锚杆破断原因分析报告.docx
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锚杆破断原因分析报告
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
成庄矿高强度螺纹钢锚杆破断原因分析
1前言
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1，力学性能和冲击功检测如表2和表3所示：
表1锚杆
编号
采样地点
断口
挠曲处
（cm）
位置
（cm）
断裂状态
直径缩至
（mm）
1
5212与5216副巷联络巷底
94
超载拉断
20
/
2
5216副巷底
84
脆断
22
14
3
5216副巷底
63
脆断
22
8
4
5216副巷11号横川正对实体煤柱侧最下一根锚杆
67
脆断
22
60
5
5216副巷切眼向里8m实体煤侧
103
脆断
22
/
6
5216副巷11#横川切眼正对实体煤侧
111
脆断
22
/
7
大'U'与54#横川之间靠工作面侧顶角锚杆
65
超载拉断
20
/
8
5212副巷45#横川口顶中间锚杆
110
脆断
22
/
9
4220副巷距…7横川8m开口490m右帮第一根
75
超载拉断
14
/
10
3220副巷
83
超载拉断
15
3维挠曲
11
不详
66
超载拉断
20
14
12
不详
31
脆断
22
/
备注
晋城成庄5306工作面
断口距螺母的距离
锚杆为φ22
/为挠曲不明显
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
编号
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
（φmm）
SJ5-1
210
553
288
758
23.0
19.5
SJ5-2
215
566
294
774
25.0
16.5
M622
5C522
/
/
291.0
766
20.5
15.0
注：
所试锚杆为成庄φ22、500号断裂锚杆,由于断裂锚杆已被拉伸过，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2-1
63
样品取自印记为SJ5脆断锚杆
2号样品2-2
62
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φ22维至φ15，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，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
编号
采样位置
断口
备注
位置/cm
状态
螺纹直径缩至/mm
1
不详
1
脆断
/
2
不详
0
弯曲断
22
3
5212副巷顶
0
弯曲断
21
4
34#导线点向东16排工作面侧顶角锚杆
3
脆断
/
5
34#导线点处顶中间锚杆
2
脆断
/
6
不详
0
弯曲断
21.5
7
不详
0
弯曲断
21
8
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。
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%以上，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1～3cm处，断口有径缩2.5～3.0mm，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A
1级
3级
氧化铝类B
1级
3级
硅酸盐类C
1级
2.5级
环状氧化物D
2.5级
0.5级
单颗粒球状类DS
2.5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散（图9）
试样中疏松孔洞（图4）
