一种新型完全可回收锚杆的研发与应用

赵文曙，汪 玉，史中贺，苏海同，宋立新

（1 山西西山煤电股份有限公司西铭矿山西太原030000；2 山东科技大学山东青岛266000；3 山西金晖万峰煤矿有限公司山西介休032000；4 青岛达邦钻机有限责任公司山东青岛266000）

1 引言

经过多年的发展，用于加固的锚杆锚固技术已经广泛应用于边坡稳定、基坑加固、矿产资源开采等工程实践当中。但是在煤矿工作面回采过程中，由于巷道两帮、保护煤柱等地方都会有锚杆支护，从而使得开采过程中发生采煤机、运输皮带、转载机等采煤机械的损害和故障，导致煤矿开采效率低，影响煤矿的生产能力。

研发可回收并实现重复使用的新型锚杆和配套加工、安拆设备显得十分有必要[1]。该研究包括完全可回收螺旋锚杆、阶梯钻杆、钻机、扭矩倍增器。实现锚杆在达到锚固要求的同时完全可回收，降低煤矿支护成本、减少采煤机械损耗等。

2 可回收螺旋锚杆的设计方案及特点

2.1 可回收锚杆工作原理及性能

现定义所研制的完全可回收锚杆为HML 系列。该螺旋锚杆是一种用于煤矿井下工程对矿体进行支护的新型产品，该锚杆的锚固原理是依靠锚杆螺旋齿镶入矿体中产生正压力而获得锚固力，镶入越深，锚固段越长，则锚固力越大。该产品尤其适用于煤矿中的煤巷、工作面顺槽、切眼等服务周期短的巷道工程。根据研究目标，该系列产品除生产、安装、拆卸设备和配套机具外，所研制的HML系列螺旋锚杆具有以下性能和指标：

（1）安装速度快，锚固力大；

（2）拆卸方便，可完全多次重复使用，成倍地降低支护成本；

（3）HML 系列螺旋锚杆的使用，有利于降低操作者劳动强度。

（4）改变了传统锚杆的锚固方式，更安全可靠，立即承载。

（5）可完全回收，降低采运事故率、消除隐患，保证采掘设备安全有效的运行。

HML 系列螺旋锚杆的正压力锚固原理与摩擦式完全不同，具有广泛的推广应用前景。

2.2 锚杆结构简述

螺旋锚杆结构有锚头、杆体、螺母组成。如图1所示：

图1 可回收锚杆结构

标记示例：HML235-4524/2000，HML 表示螺旋锚杆，表示杆体的屈服强度235 MPa，锚杆锚头直径为φ45 mm，杆体直径为φ24 mm，长度为2 000 mm的螺旋锚杆。

部件说明：

（1）螺旋锚头：在结构中起到对煤岩矿体的锚固作用，由专门轧制的三角型材制成。煤层普氏系数[2]越小所需螺旋长度越长，方可满足支护所需的抗拉拔强度。

（2）杆体：在结构中起到锚固端与锁紧端的承载作用。根据工程需要，可选用不同直径的Q235碳素结构热轧圆钢[3]。

（3）焊接螺母：用于锚杆与安装机具的连接，进行锚杆安装与回收。

（4）尾部螺纹：用于安装固定托盘。

螺旋锚杆由经特殊加工螺旋状的锚头与杆体焊接组成锚杆，先经过高频加热装置加热，然后在缠绕设备上缠绕制成螺旋锚杆，螺旋锚头由低碳钢经热轧制成三角型材后绕制而成，等螺距，一端打磨成30°锥体，便于锚杆自攻钻进煤岩体内；锚杆杆体由热轧圆钢制成，尾部加工成可上螺母的螺纹，杆体附件除螺旋锚头与杆体以外还有托盘。

2.3 可回收螺旋锚杆的特点

可回收锚杆作为一种用于煤矿井下工程对矿体进行支护的新型产品，尤其适用于煤矿中的煤巷、工作面顺槽、切眼等服务周期短的巷道工[4]。可回收锚杆应具有以下性能优势：

（1）改变了传统锚杆的锚固方式，安装速度快，可立即承载，锚固力大，更安全可靠。有利于降低操作者劳动强度；锚杆在施工时，因锚固剂的计量和凝固时间不好控制，总会影响安装速度、增加操作者劳动强度。

（2）拆卸方便，拆卸锚杆时不增加工序和时间，可完全回收多次重复使用，成倍地降低支护成本；传统锚杆多为一次性消耗品，无法做到重复回收利用。

（2）锚杆安装整齐，操作人员可以自由把监控锚杆露出围岩的尺寸，操作人员可以通过钻具将锚杆安装到统一尺寸。传统锚杆因为锚固剂的计量和凝固时间不好控制，无法做到自由调节。

