回采巷道幫部錨桿錨固時(shí)效性與桿體回收技術(shù)

胡華峰

【摘要】為解決工作面前方煤幫遺留金屬錨桿桿體帶來(lái)的安全隱患，基于回采巷道幫部錨桿錨固時(shí)效性與圍巖穩(wěn)定性分析判據(jù)，結(jié)合FLAC3D數(shù)值計(jì)算，確定了工作面前方煤壁幫錨桿合理回收范圍，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了以組合式中空螺旋鉆為主體的錨桿桿體回收機(jī)具，建立了一套完整的長(zhǎng)壁工作面前方錨桿桿體回收技術(shù)措施。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了回收方案的可行性和實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】回采巷道 錨桿 回收機(jī)具

在地下采礦過(guò)程中，煤幫錨桿支護(hù)主要用直徑為16～22mm圓鋼、螺紋鋼或直徑為42mm縫管式錨桿，這類(lèi)錨桿碰到采煤機(jī)時(shí)易產(chǎn)生火花，增加煤塵、瓦斯爆炸等安全隱患，同時(shí)混雜在原煤中的金屬錨桿在運(yùn)輸中易對(duì)人及輸送帶等設(shè)備造成危害，因此，對(duì)煤幫錨桿桿體進(jìn)行回收就顯得尤為重要。

1工作面概況

告成煤礦25001綜采工作面走向長(zhǎng)1437m，開(kāi)采二1煤層，傾角9°，煤層平均5.3m，直接頂為深灰色、灰黑色砂質(zhì)泥巖，厚6.29m。25001回采巷道為拱形斷面，采取錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿規(guī)格為 MSGLW-335/Φ18mm×2400mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為700mm×800m，測(cè)得錨桿允許應(yīng)變[[ε拉]]=0.018。錨索規(guī)格為Φ18.9mm×7300mm左旋鋼絞線，間排距為1200mmx2400mm。

2回采巷道錨桿合理回收范圍

回采巷道錨桿受力特征分析表明，受采動(dòng)影響程度的不同，錨桿受力就會(huì)有明顯差別，錨桿支護(hù)受力變化與圍巖中的應(yīng)力調(diào)整是相對(duì)應(yīng)的。因此，工作面前方煤壁錨桿桿體回收范圍需要充分考慮超前支承壓力分布規(guī)律、錨固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及超前段加強(qiáng)支護(hù)，下面通過(guò)理論計(jì)算法與數(shù)值模擬法分別對(duì)工作面前方錨桿合理回收范圍進(jìn)行分析。

（1）回采巷道錨桿支護(hù)幫部穩(wěn)定性分析判據(jù)

煤壁出現(xiàn)大面積滑落的原因是錨固體內(nèi)錨桿失效，使臨近自由面的部分煤體失去了沿錨桿軸向的等效應(yīng)力的作用，結(jié)果出現(xiàn)煤壁片幫以及大面積滑落。所以煤幫是否穩(wěn)定的準(zhǔn)則之一則是錯(cuò)固體內(nèi)錨桿的應(yīng)變量不能超過(guò)其極限應(yīng)變量。

在錨桿與圍巖之間沒(méi)有滑落時(shí)，錨固體中錨桿拉應(yīng)變的計(jì)算公式為：

式中，G為煤層的剪切彈性模量，取2.83GPa;P0為原巖應(yīng)力，取8.33MPa;C、[φ]分別為原巖體內(nèi)聚力及摩擦角，分別取1.3 Mpa和39°;R為巷幫部塑性區(qū)半徑，取7.5m;α、β分別為原巖體及錨固體破壞后的塑性擴(kuò)容系數(shù)，分別取2和1.7;a為巷道半徑，取2.1m;L為錨桿長(zhǎng)，取2.4m（有效長(zhǎng)度將有關(guān)參數(shù)代入公式計(jì)算得二1煤層原巖應(yīng)力條件下煤幫錨固體拉應(yīng)變?yōu)?.017。超前峰值點(diǎn)壓力取22.7Mpa，煤幫錨固體中錨桿的拉應(yīng)變?yōu)?.042，大于錨桿允許拉應(yīng)變，因此超前峰值點(diǎn)煤幫錨桿已不適應(yīng)煤幫的大變形特征，錨固效果降低或失效。

（2）工作面超前支承壓力分布規(guī)律FLAC3D分析

1）模型建立。為了消除邊界效應(yīng)，便于數(shù)值模擬計(jì)算，按照實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，模型范圍取長(zhǎng)×寬×高=150m×200×90m，滿足圣維南原理的要求，采用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則進(jìn)行求解。

