摘要：通過對螺旋錨桿的結(jié)構(gòu)、工作原理和工業(yè)性試驗(yàn)情況的介紹，得出了試驗(yàn)的結(jié)果。然后通過對螺旋錨桿應(yīng)用的可行性分析，指出了螺旋錨桿的適用條件和應(yīng)用前景。
引言
神東煤炭集團(tuán)伴隨著煤炭產(chǎn)量連續(xù)千萬噸增長，在2005年以前煤炭產(chǎn)量突破一億噸將是一個必然。在這一產(chǎn)能規(guī)模條件下，回采巷道掘進(jìn)量也將達(dá)到甚至超過50萬米。在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過程中，現(xiàn)在采用的連采機(jī)和掘錨機(jī)等成套掘進(jìn)設(shè)備，掘進(jìn)能力基本可以滿足生產(chǎn)需求，但是頂板支護(hù)難以跟上掘進(jìn)的速度，造成巷道掘進(jìn)速度因頂板支護(hù)而受到了制約，特別是為確保錨桿的支護(hù)效果，大部分錨桿需要二次緊固，需要投入大量的人力和時間，巷道掘進(jìn)和頂板支護(hù)的矛盾日益凸顯；同時為了降低巷道支護(hù)成本，提升支護(hù)材料的二次利用等原因，要求開發(fā)一種施工便利、不需要二次緊固、錨固力可靠、能夠在錨桿機(jī)上使用而且可以二次回收使用的錨桿，成為生產(chǎn)技術(shù)要解決的一個重要課題。通過我公司生產(chǎn)技術(shù)部和煤炭科研部門兩年多的項(xiàng)目攻關(guān)，螺旋式錨桿通過了各項(xiàng)認(rèn)證和現(xiàn)場試驗(yàn)，基本上可以滿足上述要求，最后確定在補(bǔ)連塔煤礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。
補(bǔ)連塔煤礦在成功使用并推廣一次性緊固錨桿的基礎(chǔ)上，根據(jù)公司2003年3月7日關(guān)于進(jìn)行"螺旋錨桿工業(yè)試驗(yàn)"的通知，又進(jìn)行了螺旋錨桿的工業(yè)性試驗(yàn)。在本次工業(yè)試驗(yàn)中，共安裝螺旋錨桿360套，完成試驗(yàn)巷道工程量90余米，取得了比較滿意的試驗(yàn)效果。試驗(yàn)中共分為兩個階段進(jìn)行，第一階段為單根試驗(yàn)階段，主要解決錨桿安裝過程中鉆機(jī)推進(jìn)與旋轉(zhuǎn)速度不匹配的問題。第二階段為批量試驗(yàn)階段，主要是對錨桿技術(shù)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場測試[1-2]。
1螺旋錨桿的結(jié)構(gòu)及工作原理
本次試驗(yàn)選取樹脂錨桿做參照系進(jìn)行對比試驗(yàn)，因此，試驗(yàn)中錨桿規(guī)格一致，即錨桿選用普通鋼筋錨桿，桿體長為1.80m，桿體直徑為Φ16mm，錨固頭呈螺旋狀長度為300mm，螺距為50mm，頂端有一2mm倒角以便于安裝。
配套試驗(yàn)的錨桿機(jī)成孔直徑為28mm，錨桿錨固頭直徑36mm，順時針旋入鉆孔，錨固頭依靠8mm的外邊緣與煤巖體摩擦與剪切受力，形成對支護(hù)巖層的預(yù)緊和錨固。從錨桿的支護(hù)機(jī)理分析，懸吊原理、組合梁原理、水平預(yù)應(yīng)力原理都適用于該種錨桿的受力分析和參數(shù)計(jì)算[3]。
2工業(yè)試驗(yàn)地點(diǎn)及地質(zhì)概況
本次工業(yè)試驗(yàn)地點(diǎn)為2#煤2盤區(qū)32201工作面運(yùn)順和32202回順，該試驗(yàn)巷道沿煤層底板掘進(jìn)，煤層平均厚度為6.3m。煤層傾角3°，煤巖普氏硬度系數(shù)f為3，煤層圍巖層節(jié)理不發(fā)育，整體性較好，淋水性較小，距地表垂深約146m。
3工業(yè)試驗(yàn)方案及實(shí)施
3.1第一階段為單根試驗(yàn)階段，主要解決錨桿安裝過程中鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)速度與推進(jìn)速度不匹配問題。試驗(yàn)過程中，由于螺旋錨桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在安裝過程中存在兩種運(yùn)動，一種是桿體的順時針旋轉(zhuǎn)，另一種是桿體的豎直推進(jìn)。由于這兩種運(yùn)動的存在，就產(chǎn)生速度匹配的問題[4]。如果旋轉(zhuǎn)速度大于給進(jìn)速度，桿體將脫離錨桿機(jī)，導(dǎo)致安裝終止；如果給進(jìn)速度大于旋轉(zhuǎn)速度，將造成桿體彎曲變形，致使錨桿失效，威脅作業(yè)人員安全。經(jīng)過多次現(xiàn)場實(shí)踐，在不改變鉆機(jī)原來性能及特性的前提下，通過加裝的磨擦式限矩器，使錨桿安裝問題得到了較好解決。
