin 的 Friedens 煤矿采用锚杆对矿山巷道顶板进行支护[12]。但因当时的条件有限，锚杆预紧力满 足不了矿山支护的 需要，于是在 1918 年美国的西利西安煤矿首次使用了锚索支 护。之后由于高强度、高韧性材料的发展，使得锚杆预紧力得到了大幅度的提升， 1934 年阿尔及利亚的 Cheurfas 大坝首次采用锚杆预紧力为 10000kN 的高强度锚 固方案来保持加固之后坝体侧翼的稳定[13]。在此之后，预应力锚杆支护技术相继 应用到了奥地利的斯布列西斯坝、印度的坦沙坝、英国的亚格尔坝和南非的斯登 不拉斯坝的道路工程、桥梁工程、隧道工程、煤矿工程之中，并取得了很大程度 的成功[14]。 到了上世纪 50 年代， 预应力锚杆支护技术在实践中得到了不断的创新， 各式各样的锚杆以及不同用途的锚杆都如雨后春笋般相继出现，1958 年法国 Bauer 公司就采用了地基土层锚杆，并取得很好的锚固效果。上世纪 60 年代，预 应力锚杆技术应用的越来越广泛，捷克斯洛伐克的电站主厂房和西德的地下电站 主厂房就采用高预应力长锚杆与低预应力短锚杆联合稳固的支护形式[15]，其相当 有效的提高了厂房的牢固性。上世纪 70 年代，锚杆以地铺的形式被应用于英国城 市普莱姆斯的核潜艇综合基地的扩改建改造之中，其以大量锚杆的联合作用来抵 抗地下水的上浮力，此实例说明了预应力锚杆已经应用到了国家机密工程的建设 之中。上世纪 80 年代末，由日、英等国的学者共同开发了单孔复合锚固技术，这 一新型锚固技术提高了锚杆的承载能力和耐久性，大大提高了锚杆在工程支护中 的作用。上世纪 90 年代，由于全球能源的紧缺，使得煤矿企业在应用锚杆预紧技 术方面进入了新的阶段，特别是关于锚杆预紧技术的理论研究方面，大量的煤矿 工作者们投入了自己宝贵的青春与年华。其中美国、澳大利亚，英国等国的学者、 专家们提出了如“高预应力锚杆支护作用机理”理论，为今后的锚杆预紧力发展 中指明了前进的方向[16-18] 1.2.3 提高锚杆预紧力技术及装置研究现状提高锚杆预紧力技术及装置研究现状 近年来，随着预应力锚杆技术得到了煤矿支护专家和现场工程技术广泛的关 注，锚杆预紧技术研究工作取得了较大的进展，尤其是在锚杆预应力的作用机理、 锚杆预紧扭矩与锚杆预紧力的转化关系、锚杆预紧力施加技术等方面都取得很多 万方数据 第一章 绪论 - 4 - 的科研成果。 其中在锚杆预应力的作用机理研究方面开展的工作相对较多，比如预应力在 锚杆支护中的作用[19]、锚杆预应力与巷道支护效果 [20-21]、预应力锚杆支护技术[22] 等文献，都是锚杆预紧技术在井下施工和理论分析中的重要参考文献。而像国内 外对锚杆支护方面有着突出贡献的陆士良、何满潮、康红普、张农等众多学者， 更是引领着我国锚杆支护技术朝着国际先进水平前进。 在锚杆预紧扭矩与锚杆预紧力的转化关系研究方面，张农、李志兵、韩昌良 [23]得到了锚杆预紧力矩与锚杆预紧力之间的关系表达式，其理论认为通过施加足 够大的预紧力矩，就能够实现高预紧力，不但能消除锚杆构件的初始滑移量和软 岩岩体松动变形，还将巷道围岩由二向应力状态转变成三向应力状态，增强围岩 承载性能。张广云[24]学者认为提高锚杆预紧力应当从两方面入手一个是提高螺 母安装时的初期预紧扭矩 M；其次是提高锚杆预紧力与螺母初期安装扭矩的转换 系数 k。