预应力是锚杆支护中的关键参数，对支护效果起着决定性作用。但是，长期以来，由于很多矿区没有认识到预应力的重要性，而且锚杆施工机具不能提供较大的预应力，导致我国煤矿锚杆预应力普遍偏低，一般预紧力矩为100-150N．m，预紧力为15-20kN,有的甚至为零，严重影响了锚杆支护作用的发挥。

一、锚杆预应力值的选择

锚杆预应力设计的原则是控制围岩不出现明显的离层、滑动与拉应力区。实践证明，如果选择合理的预应力值，能够实现对离层与滑动的有效控制。根据国外的经验，以及国内部分矿区的试验数据，结合我国煤矿巷道条件与施工机具，一般可选择锚杆预紧力为杆体屈服载荷的30-60%。表1列出了不同锚杆的预紧力取值（杆体屈服载荷的50%）。可见，锚杆直径越大，杆体材质强度越高，要求的预应力值越高。

表1 不同材质与规格锚杆的预应力值

二、锚杆预应力的影响因素

目前，我国煤矿锚杆预应力主要是通过拧紧锚杆尾部螺母，压紧托板实现的。锚杆预应力与螺母预紧力矩、螺纹规格及摩擦系数等因数之间有如下关系：

式中：f1—螺母与锚杆螺纹段间的滑动摩擦系数；

fo—螺母、垫圈端面间滑动摩擦系数；

d2—螺纹中径，mm；

d0—垫片内径，mm；

D1—螺母端部有效接触面外接圆直径，mm；

s—螺纹导程，mm,

s=nt

n—螺纹头数；

t—螺距，mm；

M—螺母预紧力矩，kN·m；

P0—锚杆预紧力，kN。

若令：

则锚杆预紧力与螺母预紧力矩之间的关系可表示为：

P0=kM

可见，锚杆预紧力与螺母预紧力矩成正比，同时取决于系数k。影响k值大小的关键因素为：一是螺母与锚杆螺纹段间的摩擦系数f1，f1越大，k值越小；二是螺母、垫圈端面间的摩擦系数f0，f0越小，k值越大；三是锚杆直径，锚杆越粗，k值越小。

三、锚杆预应力的实验室与井下试验

1.实验室试验

某研究团队在实验室选取螺纹公称直径为M18、M20、M22、M24、M27等五种型号的标准螺栓，进行不同端面减摩条件下，锚杆预紧力矩与预紧力的对应关系试验。减摩条件分为：不使用减摩垫片，减摩垫片分别为聚四氟乙烯、1010尼龙、改性1010尼龙及高密度聚乙烯。

图1、图2分别为M20、M24螺栓预紧力矩与预紧力的对应关系曲线。分析实验结果，可以得出以下结论：

图1  M20锚杆预紧力矩与预紧力的对应关系曲线

图中：200-不使用减摩垫片；202-1010尼龙；203-改性1010尼龙；204-高密度聚乙烯

图2  M24 锚杆预紧力矩与预紧力的对应关系曲线

图中：240-不使用减摩垫片；242-1010尼龙；243-改性1010尼龙；244-高密度聚乙烯

(1)锚杆预紧力矩与预紧力基本成线性关系，锚杆预紧力随预紧力矩增加而增大。

(2)比例系数k反映了锚杆预紧力矩与预紧力的对应关系，k值越大，减摩效果越好，相同的预紧力矩对应的锚杆预紧力越大。

(3)在相同预紧力矩下，减摩垫片可使锚杆预紧力显著提高。其中，1010尼龙垫片的减摩效果最为明显。

(4)聚四氟乙烯和改性1010尼龙垫片的压延性较差，一般预紧力矩达到200～300N·m时即被螺母挤出并发生断裂，减摩效果降低。1010尼龙垫片的压延性好，在螺母拧紧的过程中被挤压成连续的薄片，最后形成碗状，始终起到减摩作用。

2.井下实测

井下对φ25mm的锚杆预紧力进行了测试。测试条件为：锚杆长度2.4m，锚固长度1200mm，螺纹规格为M27；托板为高强度拱形托板，配球形垫圈；螺母与配球形垫圈之间加1010尼龙减摩垫片。托板下面安装锚杆测力计，测定锚杆轴向力。

