新型脹裂自鎖可回收錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李 波，寧掌玄，楊霖堃，高占彬

(山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037009)

1 緒論

1.1 背景及意義

當(dāng)前各種新型能源層出不窮，煤炭消費(fèi)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的比重有所下降，但結(jié)合我國實(shí)際國情而言，未來50 年內(nèi)，煤炭依舊會占據(jù)我國能源供應(yīng)的主要手段[1]。在進(jìn)行煤炭開采作業(yè)時(shí)，巷道支護(hù)技術(shù)能夠有效地預(yù)防煤礦災(zāi)害的發(fā)生。近年來，錨桿支護(hù)技術(shù)憑借其出色的可靠性與經(jīng)濟(jì)適用性，在世界各國煤礦巷道中得到使用。隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的使用比例日益增重，作為主要支護(hù)材料的錨桿需求也隨之增加，傳統(tǒng)錨桿多為一次性使用，造成了材料極大浪費(fèi)，極大地增加了開采成本，同時(shí)還會對地下環(huán)境造成污染，也不利于地下空間的二次開挖。

鑒于這種情況，可回收錨桿技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，用于解決傳統(tǒng)錨桿材料浪費(fèi)嚴(yán)重、成本投入高、降低放頂開采效率、損壞采煤機(jī)等問題。脹裂自鎖結(jié)構(gòu)體系可回收錨桿結(jié)合了已有的錨桿體系、新型自鎖結(jié)構(gòu)，簡化了錨桿施工流程，在降低開采成本、保護(hù)地下空間環(huán)境提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，更好地實(shí)現(xiàn)錨桿的回收利用[2]。

1.2 研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，國內(nèi)外巖土錨固界對于可回收錨桿的研究也已取得了一定成果，開發(fā)出了多類不同可回收錨桿，將其主流錨桿依照施工工藝分類可分為以下三類[3]：

（1）機(jī)械式可回收錨桿。通過聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)，將錨索體和施加預(yù)應(yīng)力的鋼筋結(jié)合起來，需要回收時(shí)，只需要從緊固相反方向旋轉(zhuǎn)，使桿體與聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)分離，便可實(shí)現(xiàn)桿體回收。

（2）力學(xué)式可回收錨桿。采用帶有外套管結(jié)構(gòu)的鋼絞線充當(dāng)錨索體，需要回收時(shí)，只需施加拉力于絞線之上，將其逐根抽出。

（3）化學(xué)式可回收錨桿。在張拉桿體自由段下部安裝足以破壞桿體的發(fā)熱（爆破）裝置，需要回收時(shí)只需發(fā)熱（爆破）裝置激活，再將桿體從粘結(jié)部位斷開，實(shí)現(xiàn)桿體回收。

除此以外，按照桿體回收程度劃分，也可以分為三類：

（1）只回收桿體上的伸長段部分，不論采用何種方法，所回收部分與桿體脫開點(diǎn)位于自由伸長段的下方。

（2）桿體大部或全部都可以得到回收，通過破壞易于損壞脫落的構(gòu)件，將桿體與構(gòu)件分離，實(shí)現(xiàn)回收。

（3）通過施加強(qiáng)外力，破壞桿體與注漿體的粘結(jié)，最終脫開桿體，實(shí)現(xiàn)回收。

雖然可回收錨桿的發(fā)展前景可觀，但在現(xiàn)階段仍然有所不足[4]。

（1）理論研究不足。雖然現(xiàn)如今已存在許多不同種類的可回收錨桿，但與其相關(guān)的理論研究還尚顯不足，作為服務(wù)工程實(shí)踐的理論指導(dǎo)，理論研究應(yīng)當(dāng)為工程實(shí)踐提供針對性和高效的指導(dǎo)，但現(xiàn)有理論研究尚無法滿足工業(yè)需求。

（2）實(shí)際工業(yè)性使用。當(dāng)前成功申請專利的可回收錨桿數(shù)量不少，但真正可以用于工業(yè)使用的寥寥無幾，大部分錨桿依舊處于研究階段，僅僅滿足實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或通過數(shù)值模擬等手段得出結(jié)論，真正能夠滿足工業(yè)使用嚴(yán)苛條件的并不多。

（3）回收不便?，F(xiàn)存許多可回收錨桿在進(jìn)行回收作業(yè)時(shí)，仍需要借助大型施工器械，整個(gè)過程耗時(shí)長，拉拔難，在滿足簡化施工方面尚有不足，還需有所改進(jìn)。

