寧掌玄，楊東輝，李 波，高 瑞

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院 山西 大同 037003）

0 引言

錨桿是錨固在巖土體內(nèi)維護(hù)基坑或圍巖穩(wěn)定的桿狀結(jié)構(gòu)物，錨桿支護(hù)已經(jīng)成為礦山巷道、隧道及基坑工程支護(hù)的主要形式之一[1]。在錨桿支護(hù)系統(tǒng)中，金屬錨桿是應(yīng)用最為廣泛的一種，金屬錨桿90%以上采用樹脂錨固劑進(jìn)行錨固，無法回收再利用，造成極大的浪費(fèi)。按照我國(guó)煤炭產(chǎn)量30億噸、巷道掘進(jìn)率100 m/萬噸計(jì)算，則我國(guó)煤礦每年新掘巷道約3萬公里，每年使用錨桿約2～3億套，若不回收利用，浪費(fèi)十分驚人。每套錨桿按50元計(jì)算，則每年浪費(fèi)約100~150個(gè)億。同時(shí)，對(duì)于綜采工作面回采巷道煤體側(cè)幫，不回收錨桿會(huì)影響采煤機(jī)的割煤效率，增加采煤機(jī)負(fù)荷，縮短采煤機(jī)壽命；對(duì)于放頂煤工作面，不回收錨桿會(huì)降低工作面端頭的放煤效率；大量遺留錨桿不僅嚴(yán)重污染地下空間環(huán)境，而且還造成工程成本的增加和資源的極大浪費(fèi)，等等[2]。為解決這些問題，可回收錨桿技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

目前在礦山可回收錨桿技術(shù)試驗(yàn)研究方面已經(jīng)有學(xué)者做了大量的研究工作，取得了一定的成績(jī)。石嘴山礦務(wù)局王義和等研發(fā)的MS-41型塑料膨脹可回收金屬錨桿[3]具有即時(shí)承載效果好、可卸壓性和可回收等支護(hù)特性，適用于復(fù)雜地質(zhì)條件下回采巷道支護(hù)；武蘊(yùn)馥等研制的可回收塑料錨桿[4]分別在大同礦務(wù)局晉華宮礦與晉城礦務(wù)局長(zhǎng)平礦進(jìn)行工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，錨固力均符合設(shè)計(jì)要求，回收率分別達(dá)到79%與87%。從工程應(yīng)用情況來看，到目前為止還沒有在礦山巷道工程領(lǐng)域大范圍使用的報(bào)道。究其原因，主要原因有：①企業(yè)對(duì)錨桿的回收再利用認(rèn)識(shí)不足。一方面擔(dān)心錨桿回收時(shí)出現(xiàn)安全事故；一方面怕影響回采效率，為了多出煤，忽視了成本核算；②現(xiàn)有可回收錨桿由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題致使拆卸工藝復(fù)雜，拆卸時(shí)間長(zhǎng)，容易引起頂板冒落，出現(xiàn)傷人事故；③專用配套的拆卸機(jī)具尚未開發(fā)，工人在拆卸時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)工；④回收的錨桿仍需進(jìn)行修復(fù)，方可再利用，增加工序環(huán)節(jié)，工人嫌麻煩。由中國(guó)知網(wǎng)檢索“可回收錨桿”主題詞可知，發(fā)文量最高為2017年的20篇，最少1篇，平均6篇，主要集中在礦業(yè)工程和建筑科學(xué)與工程2個(gè)學(xué)科，分別占48.3%、45.9%?？芍?，對(duì)可回收錨桿技術(shù)開展的研究不多，研究論文只有52篇，綜述只有4篇，且很少涉及礦山巷道領(lǐng)域。從另一個(gè)角度說明，可回收錨桿技術(shù)仍存在諸多問題，但工程應(yīng)用前景非常廣闊。

推廣使用可回收錨桿的宗旨是在確保安全和工程質(zhì)量的前提下,降低噸煤成本中的支護(hù)材料費(fèi),提高經(jīng)濟(jì)效益，因此，可回收錨桿的回收率至關(guān)重要。伊茂森等[5]對(duì)可回收錨桿回收率進(jìn)行了分類、定義，提出了可回收錨桿回收率上的盈虧平衡點(diǎn)，付文光等[6]建議產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中按錨筋抗拆力、回收可靠性及適用錨桿長(zhǎng)度等指標(biāo)把產(chǎn)品劃分成為不同類別，產(chǎn)品應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)中以回收率85%、95%及98%分別作為三級(jí)、二級(jí)及一級(jí)回收指標(biāo)，對(duì)于可回收錨桿研發(fā)及后續(xù)推廣應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。

