边坡支护工程锚杆钻机 螺旋锚杆的工业性试验及应用前景

　　摘 要：通过对螺旋锚杆的结构、工作原理和工业性试验情况的介绍，得出了试验的结果。然后通过对螺旋锚杆应用的可行性分析，指出了螺旋锚杆的适用条件和应用前景。　　关键词：螺旋锚杆;工业性试验;应用前景
　　引言
　　神东煤炭集团伴随着煤炭产量连续千万吨增长，在2005年以前煤炭产量突破一亿吨将是一个必然。在这一产能规模条件下，回采巷道掘进量也将达到甚至超过50万米。在实际生产作业过程中，现在采用的连采机和掘锚机等成套掘进设备，掘进能力基本可以满足生产需求，但是顶板支护难以跟上掘进的速度，造成巷道掘进速度因顶板支护而受到了制约，特别是为确保锚杆的支护效果，大部分锚杆需要二次紧固，需要投入大量的人力和时间，巷道掘进和顶板支护的矛盾日益凸显；同时为了降低巷道支护成本，提升支护材料的二次利用等原因，要求开发一种施工便利、不需要二次紧固、锚固力可靠、能够在锚杆机上使用而且可以二次回收使用的锚杆，成为生产技术要解决的一个重要课题。通过我公司生产技术部和煤炭科研部门两年多的项目攻关，螺旋式锚杆通过了各项认证和现场试验，基本上可以满足上述要求，最后确定在补连塔煤矿进行工业性试验。
　　补连塔煤矿在成功使用并推广一次性紧固锚杆的基础上，根据公司2003年3月7日关于进行"螺旋锚杆工业试验"的通知，又进行了螺旋锚杆的工业性试验。在本次工业试验中，共安装螺旋锚杆360套，完成试验巷道工程量90余米，取得了比较满意的试验效果。试验中共分为两个阶段进行，第一阶段为单根试验阶段，主要解决锚杆安装过程中钻机推进与旋转速度不匹配的问题。第二阶段为批量试验阶段，主要是对锚杆技术参数进行现场测试[1-2]。
　　1 螺旋锚杆的结构及工作原理
　　本次试验选取树脂锚杆做参照系进行对比试验，因此，试验中锚杆规格一致，即锚杆选用普通钢筋锚杆，杆体长为1.80m，杆体直径为Φ16mm，锚固头呈螺旋状长度为300mm，螺距为50mm，顶端有一2mm倒角以便于安装，如图1所示。
　　图1 螺旋锚杆结构示意图
　　配套试验的锚杆机成孔直径为28mm，锚杆锚固头直径36mm，顺时针旋入钻孔，锚固头依靠8mm的外边缘与煤岩体摩擦与剪切受力，形成对支护岩层的预紧和锚固。从锚杆的支护机理分析，悬吊原理、组合梁原理、水平预应力原理都适用于该种锚杆的受力分析和参数计算[3]。
　　2 工业试验地点及地质概况
　　本次工业试验地点为2#煤2盘区32201工作面运顺和32202回顺，该试验巷道沿煤层底板掘进，煤层平均厚度为6.3m。煤层倾角3°，煤岩普氏硬度系数f为3，煤层围岩层节理不发育，整体性较好，淋水性较小，距地表垂深约146m。
　　3 工业试验方案及实施
　　3.1 第一阶段为单根试验阶段，主要解决锚杆安装过程中钻机旋转速度与推进速度不匹配问题。试验过程中，由于螺旋锚杆结构特点，在安装过程中存在两种运动，一种是杆体的顺时针旋转，另一种是杆体的竖直推进。由于这两种运动的存在，就产生速度匹配的问题[4]。如果旋转速度大于给进速度，杆体将脱离锚杆机，导致安装终止；如果给进速度大于旋转速度，将造成杆体弯曲变形，致使锚杆失效，威胁作业人员安全。经过多次现场实践，在不改变钻机原来性能及特性的前提下，通过加装的磨擦式限矩器，使锚杆安装问题得到了较好解决。磨擦式限矩器结构如附图2所示。
　　图2磨擦式限矩器结构图