采用气动扳手对锚杆螺母施加预紧力，预紧力矩为300～700N·m，从锚杆测力计上测出相应的预紧力。测试数据及与实验室测试数据对比见表2。从表中可看出以下几点：

表2  实验室与井下实测锚杆预紧力对比（φ25mm锚杆）

(1)井下锚杆预紧力矩在300N·m时，锚杆预紧力达到50kN。随着锚杆力矩增加，预紧力逐渐增大。但当锚杆力矩超过400 N·m时，预紧力增加变得缓慢，再增加锚杆力矩，获得的预紧力增量很小。

(2)实验室锚杆预紧力测试数据表明，随着锚杆预紧力矩增加，预紧力基本线性增大。因此，随着锚杆力矩增加，实验室数据与井下实测数据差值逐步增大。当锚杆力矩为700N·m时，预紧力差值高达108kN。可见，锚杆预紧力矩越大，预紧力差值越大。

(3)导致出现上述现象的主要原因之一是：实验室采用的锚杆螺纹为标准螺栓，加工精度高，表面光滑，螺母与螺纹间的摩擦力小，因此k值大，预紧力大；而井下使用的锚杆，采用滚丝加工工艺，加工精度低，螺母与螺纹间的摩擦力大，因此k值小，预紧力小。这种现象在锚杆预紧力矩大的情况下更为突出。

(4)另外一个重要原因是，实验室试验条件与井下有较大差别。如实验室锚杆托板置于比较平滑、刚性的试验台上，锚杆受力均匀；而井下巷道顶板一般比较粗糙，甚至松软破碎、凹凸不平，导致锚杆受力不均匀。

四、提高锚杆预应力的技术措施

提高锚杆预应力的技术措施分为两方面：其一是提高螺母预紧力矩M；其二是提高锚杆预紧力与螺母预紧力矩的转换系数k值。

1.提高螺母预紧力矩M

螺母预紧力矩是由锚杆安装机具的输出扭矩决定的，是影响锚杆预紧力的关键因素。美国、澳大利亚等采煤技术先进的国家，普遍采用锚杆台车、掘锚联合机组施工锚杆。一方面，锚杆钻机的输出扭矩很大，有的超过500N·m，能够保证锚杆的高预紧力；另一方面，锚杆台车对顶板的顶推力很大，能够达到400kN以上。顶推力对巷道顶板提供一个很高的压紧力，在锚杆安装以后，该力通过托板传给锚杆，增加预紧力。

国内普遍采用单体锚杆钻机钻装锚杆，这种锚杆钻机输出扭矩一般为100-150N·m，顶推力在10kN左右，无法实现锚杆的高预紧力。

为了大幅度提高锚杆的预紧力矩，措施之一是采用专门的高扭矩螺母拧紧设备（如气动扳机），但是给锚杆安装增加了一道工序；其二是在适宜的条件下，引进、开发锚杆台车和掘锚联合机组，保证锚杆快速、高质量安装。

2.提高锚杆预紧力与螺母预紧力矩的转换系数k

提高锚杆预紧力与螺母预紧力矩转换系数k值的主要措施是：降低螺母与锚杆螺纹段间的摩擦系数f1；减小螺母、垫圈端面间的摩擦系数f0。

降低f1的措施包括：提高螺纹加工精度等级，减少摩擦阻力和摩擦扭矩；采用油脂对螺纹部进行润滑，减少摩擦阻力。因此，改善锚杆螺纹加工工艺与设备，提高锚杆螺纹加工精度，对提高锚杆预应力和支护效果具有重要意义。

减小f0的措施是采用高效减摩副，减少螺母、垫圈和托盘之间的摩擦阻力和摩擦扭矩。上述试验表明，在螺母与托板之间加减摩垫片，可减少摩擦阻力，而且减摩垫片的材质起关键作用。井下使用时应选择合适的减摩垫片，实现高效减摩，显著提高锚杆预紧力。

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