新型脹裂自鎖可回收錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李 波，寧掌玄，楊霖堃，高占彬

(山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037009)

1 緒論

1.1 背景及意義

當(dāng)前各種新型能源層出不窮，煤炭消費(fèi)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的比重有所下降，但結(jié)合我國(guó)實(shí)際國(guó)情而言，未來(lái)50 年內(nèi)，煤炭依舊會(huì)占據(jù)我國(guó)能源供應(yīng)的主要手段[1]。在進(jìn)行煤炭開(kāi)采作業(yè)時(shí)，巷道支護(hù)技術(shù)能夠有效地預(yù)防煤礦災(zāi)害的發(fā)生。近年來(lái)，錨桿支護(hù)技術(shù)憑借其出色的可靠性與經(jīng)濟(jì)適用性，在世界各國(guó)煤礦巷道中得到使用。隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的使用比例日益增重，作為主要支護(hù)材料的錨桿需求也隨之增加，傳統(tǒng)錨桿多為一次性使用，造成了材料極大浪費(fèi)，極大地增加了開(kāi)采成本，同時(shí)還會(huì)對(duì)地下環(huán)境造成污染，也不利于地下空間的二次開(kāi)挖。

鑒于這種情況，可回收錨桿技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，用于解決傳統(tǒng)錨桿材料浪費(fèi)嚴(yán)重、成本投入高、降低放頂開(kāi)采效率、損壞采煤機(jī)等問(wèn)題。脹裂自鎖結(jié)構(gòu)體系可回收錨桿結(jié)合了已有的錨桿體系、新型自鎖結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了錨桿施工流程，在降低開(kāi)采成本、保護(hù)地下空間環(huán)境提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，更好地實(shí)現(xiàn)錨桿的回收利用[2]。

1.2 研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外巖土錨固界對(duì)于可回收錨桿的研究也已取得了一定成果，開(kāi)發(fā)出了多類(lèi)不同可回收錨桿，將其主流錨桿依照施工工藝分類(lèi)可分為以下三類(lèi)[3]：

（1）機(jī)械式可回收錨桿。通過(guò)聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)，將錨索體和施加預(yù)應(yīng)力的鋼筋結(jié)合起來(lái)，需要回收時(shí)，只需要從緊固相反方向旋轉(zhuǎn)，使桿體與聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)分離，便可實(shí)現(xiàn)桿體回收。

（2）力學(xué)式可回收錨桿。采用帶有外套管結(jié)構(gòu)的鋼絞線充當(dāng)錨索體，需要回收時(shí)，只需施加拉力于絞線之上，將其逐根抽出。

（3）化學(xué)式可回收錨桿。在張拉桿體自由段下部安裝足以破壞桿體的發(fā)熱（爆破）裝置，需要回收時(shí)只需發(fā)熱（爆破）裝置激活，再將桿體從粘結(jié)部位斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)桿體回收。

除此以外，按照桿體回收程度劃分，也可以分為三類(lèi)：

（1）只回收桿體上的伸長(zhǎng)段部分，不論采用何種方法，所回收部分與桿體脫開(kāi)點(diǎn)位于自由伸長(zhǎng)段的下方。

（2）桿體大部或全部都可以得到回收，通過(guò)破壞易于損壞脫落的構(gòu)件，將桿體與構(gòu)件分離，實(shí)現(xiàn)回收。

（3）通過(guò)施加強(qiáng)外力，破壞桿體與注漿體的粘結(jié)，最終脫開(kāi)桿體，實(shí)現(xiàn)回收。

雖然可回收錨桿的發(fā)展前景可觀，但在現(xiàn)階段仍然有所不足[4]。

（1）理論研究不足。雖然現(xiàn)如今已存在許多不同種類(lèi)的可回收錨桿，但與其相關(guān)的理論研究還尚顯不足，作為服務(wù)工程實(shí)踐的理論指導(dǎo)，理論研究應(yīng)當(dāng)為工程實(shí)踐提供針對(duì)性和高效的指導(dǎo)，但現(xiàn)有理論研究尚無(wú)法滿足工業(yè)需求。

