一種新型完全可回收錨桿的研發(fā)與應(yīng)用

趙文曙，汪 玉，史中賀，蘇海同，宋立新

（1 山西西山煤電股份有限公司西銘礦山西太原030000；2 山東科技大學(xué)山東青島266000；3 山西金暉萬峰煤礦有限公司山西介休032000；4 青島達(dá)邦鉆機(jī)有限責(zé)任公司山東青島266000）

1 引言

經(jīng)過多年的發(fā)展，用于加固的錨桿錨固技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定、基坑加固、礦產(chǎn)資源開采等工程實(shí)踐當(dāng)中。但是在煤礦工作面回采過程中，由于巷道兩幫、保護(hù)煤柱等地方都會(huì)有錨桿支護(hù)，從而使得開采過程中發(fā)生采煤機(jī)、運(yùn)輸皮帶、轉(zhuǎn)載機(jī)等采煤機(jī)械的損害和故障，導(dǎo)致煤礦開采效率低，影響煤礦的生產(chǎn)能力。

研發(fā)可回收并實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用的新型錨桿和配套加工、安拆設(shè)備顯得十分有必要[1]。該研究包括完全可回收螺旋錨桿、階梯鉆桿、鉆機(jī)、扭矩倍增器。實(shí)現(xiàn)錨桿在達(dá)到錨固要求的同時(shí)完全可回收，降低煤礦支護(hù)成本、減少采煤機(jī)械損耗等。

2 可回收螺旋錨桿的設(shè)計(jì)方案及特點(diǎn)

2.1 可回收錨桿工作原理及性能

現(xiàn)定義所研制的完全可回收錨桿為HML 系列。該螺旋錨桿是一種用于煤礦井下工程對(duì)礦體進(jìn)行支護(hù)的新型產(chǎn)品，該錨桿的錨固原理是依靠錨桿螺旋齒鑲?cè)氲V體中產(chǎn)生正壓力而獲得錨固力，鑲?cè)朐缴?，錨固段越長(zhǎng)，則錨固力越大。該產(chǎn)品尤其適用于煤礦中的煤巷、工作面順槽、切眼等服務(wù)周期短的巷道工程。根據(jù)研究目標(biāo)，該系列產(chǎn)品除生產(chǎn)、安裝、拆卸設(shè)備和配套機(jī)具外，所研制的HML系列螺旋錨桿具有以下性能和指標(biāo)：

（1）安裝速度快，錨固力大；

（2）拆卸方便，可完全多次重復(fù)使用，成倍地降低支護(hù)成本；

（3）HML 系列螺旋錨桿的使用，有利于降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）改變了傳統(tǒng)錨桿的錨固方式，更安全可靠，立即承載。

（5）可完全回收，降低采運(yùn)事故率、消除隱患，保證采掘設(shè)備安全有效的運(yùn)行。

HML 系列螺旋錨桿的正壓力錨固原理與摩擦式完全不同，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

2.2 錨桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

螺旋錨桿結(jié)構(gòu)有錨頭、桿體、螺母組成。如圖1所示：

圖1 可回收錨桿結(jié)構(gòu)

標(biāo)記示例：HML235-4524/2000，HML 表示螺旋錨桿，表示桿體的屈服強(qiáng)度235 MPa，錨桿錨頭直徑為φ45 mm，桿體直徑為φ24 mm，長(zhǎng)度為2 000 mm的螺旋錨桿。

部件說明：

（1）螺旋錨頭：在結(jié)構(gòu)中起到對(duì)煤巖礦體的錨固作用，由專門軋制的三角型材制成。煤層普氏系數(shù)[2]越小所需螺旋長(zhǎng)度越長(zhǎng)，方可滿足支護(hù)所需的抗拉拔強(qiáng)度。

（2）桿體：在結(jié)構(gòu)中起到錨固端與鎖緊端的承載作用。根據(jù)工程需要，可選用不同直徑的Q235碳素結(jié)構(gòu)熱軋圓鋼[3]。

（3）焊接螺母：用于錨桿與安裝機(jī)具的連接，進(jìn)行錨桿安裝與回收。

（4）尾部螺紋：用于安裝固定托盤。

螺旋錨桿由經(jīng)特殊加工螺旋狀的錨頭與桿體焊接組成錨桿，先經(jīng)過高頻加熱裝置加熱，然后在纏繞設(shè)備上纏繞制成螺旋錨桿，螺旋錨頭由低碳鋼經(jīng)熱軋制成三角型材后繞制而成，等螺距，一端打磨成30°錐體，便于錨桿自攻鉆進(jìn)煤巖體內(nèi)；錨桿桿體由熱軋圓鋼制成，尾部加工成可上螺母的螺紋，桿體附件除螺旋錨頭與桿體以外還有托盤。

