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        一種新型完全可回收錨桿的研發(fā)與應(yīng)用

        2021-07-15 03:30:16趙文曙史中賀蘇海同宋立新
        同煤科技 2021年3期
        關(guān)鍵詞:錨桿煤礦

        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 青島達邦鉆機有限責(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、保護煤柱等地方都會有錨桿支護,從而使得開采過程中發(fā)生采煤機、運輸皮帶、轉(zhuǎn)載機等采煤機械的損害和故障,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、扭矩倍增器。實現(xiàn)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(shè)計方案及特點

        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礦體進行支護的新型產(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,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(tǒng)錨桿的錨固方式,更安全可靠,立即承載。

        (5)可完全回收,降低采運事故率、消除隱患,保證采掘設(shè)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(yīng)用前景。

        2.2 錨桿結(jié)構(gòu)簡述

        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(jié)構(gòu)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(shù)[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(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(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

        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(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:

        (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(fù)使用,成倍地降低支護成本;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)錨桿因為錨固劑的計量和凝固時間不好控制,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(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,然后鉆機再與倍增器連結(jié)(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(zhǔn),若旋入過程表面破碎坍塌,則繼續(xù)旋入以頂實面為準(zhǔn))。

        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(yù)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(yīng)注意以下事項:

        (1)錨桿安裝前應(yīng)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(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(jīng)濟,可回收螺旋錨桿的拆卸也簡單方便,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(zhuǎn)即可旋轉(zhuǎn)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(xiàn)損壞及時修復(fù)。檢測合格后下次再用。

        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、鉆機及力矩倍增器的主要參數(shù)。對鉆機的扭矩、轉(zhuǎn)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(shè)計要求及可回收性。從安裝到拆除,從拉拔測試到預(yù)留再拆除進行試驗,根據(jù)試驗結(jié)果驗證拉拔力及錨固效果是否達到錨固需求并根據(jù)試驗結(jié)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(shù)量為1 000根。按照設(shè)計進行錨桿安裝后,對其進行檢測,檢測指標(biāo)主要包括預(yù)緊力的檢測、錨固力的檢測和回收錨桿變形的檢測。試驗結(jié)果如下:

        (1)每100 根(含100 根以下)抽查1 根,拉拔加載至設(shè)計錨固力。錨固力設(shè)計值:≧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,預(yù)緊力檢測扳手設(shè)計值為300 N/m,當(dāng)扳手擰緊扭矩達到預(yù)置數(shù)值時,能自動發(fā)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(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(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、保護環(huán)境以及拆裝方便的優(yōu)點,并且可以完全回收,達到多次重復(fù)使用的效果,從而降低了支護成本,具有良好的社會和經(jīng)濟效益。研發(fā)的新型可復(fù)用錨桿在錨固強度不低于當(dāng)前普通錨桿錨固強度、錨固施工效率不低于當(dāng)前普通錨桿施工的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了錨桿的復(fù)用率達90%以上。

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