其原理為；當(dāng)錨桿安裝受到鉆機(jī)向上推力時，限距器內(nèi)部主、副靜磨擦片貼緊，帶動錨桿旋進(jìn)，當(dāng)鉆機(jī)向上推進(jìn)速度滯后于旋轉(zhuǎn)速度時，主、副磨擦片自動離開，鉆機(jī)產(chǎn)生空轉(zhuǎn)，停止給進(jìn)。待兩者速度一致時，向上推力使主、副磨擦片再次帖緊時，錨桿則繼續(xù)旋進(jìn)，完成錨桿安裝。采用磨擦式限距器安裝螺旋錨桿，充分發(fā)揮了錨桿鉆機(jī)的機(jī)械化優(yōu)勢，可以使錨桿機(jī)的給進(jìn)速度與旋轉(zhuǎn)速度相匹配，使得錨桿安裝簡便、易操作，而且可以防止因錨桿機(jī)對桿體過扭，對錨桿造成的破壞[5-6]。
3.2第二階段為錨桿批量安裝試驗(yàn)階段。錨桿間排距為1m×1m，鉆孔直徑為28mm，錨固頭外徑為36mm。在試驗(yàn)過程中，對錨桿各項(xiàng)工程參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場測試，具體測試數(shù)據(jù)見表1。測試數(shù)據(jù)表明，錨桿錨固力大于4t，預(yù)緊扭距大于100N·m，滿足神東公司的技術(shù)規(guī)范要求。安裝完畢后的錨桿用12寸扳手逆時針旋轉(zhuǎn)即可拆卸回收，回收后的錨桿并無損傷，完全具備復(fù)用條件[7]。
4應(yīng)用前景分析
通過本次工業(yè)試驗(yàn)，與樹脂錨桿相比，螺旋錨桿主要具備如下技術(shù)特點(diǎn)：
?。?）錨桿錨固力滿足礦區(qū)工程實(shí)際要求，達(dá)到公司錨桿技術(shù)規(guī)范中規(guī)定錨固力大于4T的要求（未做破壞性試驗(yàn)）；
?。?）錨盤預(yù)緊扭距大于100N·m；
（3）錨桿安裝后，對巷道頂板可及時提供主動預(yù)緊支護(hù)力；
（4）由于不使用樹脂錨固劑，因此無攪拌和凝結(jié)時間，也不需要二次緊固，提高了錨桿安裝速度，減少了人為因素對錨桿安裝質(zhì)量的影響；
?。?）錨桿安裝工藝簡單，操作方便，適合于機(jī)械化作業(yè)，有利于提高單進(jìn)水平；
?。?）錨桿本身具備回收復(fù)用特點(diǎn)，如井下具備回收復(fù)用條件，錨桿可全部回收；
4.2經(jīng)濟(jì)應(yīng)用性分析
螺旋錨桿直接成本在20元左右（桿體長度按1.80m計(jì)算：桿體12元、錨固頭3元、錨盤4元、螺母0.5元），與樹脂錨桿比較：每套錨桿剛好節(jié)約一支樹脂錨固劑，即采用螺旋錨桿代替樹脂錨桿，每套可降低支護(hù)成本為6元左右。神東公司每年錨桿用量在500萬套以上，以此推算，每年可節(jié)約資金3000萬元以上。同時由于螺旋錨桿本身具備回收復(fù)用特點(diǎn)，如井下具備錨桿回收條件，充分利用螺旋錨桿的復(fù)用特點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)效益將更為可觀。
4.3安全應(yīng)用性分析
?。?）由于螺旋錨桿可瞬間提供主動支護(hù)抗力，對控制巷道頂板下沉位移及時有效，其支護(hù)安全系數(shù)要高于樹脂錨桿；
?。?）螺旋錨桿安裝時其錨固力受人為影響因素較小，只要徑差不變，每根錨桿在巖體中的工作負(fù)荷基本一致，受力均勻，而樹脂錨桿錨固力由于受攪拌時間，攪拌質(zhì)量，鉆孔的深度，錨固劑有效期等因素影響，致使錨桿在巖體中的受力不均，個別錨桿出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致支護(hù)質(zhì)量下降。
5使用條件
螺旋錨桿作為一種新錨桿的支護(hù)形式，有一定的使用條件。若現(xiàn)場存在下列條件之一，將不能采用：
?。?）巷道頂板煤巖破碎，裂隙發(fā)育；
（2）巷道頂板淋水較大，且頂板性質(zhì)為泥巖或泥質(zhì)膠結(jié)類巖石；
?。?）巷道頂板煤巖體松軟，強(qiáng)度低；
同時，螺旋錨桿對于錨桿機(jī)鉆孔質(zhì)量要求較高，孔深必須大于錨桿長度，而且角度偏差不大于5°，否則難以安裝。
結(jié)論
綜上所述，螺旋錨桿不僅錨固力大、安裝工藝簡單、操作方便，適合于機(jī)械化作業(yè)，而且成本低廉，可回收復(fù)用，因此如在滿足施工條件的巷道推廣應(yīng)用，不僅可以提高巷道掘進(jìn)速度和支護(hù)強(qiáng)度，還可以降低支護(hù)費(fèi)用。
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