2 脹裂自鎖錨桿錨固機(jī)理分析與影響因素

2.1 錨固原理

錨桿支護(hù)屬于“主動(dòng)”支護(hù)的一種，多用于加固拱、懸吊、組合梁與圍巖補(bǔ)強(qiáng)，通過充分利用圍巖自身承載能力來提高巷道圍巖穩(wěn)定，將原本的載荷體變?yōu)槌休d體。錨桿安裝時(shí)采取預(yù)拉緊法，在提高巖石層之間摩擦力的同時(shí)，夾緊兩支撐點(diǎn)間巖層，并形成由巖梁與拱組成的承載結(jié)構(gòu)[5]。

將桿體插入脹殼中，將桿體擰到脹裂錐體螺母上，安裝時(shí)將桿體與脹裂錐旋緊，增加兩者重合度，利用脹裂錐將脹殼撐開，膨脹后的脹殼緊貼鉆孔巖壁，此時(shí)由脹殼產(chǎn)生的擠壓力即為錨桿初錨力。該錨桿依靠脹裂錐與脹裂殼產(chǎn)生重合膨脹，通過脹裂殼與巖壁之間相互擠壓，相互摩擦來實(shí)現(xiàn)錨固作業(yè)。

由錨桿錨固原理可知，該脹裂自鎖可回收錨桿主要錨固力來源為脹殼膨脹后與巖壁間相互擠壓所產(chǎn)生的摩擦力，所以該錨桿錨固力大小與脹殼的膨脹量、錨固頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（尺寸、鋸齒數(shù)、扭矩）相關(guān)[6]。

2.2 脹殼膨脹量

由錨桿錨固原理可知，該種錨桿主要錨固力來源于脹殼膨脹量與脹裂錐和脹殼內(nèi)部有效接觸面積[7]。

2.2.1 脹裂錐與脹殼配套方式

從力學(xué)角度考慮，配套契合度越高的錐殼組合，其脹殼膨脹越均勻，在保證受力均勻的基礎(chǔ)上，能夠更好地提升錨頭錨固力，錨固效果更佳。契合度高錐殼，見圖1（a）。

若是錐殼契合度不高或無法契合，兩者接觸面積過小，脹殼無法達(dá)到理想脹裂狀態(tài)，不僅無法均勻受力保證自身完整，更無法提供有效錨固力，更有甚者無法完成安裝。契合度低錐殼，見圖1（b）。

圖1 錐度契合示意圖

2.2.2 錨桿錨固頭幾何關(guān)系

脹殼錐度n1和脹裂錐體錐度n2的計(jì)算公式分別為：

式中:φ1為脹殼最大外徑；φ2為脹殼與錐體最小內(nèi)徑；φ3為錐體最大外徑；δ1為脹殼最小壁厚；δ2為錐體最小壁厚；l1為脹殼長度；l2為錐體長度。

當(dāng)n1=n2，φ1=φ3，l1=l2時(shí)，脹殼與錐體契合度最高，相應(yīng)可推出最小壁厚δ=δ1=δ2。

2.2.3 錨頭最大膨脹量

設(shè)行程為x，則脹殼膨脹量為Δy為：

于是最大錨固行程x0和最大膨脹量Δy分別為：

由式（3）到（5）可知，當(dāng)脹殼與錐體處于最佳契合時(shí)，脹殼式錨頭膨脹量取決于最小壁厚。

當(dāng)x=l1時(shí)，脹殼最小壁厚處最大值δmax，即

依照鉆孔40 mm和錨桿直徑18 mm計(jì)算，則有

此時(shí)錨固頭錐體最大行程為：

脹殼式錨固頭最大膨脹量為2δmax=8mm。

2.3 錨固頭錨固力

通常在進(jìn)行脹殼式錨桿的錨固力計(jì)算時(shí)大多采用R.斯蒂芬科所總結(jié)的計(jì)算公式[8]。

（1）當(dāng)錨固體表面無摩擦?xí)r，有

（2）當(dāng)錨固表面有摩擦?xí)r，有

式中：Tu為錨桿的錨固力；N為脹殼的瓣數(shù)；n為脹殼上的鋸齒數(shù)；l為鋸齒的平均長度；d為楔進(jìn)深度；C0為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；β為鋸齒的半角，rad；α為脹殼的張開角度，rad；θ為插頭楔銷的半角，rad；φ1為插頭與脹殼間的摩擦系數(shù)的反正切，rad；φ為巖石的內(nèi)摩擦角。

通過上述公式能夠發(fā)現(xiàn)，脹殼式錨桿錨固部分的直徑與其能夠提供的錨固力大小成正比；錨固頭外部鋸齒數(shù)量也與錨固力大小成正比。此外，錨固頭所處圍巖強(qiáng)度越高，在楔進(jìn)同等深度的要求下，所需脹殼錨脹力越大，相應(yīng)的錨固力也隨之增大