（4）可回收锚杆依靠螺旋锚头镶入矿体中产生正压力面获得锚固力，不再使用到传统锚固剂，能很好的节约能源、保护环境。

3 可回收螺旋锚杆的安装和回收方案

3.1 锚杆的安装方案

（1）锚杆长度以2米为例，首先将阶梯式钻头用钻机全部打入围岩，注意阶梯钻头钻入围岩的深度要大于锚杆长度至少20厘米（主要考虑围岩表面凹凸不齐及施工过程中碎石脱落等情况）。施工过程中要注意排粉，以防拔不出钻杆，阶梯孔深度尽可能的打深。用阶梯式钻头形成的大孔，是为了在可回收螺旋锚杆安装时，起到定位导向的作用，便于可回收螺旋锚杆的安装；用阶梯式钻头形成的细孔直径要小于可回收螺旋锚杆锚头的直径，便于后续可回收螺旋锚杆的锚头镶入围岩获得锚固力。钻孔完成后，将阶梯式钻头收回卸下。阶梯式钻头如图2所示：

图2 阶梯式钻头

（2）先将可回收螺旋锚杆插入阶梯式孔中，缠绕锚头朝里，焊接螺母留在孔外。再将倍增器套筒套入回收锚杆的焊接螺母，然后钻机再与倍增器连结（如图3所示）。这时一个人操作钻机一个人操作倍增器，将锚杆焊接螺母后端面推入孔中不少于10 cm。（这时旋入的深度以围岩顶紧压实面为基准，若旋入过程表面破碎坍塌，则继续旋入以顶实面为准）。

图3 可回收锚杆安装示意图

（3）取下钻机及倍增器，放上方形垫板（托盘）再放入垫圈拧上螺母，然后再连接上倍增器，用钻机慢速拧紧螺母，及时施加预紧力，起到及时锚固的作用。锚杆锚固段如图4所示：

图4 锚杆锚固端

锚杆安装时应注意以下事项：

（1）锚杆安装前应对锚杆体进行初步检查，检查杆体是否弯曲，螺旋段有无损坏，特别是焊接部位，发现损伤及时更换；

（2）开始钻进锚杆钻速不宜过快，过快会造成大幅度摆动，易出现事故，同时对杆体也有损伤；

（3）钻入锚杆时，锚杆要与钻孔保持平行，否则会造成螺旋段螺纹受损；

（4）安装过程中，锚杆的旋转方向一致，切记不能反向旋转锚杆，以免损伤锚杆的螺旋锚头。

3.2 锚杆的回收方案

在煤矿服务年限较短或临时支护的巷道可对锚杆进行回收，可回收螺旋锚杆用于这些巷道就比较经济，可回收螺旋锚杆的拆卸也简单方便，回收之前必须确保回收区域的安全，在工作人员的工作区域设置防护措施，只需将尾部螺母拧出，拆卸托盘，将钻机安装在锚杆的外露段，钻机反转即可旋转出锚杆。

锚杆钻出后要进行检查其损坏状况，检查锚杆的焊接部位是否有裂纹、螺旋锚头是否损害、杆体是否弯曲，出现损坏及时修复。检测合格后下次再用。

4 可回收螺旋锚杆的推广应用

通过受力分析和数值模拟确定锚杆、钻杆、钻机及力矩倍增器的主要参数。对钻机的扭矩、转速进行制定；对钻杆进行试制，使锚杆进出有可操作性。对力矩倍增器和钻头进行研制。然后对完全可回收锚杆进行下井试验，测试是否达到设计要求及可回收性。从安装到拆除，从拉拔测试到预留再拆除进行试验，根据试验结果验证拉拔力及锚固效果是否达到锚固需求并根据试验结果进行改进。

该完全可回收锚杆在山西西山煤电集团马兰煤矿进行了井下试验，试验数量为1 000根。按照设计进行锚杆安装后，对其进行检测，检测指标主要包括预紧力的检测、锚固力的检测和回收锚杆变形的检测。试验结果如下：

（1）每100 根（含100 根以下）抽查1 根，拉拔加载至设计锚固力。锚固力设计值：≧105 kN为合格，结果表明锚固力合格率为100%。

（2）锚杆的预紧力必须每根都需要检测，预紧力检测扳手设计值为300 N/m，当扳手拧紧扭矩达到预置数值时，能自动发出讯号“嗒”的一声，同时伴有明显的手感振动视为合格，该试验结果表明预紧力合格率为100%。

（3）通过比较回收前后的锚杆形状，检测可回收锚杆的拉伸长度、弯曲变形、螺旋锚头焊接部位的开裂及损害情况，计算可回收锚杆复用率为97.1%。

5 结论

传统锚杆多为一次性消耗品，无法做到重复回收利用。该完全可回收锚杆改变了传统锚杆的锚固方式，具有节约资源、保护环境以及拆装方便的优点，并且可以完全回收，达到多次重复使用的效果，从而降低了支护成本，具有良好的社会和经济效益。研发的新型可复用锚杆在锚固强度不低于当前普通锚杆锚固强度、锚固施工效率不低于当前普通锚杆施工的基础上，实现了锚杆的复用率达90%以上。