（2）實(shí)際工業(yè)性使用。當(dāng)前成功申請(qǐng)專(zhuān)利的可回收錨桿數(shù)量不少，但真正可以用于工業(yè)使用的寥寥無(wú)幾，大部分錨桿依舊處于研究階段，僅僅滿足實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或通過(guò)數(shù)值模擬等手段得出結(jié)論，真正能夠滿足工業(yè)使用嚴(yán)苛條件的并不多。

（3）回收不便。現(xiàn)存許多可回收錨桿在進(jìn)行回收作業(yè)時(shí)，仍需要借助大型施工器械，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)，拉拔難，在滿足簡(jiǎn)化施工方面尚有不足，還需有所改進(jìn)。

2 脹裂自鎖錨桿錨固機(jī)理分析與影響因素

2.1 錨固原理

錨桿支護(hù)屬于“主動(dòng)”支護(hù)的一種，多用于加固拱、懸吊、組合梁與圍巖補(bǔ)強(qiáng)，通過(guò)充分利用圍巖自身承載能力來(lái)提高巷道圍巖穩(wěn)定，將原本的載荷體變?yōu)槌休d體。錨桿安裝時(shí)采取預(yù)拉緊法，在提高巖石層之間摩擦力的同時(shí)，夾緊兩支撐點(diǎn)間巖層，并形成由巖梁與拱組成的承載結(jié)構(gòu)[5]。

將桿體插入脹殼中，將桿體擰到脹裂錐體螺母上，安裝時(shí)將桿體與脹裂錐旋緊，增加兩者重合度，利用脹裂錐將脹殼撐開(kāi)，膨脹后的脹殼緊貼鉆孔巖壁，此時(shí)由脹殼產(chǎn)生的擠壓力即為錨桿初錨力。該錨桿依靠脹裂錐與脹裂殼產(chǎn)生重合膨脹，通過(guò)脹裂殼與巖壁之間相互擠壓，相互摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)錨固作業(yè)。

由錨桿錨固原理可知，該脹裂自鎖可回收錨桿主要錨固力來(lái)源為脹殼膨脹后與巖壁間相互擠壓所產(chǎn)生的摩擦力，所以該錨桿錨固力大小與脹殼的膨脹量、錨固頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（尺寸、鋸齒數(shù)、扭矩）相關(guān)[6]。

2.2 脹殼膨脹量

由錨桿錨固原理可知，該種錨桿主要錨固力來(lái)源于脹殼膨脹量與脹裂錐和脹殼內(nèi)部有效接觸面積[7]。

2.2.1 脹裂錐與脹殼配套方式

從力學(xué)角度考慮，配套契合度越高的錐殼組合，其脹殼膨脹越均勻，在保證受力均勻的基礎(chǔ)上，能夠更好地提升錨頭錨固力，錨固效果更佳。契合度高錐殼，見(jiàn)圖1（a）。

若是錐殼契合度不高或無(wú)法契合，兩者接觸面積過(guò)小，脹殼無(wú)法達(dá)到理想脹裂狀態(tài)，不僅無(wú)法均勻受力保證自身完整，更無(wú)法提供有效錨固力，更有甚者無(wú)法完成安裝。契合度低錐殼，見(jiàn)圖1（b）。

圖1 錐度契合示意圖

2.2.2 錨桿錨固頭幾何關(guān)系

脹殼錐度n1和脹裂錐體錐度n2的計(jì)算公式分別為：

式中:φ1為脹殼最大外徑；φ2為脹殼與錐體最小內(nèi)徑；φ3為錐體最大外徑；δ1為脹殼最小壁厚；δ2為錐體最小壁厚；l1為脹殼長(zhǎng)度；l2為錐體長(zhǎng)度。

