可回收螺纹钢锚杆技术的研究

2018-07-24李素兵

同煤科技 2018年3期

李素兵

（山西煤炭进出口集团左权鑫顺煤业有限公司，山西晋中 032600）

我国煤矿支护大多采用螺纹钢锚杆支护，目前，90%以上采用以树脂锚固为主的永久锚固，其在设计环节就采用永久锚固的方法，却忽略了回收的问题。传统的锚杆主要用作一次性材料，很少重复使用，造成大量的钢材留在井下。在煤炭井下工作面支护方面，如何降低成本，节能降耗，是煤炭开采方面亟需解决的问题，研究适合我国煤矿巷道高强度可回收螺纹钢锚杆具有重要的意义。本文通过现场调研及资料分析、煤岩力学实验、数值模拟分析，物理模拟实验分析和现场实测等，研制完成了连接套连接式可回收螺纹钢锚杆，并在凌志达煤巷支护现场取得了成功的应用。

1 可回收螺纹钢锚杆的结构特性

矿用螺纹钢锚杆用于保证巷道和地下工程围岩的稳定性。其结构特点是：杆体全长轧制连续且等强度的螺纹，紧固端装有预应力垫片和紧固螺母。它与圆钢加工的锚杆比较，优点如下：①锚固端和紧固端不需机加工，生产效率高；②全长等强度，材料利用率高；③锚固力符合要求；④设有预应力垫片，便于控制安装质量；⑤安装速度快。由于它具有上述节料、省工的优点，在煤巷支护中有广阔的推广应用前景。

可回收锚杆亦为螺纹钢杆体，其关键技术是：锚杆由杆体段（可回收部分），锚固段（不可回收部分）和连接套部分构成，连接套置于杆体段和锚固段之间，一端旋入并焊固于杆体段，另一端与锚固段螺纹连接，便于在回收时自锚固段旋出回收杆体段。其结构见图1。这种可回收锚杆具有拆卸和安装简单方便，连接紧固可靠，能量传递效率高等特点。它采用螺纹连接，在安装时通过连接套将杆体段和锚固段连接起来完成锚固；回收时，可将杆体段在连接套处旋开，进行回收。

图1 可回收螺纹钢锚杆

2 强度校核

强度校核：就是根据杆件的材料、尺寸及所受载荷，检查其强度是否足够满足工作要求[1]。

螺纹钢锚杆的预紧承受拉力P=80kN，连接套的材质为 50Mn2，许用应力[σ]=310 MPa，螺纹钢锚杆为Q345，许用应力[σ]=330 MPa，螺纹钢锚杆螺纹内径d1=17.29 mm，外径d2=20 mm，连接套外径d3=27 mm，其结构尺寸和受力简图如图2所示。

图2 可回收螺纹钢锚杆结构尺寸和受力简图

考虑到可回收螺纹钢锚杆在应用是主要是在拉力方面受力，这里对剪切强度和弯曲强度不作计算。

（1）分别取锚杆组合杆体和连接套为研究对象，并画出它们的受力简图（图2-b、c），螺纹钢锚杆端部强度暂不考虑，螺纹间的作用力以它们的合力代替，分别作用于截面B与C，拉力AB段的轴向力与连接套各截面的轴向力处处相等，均为N=P[2]。

（2）分析危险截面

杆体螺纹内径截面积为：

连接套螺纹底径处的截面积为：

（3）校核螺纹钢杆体和连接套套强度

螺纹钢杆体：

强度计算中，可能出现最大应力稍大于许用应力的情况，设计规范规定，超过值只要在5%以内是允许的。

其强度在允许范围之内。

连接套为：

满足强度要求。

4 可回收螺纹钢锚杆的使用与维护

螺纹钢锚杆的使用条件十分恶劣，除了矿井水的腐蚀外，还要承受着煤岩压力，所以螺纹钢锚杆在使用和保管时要注意以下几点：

（1）由于可回收螺纹钢锚杆在安装与回收两个环节之间，要间隔很长时间，有的可达一年甚至更长，所以在锚杆支护前，要在连接套和锚固段螺纹连接处涂上润滑脂，以便在回收过程中，顺利从钻孔中取出锚杆的可回收部分—杆体段。

（2）锚杆孔打成后，要利用钻机把锚杆和锚固剂搅成一体，这时，锚杆顺时针转动，可回收部分与不可回收部分是越转越紧，完成锚杆的正常旋进。

（3）在回收锚杆后，需要注意把回收杆体的螺纹部分用润滑脂和塑料袋裹起来，便于保存下次再用。

5 应用实例

以山西凌志达煤业有限公司应用为例，按工作面顺槽巷道长为2 000 m，宽4.5 m，高3.5 m，每排帮锚杆数量8根，排距为1 m计算，两顺槽锚杆数量为3 200根，按照每年生产两个工作面，回收的锚杆总量就为6 400根。每杆锚杆价格为60元，回收率为95%，可回收锚杆人工所需费用为5元，那么每年就可为公司节约资金为6 400×60×95%-6 400×5＝332 800元。减少了锚杆的废弃率，节约了锚杆的使用成本，取得了明显的经济效益。