可回收錨桿技術(shù)主要在兩大工程領(lǐng)域應(yīng)用，礦山巷道和基坑工程，本文以礦山巷道工程領(lǐng)域?yàn)橹?，?duì)國(guó)內(nèi)外可回收錨桿技術(shù)進(jìn)行分類、總結(jié)與探討。

1 可回收錨桿分類

可回收錨桿須滿足全部回收或者部分回收的功能，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與傳統(tǒng)錨桿有很大不同。目前根據(jù)可回收錨桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，可大致分為機(jī)械式、組合式、螺旋式、熱熔式四大類型。

1.1 機(jī)械式

機(jī)械式可回收錨桿采用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)錨固，主要由錨固頭、連接裝置和可回收錨桿桿體三大部分組成，錨固頭結(jié)構(gòu)主要有脹殼式、倒楔式兩種方式。

（1）脹殼式可回收錨桿

脹殼式可回收錨桿通常由膨脹套、楔形錐體、金屬桿體、托盤、螺母等構(gòu)成[7]，如圖1所示，按照材質(zhì)不同，有塑料漲殼和鋼漲殼兩種類型。其工作原理為：錨桿螺紋連接楔形錐體，并拉動(dòng)楔形錐體向下運(yùn)動(dòng)，楔形錐體將膨脹套管脹裂，膨脹套管與鉆孔壁相互擠壓，產(chǎn)生摩擦阻力從而提供錨固力。當(dāng)回收錨桿時(shí)，只需將螺母托盤卸下，反向旋轉(zhuǎn)桿體便可將其從楔形錐體中分離，實(shí)現(xiàn)錨桿桿體的回收，錨固頭部分仍然殘留在巖體內(nèi)。脹殼式可回收錨桿所產(chǎn)生的錨固力主要根據(jù)膨脹套管的脹裂程度大小而定，脹裂程度越大，錨固力越大。

圖1 脹殼式可回收錨桿

（2）倒楔式可回收錨桿

倒楔式可回收錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同脹殼式大致相同，僅在錨固頭處進(jìn)行改造，將脹殼式表面光滑的膨脹套管改為帶有倒楔形的倒楔脹殼[8]，如圖2所示。

圖2 倒楔式可回收錨桿

相比于脹殼式，倒楔式可回收錨桿能夠有效避免因膨脹套管外表面摩擦系數(shù)較低而導(dǎo)致錨固失效現(xiàn)象，當(dāng)錐體嵌入倒楔式外脹殼后，隨著嵌入深度增加，外脹殼膨脹越大，鉆孔內(nèi)壁摩擦力增加，受軸向拉力作用，外脹殼與鉆孔內(nèi)壁圍巖相互摩擦，倒楔式結(jié)構(gòu)能夠有效抓附巖體，增加錨固效果。然而，采用倒楔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，膨脹套管外表面與圍巖接觸為點(diǎn)線型，相比脹殼式膨脹套管規(guī)則外壁的高度巖體耦合性，倒楔式膨脹套管外壁與圍巖耦合性較差，且不具有脹殼式可回收錨桿優(yōu)異的可卸壓性，因此，當(dāng)巷道圍巖壓力發(fā)生劇烈變化時(shí)，倒楔式可回收錨桿錨固可靠性相對(duì)較低。

1.2 組合式可回收錨桿

組合式可回收錨桿通常由可回收自由段金屬桿體與錨固段附件組合而成，兩者之間通常采用螺紋或特殊機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接[9]。組合式可回收錨桿早期多配合水泥錨固劑使用，目前多配合樹脂藥卷使用，其工作原理并未發(fā)生變化，但錨固段附件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大幅優(yōu)化提升。

（1）特殊錨固頭組合式可回收錨桿

特殊錨固頭組合式可回收錨桿主要由特殊錨固頭、連接套、可回收桿體、托盤等部件構(gòu)成。其中特殊錨固頭與可回收桿體通過回收連接套連接，連接套采用焊接或螺紋形式，錨固段特殊錨固頭采用水泥（樹脂）錨固劑與孔壁相粘結(jié)。當(dāng)錨桿回收時(shí)，通過反向轉(zhuǎn)動(dòng)可回收桿體使之與連接套脫落，實(shí)現(xiàn)桿體回收利用。

