玻璃钢锚杆托盘和螺母配合的优化研究

引言

塔山煤矿是位于大同煤田的千万吨级矿井，煤层平均厚度14 m，煤层倾角2°～5°，井下工作面的开采方法为综采放顶煤开采，综放工作面运输及辅运顺槽工作面侧帮均采用Ф27 mm×2 000 mm玻璃钢锚杆支护。

目前，塔山井下工作面玻璃钢锚杆托盘螺母为楔形配合模式，由于井下地质条件复杂，实际顺槽煤壁掘送不平整，使得托盘与岩面不能完全贴合或者贴合不紧，另外在预紧托盘螺母的过程中，因为托盘和螺母的接触是面接触，消耗了部分预紧力，使得实际的预紧扭矩比设定值小。

因此，为了解决玻璃钢锚杆托盘和螺母的配合问题，提出一种减小托盘螺母接触面、减小阻力、增强预紧力的托盘螺母配合结构形式，为塔山煤矿井下综放工作面安全支护开采奠定了基础。

1 楔形托盘螺母的优缺点

塔山煤矿现采用的楔形托盘螺母是采用一种在螺母内部设有与玻璃钢锚杆杆体配套的螺纹，螺母本体的前部分外形为锥形面且与玻璃钢托盘锥度相同，在配合时会形成紧密配合，同时在螺母本体前部锥形部分开有通槽切口，后部为外六角形，方便安装，在玻璃钢锚杆上安装上玻璃钢螺母后，玻璃钢螺母对玻璃钢托盘有轴向限定，在螺母和托盘配合时，由于托盘的前端直径大于后端直径，直径逐渐减小，所以在螺母前部和中部进入托盘后会发生收缩，使得螺母螺纹与杆体外螺纹配合更为紧密，实现过盈配合，同时螺母还获得托盘的持续握紧力，使得螺母不会出现膨胀甚至蹦裂失效现象。这种配合经过多次实验，螺纹承载力高且数据稳定，对杆体尺寸偏差要求不高，其示意图如图1所示。

图1 楔形托盘螺母结构示意图

1—托盘；2—螺母；3—玻璃钢锚杆杆体

但是此种配合存在一个缺点：由于托盘和螺母是以面接触为主，只有在托盘螺母和锚杆轴心重合的情况下，螺母的锥形面才能与托盘的锥形面紧密配合，但是在现有的煤矿井下地质条件比较复杂，使用的杆体和托盘螺母的轴心有可能不在同一条直线上，就会出现因托盘或螺母的应力集中而产生的破坏现象，还会出现因为托盘和螺母由于预紧时提前配合过紧而产生的抱死现像，使得托盘与岩面不能完全贴合或者贴合不紧，还有可能在预紧托盘螺母的过程中因为托盘和螺母的接触是面接触而消耗部分预紧力，使得实际的预紧扭矩比设定值小。

2 球面托盘螺母优缺点

由于楔形托盘螺母存在缺点，我们也曾使用过球面螺母和与之相配合的托盘，如图2所示。

图2 球形托盘螺母结构示意图

这种球面托盘螺母配合由于螺母的球面与托盘的球面半径相同，安装方便，结构简单，可实现托盘和螺母多角度贴合，使得托盘的下表面更容易与岩壁紧密贴合，但是缺少楔形配合的优点，其螺母承载力一般，且要达到稳定的螺纹承载力对杆体尺寸要求很高，另外对托盘和螺母进行配合安装完成后，裸露在岩壁外的长度较大，影响美观和安全。

3 合理的托盘螺母配合结构模式的提出

综合楔形和球形托盘螺母的优缺点，本文提出一种减小托盘螺母接触面、减小阻力、增强预紧力的托盘螺母配合的结构形式。设想把螺母的锥形表面设计成螺纹状，减小其与托盘锥孔面的接触，其示意图如图3所示。

图3 螺纹状锥形螺母结构示意图

这种结构保留楔形托盘螺母的优点，但在托盘贴到岩面之前阻止托盘和螺母面接触，在托盘的锥形面设计一个台阶环，当锚杆钻机在预紧螺母的力大于一定值的时候，这个台阶环被破坏，此时托盘已紧贴岩面，其示意图如图4所示。

4 结论

1）塔山煤矿井下玻璃钢锚杆楔形托盘螺母在螺母前部和中部进入托盘后会发生收缩，使得螺母螺纹与杆体外螺纹配合更为紧密，实现过盈配合，同时螺母还获得托盘的持续握紧力，使得螺母不会出现膨胀甚至蹦裂失效现象。实践表明，这种配合螺纹承载力高且对杆体尺寸偏差要求不高。

图4 螺纹状锥形托盘螺母结构示意图

2）井下工作面侧帮玻璃钢锚杆支护配套采用楔形托盘螺母时，由于实际顺槽煤壁掘送不平整，使得托盘与岩面不能完全贴合或者贴合不紧，另外在预紧托盘螺母的过程中，因为托盘和螺母的接触是面接触而消耗部分预紧力，使得实际的预紧扭矩比设定值小。

3）球面托盘螺母可实现托盘和螺母多角度贴合，但其螺母承载力大小一般且对杆体尺寸要求高。本文提出的这种螺纹状锥形托盘螺母结构模式，在设计时把螺母的锥形表面设计成螺纹状，保留楔形托盘螺母的优点，在托盘贴到岩面之前阻止托盘和螺母面接触，在托盘的锥形面设计一个台阶环，当锚杆钻机在预紧螺母的力大于一定值时，台阶环被破坏，此时托盘紧贴岩面。