　　其原理为；当锚杆安装受到钻机向上推力时，限距器内部主、副静磨擦片贴紧，带动锚杆旋进，当钻机向上推进速度滞后于旋转速度时，主、副磨擦片自动离开，钻机产生空转，停止给进。待两者速度一致时，向上推力使主、副磨擦片再次帖紧时，锚杆则继续旋进，完成锚杆安装。采用磨擦式限距器安装螺旋锚杆，充分发挥了锚杆钻机的机械化优势，可以使锚杆机的给进速度与旋转速度相匹配，使得锚杆安装简便、易操作，而且可以防止因锚杆机对杆体过扭，对锚杆造成的破坏[5-6]。
　　3.2 第二阶段为锚杆批量安装试验阶段。锚杆间排距为1m×1m，钻孔直径为28mm，锚固头外径为36mm。在试验过程中，对锚杆各项工程参数进行了现场测试，具体测试数据见表1。测试数据表明，锚杆锚固力大于4t，预紧扭距大于100N·m，满足神东公司的技术规范要求。安装完毕后的锚杆用12寸扳手逆时针旋转即可拆卸回收，回收后的锚杆并无损伤，完全具备复用条件[7]。
　　表1 螺旋锚杆安装时间及实测参数表：
　　4 应用前景分析
　　通过本次工业试验，与树脂锚杆相比，螺旋锚杆主要具备如下技术特点：
　　（1）锚杆锚固力满足矿区工程实际要求，达到公司锚杆技术规范中规定锚固力大于4T的要求（未做破坏性试验）；
　　（2）锚盘预紧扭距大于100 N·m；
　　（3）锚杆安装后，对巷道顶板可及时提供主动预紧支护力；
　　（4）由于不使用树脂锚固剂，因此无搅拌和凝结时间，也不需要二次紧固，提高了锚杆安装速度，减少了人为因素对锚杆安装质量的影响；
　　（5）锚杆安装工艺简单，操作方便，适合于机械化作业，有利于提高单进水平；
　　（6）锚杆本身具备回收复用特点，如井下具备回收复用条件，锚杆可全部回收；
　　4.2 经济应用性分析
　　螺旋锚杆直接成本在20元左右（杆体长度按1.80m计算：杆体12元、锚固头3元、锚盘4元、螺母0.5元），与树脂锚杆比较：每套锚杆刚好节约一支树脂锚固剂，即采用螺旋锚杆代替树脂锚杆，每套可降低支护成本为6元左右。神东公司每年锚杆用量在500万套以上，以此推算，每年可节约资金3000万元以上。同时由于螺旋锚杆本身具备回收复用特点，如井下具备锚杆回收条件，充分利用螺旋锚杆的复用特点，其经济效益将更为可观。
　　4.3 安全应用性分析
　　（1）由于螺旋锚杆可瞬间提供主动支护抗力，对控制巷道顶板下沉位移及时有效，其支护安全系数要高于树脂锚杆；
　　（2）螺旋锚杆安装时其锚固力受人为影响因素较小，只要径差不变，每根锚杆在岩体中的工作负荷基本一致，受力均匀，而树脂锚杆锚固力由于受搅拌时间，搅拌质量，钻孔的深度，锚固剂有效期等因素影响，致使锚杆在岩体中的受力不均，个别锚杆出现应力集中现象，导致支护质量下降。
　　5 使用条件
　　螺旋锚杆作为一种新锚杆的支护形式，有一定的使用条件。若现场存在下列条件之一，将不能采用：
　　（1）巷道顶板煤岩破碎，裂隙发育；
　　（2）巷道顶板淋水较大，且顶板性质为泥岩或泥质胶结类岩石；
　　（3）巷道顶板煤岩体松软，强度低；
　　同时，螺旋锚杆对于锚杆机钻孔质量要求较高，孔深必须大于锚杆长度，而且角度偏差不大于5°，否则难以安装。
　　结论
　　综上所述，螺旋锚杆不仅锚固力大、安装工艺简单、操作方便，适合于机械化作业，而且成本低廉，可回收复用，因此如在满足施工条件的巷道推广应用，不仅可以提高巷道掘进速度和支护强度，还可以降低支护费用。
　　参考文献
　　[1] 李剑锋，螺旋锚杆在沿空煤巷支护的应用，煤矿支护，2005年第2期：45。