目前國(guó)內(nèi)研制的特殊錨固頭主要為麻花式或十字狀，具有代表性的麻花式可回收錨桿如圖3所示[10]。

圖3 可回收樹脂錨桿

（2）套管錨固頭組合式可回收錨桿

特殊錨固頭組合式可回收錨桿的錨固頭依然無法實(shí)現(xiàn)回收利用，未能實(shí)現(xiàn)錨桿回收最大化，且錨固劑回流會(huì)造成錨固段裝藥量減少，錨固力能不達(dá)到設(shè)計(jì)需求。基于此，國(guó)內(nèi)學(xué)者研發(fā)了套管錨固頭組合式可回收錨桿。

套管錨固頭組合式可回收錨桿主要由可回收桿體、螺母、塑料套管、套管堵頭、托盤等部件構(gòu)成，具有代表性的塑料套管錨固頭組合式可回收錨桿如圖4所示[11]。

圖4 套管錨固頭組合式可回收錨桿

其中可回收桿體兩端均有螺紋，使用時(shí)將錨固劑與塑料套管穿過可回收桿體，通過錨桿將錨固劑送達(dá)指定位置，利用套管頂端螺紋將桿體擰緊，套管上的堵頭裝置能夠有效防止錨固劑回流，同時(shí)通過調(diào)節(jié)堵頭位置也可實(shí)現(xiàn)錨固長(zhǎng)度調(diào)節(jié)功能。當(dāng)錨桿回收時(shí)，只需將桿體底部托盤卸下，反向旋轉(zhuǎn)桿體，即可使可回收桿體與錨固套管相脫離，實(shí)現(xiàn)桿體回收工作。

相較于特殊錨固頭組合式，套管錨固頭組合式可回收錨桿能夠有效解決錨固劑回流，減少圍巖金屬桿體殘留，且錨固性能穩(wěn)定，塑料套管通常使用再生尼龍、聚丙烯等工程塑料制作，亦不會(huì)對(duì)采煤機(jī)截齒造成損傷。

（3）新型錨固頭組合式可回收錨桿

套管錨固頭組合式可回收桿體長(zhǎng)時(shí)間處于錨固劑包圍當(dāng)中，桿體頂端與套管螺母連接部位容易發(fā)生銹蝕或錨固劑滲入粘結(jié)，對(duì)于回收工作造成阻礙或無法回收。對(duì)此，劉勇、周保精等[12]人開發(fā)了新式樹脂錨固式可回收錨桿，采用“盲孔短頭”與“密封螺紋”技術(shù)提升了套管與桿體連接處螺紋的密封性能，加強(qiáng)了螺紋水密性，確保了長(zhǎng)時(shí)間錨固情況下螺紋不會(huì)出現(xiàn)銹蝕或粘結(jié)現(xiàn)象，提高了桿體回收率。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 新型錨固頭組合式可回收錨桿

1.3 螺旋式可回收錨桿

相較于機(jī)械式可回收錨桿與組合式可回收錨桿，螺旋式可回收錨桿設(shè)計(jì)工藝和支護(hù)機(jī)理均有所改變，它主要通過螺旋葉片嵌入巖體中形成的多點(diǎn)高耦合接觸，實(shí)現(xiàn)較好的錨固作用。螺旋式可回收錨桿主要由桿體、特制鉆頭、托盤三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖6[13]所示。

圖6 螺旋式可回收錨桿

螺旋式可回收錨桿安裝時(shí)無需打孔，只需利用機(jī)械鉆具將錨桿強(qiáng)力旋入巖體中，進(jìn)行回收作業(yè)時(shí)，只需反向旋轉(zhuǎn)錨桿即可。螺旋式可回收錨桿因其多點(diǎn)高耦合接觸性，作用于破碎圍巖巷道中具有明顯的優(yōu)越性，但如果圍巖變形較大，螺旋葉片處易產(chǎn)生集中應(yīng)力導(dǎo)致葉片破壞，增加葉片密度雖能有效克服這種缺陷，但密度過高的葉片也會(huì)破壞圍巖整體性，導(dǎo)致錨固力降低。

1.4 熱熔式可回收錨桿

熱熔式可回收錨桿又稱化學(xué)式可回收錨桿，是一種新式可回收錨桿，其錨固段或設(shè)計(jì)斷裂點(diǎn)采用熱熔材料將錨桿體粘結(jié)，當(dāng)進(jìn)行回收作業(yè)時(shí)，只需對(duì)錨桿體間接加熱或?qū)崛鄄牧现苯蛹訜?，熱熔材料融化后，錨桿體所受摩擦力降低，便能進(jìn)行錨桿體回收利用。