當(dāng)n1=n2，φ1=φ3，l1=l2時(shí)，脹殼與錐體契合度最高，相應(yīng)可推出最小壁厚δ=δ1=δ2。

2.2.3 錨頭最大膨脹量

設(shè)行程為x，則脹殼膨脹量為Δy為：

于是最大錨固行程x0和最大膨脹量Δy分別為：

由式（3）到（5）可知，當(dāng)脹殼與錐體處于最佳契合時(shí)，脹殼式錨頭膨脹量取決于最小壁厚。

當(dāng)x=l1時(shí)，脹殼最小壁厚處最大值δmax，即

依照鉆孔40 mm和錨桿直徑18 mm計(jì)算，則有

此時(shí)錨固頭錐體最大行程為：

脹殼式錨固頭最大膨脹量為2δmax=8mm。

2.3 錨固頭錨固力

通常在進(jìn)行脹殼式錨桿的錨固力計(jì)算時(shí)大多采用R.斯蒂芬科所總結(jié)的計(jì)算公式[8]。

（1）當(dāng)錨固體表面無(wú)摩擦?xí)r，有

（2）當(dāng)錨固表面有摩擦?xí)r，有

式中：Tu為錨桿的錨固力；N為脹殼的瓣數(shù)；n為脹殼上的鋸齒數(shù)；l為鋸齒的平均長(zhǎng)度；d為楔進(jìn)深度；C0為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；β為鋸齒的半角，rad；α為脹殼的張開(kāi)角度，rad；θ為插頭楔銷(xiāo)的半角，rad；φ1為插頭與脹殼間的摩擦系數(shù)的反正切，rad；φ為巖石的內(nèi)摩擦角。

通過(guò)上述公式能夠發(fā)現(xiàn)，脹殼式錨桿錨固部分的直徑與其能夠提供的錨固力大小成正比；錨固頭外部鋸齒數(shù)量也與錨固力大小成正比。此外，錨固頭所處圍巖強(qiáng)度越高，在楔進(jìn)同等深度的要求下，所需脹殼錨脹力越大，相應(yīng)的錨固力也隨之增大

2.4 錨固力與扭矩

機(jī)械式可回收錨桿在安裝后會(huì)產(chǎn)生較大預(yù)警力，在整個(gè)安裝流程當(dāng)中，控制預(yù)警力大小尤為重要，這與支護(hù)質(zhì)量的好壞緊密相關(guān)[9]。

在脹殼式錨桿當(dāng)中所產(chǎn)生的預(yù)警力都來(lái)自于螺紋扭矩。在安裝過(guò)程中，錨固頭觸及孔底，此時(shí)脹殼與孔壁相互擠壓產(chǎn)生摩擦，兩者相對(duì)靜止。此時(shí)旋轉(zhuǎn)桿體，螺緊脹裂椎體，椎體在脹殼中運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度即為錨固段圍巖壓縮量與楔體沿脹殼內(nèi)壁滑動(dòng)量。設(shè)扭矩Mk，此時(shí)縱向軸力T為：

式中：f為鋼材與鋼材間摩擦系數(shù)；r1為脹殼的平均半徑；r2為錨桿桿體螺紋的平均半徑；α′為螺紋螺旋線上升角；ρ′為螺紋中的有效摩擦角。

對(duì)于單瓣脹殼的擠張力Q，設(shè)單瓣脹殼的張開(kāi)角度為α，則有：

根據(jù)機(jī)械式端錨錨桿的錨固機(jī)理，當(dāng)脹殼與圍巖壁產(chǎn)生滑動(dòng)失穩(wěn)時(shí)，失穩(wěn)前的載荷即為最大錨固力。錨桿的最大錨固力Tu為：

式中：fτp與鋸齒數(shù)、鋸齒的半角和圍巖的抗壓強(qiáng)度等有關(guān)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)由上式求得；N為比例系數(shù),與接觸面、螺紋形式、桿體直徑等因素有關(guān)。

3 脹裂自鎖錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

脹裂自鎖可回收錨桿整體由可回收桿體、自鎖連接機(jī)構(gòu)、脹裂環(huán)、帶螺母脹裂椎體四部分組成，見(jiàn)圖2。

圖2 脹裂自鎖可回收錨桿整體結(jié)構(gòu)圖

3.1 可回收自鎖桿體

除桿體首尾兩端以外，整體為柱體，直徑20 mm，在桿頭部分設(shè)有凸起卡頭，兩側(cè)卡頭各自突出桿體4 mm，長(zhǎng)為10 mm，寬4 mm。卡頭用以配合自鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)桿體鎖死。在桿體尾部車(chē)有螺紋，用以安裝托盤(pán)、墊片等設(shè)備。可回收自鎖桿體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。

圖3 可回收自鎖桿體圖

3.2 自鎖連接機(jī)構(gòu)