2）計(jì)算結(jié)果分析。隨著工作面的向前推進(jìn)，工作面前方支承壓力影響范圍增大，工作面?zhèn)葮O值點(diǎn)位置不斷前移，應(yīng)力集中系數(shù)也逐漸增加，工作面前方0-40m范圍內(nèi)為采動(dòng)影響區(qū)，峰值點(diǎn)距離工作面距離6-10m。因此錨桿桿體的回收應(yīng)避開(kāi)峰值壓力的影響，在卸壓區(qū)回收較為合適。

3）工作面前方錨桿合理回收范圍。為保證作業(yè)安全回收作業(yè)點(diǎn)必須位于超前支護(hù)范圍以?xún)?nèi)，盡量避開(kāi)超前峰值壓力危險(xiǎn)區(qū)，25001綜采工作面每循環(huán)進(jìn)尺0.6m，每日推進(jìn)8個(gè)正規(guī)循環(huán)，即日進(jìn)尺4.8m。綜合以上分析，結(jié)合井下工作面回采工藝流程，確定回收位置為工作面前方2～6.8m范圍內(nèi)。

3錨桿桿體回收機(jī)具設(shè)計(jì)

錨桿桿體回收機(jī)具由動(dòng)力部、轉(zhuǎn)換接頭、組合式中空螺旋鉆桿和取芯鉆頭組成。組合式中空螺旋鉆桿為錨桿回收機(jī)具的主要構(gòu)件，由若干根可拆卸的分段中空螺旋鉆桿通過(guò)螺紋連接組成，各分段長(zhǎng)度和數(shù)量根據(jù)作業(yè)空間大小設(shè)計(jì)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)多種條件下的回收作業(yè)，鉆桿外表焊接的螺旋式葉片起排粉作用，可滿足干式和濕式兩種條件下作業(yè)。錨桿回收機(jī)具結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示

回收作業(yè)流程：拆除錨桿端頭固定螺母及托盤(pán)，將第一節(jié)中空螺旋鉆桿與取芯鉆頭、轉(zhuǎn)換接頭連接后將取芯鉆頭套在錨桿端面，連接動(dòng)力部沿錨桿鉆進(jìn)直至第一節(jié)鉆桿鉆入煤體時(shí)，拆下轉(zhuǎn)換接頭，在鉆入煤體的鉆桿尾部通過(guò)螺紋連接第二節(jié)鉆桿，然后連接轉(zhuǎn)換接頭繼續(xù)沿錨桿鉆進(jìn)，直至鉆入眼底錨桿自動(dòng)脫落為止，錨桿桿體回收結(jié)束。

4現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果分析

通過(guò)檢測(cè)工作面前方40m內(nèi)錨桿的受力，其中32.5%的錨桿處于峰值壓力附近，受力超過(guò)90KN;53.8%的錨桿受力在40～90kN之間，這些錨桿處于正常工作狀態(tài)，仍具有減弱巷道進(jìn)一步變形的能力;13.7%的錨桿受力小于40KN，這些錯(cuò)桿的位置均在工作面0-6m范圍內(nèi)，錨桿的支護(hù)作用減弱，滿足回收條件。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)回收試驗(yàn)，效果分析如下：

1）錨桿回收用時(shí)最少為13min/根，平均用時(shí)16min/根能夠滿足該工作面日進(jìn)尺4.8m的進(jìn)度。

2）回收試驗(yàn)存在鉆頭啃噬錨桿桿體的現(xiàn)象，通過(guò)改進(jìn)鉆頭，解決了鉆頭啃噬錨桿的問(wèn)題，提高了回收效率。

3）錨桿桿體回收機(jī)具不適用于產(chǎn)生較大變形的錨桿，但基本能滿足60%的回收率。

4）錨桿桿體回收機(jī)具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，操作方便靈活，具有重量輕、體積小、工作性能可靠、回收效率高和回收錨桿復(fù)用率高的特點(diǎn)。

5結(jié)論

1）回采巷道錨桿受力變化規(guī)律基本一致，工作面前方煤壁錨桿桿體回收范圍需要充分考慮超前支承壓力分布規(guī)律、錨固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及超前段加強(qiáng)支護(hù)的可靠性。

2）采用錨桿桿體回收機(jī)具對(duì)工作面前方煤壁幫部的錨桿桿體進(jìn)行回收，這種方式不改變?cè)兄ёo(hù)方案，回收工序簡(jiǎn)單，回收效率高，不影響工作面正常生產(chǎn)。

3）回采巷道錨桿桿體回收能夠充分掌握巷道錨桿受力特征及局部變形破壞規(guī)律，也可為錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)跟蹤設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。

作者簡(jiǎn)介：胡華鋒（1979―），男，河南南召人，本科學(xué)歷，助理工程師，主要從事礦井采礦技術(shù)管理。