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、C、类指标均合格，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13号（横向）图23号（横向）
图33号（横向）图43号（横向）
图53号（横向）图63号（纵向）
图73号（纵向）图83号（纵向）
图93号图105号（横向）
图115号（横向）图125号（横向）
图135号（横向）图145号（纵向）
图155号（纵向）图165号（纵向）
锚索
表6锚索
编号
采样位置
断口
锚索规格
（mm）
备注
位置（cm）
状态
1
5212副巷顶板
12
拉断
φ22
牙片齐
2
5212副巷顶板49#横川口东侧第一根
40
拉断
φ22
牙片跟进不齐，其中一片错位6mm
3
5212副巷
0
拉断
φ22
牙片跟进不齐，其中一片错位11mm
4
大U向外9m靠煤柱侧
0
拉断
φ22
牙片齐
5
3220副巷
125
拉断
φ17.8
牙片齐
6
2234巷口130m处
0
拉断
φ17.8
牙片跟进不齐，其中一片错位5mm
7
3220副巷
0
拉断
φ15.24
牙片跟进不齐，其中一片错位10mm
备注
晋城成庄5306工作面
断点距锁具底部的距离
相片12断锚索
锚索断裂原因：
表7中记录表明3、4、6、7号样品锚具牙片跟进不齐，锚索多数在锚具口逐根断裂。
表7锚索锁具
编号
采样位置
破坏状态
备注
1
5212副巷顶板
牙片打滑
齿间填满杂质
2
5216副巷底
牙片打滑
齿间填满杂质
备注
晋城成庄5306工作面
φ22锚索
相片13锚具牙片跟进不齐相片14牙片不齐的锚索齐根
相片15脱锚锚索索具牙片内侧相片16脱锚锚索索具牙片外侧
表8锚具牙片硬度测试结果
机械工业通用零部件产品质量监督检测中心检测结果
北京建筑科学研究院检测结果
备注
样品号
硬度HRC
样品号
硬度HRC
1
50.5
1
56.2
测试点均在牙片外部
2
53.5
2
55.8
3
41.5
3
55.5
牙片表面硬度应在HRC58-62度。
成庄锚具牙片硬度略低。
锚具脱锚原因分析
从相片15看到锚具牙片内部牙齿里充满杂质，牙片齿间有刮起的钢绞线残渣，牙片的齿折断后打滑，造成锚具脱锚失效。
张拉前锚具的牙片不干净，充满过多的杂质，造成牙片在钢绞线上咬入深度不够，导致牙片齿折断后打滑。
从相片16可看到锚具牙片外侧与锚环未完全接触，这样会造成牙片受力不均，钢绞线有的地方夹不实，有的地方应力集中，导致锚具和钢绞线损坏。
张拉器的限位距离与锚具的限位不匹配也是造成锚具丫片损坏的原因。
托盘
送来托盘样品3个，其中一个为损坏托盘见相片16，对另一个做检测。
托盘规格：
120×120×10mm
托盘原高度（从底至球垫孔口）28mm,破坏托盘残余高度26mm,托盘裂口为脆性断裂，断口厚度10mm，没有塑性变形。
从孔口痕迹观察托盘使用过，不清楚在使用中的比例。
托盘承载力：
210kN托盘开始屈服，300kN时托盘残余高度23mm,没有损坏。
相片17破坏的托盘
2.2检测结果分析
根据以上锚杆破断图片，发现锚杆断头、断口及调心球垫变形有以下特点：
（1）断头。
从断头照片可看到断口位置在距螺母20mm至35mm区间的螺纹段，锚杆螺纹段均有弯曲，断口处均有不同程度的径缩（1-2mm），螺纹段弯曲越大，径缩越大。
（2）断口：
从断口照片可看到断口面基本垂直于锚杆轴线，断口断裂分三个阶段，第一阶段为裂纹缓慢扩展阶段，呈月牙型，锈蚀严重，呈深铁锈红色；第二阶段为裂缝快速扩展阶段，呈金属银白色，并有其始于第一阶段的放射状扩展花样；第三阶段为最后瞬断区（剪切唇）。
各个断头断口的各阶段尺寸不尽相同，但形貌特征基本相同。
（3）调心球垫：
锚杆已将调心球垫撑坏，偏向调心球垫的一侧，表明调心球垫没有起到调心作用或者是由于安装角度过大超出调心球垫调心角度范围，因此调心球垫从一侧卡住锚杆，产生一个很大的侧向力，是锚杆螺纹段弯曲变形的原因，锚杆断裂基本发生在这个位置。
通过上述分析，可得出以下结论：
（1）锚杆螺纹段因受到超过屈服拉力的载荷已产生屈服和径缩。
（2）锚杆螺纹段受到很大的弯矩，产生弯曲变形。
（3）弯曲变形是由于调心球垫卡住而产生。
