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1、成庄矿高强度螺纹钢锚杆破断原因分析天地科技股份有限公司开采设计事业部二零一零年十二月目录1刖H 2实验室检测2.1 实验室检测结果2.2 检测结果分析3不同受力状态下锚杆变形与破坏的实验室试验 3.1 试验条件3.2 试验结果4 锚杆破断原因的理论分析 4.1 球面自锁4.2 球面回转中心位置对锚杆断裂的影响 4.3 托盘与球垫之间的球面接触面积过小 5锚杆破断的主要原因总结6解决的途径成庄矿高强度螺纹钢锚杆破断原因分析/、乙1刖百支护材料在锚杆支护技术中起着至关重要的作用。性能优越的支护材料是充分发挥锚 杆支护作用与保证巷道安全的必要前提。 随着我国煤矿开采深度、强度与广度的不断增加， 出现
2、了大批复杂困难巷道，包括深部高地应力巷道、强烈动压影响巷道、破碎蠕变围岩巷 道及特大断面巷道，对巷道支护技术与支护材料提出更高、更苛刻的要求。成庄矿5306工作面采用大U套小U巷道布置方式，工作面在回采过程中，大 U巷道 出现了部分锚杆破断，锚索破断的现象。为了弄清锚杆锚索破断的原因，特从 5306工作 面大U巷道拾取了部分破断锚杆的样品，进行系统的分析。2实验室检测2.1实验室检测结果为了清楚的分析成庄5306工作面破断锚杆的破坏原因，特对所有拾取的样品进行系 统的分类，并对锚杆的一些基本特征进行描述。样品中较长的锚杆为5216副巷帮底锚杆，锚杆断头绝大部分为顶锚杆断头，经清点、检验结果如表
3、1,力学性能和冲击功检测如表2和表3所小：表1 锚杆编采样地点断 口挠曲号位断裂状直径缩处置态至(cm)(cm)(mm15212与5216副巷联络巷底94超载拉20/断25216副巷底84脆断221435216副巷底63脆断22845216副巷11号横川正对实体煤柱侧最下一根锚杆67脆断226055216副巷切眼向里8m实体煤103脆断22/侧65216副巷11#横川切眼止对实111脆断22/体煤侧7大U与54#横川之间靠工作面65超载拉20/侧顶角锚杆断85212副巷45#横川口顶中间锚110脆断22/杆94220副巷距7横川8m开口75超载拉14/490m右帮第一根断103220副巷83超
4、载拉153维挠断曲11不详66超载拉2014断12不详31脆断22/备晋城成庄5306工作面断口锚杆为/ 为注距螺小22挠曲母的不明距离显其中印记为SJ5的锚杆大多为脆断，断口无径缩。印记为M622 5c522的锚杆大多为超载拉断，断口直径缩明显。表2 成庄锚杆力学性能检测Sfflj七屈服载荷(kN)屈服强度(MPa)破断载荷(kN)破断强度(MPa)拉伸率(%)径缩至()mmSJ5 - 121055328875823.019.5SJ5 - 221556629477425.016.5M6225C522/291.076620.515.0注：所试锚杆为成庄小22、500号断裂锚杆，由于断裂锚杆已被
5、拉伸过，测试中没有明显的屈服点，仅作参考。表3成庄锚杆材料冲击功检测试样冲击吸收功Akv (J)备注1号样品120样品取自无印记脆断锚杆2号样品2 - 163样品取自印记为SJ5脆断锚杆2号样品2 -262样品取自印记为SJ5脆断锚杆注：机械工业通用零部件产品质量监督检测中心检测断裂锚杆分析：来样12根断裂锚杆的样品按断裂特征可分成脆断和过载拉断两类。脆断锚杆：脆断锚杆的杆体印记为SJ5。各锚杆均在不同部位受到侧向载荷，发生弯 曲，最后在轴向拉力和侧向弯矩的的复合作用下断裂断口没有径缩，见表1中编号为2、3、4、5、6、8、12样品的检测记录。断口特征 为脆断，见相片6。将发生脆断的锚杆材料做
6、材料力学性质检验，结果见表2。检验结果表明材料SJ5-1、SJ5-2的抗拉强度符合500号锚杆钢的强度标准，SJ5-1的径缩很小，是典型的脆断，见 相片3。过载拉断锚杆：过载拉断锚杆的杆体有 M622和5c522两种印记。断锚杆残段较直， 弯曲不明显，见相片4。应在较大的轴向拉力下断裂。断口径缩明显，见表1中编号为1、7、9、10、11样品的检测记录。断口特征为塑性 破坏，见相片5。将发生塑性断裂的锚杆材料作材料力学性质检验，结果见表2。检验结果表明材料5c522的抗拉强度符合500号锚杆钢的标准，其直径由小22维至小15,是典型的塑性断裂。 试件断口见相片2。注：由于检验的是用过的残断锚杆，
7、拉伸检验中锚杆没有明显的屈服点，其 拉伸率也不一定准确。相片1 锚杆脆性断口相片2锚杆塑性断口相片3断裂锚杆相片4弯曲较大的断裂锚杆相片5有径缩锚杆的断口相片6脆断锚杆的断口表4锚杆断头断 口Sfflj七米样位置/cm状态螺纹直径缩至/mm备注1不详1脆断/2不详0弯曲断2235212副巷顶0弯曲断21434#导线点向东16排工作面侧顶角锚杆3脆断/534#导线点处顶中间锚杆2脆断/6不详0弯曲断21.57不详0弯曲断218不详0弯曲断21.5备注晋城成庄5306工作面断口距球垫的距离螺纹原直径M24锚杆断头分析：锚杆断头样品共8个，见相片7。检查记录见表4。锚杆断头均为巷道顶锚杆断头。锚杆断