圖7 為蘇州市能工基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司開發(fā)的熱熔可拆芯錨桿[14]，屬于一種壓力分散型錨桿，熱熔錨具張拉后通過夾具將錨桿固定，進(jìn)行回收作業(yè)時(shí)，利用36V低電壓將錨具內(nèi)熱熔材料破壞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)桿體回收。熱熔式可回收錨桿具有操作簡(jiǎn)便、回收效率高、桿體損傷小等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是需要通電，并進(jìn)行電路檢測(cè)。

圖7 熱熔式可回收錨桿

2 存在問題

2.1 理論不完善

（1）針對(duì)可回收錨桿錨固力的研究大多為定性描述，沒有統(tǒng)一規(guī)范進(jìn)行錨桿設(shè)計(jì)，而是籠統(tǒng)的認(rèn)為粘結(jié)應(yīng)力均勻分布，這種設(shè)計(jì)原則與實(shí)際工程條件存在較大偏差[15]；

（2）針對(duì)可回收錨桿尚未提出統(tǒng)一的加固機(jī)理，目前研制可回收錨桿重點(diǎn)均在可回收功能上，對(duì)可退錨桿錨固機(jī)理、抗拔力影響因素等方面的研究尚未成熟，設(shè)計(jì)計(jì)算方法尚處于一桿一法的研究階段，未形成系統(tǒng)的可靠性計(jì)算體系，難以有效地指導(dǎo)工程實(shí)踐；

（3）可回收錨桿數(shù)值模擬計(jì)算、理論分析同實(shí)際應(yīng)用存在一定差距，現(xiàn)場(chǎng)工程條件往往較為復(fù)雜，而數(shù)值模擬與理論計(jì)算難以全面考慮。

2.2 工藝標(biāo)準(zhǔn)不明確

目前可回收錨桿種類眾多，在安裝回收時(shí)施工工藝也有所區(qū)別，雖然整體施工思路大同小異，但未能形成統(tǒng)一規(guī)范的工藝流程。大多錨桿拆卸工藝復(fù)雜，拆卸時(shí)間長(zhǎng)，拆卸時(shí)容易引起頂板冒落，出現(xiàn)傷人事故。且專用配套的拆卸機(jī)具尚未開發(fā)，工人在拆卸時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，導(dǎo)致礦山巷道使用可回收錨桿較少[16]。工藝標(biāo)準(zhǔn)無法明確統(tǒng)一，無法順利實(shí)現(xiàn)錨桿回收利用，降低錨桿回收率，增加施工成本，與可回收錨桿研發(fā)初衷相違背。因此，亟待制定統(tǒng)一規(guī)范的可回收錨桿工藝標(biāo)準(zhǔn)，提高施工效率與回收率，有效降低支護(hù)成本。

3 發(fā)展趨勢(shì)

（1）針對(duì)礦山巷道工程條件，研發(fā)安裝簡(jiǎn)便快速、瞬間可產(chǎn)生較大錨固力、拆卸方便、安全可靠的新型可回收錨桿技術(shù)，設(shè)計(jì)快速錨固、便捷退錨的錨頭鎖具，提高可回收錨桿的適用性。

（2）優(yōu)化新型可回收錨桿的施工工藝，簡(jiǎn)化施工工序，退錨時(shí)不需要螺母的松動(dòng)，采用旋轉(zhuǎn)90°實(shí)現(xiàn)快捷的旋鈕式自動(dòng)解鎖，配套專用的快速退錨扳手，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化半機(jī)械化退錨作業(yè)，提高回收率。

（3）制訂行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)政策引導(dǎo)，提高礦山企業(yè)使用可回收錨桿的積極性，加大可回收錨桿技術(shù)推廣力度。

4 結(jié)語

技術(shù)發(fā)展離不開科技創(chuàng)新，對(duì)于可回收錨桿技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)尚處于探索階段，雖然已取得了部分成果，但涉及到實(shí)際工程應(yīng)用，可回收錨桿產(chǎn)品并未能得到廣泛推廣，而且在可回收錨桿理論研究與工藝標(biāo)準(zhǔn)方面尚缺乏統(tǒng)一的質(zhì)量體系。不過基于研究手段的發(fā)展以及對(duì)資源合理利用需求，可回收錨桿的研究應(yīng)用前景十分廣闊，其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值也毋庸置疑。