麻家梁礦錨索破斷機理研究及退錨創新應用

管守軍 劉 晟 張凱輝

1 引言

煤礦井下的支護形式是影響圍巖安全，采掘成本的關鍵因素，錨索錨桿支護技術明顯改善作業環境和安全生產條件等優點，可提高礦井效益，進而成為煤礦企業礦井巷道主要支護技術。但隨著錨索支護的應用的普及，也暴露出錨索易失效破斷造成冒頂等事故[1]。同時因錨索支護強度高給綜采工作面造成懸頂面積大不容易垮落等影響安全生產難題，因此本文就麻家梁礦中厚煤層條件下錨索破斷機理進行研究，根據研究成果解決錨索容易失效問題，同時利用錨索破斷形式及機理研制出切錨器利用兩巷端頭支架移架時的牽引力轉化為切錨器刀刃上的剪切力，在正常推進中將錨索鎖具及托盤鏟下，從而完成無人工退錨工作，避免了登高作業等危險因素。

2 錨索破斷機理分析

2.1 錨索剪切失效原理

經過對麻家梁礦井下破斷錨索進行收集整理，研究其破斷機理同時進行理論研究及臺架試驗。

根據麻家梁礦平時井下因頂板壓力造成錨索剪切破斷進行分析整理發現，錨索剪切破壞一般分為兩種即鎖具孔附近及錨索中部兩種剪切破斷形式，經分析可知鎖具孔口處破斷主要因為打錨索時因頂板不平整造成托盤傾斜或因頂板離層部分鼓出使錨索在鎖具及托盤鉸接剪切作用下鋼絞線各股鋼筋受力不均造成逐絲破斷，從而被剪切破壞[2]。錨索中部剪切破壞主要因為因頂板壓力大離層位移，離層面上下兩層發生非法向移動時被拉切破斷。利用以上分析說明錨索破斷主要是外部剪切力作用下造成鋼絞線塑形失效，我們可以利用以上分析設計制作錨索切剪裝置完成綜采退錨避免懸板過大問題。

2.2 地面錨索剪切臺架相似模擬試驗

（1）錨索剪切最易破斷角度模擬

為進一步驗證錨索在受何種角度下剪切最易破斷同時也為切錨器刀座選取最優化角度，特別利用廢棄液壓支架伸縮油缸自制了錨索剪切模擬試驗裝置，該裝置通過液壓油缸拉伸力來提供剪切力同時拉伸力還可模擬出錨索懸吊頂板時的受力狀態，通過拉切實驗裝置模擬對錨索的剪切作用，利用拉切實驗裝置的角度調節和壓力傳感器模擬得最易破斷角度及錨索拉剪破壞值從而選定錨索施工角度范圍及刀座最佳角度，如圖1所示。

圖1 錨索拉切實驗裝置

試驗分別對目前麻家梁礦使用的φ21.8 mm、φ17.8 mm 兩種錨索進行了不同角度的拉剪試驗，試驗數據如38頁表1、圖2、圖3：

表1 兩種錨索不同角度的拉剪試驗破斷值

圖2 φ17.8mm錨索不同角度下拉剪極限載荷

圖3 φ21.8mm錨索不同角度下拉剪極限載荷

從圖2、3 可以看出隨著拉切實驗裝置角度的增加，錨索剪切破斷所需載荷在不斷下降，說明剪切力逐漸取代拉伸力成為錨索破斷的主要作用力。從圖2中可以看出φ17.8mm 錨索在斜切角度為15°時拉力載荷出現明顯拐點，隨著角度增加剪切作用明顯上升；在拉切實驗裝置角度為30°達到極值，當角度上升至35°時，剪切作用開始出現衰減現象；同樣圖3中表明φ21.8mm錨索在斜切角度為20°時拉力載荷出現明顯拐點，隨著角度增加剪切作用明顯上升；在拉切實驗裝置角度為30°達到極值，當角度上升至35°時，剪切作用開始出現衰減現象；由以上數據可以分析得出若要將綜采工作面錨索剪下切錨器刀座角度最佳為30°。

2.3 實驗結論及支護指導

從實驗破斷錨索的剪切破斷口可以看出實驗剪切破斷錨索破斷面與麻家梁礦井下錨索破斷面基本一樣，也證明了實驗能夠模擬出井下受力錨索在剪切作用下的受力情況。從模擬結果可以看出在井下錨索被剪斷原因主要為錨索的工作受力方式不當、頂板斷裂離層使錨索產生剪切破壞[2]，為避免錨索被剪切破斷造成冒頂可以通過提高錨索的制造強度、增加錨索的讓壓性、適當延遲張緊錨索、待頂巖層內彈性變形釋放后再打錨索，同時要加強錨索支護工的工藝培訓，在施工作業時盡量使錨索垂直與巖面，若頂板凹凸不平可在錨索托板與巖面或鋼梁之間加傾斜墊板盡量使錨索垂直巖面[2]。在施工時優先考慮合理錨索位置。就麻家梁礦所用錨索而言φ17.8mm錨索安裝角度盡量小于15°，φ21.8mm錨索安裝角度盡量小于20°。

