一種新型完全可回收錨桿的研發與應用

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 青島達邦鉆機有限責任公司山東青島266000）

1 引言

經過多年的發展，用于加固的錨桿錨固技術已經廣泛應用于邊坡穩定、基坑加固、礦產資源開采等工程實踐當中。但是在煤礦工作面回采過程中，由于巷道兩幫、保護煤柱等地方都會有錨桿支護，從而使得開采過程中發生采煤機、運輸皮帶、轉載機等采煤機械的損害和故障，導致煤礦開采效率低，影響煤礦的生產能力。

研發可回收并實現重復使用的新型錨桿和配套加工、安拆設備顯得十分有必要[1]。該研究包括完全可回收螺旋錨桿、階梯鉆桿、鉆機、扭矩倍增器。實現錨桿在達到錨固要求的同時完全可回收，降低煤礦支護成本、減少采煤機械損耗等。

2 可回收螺旋錨桿的設計方案及特點

2.1 可回收錨桿工作原理及性能

現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礦體進行支護的新型產品，該錨桿的錨固原理是依靠錨桿螺旋齒鑲入礦體中產生正壓力而獲得錨固力，鑲入越深，錨固段越長，則錨固力越大。該產品尤其適用于煤礦中的煤巷、工作面順槽、切眼等服務周期短的巷道工程。根據研究目標，該系列產品除生產、安裝、拆卸設備和配套機具外，所研制的HML系列螺旋錨桿具有以下性能和指標：

（1）安裝速度快，錨固力大；

（2）拆卸方便，可完全多次重復使用，成倍地降低支護成本；

（3）HML 系列螺旋錨桿的使用，有利于降低操作者勞動強度。

（4）改變了傳統錨桿的錨固方式，更安全可靠，立即承載。

（5）可完全回收，降低采運事故率、消除隱患，保證采掘設備安全有效的運行。

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

2.2 錨桿結構簡述

螺旋錨桿結構有錨頭、桿體、螺母組成。如圖1所示：

圖1 可回收錨桿結構

標記示例：HML235-4524/2000，HML 表示螺旋錨桿，表示桿體的屈服強度235 MPa，錨桿錨頭直徑為φ45 mm，桿體直徑為φ24 mm，長度為2 000 mm的螺旋錨桿。

部件說明：

（1）螺旋錨頭：在結構中起到對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[2]越小所需螺旋長度越長，方可滿足支護所需的抗拉拔強度。

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

（3）焊接螺母：用于錨桿與安裝機具的連接，進行錨桿安裝與回收。

（4）尾部螺紋：用于安裝固定托盤。

螺旋錨桿由經特殊加工螺旋狀的錨頭與桿體焊接組成錨桿，先經過高頻加熱裝置加熱，然后在纏繞設備上纏繞制成螺旋錨桿，螺旋錨頭由低碳鋼經熱軋制成三角型材后繞制而成，等螺距，一端打磨成30°錐體，便于錨桿自攻鉆進煤巖體內；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

可回收錨桿作為一種用于煤礦井下工程對礦體進行支護的新型產品，尤其適用于煤礦中的煤巷、工作面順槽、切眼等服務周期短的巷道工[4]。可回收錨桿應具有以下性能優勢：

（1）改變了傳統錨桿的錨固方式，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強度；錨桿在施工時，因錨固劑的計量和凝固時間不好控制，總會影響安裝速度、增加操作者勞動強度。

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

（2）錨桿安裝整齊，操作人員可以自由把監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一尺寸。傳統錨桿因為錨固劑的計量和凝固時間不好控制，無法做到自由調節。

（4）可回收錨桿依靠螺旋錨頭鑲入礦體中產生正壓力面獲得錨固力，不再使用到傳統錨固劑，能很好的節約能源、保護環境。

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）錨桿長度以2米為例，首先將階梯式鉆頭用鉆機全部打入圍巖，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，起到定位導向的作用，便于可回收螺旋錨桿的安裝；用階梯式鉆頭形成的細孔直徑要小于可回收螺旋錨桿錨頭的直徑，便于后續可回收螺旋錨桿的錨頭鑲入圍巖獲得錨固力。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，然后鉆機再與倍增器連結（如圖3所示）。這時一個人操作鉆機一個人操作倍增器，將錨桿焊接螺母后端面推入孔中不少于10 cm。（這時旋入的深度以圍巖頂緊壓實面為基準，若旋入過程表面破碎坍塌，則繼續旋入以頂實面為準）。

圖3 可回收錨桿安裝示意圖

（3）取下鉆機及倍增器，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，用鉆機慢速擰緊螺母，及時施加預緊力，起到及時錨固的作用。錨桿錨固段如圖4所示：

圖4 錨桿錨固端

錨桿安裝時應注意以下事項：

（1）錨桿安裝前應對錨桿體進行初步檢查，檢查桿體是否彎曲，螺旋段有無損壞，特別是焊接部位，發現損傷及時更換；

（2）開始鉆進錨桿鉆速不宜過快，過快會造成大幅度擺動，易出現事故，同時對桿體也有損傷；

（3）鉆入錨桿時，錨桿要與鉆孔保持平行，否則會造成螺旋段螺紋受損；

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

3.2 錨桿的回收方案

在煤礦服務年限較短或臨時支護的巷道可對錨桿進行回收，可回收螺旋錨桿用于這些巷道就比較經濟，可回收螺旋錨桿的拆卸也簡單方便，回收之前必須確保回收區域的安全，在工作人員的工作區域設置防護措施，只需將尾部螺母擰出，拆卸托盤，將鉆機安裝在錨桿的外露段，鉆機反轉即可旋轉出錨桿。

錨桿鉆出后要進行檢查其損壞狀況，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，出現損壞及時修復。檢測合格后下次再用。

4 可回收螺旋錨桿的推廣應用

通過受力分析和數值模擬確定錨桿、鉆桿、鉆機及力矩倍增器的主要參數。對鉆機的扭矩、轉速進行制定；對鉆桿進行試制，使錨桿進出有可操作性。對力矩倍增器和鉆頭進行研制。然后對完全可回收錨桿進行下井試驗，測試是否達到設計要求及可回收性。從安裝到拆除，從拉拔測試到預留再拆除進行試驗，根據試驗結果驗證拉拔力及錨固效果是否達到錨固需求并根據試驗結果進行改進。

該完全可回收錨桿在山西西山煤電集團馬蘭煤礦進行了井下試驗，試驗數量為1 000根。按照設計進行錨桿安裝后，對其進行檢測，檢測指標主要包括預緊力的檢測、錨固力的檢測和回收錨桿變形的檢測。試驗結果如下：

（1）每100 根（含100 根以下）抽查1 根，拉拔加載至設計錨固力。錨固力設計值：≧105 kN為合格，結果表明錨固力合格率為100%。

（2）錨桿的預緊力必須每根都需要檢測，預緊力檢測扳手設計值為300 N/m，當扳手擰緊扭矩達到預置數值時，能自動發出訊號“嗒”的一聲，同時伴有明顯的手感振動視為合格，該試驗結果表明預緊力合格率為100%。

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

5 結論

傳統錨桿多為一次性消耗品，無法做到重復回收利用。該完全可回收錨桿改變了傳統錨桿的錨固方式，具有節約資源、保護環境以及拆裝方便的優點，并且可以完全回收，達到多次重復使用的效果，從而降低了支護成本，具有良好的社會和經濟效益。研發的新型可復用錨桿在錨固強度不低于當前普通錨桿錨固強度、錨固施工效率不低于當前普通錨桿施工的基礎上，實現了錨桿的復用率達90%以上。