张利君[25]提出应当在螺母与托盘或螺母与球垫之间增加尼龙垫圈，以降 低摩擦阻力。郭海书学者[26]则认为螺母在螺纹预紧过程中除了受到丝与丝之间摩 擦力外，还受到螺母与垫球之间水平接触面间的摩擦力，摩擦扭矩的影响也在一 定程度上降低了锚杆的初期预紧力。因此，如采用在螺母与球垫之间增加一个薄 的减摩塑料垫圈，可以有效的降低摩擦扭矩的能量损失，相对就会提高了锚杆初 期预紧力。 在锚杆预紧力施加技术及装置方面，目前主要采用三种方法来提高锚杆预紧 力分别是增大锚杆预紧扭矩，降低螺母与托盘间的摩擦和对锚杆施加张拉力进 行预紧。同时也有采用特殊且非常实用的预紧技术，比如使用大功率的锚杆钻机、 树脂高强度锚杆、锚杆双螺母预紧等手段都得到了广泛的推广应用。张农教授[27] 提出了一种与锚杆配套的垫圈预紧方法，此垫圈和托盘配套使用可以有效的提高 锚杆预紧力。该方法由一个套在锚杆上的拱形托盘和一个适应托盘拱面的凹形垫 圈构成，该凹形垫圈下依次装有减摩垫圈和紧固锚杆的螺母。在使用时只需调整 锚杆外端受力，即可保证在各种情况下实现预想的锚杆预拉力。减摩垫圈的应用 可以有效的增大锚杆预紧力，而锚杆预紧力增大的同时也要求锚杆螺母本身能够 承受较高的强度。王红胜学者[28]发明了一种高强度的锚杆螺母，该种螺母适用于 开采深度大、地应力大和围岩变形大的煤矿巷道支护，其发明原理主要为螺母本 体为四边形，螺母本体下端为凸面，这样就克服了正六边形螺母本体与锚杆杆体 接触的螺距较小以及与托盘接触面积较小的问题。孙亮[29]利用气动顶板锚杆钻机 的原理加工出了一种手持式气动帮锚杆扭矩扳手，此扳手体积小、重量轻、灵活 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 - 5 - 方便，可以解决锚杆扭矩不足而造成锚杆预紧力下降的问题。岳峰、朱桂汉、王 子雷等学者[30]发明了一种可以有效增加锚杆张拉力的锚杆预紧器，此种锚杆预紧 器是利用液压的技术原理将锚杆的杆体强力拉伸，再拧紧螺母，撤掉张拉力之后 螺母自动预紧了整个锚杆，从而起到增加锚杆预紧力的作用。齐占东、李向东、 马文波[31]等学者提出了一种新型全长摩擦锚固的张力式锚杆，此种锚杆是采用高 强度、高弹性合金钢板卷制而成的一种有缝空心钢管，其靠着自身径向变形产生 的张力，使锚杆全长均匀作用在钻孔壁上，锚杆通过由此产生静摩擦力而获得强 大的锚杆预紧力。 1.2.4 存在问题存在问题 虽然煤矿工作者通过多年的努力在锚杆预紧技术及装置的研究领域取得了较 多成果，但锚杆预紧力的施加技术仍然存在一些问题。首先是一些先进技术及装 备在现场施工上遇到很多困难，如文献[29]中发明的锚杆预紧器；其次是通过单 一的方法提高预紧力存在一些技术上的瓶颈，如通过增大锚杆预紧扭矩的手段往 往导致紧固装置及部件的效率降低，同时在过大的扭矩作用下会导致锚杆锚固段 失效。通过降低螺母与托盘间的摩擦能取得增加预紧力的效果，但效果有限且提 高了支护成本。目前，锚杆预紧技术的发展趋势应当是将增加锚杆预紧扭矩与降 低螺母与托盘间的摩擦相结合，研究出适合于先进采煤水平的新型锚杆预紧力施 加方法。 1.3 研究意义研究意义 随着矿井开采深度的增大，巷道围岩应力不断增加使得