委托机械科学研究院、机械工业通用零部件产品质量监督检测中心对锚杆断头作了检测和评定。
可得出以下结论：
（1）锚杆的断裂属于应力腐蚀延时破断。
（2）腐蚀介质是潮湿的大气与煤中的硫。
（3）应力来源于锚杆中的内应力以及弯曲拉应力。
应力腐蚀首先发生在锚杆应力高的牙底裂纹处。
（4）锚杆材料质量不佳、加工制造、安装使用不当所产生的一系列缺陷（夹杂、折叠、裂纹等），降低了锚杆强度，加速了应力腐蚀过程。
通过对断裂螺栓的断口、剖面金相组织和材料硬度的分析和测试，表明两个螺栓均是在受到超过其承载能力的弯曲应力后断裂的，并且经历过一个裂纹稳定扩展的阶段，当裂纹扩展到一定深度后螺栓才发生脆性断裂。
这说明螺栓断裂是受到逐渐施加的侧向力作用而断裂的。
从螺栓的剖面金相组织和材料硬度的分析结果看，螺纹根部滚压组织正常，材料强度不低。
因此螺栓受到过大的弯曲应力，是造成螺栓断裂的主要原因。
3不同受力状态下锚杆变形与破坏的实验室试验
为了分析研究井下锚杆在不同受力状态下的变形与破坏特征，在煤炭科学研究总院开采研究分院材料力学实验室曾进行了不同角度锚杆预应力试验。
3.1试验条件
加工倾角为0°、5°、10°、15°、30°的斜铁，模拟井下掘进工作面锚杆施工过程中的角度。
在实验室内用倾斜工作台分别模拟锚杆施工中与垂线成0°、5°、10°、15°、30°五种情况。
对锚杆分别施加100-1000N·m范围的扭矩，配以应力传感器，比较锚杆预紧扭矩与不同锚杆角度预应力的关系，对变形后的螺纹进行显微照片观察。
3.2试验结果
3.2.1安装角度对锚杆受弯断裂的影响
为摸索锚杆产生弯矩的原因及弯矩大小，试验采用的是潞安漳村矿生产的ф22mm（M24）BHRR600型锚杆进行试验。
锚杆测试段长度200mm，配合安装原配托板、球垫及尼龙1010减磨垫圈。
测试仪器采用500kN测力计，2000N.m指针式扭矩扳手。
（1）试验结果
试验结果如图17-19。
（a）安装角度5°（b）安装角度10°
（c）安装角度15°（d）安装角度30°
图17不同安装角度的锚杆变形状况
图18调心球垫损坏情况
径缩变形扭曲变形
图19锚杆径缩与扭曲变形
①5°试件试验结果：
试件拆下后观察到球垫内侧有卡印，螺纹段略有弯曲，螺纹段直径由23.5mm缩至23.1mm（图17a）。
②10°试件试验结果：
扭矩加至700N.m时锚杆杆体屈服，螺纹段弯曲不明显。
球垫内侧卡出螺纹，螺纹直径由23.7mm缩至22.9mm（图17b）。
③15°试件试验结果：
扭矩加至700N.m时锚杆杆体屈服，预紧力加不上去，有响声，观察到球垫内侧卡住锚杆螺纹段，卡点在球垫内侧的中部，锚杆螺纹未见明显弯曲及径缩。
扭矩加至1000N.m时，球垫内侧卡出螺纹，可看到螺纹段明显弯曲、径缩。
螺纹直径由23.5mm缩至22.5mm（图17c）。
④30°试件试验结果：
扭矩加至600N.m时杆体屈服，螺纹段有S形弯曲，直径由23.7mm缩至23.3mm，位置在弯曲处。
螺纹卡坏，球垫内侧卡出螺纹。
螺纹平垫出现反弓变形。
斜铁孔内卡出螺纹（图17d）。
由于锚杆螺纹强度远高于球垫强度，扭矩加至600N.m至700N.m时产生的响声是由于锚杆螺纹切坏球垫内侧挤出的螺纹所致（图18）。
过大的扭矩将导致杆体径缩与扭曲变形（图19）。
6号试件加至1000N.m后对其进行了四天带载荷观测，即每天将载荷加至230kN左右，观测锚杆弯曲段的变化及是否有裂缝产生。
以上试件试验后将5°、10°、15°各一件和30°两件送至钢铁研究总院测试中心检测。
检测结果见表9。
（2）试验结果分析
①锚杆在安装过程中由于承载面（岩壁、岩顶、煤壁、煤顶）的不平整造成一定的安装角度，由于调心球垫基本不能起调心作用，且角度较大时调心球垫卡住锚杆的一侧，形成很大弯矩，使锚杆弯曲变形，甚至在螺纹底部产生裂缝，从而造成锚杆破断。
球垫内侧卡住锚杆螺纹是锚杆螺纹段受到侧向力与断裂的主要原因。
表9磁粉探伤检测结果
样品中心编号
安装角度（°）
最大载荷（kN）
检测结果
2007T-261
（1）
5
237.0
螺纹根部未发现裂纹
2007T-261
（2）
10
276.2
螺纹根部未发现裂纹
