礦用自解鎖錨索鎖具研究應用

宋 清 生

（霍州煤電汾河焦煤公司億隆煤業，山西 洪洞041600）

1 錨索鎖具現狀分析

目前煤礦使用錨索支護結構主要由錨索、托板、鎖具和調心球墊組成。施工過程中，首先將錨索插入頂板施工好的錨索鉆孔，待鉆孔中錨固劑錨固后，依次在錨索中套入托板、調心球墊和錨索鎖具。然后使用錨索張拉機張拉錨索，使錨索產生一定的彈性變形和預緊力，張拉完畢后，通過錨索的彈性回縮和鎖具中間鍥形鎖芯的自鎖功能鎖緊錨索，從而達到錨索支護的作用[1,2]。

目前常用錨索鎖具只有鎖緊功能，不能實現解鎖功能。錨索退錨器由油泵、高壓油管總成、錨索拉拔器組成。錨索拉拔器可以夾緊錨索，通過高張拉力拉出錨索，人工去掉鎖芯，從而實現退錨的功能[3,4]。鑒于以上原因，通過對鎖具力學分析，針對煤礦井下錨索退錨困難、效率低的問題，對礦用自解鎖錨索鎖具進行了研究并應用。

2 鎖具結構分析

目前常用錨索鎖具結構示意圖如圖1 所示，鎖具由外部鎖體和內部鎖芯組成。鎖體呈圓柱狀，內部開設圓臺孔。鎖芯由三個鍥形鎖片組成，鎖芯內部加工成齒狀，有利于加緊錨索。一方面該鎖具只有鎖緊功能，不能實現解鎖功能，另一方面，近些年來，隨著開采深度的增加，巷道圍巖應力隨著增大，錨索端部破斷崩出現象呈逐年增加趨勢，給煤礦安全生產帶來很大的安全隱患，該鎖具沒有防錨索崩斷功能。

圖1 鎖具結構示意圖

調心球墊如圖2 所示，鎖具本身沒有調心功能，配合調心球墊使用實現調心功能。

圖2 錨索鎖具及調心球墊

圖3 錨索退錨器

錨索退錨器如圖3 所示，退錨器由油泵（手動、氣動油泵）、高壓油管總成、錨索拉拔器組成。錨索拉拔器可以夾緊錨索，通過高張拉力拉出錨索，人工去掉鎖芯，從而實現退錨的功能。退錨過程中主要存在以下問題：

1）隨著開采深度的增加，圍巖應力增大，錨索受力隨之增大，拉伸變形嚴重，由于目前情況下錨索退錨器提供拉力有限，且錨索已經沒有足夠拉伸空間，造成退錨十分困難，隨著退錨器中油壓不斷增大以后，還可能造成油管破裂、錨索崩斷傷人等安全隱患。

2）隨著高強度錨索的應用，導致錨索退錨器退錨更加困難，同時也增加了高應力狀態下人員施工的安全風險。

3）在生產過程中，許多錨索端部被超前段支架、掘進機、運輸系統等破壞嚴重，使得錨索退錨器無法夾持住錨索，造成無法退錨。從而導致錨索退錨器可靠性下降，退錨速度較慢，退錨效率不高。

3 自解鎖錨索鎖具研究

3.1 新型自解鎖錨索鎖具結構及操作方法

新型自解鎖錨索鎖具由鎖體和鎖芯構成，鎖芯仍為原鎖芯結構，鎖體主要由套筒、調心底座和鎖芯槽組成，如圖4 所示。

圖4 配合拱形托板可調心鎖具

1）套筒：套筒外部呈六角形狀，是退錨時由風動扳手或手動扳手夾持位置。套筒內部中空，下部內側有螺紋，用于和調心底座連接。上部套筒孔呈圓臺狀，孔壁與垂直方向呈10夾角，一方面可以卡住鎖芯槽，保證鎖芯槽不會移動，另一方面，減小退錨時套筒向下移動的阻力，易于退錨。同時，在錨索安裝完成后，套筒上部為主要受力部位，設置10的夾角很好的保證了上部套筒壁的厚度，充分發揮了材料的作用，保證鎖具的強度。在錨索工作中，主要承受由鎖芯傳遞的水平方向的力，人工使用扳手既可將套筒從鎖具上擰下。如果錨索端部被破壞（撞開花），套筒也可以順著錨索慢慢拉出。