2.3 可回收螺旋錨桿的特點(diǎn)

可回收錨桿作為一種用于煤礦井下工程對(duì)礦體進(jìn)行支護(hù)的新型產(chǎn)品，尤其適用于煤礦中的煤巷、工作面順槽、切眼等服務(wù)周期短的巷道工[4]?？苫厥斟^桿應(yīng)具有以下性能優(yōu)勢(shì)：

（1）改變了傳統(tǒng)錨桿的錨固方式，安裝速度快，可立即承載，錨固力大，更安全可靠。有利于降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度；錨桿在施工時(shí)，因錨固劑的計(jì)量和凝固時(shí)間不好控制，總會(huì)影響安裝速度、增加操作者勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）拆卸方便，拆卸錨桿時(shí)不增加工序和時(shí)間，可完全回收多次重復(fù)使用，成倍地降低支護(hù)成本；傳統(tǒng)錨桿多為一次性消耗品，無法做到重復(fù)回收利用。

（2）錨桿安裝整齊，操作人員可以自由把監(jiān)控錨桿露出圍巖的尺寸，操作人員可以通過鉆具將錨桿安裝到統(tǒng)一尺寸。傳統(tǒng)錨桿因?yàn)殄^固劑的計(jì)量和凝固時(shí)間不好控制，無法做到自由調(diào)節(jié)。

（4）可回收錨桿依靠螺旋錨頭鑲?cè)氲V體中產(chǎn)生正壓力面獲得錨固力，不再使用到傳統(tǒng)錨固劑，能很好的節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境。

3 可回收螺旋錨桿的安裝和回收方案

3.1 錨桿的安裝方案

（1）錨桿長(zhǎng)度以2米為例，首先將階梯式鉆頭用鉆機(jī)全部打入圍巖，注意階梯鉆頭鉆入圍巖的深度要大于錨桿長(zhǎng)度至少20厘米（主要考慮圍巖表面凹凸不齊及施工過程中碎石脫落等情況）。施工過程中要注意排粉，以防拔不出鉆桿，階梯孔深度盡可能的打深。用階梯式鉆頭形成的大孔，是為了在可回收螺旋錨桿安裝時(shí)，起到定位導(dǎo)向的作用，便于可回收螺旋錨桿的安裝；用階梯式鉆頭形成的細(xì)孔直徑要小于可回收螺旋錨桿錨頭的直徑，便于后續(xù)可回收螺旋錨桿的錨頭鑲?cè)雵鷰r獲得錨固力。鉆孔完成后，將階梯式鉆頭收回卸下。階梯式鉆頭如圖2所示：

圖2 階梯式鉆頭

（2）先將可回收螺旋錨桿插入階梯式孔中，纏繞錨頭朝里，焊接螺母留在孔外。再將倍增器套筒套入回收錨桿的焊接螺母，然后鉆機(jī)再與倍增器連結(jié)（如圖3所示）。這時(shí)一個(gè)人操作鉆機(jī)一個(gè)人操作倍增器，將錨桿焊接螺母后端面推入孔中不少于10 cm。（這時(shí)旋入的深度以圍巖頂緊壓實(shí)面為基準(zhǔn)，若旋入過程表面破碎坍塌，則繼續(xù)旋入以頂實(shí)面為準(zhǔn)）。

圖3 可回收錨桿安裝示意圖

（3）取下鉆機(jī)及倍增器，放上方形墊板（托盤）再放入墊圈擰上螺母，然后再連接上倍增器，用鉆機(jī)慢速擰緊螺母，及時(shí)施加預(yù)緊力，起到及時(shí)錨固的作用。錨桿錨固段如圖4所示：

