锚杆螺纹结构与扭矩-预紧力转化关系试验研究_李远清.pdf

煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 随着我国煤炭资源开采深度逐渐增加， 深井巷道 支护难度逐渐提高。 预应力锚杆支护以其主动加固围 岩的特点， 在深井巷道支护中更能充分发挥其有效作 用[1,2]。 通过高强预应力锚杆可以使围岩由原来的破碎 状态变为为一个整体， 破坏面的抗剪强度得到提高来 实现的[3-5]。 对于高强预应力锚杆， 许多学者研究了预应力锚 杆锚固止裂效应和预紧力矩转化的影响因素等[6,7]。 李 国彪等[8]通过试验研究了锚杆尾部螺纹加工精度对预 应力的影响。 目前， 对于锚杆螺纹结构影响锚杆预紧力的问题 研究较少，为提高煤矿巷道的预应力锚杆加固效果， 本文研究了锚杆螺纹的螺距、 牙高、 形状对锚杆预紧 力的影响规律， 优选出扭矩 - 预紧力转化率最高的锚 杆螺纹结构。 1试验方法与试验设备 研究锚杆螺纹结构对锚杆预紧力的关系， 选取不 同螺纹螺距、 牙高、 形状的锚杆进行扭矩 - 预紧力转 化试验， 分析各组试验对应的转化效率， 评价锚杆螺 纹结构对锚杆预紧力的影响。 试验设备包括锚杆应力 计、 扭矩扳手和夹紧固定装置。 试验装置如图 1 所示。 图 1扭矩 - 预紧力试验装置示意图 选取锚杆直径为 20mm，锚杆螺纹的螺距为 1.0mm、 2.0mm、 3.0mm，研究螺纹螺距对锚杆扭矩 - 预紧力转化的影响； 固定螺纹螺距为 2.0mm， 选取锚 杆螺纹的牙高为 0.2mm、 0.4mm、 0.6mm，研究螺纹牙 高对锚杆扭矩 - 预紧力转化的影响； 选取螺纹形状为 矩形螺纹、 三角形螺纹和梯形螺纹， 研究螺纹形状对 锚杆螺纹结构与扭矩 - 预紧力转化关系试验研究 李远清 （济宁矿业集团朱家峁煤矿 ，陕西 榆林 719000 ） 摘要 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。 关键词 锚杆预紧力 ； 扭矩 ； 螺纹结构 中图分类号 TD353.6文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0108- 03 Experimental study on relationship between bolt thread structure and torque-preload force LI Yuanqing （ZhuningCoal Mine, JiningEnergyGroup , Shaanxi Yulin 272073 ） Abstract Pre- tightening force of bolt is the key to rt its active support effect. In order to improve the pre- tightening force of bolt in mine roadway support, the transation law of bolt torque- pre- tightening force from screw pitch, tooth height and shape was studied. Different bolt thread pitch, thread tooth height and thread shape were selected to study the influence of thread structure on bolt torque- preload conversion through experiments. The results show that the bigger the pitch of threads is, the higher the thread teeth are, the lower the conversion rate of bolt torque- preload force is, and the higher the conversion rate of triangular threaded bolt torque- preload force is. When bolts are used in mine roadways, in order to improve the transation effect of bolt torque- preload, bolts with 1.0 mm thread pitch, 0.2 mm thread height and triangular thread shape can be selected. Key words bolt preload ; torque ; thread structure 108 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 锚杆扭矩 - 预紧力转化的影响。 2试验结果与分析 通过上述扭矩选取不同螺纹螺距、 牙高、 形状的 锚杆进行扭矩 - 预紧力转化试验， 分析各组试验对应 的转化效率。 2.1不同螺纹螺距 图 2不同螺纹螺距对应的锚杆扭矩 - 预紧力关系 图 2 为不同螺纹螺距对应的锚杆扭矩 - 预紧力 关系。 由图 2 可知， 随着锚杆扭矩增大， 其预紧力均逐 渐增大。 