2）鎖芯槽：由兩部分組合而成，整體呈圓臺狀，中部開設圓臺孔，可自由從中間分開。固定在底座與套筒之間，錨索工作中主要承受鎖芯傳遞的力，垂直方向受力傳遞給底座，水平方向受力傳遞給套筒。

3）防墜環：近圓環狀，兩邊帶有圓孔，由套筒和調心底座夾持固定，使用鐵絲穿過圓孔將鎖具拴在巷道表面金屬網上，防止錨索端部破斷飛出傷人。

4）底座：下部呈近圓弧裝，可以起到錨索調心作用。中空，用于穿過錨索。上部開設有螺紋，用于與套筒完成連接。錨索工作狀態下，垂直方向受力主要傳遞到底座，使得底座與錨索托板緊密接觸，在退錨時可以保證擰轉套筒時底座可以保持固定狀態，從而順利完成退錨工作。

5）鎖芯：仍使用原鎖芯結構。

操作流程：①完成鎖具組裝工作，使其成為一個整體。②將錨索插入頂板施工好的錨索鉆孔，待鉆孔中錨固劑凝固后，依次套入托板和鎖具（鎖芯），進行錨索張拉、固定，完成錨索安裝工作。③使用鐵絲穿過圓孔將鎖具拴在巷道表面金屬網上，防止錨索端部破斷飛出傷人。④退錨時，使用風動扳手或手動扳手擰轉鎖具套筒，直至套筒擰出。套筒擰出后，鎖芯槽分離為兩半，錨索鎖具已經沒有承載能力，此時收回鎖具和錨索托盤，完成退錨工作。

3.2 自解鎖錨索鎖具應用

新型礦用自解鎖錨索鎖具彌補了普通錨索鎖具無法自解鎖的缺陷，在沒有錨索退錨器等外部專業設備的情況下，可以通過井下扳手實現解鎖、退錨功能。將錨索鎖具和調心球墊合為一體，可以實現調心功能，減少構件加工和現場操作工序，降低錨索支護結構生產成本及現場施工難度。使用鐵絲穿過圓孔將鎖具拴在巷道表面金屬網上，防止錨索端部破斷飛出傷人。根據鎖具各部件受力條件，合理分配材料和設計角度，在保證鎖具承載能力的條件下保障退錨的可靠性與易操作性。對現場條件要求較低，錨索端部被撞歪、撞散的情況下仍可以正常退錨，避免了錨索端部無法傳入錨索退錨器而導致無法退錨現象的發生。大大提高錨索退錨效率和退錨成功率，使煤礦回采工作面端頭頂板及時跨落，減小工作面端頭圍巖應力和工作面上、下隅角瓦斯聚集區面積，提高工作面端頭頂煤回收率，促進煤礦安全高效開采。

4 效果分析

4.1 經濟效益分析

億隆煤業1-102 工作面以西為1-1022 巷工作面及1-101 回采工作面，以東為設計回采面，北部為皮帶下山巷與回風下山巷。南部為采區井田邊界萬安斷層。工作面平均進尺為12m/d，所采煤層平均厚度為1.675m。102 工作面采用新型自解鎖錨索鎖具取得了良好的應用效果。

據粗略估計，億隆煤業井下工作面采用以上新型自解鎖錨索鎖具，省去調心球墊，按照目前調心價格計算，每年可節約材料成本約3 萬元。大大減輕上下隅角治理難度，可節約人工及材料成本8.5 萬元/年。

4.2 社會效益分析

此自解鎖錨索鎖具的應用，節約生產成本，提高生產效率，促進安全生產，社會效益顯著。目前，煤礦井下采巷道大多采用了錨網索聯合支護方式，而回采期間退錨困難已經成為當下煤炭生產過程中一個共性和困難的問題。此成果的應用，節約生產成本，提高生產效率，促進安全生產，一經推廣，必將具有良好的推廣前景。

5 結束語

1）使鎖具自身具有調心功能，淘汰目前所使用的調心球墊，減少構件加工和現場操作工序，降低錨索支護結構生產成本及現場施工難度。

2）實現錨索自解鎖功能，在沒有錨索退錨器等外部專業設備的情況下，可以通過風動扳手實現解鎖、退錨功能。解決錨索端部破壞嚴重、錨索受力較大等條件下無法退錨及退錨時安全風險較大的問題，保障煤礦回采工作面上下隅角頂板及時跨落，促進煤礦安全高效生產。

3）加設防錨索崩斷裝置，避免錨索破斷受鎖具及端部飛出傷人事故的發生，促進煤礦生產安全。