8、头1、3、5号断裂特征为脆断，断口在距球垫下端 1- 3cm处，断口无径缩， 断头弯曲不明显，见相片10和相片11 o从相片10中可看到脆断锚杆头的断口是从断头 弯曲拱方向开始逐次沿锚杆径向向锚杆中心发展，从锚杆断口特写相片11中清楚看出锚杆断裂口一次一次发展的痕迹。当锚杆横向裂缝发展到某种程度，锚杆的应力断面不足以 承受锚杆所受的载荷时，即应力过大锚杆发生脆断。从锚杆断口特写相片10和相片11中可看出锚杆横向裂缝已达到锚杆横断面的50犯上，说明锚杆所受载荷远小于完好锚杆能承受的最大载荷，锚杆脆断的根本原因是锚杆中横向裂缝的发展造成的。从锚杆断口特写相片11中还可以看到锚杆横向裂缝有锈蚀，其锈
9、蚀程度从横向裂缝 起始处向中心逐步减弱，而锚杆的最后断口没有锈蚀。说明锚杆的横向裂缝存在时间已久， 而且是从边上向中心逐步发展的。横向裂缝产生的原因锚杆断头2、3、6、7、8号的断裂特征为弯曲断裂，断口在距球垫下端13cm处,断口有径缩2.53.0 mm,见相片8,但断口与纯拉断不同都有弯曲。是拉应力和弯曲应 力复合作用的结果。委托机械工业通用零部件产品质量监督检测中心对锚杆断头的3号和5号样品进行了金相观察和分析，结果见表4。相片7锚杆断头相片8 有径缩、弯曲的锚杆断头相片9有径缩、弯曲的锚杆断头的断口相片10脆断锚杆断头的断口相片11脆断锚杆断头的断口表5机械工业通用零部件产品检测报告检测
10、项目3号断头试样5号断头试样非金属夹杂物（细系）硫化物类A1级3级氧化铝类B1级3级硅酸盐类C1级2.5级环状氧化物D2.5级0.5级单颗粒球状类DS2.5级金相组织珠光体+铁素体（图5、7、8）珠光体+铁素体（图6、7）注1 .试样外圆处裂纹（图2、3、4）2 .齿顶处夹杂物多且弥试样中疏松孔洞（图4）散（图9）注：机械工业通用零部件产品质量监督检测中心检测金相检测分析3号锚杆断头从表5看出3号锚杆断头非金属夹杂物检测中 A、B、G类指标土合格，D类指标达 到2.5级，非金属夹杂物含量最差级别为 3级，正常情况应在2.0级以下，3号锚杆断头 的硫化物类、氧化铝类和硅酸盐类含量为 1级，属于合
11、格。环状氧化物含量为 2.5级，属 于不合格产品。对3号锚杆断头做了纵向、横向剖面、其高倍相片见图1、2、3、4、5、6、7、8、9。图中显示3号锚杆断头材料的金相结构为珠光体加铁素体，其中珠光体和铁素体含量约各 占50%见图5、图8。从图9可见到锚杆螺纹的齿顶处非金属夹杂物多且弥散，其连线已形成螺纹上的裂缝。从图5中清楚看到纵向珠光体贯穿线，这是锚杆轧制过程中出现的中心偏析，中心偏 析会导致锚杆钢塑性降低，在大载荷作用下发生脆断。从图10、图15中看到锚杆钢材中夹杂物太多，密集，且连成线，在锚杆受到载荷时 会发展成裂缝，导致锚杆破坏。图10、图15中看到锚杆钢材存在大直径的夹杂物，形成锚杆钢
12、材中的空洞，在锚杆 受到载荷时会成为、裂缝的起点，导致锚杆破坏。从图11、图12可见锚杆外圆处有裂纹和缺损，是造成锚杆脆性断裂的起始点。对5号锚杆断头做了纵向、横向剖面、其高倍相片见图 10、11、12、13、14、15,锚 杆钢材存在的缺陷与3号锚杆断头近似。但试样的钢材中疏松孔洞更多，见图13。检验结果说明3号、5号样品所使用的钢材缺陷多、质量差，在使用过程中容易造成 锚杆脆断破坏。其中5号样品中疏松孔洞的问题较3号样品更为严重。锚杆钢材的缺陷是锚杆的潜在裂纹，是锚杆破坏的重要原因。图1 3 号（横向）图23 号（横图43 号（横向）图3 3 号（横向）图6 3号（纵图8 3号（纵图10
13、5号图12 5 号（横图14 5 号（纵向）图16 5号（纵向）图5 3 号（横向）向）图73 号（纵向）向）图93 号（横向）图11 5号（横向）向）图13 5号（横向）图15 5 号（纵向）锚索表6 锚索编号采样位置断 口锚索规格（mrm备注的(cm)状态15212副巷顶板12拉断小22牙片齐25212副巷顶板49#横川口东侧第一根40拉断小22牙片跟进不齐，其中一片错位6mm35212副巷0拉断小22牙片跟进不齐，其中一片错位11mm4大U向外9m靠煤0拉断小22牙片齐柱侧53220副巷125拉断小 17.8牙片齐62234 巷 口 130m#0拉断小 17.8牙片跟进不齐，其中一片错位5mm73220副巷0拉断15.24牙片跟进不齐，其中一片错位10mm备注晋城成庄5306工作面断点距
