矿用自解锁锚索锁具研究应用

宋 清 生

（霍州煤电汾河焦煤公司亿隆煤业，山西 洪洞041600）

1 锚索锁具现状分析

目前煤矿使用锚索支护结构主要由锚索、托板、锁具和调心球垫组成。施工过程中，首先将锚索插入顶板施工好的锚索钻孔，待钻孔中锚固剂锚固后，依次在锚索中套入托板、调心球垫和锚索锁具。然后使用锚索张拉机张拉锚索，使锚索产生一定的弹性变形和预紧力，张拉完毕后，通过锚索的弹性回缩和锁具中间锲形锁芯的自锁功能锁紧锚索，从而达到锚索支护的作用[1,2]。

目前常用锚索锁具只有锁紧功能，不能实现解锁功能。锚索退锚器由油泵、高压油管总成、锚索拉拔器组成。锚索拉拔器可以夹紧锚索，通过高张拉力拉出锚索，人工去掉锁芯，从而实现退锚的功能[3,4]。鉴于以上原因，通过对锁具力学分析，针对煤矿井下锚索退锚困难、效率低的问题，对矿用自解锁锚索锁具进行了研究并应用。

2 锁具结构分析

目前常用锚索锁具结构示意图如图1 所示，锁具由外部锁体和内部锁芯组成。锁体呈圆柱状，内部开设圆台孔。锁芯由三个锲形锁片组成，锁芯内部加工成齿状，有利于加紧锚索。一方面该锁具只有锁紧功能，不能实现解锁功能，另一方面，近些年来，随着开采深度的增加，巷道围岩应力随着增大，锚索端部破断崩出现象呈逐年增加趋势，给煤矿安全生产带来很大的安全隐患，该锁具没有防锚索崩断功能。

图1 锁具结构示意图

调心球垫如图2 所示，锁具本身没有调心功能，配合调心球垫使用实现调心功能。

图2 锚索锁具及调心球垫

图3 锚索退锚器

锚索退锚器如图3 所示，退锚器由油泵（手动、气动油泵）、高压油管总成、锚索拉拔器组成。锚索拉拔器可以夹紧锚索，通过高张拉力拉出锚索，人工去掉锁芯，从而实现退锚的功能。退锚过程中主要存在以下问题：

1）随着开采深度的增加，围岩应力增大，锚索受力随之增大，拉伸变形严重，由于目前情况下锚索退锚器提供拉力有限，且锚索已经没有足够拉伸空间，造成退锚十分困难，随着退锚器中油压不断增大以后，还可能造成油管破裂、锚索崩断伤人等安全隐患。

2）随着高强度锚索的应用，导致锚索退锚器退锚更加困难，同时也增加了高应力状态下人员施工的安全风险。

3）在生产过程中，许多锚索端部被超前段支架、掘进机、运输系统等破坏严重，使得锚索退锚器无法夹持住锚索，造成无法退锚。从而导致锚索退锚器可靠性下降，退锚速度较慢，退锚效率不高。

3 自解锁锚索锁具研究

3.1 新型自解锁锚索锁具结构及操作方法

新型自解锁锚索锁具由锁体和锁芯构成，锁芯仍为原锁芯结构，锁体主要由套筒、调心底座和锁芯槽组成，如图4 所示。

图4 配合拱形托板可调心锁具

1）套筒：套筒外部呈六角形状，是退锚时由风动扳手或手动扳手夹持位置。套筒内部中空，下部内侧有螺纹，用于和调心底座连接。上部套筒孔呈圆台状，孔壁与垂直方向呈10夹角，一方面可以卡住锁芯槽，保证锁芯槽不会移动，另一方面，减小退锚时套筒向下移动的阻力，易于退锚。同时，在锚索安装完成后，套筒上部为主要受力部位，设置10的夹角很好的保证了上部套筒壁的厚度，充分发挥了材料的作用，保证锁具的强度。在锚索工作中，主要承受由锁芯传递的水平方向的力，人工使用扳手既可将套筒从锁具上拧下。如果锚索端部被破坏（撞开花），套筒也可以顺着锚索慢慢拉出。