自鎖連接機(jī)構(gòu)為該可回收錨桿核心部件，集安裝、鎖死、退錨回收功能于一體，左部圓柱型結(jié)構(gòu)采用隼牟結(jié)構(gòu)，中開(kāi)圓孔，孔側(cè)開(kāi)槽，便于錨桿插入，中間部位設(shè)有左右走向軌道，用于卡死可回收桿體端頭卡頭，實(shí)現(xiàn)鎖死。右部桿體端頭設(shè)有螺紋，配合脹裂環(huán)與帶螺母脹裂椎體實(shí)現(xiàn)錨固。自鎖連接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4。

圖4 自鎖連接機(jī)構(gòu)圖

3.3 脹裂環(huán)

脹裂環(huán)整體為中空?qǐng)A椎體，椎體四周呈90°分布不完全至底開(kāi)槽，內(nèi)徑自底至頂逐漸增大，底部最小內(nèi)徑略大于自鎖連接機(jī)構(gòu)桿體部分，便于脹裂環(huán)套裝，頂部最大內(nèi)徑大于脹裂錐體最小直徑，使得脹裂椎體可隨螺紋旋轉(zhuǎn)進(jìn)入脹裂環(huán)內(nèi)部，逐步實(shí)現(xiàn)脹裂。脹裂環(huán)，見(jiàn)圖5。

圖5 脹裂環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 帶螺母脹裂錐體

脹裂錐體整體呈錐形，內(nèi)徑不變，外徑逐漸縮小，用以配合插入脹裂環(huán)中實(shí)現(xiàn)膨脹錨固，尾部帶頭螺母，隨著與桿體螺紋不斷擰緊，將錐體帶入脹裂環(huán)中，螺紋方向與自鎖桿體尾部螺紋方向相反，避免底部加裝托盤(pán)時(shí)影響錨頭錨固性。帶螺母脹裂錐體，見(jiàn)圖6。

圖6 帶螺母脹裂椎體

3.5 錨桿安裝與回收

3.5.1 安裝方法

（1）依據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)錨桿間排距，將要打錨桿預(yù)先標(biāo)記，采用鉆孔設(shè)備打好鉆孔。

（2）對(duì)錨桿進(jìn)行組裝，將可回收自鎖高強(qiáng)度桿體自鎖卡頭沿連接機(jī)構(gòu)凹槽插入至卡頭完全沒(méi)入，沿內(nèi)設(shè)軌道旋轉(zhuǎn)至盡頭后向外拉拔，卡槽將自鎖卡頭卡死，至此錨桿桿體組裝完成。

（3）將脹裂環(huán)套裝在自鎖連接機(jī)構(gòu)桿體上，后將脹裂錐體插入脹裂環(huán)中，利用可回收自鎖高強(qiáng)度桿體將脹裂錐體與脹裂環(huán)一同平穩(wěn)推入鉆孔底部，使脹裂錐體與脹裂環(huán)相契合。

（4）使用工具擰緊脹裂環(huán)與脹裂錐體，再通過(guò)擊打使其軸向移動(dòng)至預(yù)先標(biāo)記好的達(dá)標(biāo)線范圍，使脹套與孔壁緊密結(jié)合，結(jié)束初步錨固。

（5）上好托盤(pán)，通過(guò)力矩扳手?jǐn)Q緊螺母，完成最終錨固，結(jié)束安裝。

3.5.2 桿體回收

使用扳手卸下托盤(pán)緊固螺母，向上托動(dòng)，卡頭脫離卡槽后沿著軌道從安裝相反方向擰動(dòng)可回收自鎖高強(qiáng)度桿體，將自鎖連接機(jī)構(gòu)與可回收桿體部分脫離，卸下托盤(pán)，回收桿體與托盤(pán)[11]。

4 結(jié)語(yǔ)

脹裂自鎖結(jié)構(gòu)新型結(jié)構(gòu)可回收錨桿的錨固頭，采用脹殼技術(shù)，通過(guò)理論計(jì)算，確保設(shè)計(jì)之初錨固頭部位可提供充足錨固力，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)新型自鎖連接機(jī)構(gòu)的使用，確保部分桿體的回收利用。新型自鎖連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用了隼牟結(jié)構(gòu)，在保證桿體連接穩(wěn)定，牢固的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了安裝使用流程，較一般可回收錨桿而言，脹裂自鎖新型結(jié)構(gòu)可回收錨桿操作簡(jiǎn)便，易安裝，在提高工作效率同時(shí)增加成本回收率。