【摘要】對高性能預拉力錨桿的研制方法、錨桿桿體表面結構、絲扣的加工要求進行了闡述，指明了提高錨桿預拉力的措施，闡明了錨桿結構和加工性能以及錨桿支護技術對煤炭開采逐步轉向深部起著重要的作用。
緒論
隨著淺部資源的減少和匱乏，我國煤炭開采逐步轉向深部，開采深度以每年8～12m的速度增加，未來十年我國煤礦深部開采的問題將越來越突出。從煤礦井下的實際情況來看，深井巷道變形劇烈、維護困難、支架折損嚴重、返修率高、維護費用成倍增加，安全狀況惡化等。近年來，隨著一大批大型國有老礦井向1000m左右深度延伸，對深部巖巷圍巖穩(wěn)定與支護中涉及的理論與關鍵技術的研究顯得尤為迫切，高強度錨桿索支護在淺部礦井巷道支護中效果好，但在深部礦井高地壓巷道出現一系列問題：錨桿預應力過低、強度不足、抗沖擊性能差，造成錨桿拉斷或整體失效；錨索直徑小、強度低、延伸率低，與鉆孔匹配性差，出現錨索拉斷或整體滑動；鋼帶強度和剛度小，容易撕裂和拉斷，護頂效果差；錨桿、錨索強度和剛度偏低，單位面積錨桿數多，間排距小，支護密度大，嚴重影響巷道掘進速度，造成采掘接續(xù)緊張，這些現象嚴重影響錨桿支護效果和安全程度。
針對這些問題開展研究，我們提出高性能錨桿的概念，它是指桿體材質符合高強度、延伸率及錨固要求、附件完整、整體強度和幾何尺寸匹配、能夠滿足鉆機連續(xù)一體化安裝并實現預拉力的新型錨桿。
1、高性能預拉力錨桿的研制
高性能預拉力錨桿研制方法及特點如下：
①采用20MnSi無縱筋左旋螺紋鋼加工，其強度和延伸率都符合高強度錨桿對材質的要求，材質優(yōu)良，取材方便，桿體表面凸紋能夠滿足攪拌阻力和錨固要求，不必二次加工；
?、谕舛寺菁y部采用低強度損失加工新工藝，螺母、托盤、鋼帶等附件尺寸匹配、強度相當；
?、垭p重減摩措施，保證實現預拉力（初錨力），并調整錨桿外端受力；
?、芘ぞ芈菽笇崿F快速機械安裝；
⑤有醒目的標志直觀顯示安裝施工質量；
⑥配套的新型附件性能優(yōu)越，包括頂板用M型鋼帶和幫用的Π型輕型帶鋼，前者是針對W型鋼帶易撕裂、抗彎模量小的缺陷，經過斷面形狀優(yōu)化產生的高翼緣結構；后者是針對鋼筋梯子梁焊點不牢，整體性差，與圍巖接觸困難的缺陷而開發(fā)出來的，用料省，整體力學性能好，它們都屬于更新換代產品，有多種規(guī)格和多個系列。
2、錨桿桿體表面結構
對于錨桿桿體而言，要求對樹脂攪拌后，必須充填密實，才能使錨桿桿體與樹脂的握裹力、孔壁與樹脂之間的粘結力達到最大，產生非常大的錨固力。由于普通的螺紋鋼錨桿為表面兩邊帶縱筋、右旋螺紋的桿體，在攪拌樹脂時，主要帶來如下問題：
?、儆捎趦煽v筋的存在，減小了孔壁與錨桿桿體的有效間隙，增大了攪拌時的阻力，實踐證明，帶有縱筋的螺紋鋼桿體攪拌時的扭矩大于80～100N·m。另外，由于兩縱筋比螺紋高，降低了桿體與孔壁之間樹脂的密實程度。
?、谟倚菁y在旋轉時，會產生將樹脂從孔內旋出的力量（攪拌樹脂時，錨桿鉆機為右旋），不利于錨固劑的充填密實，降低了錨固劑的錨固程度。
針對普通螺紋鋼桿體存在的缺陷，將錨桿桿體直接加工成單向無縱筋左旋螺紋鋼，使螺紋方向與攪拌樹脂時的方向相反。這樣，在攪拌樹脂時，左旋螺紋會對樹脂產生向孔內的推力，增加樹脂的密實程度，增大錨桿的錨固力。