2）锁芯槽：由两部分组合而成，整体呈圆台状，中部开设圆台孔，可自由从中间分开。固定在底座与套筒之间，锚索工作中主要承受锁芯传递的力，垂直方向受力传递给底座，水平方向受力传递给套筒。

3）防坠环：近圆环状，两边带有圆孔，由套筒和调心底座夹持固定，使用铁丝穿过圆孔将锁具拴在巷道表面金属网上，防止锚索端部破断飞出伤人。

4）底座：下部呈近圆弧装，可以起到锚索调心作用。中空，用于穿过锚索。上部开设有螺纹，用于与套筒完成连接。锚索工作状态下，垂直方向受力主要传递到底座，使得底座与锚索托板紧密接触，在退锚时可以保证拧转套筒时底座可以保持固定状态，从而顺利完成退锚工作。

5）锁芯：仍使用原锁芯结构。

操作流程：①完成锁具组装工作，使其成为一个整体。②将锚索插入顶板施工好的锚索钻孔，待钻孔中锚固剂凝固后，依次套入托板和锁具（锁芯），进行锚索张拉、固定，完成锚索安装工作。③使用铁丝穿过圆孔将锁具拴在巷道表面金属网上，防止锚索端部破断飞出伤人。④退锚时，使用风动扳手或手动扳手拧转锁具套筒，直至套筒拧出。套筒拧出后，锁芯槽分离为两半，锚索锁具已经没有承载能力，此时收回锁具和锚索托盘，完成退锚工作。

3.2 自解锁锚索锁具应用

新型矿用自解锁锚索锁具弥补了普通锚索锁具无法自解锁的缺陷，在没有锚索退锚器等外部专业设备的情况下，可以通过井下扳手实现解锁、退锚功能。将锚索锁具和调心球垫合为一体，可以实现调心功能，减少构件加工和现场操作工序，降低锚索支护结构生产成本及现场施工难度。使用铁丝穿过圆孔将锁具拴在巷道表面金属网上，防止锚索端部破断飞出伤人。根据锁具各部件受力条件，合理分配材料和设计角度，在保证锁具承载能力的条件下保障退锚的可靠性与易操作性。对现场条件要求较低，锚索端部被撞歪、撞散的情况下仍可以正常退锚，避免了锚索端部无法传入锚索退锚器而导致无法退锚现象的发生。大大提高锚索退锚效率和退锚成功率，使煤矿回采工作面端头顶板及时跨落，减小工作面端头围岩应力和工作面上、下隅角瓦斯聚集区面积，提高工作面端头顶煤回收率，促进煤矿安全高效开采。

4 效果分析

4.1 经济效益分析

亿隆煤业1-102 工作面以西为1-1022 巷工作面及1-101 回采工作面，以东为设计回采面，北部为皮带下山巷与回风下山巷。南部为采区井田边界万安断层。工作面平均进尺为12m/d，所采煤层平均厚度为1.675m。102 工作面采用新型自解锁锚索锁具取得了良好的应用效果。

据粗略估计，亿隆煤业井下工作面采用以上新型自解锁锚索锁具，省去调心球垫，按照目前调心价格计算，每年可节约材料成本约3 万元。大大减轻上下隅角治理难度，可节约人工及材料成本8.5 万元/年。

4.2 社会效益分析

此自解锁锚索锁具的应用，节约生产成本，提高生产效率，促进安全生产，社会效益显著。目前，煤矿井下采巷道大多采用了锚网索联合支护方式，而回采期间退锚困难已经成为当下煤炭生产过程中一个共性和困难的问题。此成果的应用，节约生产成本，提高生产效率，促进安全生产，一经推广，必将具有良好的推广前景。

5 结束语

1）使锁具自身具有调心功能，淘汰目前所使用的调心球垫，减少构件加工和现场操作工序，降低锚索支护结构生产成本及现场施工难度。

2）实现锚索自解锁功能，在没有锚索退锚器等外部专业设备的情况下，可以通过风动扳手实现解锁、退锚功能。解决锚索端部破坏严重、锚索受力较大等条件下无法退锚及退锚时安全风险较大的问题，保障煤矿回采工作面上下隅角顶板及时跨落，促进煤矿安全高效生产。

3）加设防锚索崩断装置，避免锚索破断受锁具及端部飞出伤人事故的发生，促进煤矿生产安全。