相同扭矩对应的不同螺距的锚杆预紧力是不 同的，螺纹螺距为 1.0mm、 2.0mm、 3.0mm的预紧力依 次减小。 当扭矩为 300N m时， 螺距为 1.0mm、 2.0mm、 3.0mm的锚杆预紧力分别为 7T、 4.8T、 2.5T， 对应的扭 矩 - 预紧力转化率分别为 0.023T/N m、 0.016T/N m、 0.008T/N m。 当扭矩大于 300N m 之后，螺纹螺距 3.0mm 的 锚杆扭矩 - 预紧力曲线基本平稳， 继续增大扭矩， 其 预紧力变化不会太大，而螺纹螺距 1.0mm 的锚杆尚 有逐渐增大的趋势， 继续增大扭矩能够获得更大的预 紧力。 说明螺纹螺距越大， 锚杆扭矩 - 预紧力转化率越 低， 螺纹螺距越大对应的螺母与杆体之间的摩擦力越 大， 扭矩转化为有用的预紧力的部分越少， 所以减小 螺纹螺距是提高锚杆扭矩 - 预紧力转化率的一种方 法。 2.2不同螺纹牙高 图 3 为不同螺纹牙高对应的锚杆扭矩 - 预紧力 关系。由图 3 可知， 相同扭矩对应的不同螺纹牙高的 锚杆预紧力是不同的，螺纹牙高为 0.2mm、 0.4mm、 0.6mm的预紧力依次降低。当扭矩为 200N m 时， 牙 高 0.2mm、 0.4mm、 0.6mm 的锚杆预紧力分别为 4T、 2.6T、 1.8T，对应的扭矩 - 预紧力转化率分别为 0.02T/N m、 0.013T/N m、 0.009T/N m； 当扭矩为 400N m 时，牙高 0.2mm、 0.4mm、 0.6mm的锚杆预紧力分别为 6.8T、 4.9T、 2.9T，对应的扭矩 - 预紧力转化率分别为 0.017T/N m、 0.012T/N m、 0.007T/N m。 图 3不同螺纹牙高对应的锚杆扭矩 - 预紧力关系 根据曲线变化趋势可以看出， 对螺纹牙高 0.6 的 锚杆继续增大扭矩，其预紧力提高幅度将基本不变； 扭矩 400N m 之后，螺纹牙高 0.2mm 的锚杆扭矩 - 预紧力转化曲线依次呈逐渐增大的趋势， 说明继续增 大扭矩能够获得更大的锚杆预紧力。螺纹牙高越大， 锚杆扭矩 - 预紧力转化率越低。这是由于螺纹牙高 越大， 对应的螺纹升角越大， 螺母旋转需要克服的阻 力越大，导致扭矩转化为锚杆预紧力的有效部分减 少， 所以减小螺纹牙高是提高锚杆扭矩 - 预紧力转化 率的一种方法。 2.3不同螺纹形状 锚杆矩形螺纹、 三角形螺纹和梯形螺纹的示意图 如图 4 所示。不同螺纹形状对应的锚杆扭矩 - 预紧 力关系如图 5 所示。 矩形螺纹、 三角形螺纹和梯形螺纹 图 4不同螺纹形状示意图 图 5不同螺纹形状对应的锚杆扭矩 - 预紧力关系 109 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 由图 5 可知， 不同形状螺纹对应的锚杆扭矩和预 紧力是不同的， 相同扭矩情况下， 三角形螺纹锚杆预 紧力大于梯形螺纹锚杆预紧力大于矩形螺纹锚杆预 紧力。当扭矩小于 250N m时， 三角形螺纹锚杆和梯 形锚杆的曲线变化相似，当扭矩大于 250N m 时， 三 种形状螺纹锚杆的扭矩 - 预紧力转化差距越来越大。 当扭矩为 300N m 时， 矩形螺纹锚杆、 三角形螺纹锚 杆、梯形螺纹锚杆的预紧力分别为 2.6T、 5.7T、 4.5T， 则对应的扭矩 - 预紧力转化率分别为 0.0087T/N m、 0.019T/N m、 0.015T/N m。当扭矩为 450N m时， 矩形 螺纹锚杆、 三角形螺纹锚杆、 梯形螺纹锚杆的预紧力 分别为 3T、 8T、 5.8T，则对应的扭矩 - 预紧力转化率 分别为 0.0067T/N m、 0.018T/N m、 0.013T/N m。 说明三角形螺纹锚杆的扭矩 - 预紧力转化率较 高， 大于梯形螺纹锚杆， 大于矩形螺纹锚杆。 矩形螺纹 和梯形螺纹的摩擦力较大， 尤其是矩形螺纹， 三角形 螺纹的摩擦力较小， 所以三角形螺纹锚杆的扭矩 - 预 紧力转化率高。且矩形螺纹锚杆的最大预紧力仅为 3T， 三角形螺纹锚杆的预紧力能够达到 8T， 尚且能够 继续增大。 2.4试验总结 由上述不同螺纹螺距、 牙高、 形状的扭矩 - 预紧 力转化试验分析可见， 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。 3结论 1 ） 螺纹螺距越大， 锚杆扭矩 - 预紧力转化率越 低， 螺纹螺距越大对应的螺母与杆体之间的摩擦力越 大， 减小螺纹螺距是提高锚杆扭矩 - 预紧力转化率的 一种方法。 2 ） 螺纹牙高越大， 锚杆扭矩 - 预紧力转化率越 低。 螺纹牙高越大， 对应的螺纹升角越大， 螺母旋转需 要克服的阻力越大， 减小螺纹牙高是提高锚杆扭矩 - 预紧力转化率的一种方法。 3 ） 三角形螺纹锚杆的扭矩 - 预紧力转化率较高， 大于梯形螺纹锚杆， 大于矩形螺纹锚杆。矩形螺纹和 梯形螺纹的摩擦力较大，三角形螺纹的摩擦力较小， 所以三角形螺纹锚杆的扭矩 - 预紧力转化率高。 4 ） 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。 参考文献 [1] 王红卫,程志恒.三软厚煤层综放开采大断面开切眼围岩 控制技术研究[J].煤炭工程,2018,50（12） 41- 45. 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