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煤矿井下锚杆预应力损失机理及控制浅析

2020-05-27

        锚杆预应力损失原因:

   煤矿井下条件复杂多变,锚杆预应力损失的原因和影响因素较多。锚杆的预紧机理与锚索的不同,现在井下使用的矿用锚杆预紧方式绝大部分为通过对杆尾螺母施加预紧转矩,压紧托板实现对杆体施加预应力。影响预紧转矩向预应力的转化效率的主要因素有:螺母及杆尾螺纹尺寸、螺纹加工精度、螺母与调心球垫之间的摩擦、调心球垫与托板的匹配。笔者主要探讨这种预紧方式下的锚杆预应力损失原因及机理。预应力施加后,其他因素如爆破震动、煤岩变形等也会导致预应力损失。

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   根据预应力损失的时间不同,将预应力损失分为预紧过程转化损失和预紧后损失部分。其中,预紧过程转化损失主要影响因素包括螺纹参数(也包括齿高、内外螺纹间隙等)、螺母类型、托板与球垫匹配性、减摩方式、托板大小、组合构件;预紧后损失的原因包括煤岩松软导致的压缩变形、爆破或冲击等震动、锚杆的回转调整等。 

       一、锚杆预应力损失控制对策

     1.研制高效减摩构件。除了减摩垫片外,推力球轴承是最理想的减摩构件,现场使用也取得了一定的效果,但仍有需要改进的地方,比如提高强度以防止其崩碎伤人等。在这个基础上也可以继续研发类似的减摩构件,减小断面摩擦,提高转化率。

     2.改变杆体预应力施加方式。现有的锚杆预应力施加方式主要为在螺纹段施加转矩获得,这种方式的缺陷是锚杆虽然得到了轴向预应力,但同时也产生了弯、扭、剪等不利变形,锚杆在拉剪、拉弯扭甚至拉弯扭剪复合应力状态下工作,一旦受力增加极易破坏。为此,研制了相关锚杆张拉机具,即直接对锚杆杆体进行张拉再进行锁定,这样不但消除了锚杆的受扭,而且可施加的预应力更大。另外,推力球轴承的使用也和普通的减摩垫片方式有一定的区别。由于轴承具有旋转自调整,采用推力球轴承进行减摩时,靠轴承的旋转调整可以消除掉锚杆90%的受扭,锚杆的受力也大幅改善。

     3.构件合理匹配。锚杆支护的各个构件以及各构件之间刚度、强度、尺寸之间的匹配是锚杆能否发挥作用的关键。比如当锚杆打设角度过大时能顺利调心、托板与托梁或钢带之间的刚度和强度能匹配等,都能减小锚杆预应力的损失,更大限度地发挥作用。

       4.增大护表面积。除了增加锚杆托板的接触面积外,还应根据情况增加其他构件的接触面积,使预应力尽量大的扩散,比如使用W钢护板或W钢带与托板配合、使用钢筋网与钢带或托梁配合等。护表面积增大后,不但减少了由于围岩短时间内快速压缩变形导致的锚杆预应力损失,而且对爆破等震动会更加的不敏感,减小损失量。

       5.采用全长锚固。数值模拟研究表明,在动载荷的影响下,全长锚固锚杆的预应力损失率仅为端部锚固锚杆 的1/3

       6.另外,全长锚固对围岩的变形更加敏感,更能抗击动载荷的影响。因此,在动载荷影响较为剧烈的支护中应尽量采取全长锚固。

      二、锚杆预应力损失机理

  锚杆厂家主要从锚杆减摩方式、构件匹配性、螺纹参数等内在因素及安装角度、煤岩压缩、动载冲击等外在因素探讨锚杆预应力损失的机理。

  减摩方式。相关研究表明,一般情况下,40%的预应力矩用于消耗螺纹副间的摩擦,50%用于消耗螺母和支撑面间的摩擦,只有10% 转化为预应力。由此可知,锚杆预应力损失的原因即螺母与其支撑面间的摩擦过大,如果不加减摩装置,钢对钢的摩擦会很大。因此,必须在螺母与调心球垫间须加上一定的减摩材料或装置,尽量减小摩擦。锚杆预应力损失原因较多,主要包括预紧过程转化损失及预紧后损失;减摩方式、构件匹配、螺纹参数及安装角度等都会造成一定的锚杆预紧过程转化损失;煤岩体压缩及动载冲击等会引起锚杆预紧后一定的预应力损失;试验及模拟表明,研制高效减摩装置、张拉锚杆、合理匹配构件、增大护表面积、全长锚固等是控制预应力损失的措施。


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