3 錨索剪切破斷逆向成果研究

3.1 強度理論分析錨索剪切破斷

各種材料因強度不足而引起的失效現象是不同的。錨索鋼絞線屬于碳鋼塑性材料，以發生屈服現象、出現塑性變形為失效的標志適用于強度第四理論。則由純剪切狀態下強度公式可得[3]：

與剪切強度條件τ≤[τ] 比較，得：

式中，τ表示剪切破壞極限值；σ表示抗拉極限值σ1，σ2，σ3分別表示周向及法向主應力。

所以通過抗拉極限的0.6 倍可得出錨索的剪切破壞極限值，但實際在井下錨索受懸板拉伸應力作用即公式中法向應力不等于0，所以實際井下錨索剪切應力極限應遠小于抗拉極限的0.6倍。所以可以認為當移架推移力所產生的剪切力大于0.6倍的錨索抗拉極限時錨索必被剪斷。

3.2 常用錨索抗剪切極限強度

參考錨索廠家給出的φ21.8mm-1×19、φ17.8mm-1×7 兩種鋼絞線錨索抗拉應力極限約為550 kN 和362 kN可得：二者抗拉強度可根據以下公式計算：

φ21.80mm 錨索抗拉強度為1 474 MPa；φ17.8mm錨索抗拉強度為1 455 MPa。

式中Fb為拉斷前承受的最大力；S0為錨索原始橫截面積；τ=0.6σ即：φ21.80mm 錨索抗剪極限為：0.6×1 474=884.6 MPa

Φ17.8mm錨索抗剪極限為：0.6×1 455=883 MPa。

式中Zt為支架推移千斤的推力；Sd為刀具與錨索的接觸面積，在此處可視接觸面積為刀刃厚度與錨索直徑組成的長方形的面積。

經計算=1 500 MPa 可見其遠大于σ，也就是說支架能力滿足將錨索切斷的需求。

4 切錨器設計及使用效果

4.1 切錨器設計

（1）切錨器刀具材料選用及加工

因刀具要與鍍鋅鋼絞線錨索發生剪切作用，因此需要其有耐磨、強度高因此不能選用強度低的低碳鋼，根據以上要求選用45#中碳鋼。

首先將45#鋼板切成長×寬×厚為1 326 mm×150 mm×30 mm板材，用折彎機在刀具長邊100 mm處進行折彎，折彎角度150°，用砂輪在長邊以30°角打磨切刃，同時在斜刃末端留設2 mm 的平刃；為進一步提升刀具機械性能還需對刀具進行處理，首先進行淬火，提高硬度，為改變其韌性不足，易斷裂特性淬火完成后進行回火，回火后硬度要求為HRC22-34即為合格[4]。

（2）刀座加工

刀座下板采用40 mm 厚普通鋼板制成，上面打4個等距M30 螺栓孔。刀座背板采用焊接方式與下板連接，要求焊點長度不得低于400 mm 切均勻分布；在刀座兩端及中部等距焊接安裝30 mm 厚加強筋5 道；刀座背板與下板成60°角焊接。采用4 條12.9 級M30的高強防松螺栓固定在支架護幫板上方；在護幫板前端掛好網兜用以接住切落索具及托盤[5]。

4.2 支架切錨器退錨工藝

①移架工操作在拉兩端頭的支架時，通過調整支架前梁千斤及護幫板使得切錨索裝置的切刃與頂板上的錨索鎖具和錨索托盤平行預接觸；②微調伸縮梁利用切錨器刀刃30°角使錨索索具撐開縫隙，使錨索鎖具、錨索根部及托盤三者呈鉸接狀態；③移架，使切錨器上的小平刃接觸到錨索根部，此時利用托盤提供的墊撐力與支架剪切力形成剪刀效應將錨索剪下。切錨器井下工作如圖4所示：

圖4 切錨器實物

圖5 切錨器設計

4.3 研究成果應用情況

利用試驗成果指導麻家梁礦掘進支護工藝基本再未發生錨索破斷現象。同時安裝切錨器14106工作面兩巷已經推進500 m 兩巷頂板均能及時垮落，切下的錨索托盤和鎖具又可重復利用年節約成本40萬元。

5 技術研究成果與不足

該項研究成果從錨索施工工藝上避免錨索剪切破壞能夠對其他礦井起到很好的指導及參考作用，同時該成果的逆向研究成果切錨器能夠很好的解決綜采工作面兩端懸板超限問題，同時解決了使用退錨機工人勞動強度大、鎖具彈出、安全隱患。目前存在問題主要有對支架操控要求高切刃強度不足等問題，目前每推進400 m左右需更換切刃。介于此下一步擬采用擺式液壓剪板機刀具來作為切刃同時加強工人操作培訓以達到更好的切錨效果，該技術具有良好的應用前景。