不同錨桿桿體的錨固力試驗結果如圖所示，實驗中所采用的螺紋鋼錨桿桿體直徑均為20mm，錨固段長度為300mm。根據試驗結果，雙向有縱筋普通螺紋鋼錨桿錨固力平均為46.3kN，單向無縱筋右旋螺紋鋼錨桿錨固力為48.7kN，單向無縱筋左旋錨桿錨固力91.3kN。由此可以看出，單向無縱筋左旋螺紋鋼錨桿，在使用過程中，可以充分攪拌樹脂，并增大了樹脂的密實程度，減少了樹脂固化后的收縮量，增大了錨桿的錨固力。從試驗數據中可以看出，單向左旋無縱筋螺紋鋼錨桿比雙向有縱筋普通螺紋鋼錨桿的錨固力提高了94%，達到了非常好的錨固效果。
單向左旋無縱筋螺紋鋼錨桿桿體有如下幾個幾何參數：橫肋寬度、橫肋高度、間距、螺旋角等，它們都影響攪拌阻力和粘結能力，通過優(yōu)化斷面形狀和橫肋幾何參數，可以實現低阻高粘的性能。
3、提高預拉力的措施
由于鋼與鋼之間的摩擦系數無法改變，所以，影響錨桿預拉力的因素主要有兩個：擰緊力矩M，這主要取決于安裝機具的輸出力矩；螺紋力矩基本上是固定不變的，錨桿預拉力主要取決于螺母與托盤之間的摩擦阻力。
（1）提高安裝機具的扭緊力矩M
安裝機具輸出擰緊力矩的大小是決定錨桿預拉力的關鍵。目前，國外先進的采煤國家，如美國、澳大利亞等，普遍采用掘錨聯合機組進行巷道掘進和安裝錨桿，獲得錨桿高預拉力的措施是：第一，錨桿臺車的安裝頂推力很大，能夠達到445kN的安裝頂推力，安裝頂推力能夠對巷道頂板提供一個很高的壓緊力，該力在錨桿安裝以后便由錨桿通過托盤保持住。第二，安裝錨桿時，輸出的擰緊力矩非常大，可以達到542N·M。如此可以保證錨桿預拉力可以達到其桿體屈服強度的70%?，F在，我國錨桿打眼和安裝普遍采用單體錨桿鉆機，這種錨桿鉆機的輸出扭矩一般在100～140N·M之間，頂推力不超過10kN，難以滿足提高錨桿預拉力的要求。采用高扭矩的沖擊式風扳機可以提高錨桿預拉力，如山東濟南交通學校機械廠生產的BK-20型風扳機，其輸出扭矩可以達到490N·m，但機械性能不穩(wěn)定，應用受到限制。
?。?）采取減摩措施
施加預拉力到一定值后，螺母與托盤之間的摩擦阻力已經非常大，使錨桿鉆機的扭矩大部分消耗在摩擦力上，無法使扭矩轉化為桿體上的預拉力，要滿足設計的預拉力的要求，必需在螺母與托盤之間加上“潤滑”裝置，減少摩擦阻力。經試驗，在螺母與托盤之間加上一個金屬墊圈和一個塑料墊圈，可以極大地減少摩擦阻力，達到“潤滑”的目的。
4、結語
隨著我國淺部資源的減少和匱乏，煤炭開采逐步轉向深部。經探明，我國煤炭埋深在-600m以下和-1000m以下的儲量約占總儲量的73%和53%，東部煤炭資源埋深在1000～2000m的儲量占2000m以淺總儲量的83%，同時，我國金屬礦產開發(fā)也在向深部發(fā)展，其中，金川鎳礦、紅透山銅礦等開采深度都已達到了1000m以下?？梢灶A計，再過一、二十年，現有的許多煤礦和新近開發(fā)的礦井都會進入深部開采，研究深部開采理論和技術已勢在必行。合理的錨桿支護設計、錨桿結構和加工性能等不僅可保證回采巷道的安全可靠，而且可取得顯著的技術經濟效益和社會效益。
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