圖4 錨桿錨固端

錨桿安裝時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

（1）錨桿安裝前應(yīng)對(duì)錨桿體進(jìn)行初步檢查，檢查桿體是否彎曲，螺旋段有無損壞，特別是焊接部位，發(fā)現(xiàn)損傷及時(shí)更換；

（2）開始鉆進(jìn)錨桿鉆速不宜過快，過快會(huì)造成大幅度擺動(dòng)，易出現(xiàn)事故，同時(shí)對(duì)桿體也有損傷；

（3）鉆入錨桿時(shí)，錨桿要與鉆孔保持平行，否則會(huì)造成螺旋段螺紋受損；

（4）安裝過程中，錨桿的旋轉(zhuǎn)方向一致，切記不能反向旋轉(zhuǎn)錨桿，以免損傷錨桿的螺旋錨頭。

3.2 錨桿的回收方案

在煤礦服務(wù)年限較短或臨時(shí)支護(hù)的巷道可對(duì)錨桿進(jìn)行回收，可回收螺旋錨桿用于這些巷道就比較經(jīng)濟(jì)，可回收螺旋錨桿的拆卸也簡(jiǎn)單方便，回收之前必須確?；厥諈^(qū)域的安全，在工作人員的工作區(qū)域設(shè)置防護(hù)措施，只需將尾部螺母擰出，拆卸托盤，將鉆機(jī)安裝在錨桿的外露段，鉆機(jī)反轉(zhuǎn)即可旋轉(zhuǎn)出錨桿。

錨桿鉆出后要進(jìn)行檢查其損壞狀況，檢查錨桿的焊接部位是否有裂紋、螺旋錨頭是否損害、桿體是否彎曲，出現(xiàn)損壞及時(shí)修復(fù)。檢測(cè)合格后下次再用。

4 可回收螺旋錨桿的推廣應(yīng)用

通過受力分析和數(shù)值模擬確定錨桿、鉆桿、鉆機(jī)及力矩倍增器的主要參數(shù)。對(duì)鉆機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行制定；對(duì)鉆桿進(jìn)行試制，使錨桿進(jìn)出有可操作性。對(duì)力矩倍增器和鉆頭進(jìn)行研制。然后對(duì)完全可回收錨桿進(jìn)行下井試驗(yàn)，測(cè)試是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求及可回收性。從安裝到拆除，從拉拔測(cè)試到預(yù)留再拆除進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證拉拔力及錨固效果是否達(dá)到錨固需求并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)。

該完全可回收錨桿在山西西山煤電集團(tuán)馬蘭煤礦進(jìn)行了井下試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)量為1 000根。按照設(shè)計(jì)進(jìn)行錨桿安裝后，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)指標(biāo)主要包括預(yù)緊力的檢測(cè)、錨固力的檢測(cè)和回收錨桿變形的檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）每100 根（含100 根以下）抽查1 根，拉拔加載至設(shè)計(jì)錨固力。錨固力設(shè)計(jì)值：≧105 kN為合格，結(jié)果表明錨固力合格率為100%。

（2）錨桿的預(yù)緊力必須每根都需要檢測(cè)，預(yù)緊力檢測(cè)扳手設(shè)計(jì)值為300 N/m，當(dāng)扳手?jǐn)Q緊扭矩達(dá)到預(yù)置數(shù)值時(shí)，能自動(dòng)發(fā)出訊號(hào)“嗒”的一聲，同時(shí)伴有明顯的手感振動(dòng)視為合格，該試驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)緊力合格率為100%。

（3）通過比較回收前后的錨桿形狀，檢測(cè)可回收錨桿的拉伸長(zhǎng)度、彎曲變形、螺旋錨頭焊接部位的開裂及損害情況，計(jì)算可回收錨桿復(fù)用率為97.1%。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)錨桿多為一次性消耗品，無法做到重復(fù)回收利用。該完全可回收錨桿改變了傳統(tǒng)錨桿的錨固方式，具有節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境以及拆裝方便的優(yōu)點(diǎn)，并且可以完全回收，達(dá)到多次重復(fù)使用的效果，從而降低了支護(hù)成本，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。研發(fā)的新型可復(fù)用錨桿在錨固強(qiáng)度不低于當(dāng)前普通錨桿錨固強(qiáng)度、錨固施工效率不低于當(dāng)前普通錨桿施工的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了錨桿的復(fù)用率達(dá)90%以上。