2007T-261（3）
15
263.3
螺纹根部未发现裂纹
2007T-261（4）
30
215.3
螺纹根部发现裂纹（图20a）
2007T-261（5）
30
229.7~239.0持续四天
螺纹根部发现裂纹（图20b）
（a）（b）
图20螺纹裂纹磁粉检测照片
②扭矩加至700N.m时锚杆杆体屈服后，即使扭矩继续加大，预紧力上升幅度明显减小。
过大的扭矩将导致杆体径缩与扭曲变形
③锚杆预紧力基本相同的条件下安装角度小的锚杆所受的侧向力较小，反之受到的侧向力大。
当锚杆安装角度大于15°而且拉应力达到屈服点左右的情况下，锚杆长期受载会造成锚杆螺纹段弯曲出现裂缝，致使锚杆达不到破断载荷就发生断裂。
3.2.2锚杆螺纹段弯矩测试分析
为测试锚杆螺纹段所受弯矩，沿M27螺纹段轴向开两条槽。
分别在槽内布置四组到六组应变片，将导线引出，并用硅胶充填密封。
对贴片位置标记。
对开槽贴片锚杆施加不同预紧扭矩，观察锚杆变形方向，并通过接收仪数据察看锚杆弯矩。
对开槽贴片锚杆螺纹段进行角度0°、5°、10°、15°、30°锚杆预应力的试验，观测锚杆受弯曲载荷情况。
弯矩试验测试结果如表10-12。
表105°试件弯矩试验测试结果
力矩
N．m
预紧力
kN
实测拉应力
MPa
弯曲应力
MPa
计算拉应力
MPa
拉力
kN
弯矩
N．m
0
0
0
0
0
0
0
100
48.4
94.8
-29.3
116.8
59.6
-47.7
200
73.7
144.3
312.6
99.0
50.6
508.9
300
86.7
169.8
-55.3
194.6
99.4
-90.0
400
145.6
285.1
-81.4
341.0
174.1
-132.5
500
178.3
349.1
-42.3
710.0
209.4
-68.9
600
201.1
393.8
-332.1
502.4
256.6
-540.6
700
220.9
432.5
-634.9
701.8
800
236.8
463.7
-739.1
1004.6
表1110°试件弯矩试验测试结果
力矩
N．m
预紧力
kN
实测拉应力
MPa
弯曲应力
MPa
计算拉应力
MPa
拉力
kN
弯矩
N．m
0
0
0
0
0
0
0
100
34.7
67.9
3.8
39.4
20.1
6.2
200
54.6
106.9
-127.0
120.0
61.3
-206.7
300
109.1
213.4
-90.0
157.4
80.4
-146.5
400
121.9
238.7
-74.0
259.8
132.7
-120.5
500
169.5
330.9
-107.8
356.2
181.9
-175.5
600
192.1
376.2
-185.2
439.2
224.3
-301.5
700
218.8
428.4
-235.0
568.6
290.4
-382.6
800
251.8
493.0
表1215°试件弯矩试验测试结果
力矩
N．m
预紧力
kN
实测拉应力
MPa
弯曲应力
MPa
计算拉应力
MPa
拉力
kN
弯矩
N．m
0
0
0
0
0
0
0
100
37.5
73.4
19.6
96.2
49.1
31.9
200
65.8
128.8
73.1
170.2
86.9
119.0
300
94.6
185.2
47.8
235.8
120.4
77.8
400
121.4
236.9
14.8
312.4
159.5
24.1
500
149.1
322.5
89.8
436.4
222.9
146.2
600
164.7
360.1
171.8
527.6
269.5
279.7
700
370.3
145.8
562.6
287.3
237.3
3.2.3锚杆预紧安装时的复合应力分析
锚杆复合应力分别以拉应力+剪应力和拉应力+剪应力+弯曲应力计算。
计算结果如表13-16。
表135°锚杆复合应力计算结果
扭矩
N.m
扭矩系数
剪应力
MPa
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