2.4 錨固力與扭矩

機(jī)械式可回收錨桿在安裝后會產(chǎn)生較大預(yù)警力，在整個(gè)安裝流程當(dāng)中，控制預(yù)警力大小尤為重要，這與支護(hù)質(zhì)量的好壞緊密相關(guān)[9]。

在脹殼式錨桿當(dāng)中所產(chǎn)生的預(yù)警力都來自于螺紋扭矩。在安裝過程中，錨固頭觸及孔底，此時(shí)脹殼與孔壁相互擠壓產(chǎn)生摩擦，兩者相對靜止。此時(shí)旋轉(zhuǎn)桿體，螺緊脹裂椎體，椎體在脹殼中運(yùn)動(dòng)長度即為錨固段圍巖壓縮量與楔體沿脹殼內(nèi)壁滑動(dòng)量。設(shè)扭矩Mk，此時(shí)縱向軸力T為：

式中：f為鋼材與鋼材間摩擦系數(shù)；r1為脹殼的平均半徑；r2為錨桿桿體螺紋的平均半徑；α′為螺紋螺旋線上升角；ρ′為螺紋中的有效摩擦角。

對于單瓣脹殼的擠張力Q，設(shè)單瓣脹殼的張開角度為α，則有：

根據(jù)機(jī)械式端錨錨桿的錨固機(jī)理，當(dāng)脹殼與圍巖壁產(chǎn)生滑動(dòng)失穩(wěn)時(shí)，失穩(wěn)前的載荷即為最大錨固力。錨桿的最大錨固力Tu為：

式中：fτp與鋸齒數(shù)、鋸齒的半角和圍巖的抗壓強(qiáng)度等有關(guān)，可根據(jù)現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)由上式求得；N為比例系數(shù),與接觸面、螺紋形式、桿體直徑等因素有關(guān)。

3 脹裂自鎖錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

脹裂自鎖可回收錨桿整體由可回收桿體、自鎖連接機(jī)構(gòu)、脹裂環(huán)、帶螺母脹裂椎體四部分組成，見圖2。

圖2 脹裂自鎖可回收錨桿整體結(jié)構(gòu)圖

3.1 可回收自鎖桿體

除桿體首尾兩端以外，整體為柱體，直徑20 mm，在桿頭部分設(shè)有凸起卡頭，兩側(cè)卡頭各自突出桿體4 mm，長為10 mm，寬4 mm?？^用以配合自鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)桿體鎖死。在桿體尾部車有螺紋，用以安裝托盤、墊片等設(shè)備?？苫厥兆枣i桿體結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 可回收自鎖桿體圖

3.2 自鎖連接機(jī)構(gòu)

自鎖連接機(jī)構(gòu)為該可回收錨桿核心部件，集安裝、鎖死、退錨回收功能于一體，左部圓柱型結(jié)構(gòu)采用隼牟結(jié)構(gòu)，中開圓孔，孔側(cè)開槽，便于錨桿插入，中間部位設(shè)有左右走向軌道，用于卡死可回收桿體端頭卡頭，實(shí)現(xiàn)鎖死。右部桿體端頭設(shè)有螺紋，配合脹裂環(huán)與帶螺母脹裂椎體實(shí)現(xiàn)錨固。自鎖連接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 自鎖連接機(jī)構(gòu)圖

3.3 脹裂環(huán)

脹裂環(huán)整體為中空圓椎體，椎體四周呈90°分布不完全至底開槽，內(nèi)徑自底至頂逐漸增大，底部最小內(nèi)徑略大于自鎖連接機(jī)構(gòu)桿體部分，便于脹裂環(huán)套裝，頂部最大內(nèi)徑大于脹裂錐體最小直徑，使得脹裂椎體可隨螺紋旋轉(zhuǎn)進(jìn)入脹裂環(huán)內(nèi)部，逐步實(shí)現(xiàn)脹裂。脹裂環(huán)，見圖5。

圖5 脹裂環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 帶螺母脹裂錐體

脹裂錐體整體呈錐形，內(nèi)徑不變，外徑逐漸縮小，用以配合插入脹裂環(huán)中實(shí)現(xiàn)膨脹錨固，尾部帶頭螺母，隨著與桿體螺紋不斷擰緊，將錐體帶入脹裂環(huán)中，螺紋方向與自鎖桿體尾部螺紋方向相反，避免底部加裝托盤時(shí)影響錨頭錨固性。帶螺母脹裂錐體，見圖6。

圖6 帶螺母脹裂椎體

3.5 錨桿安裝與回收

3.5.1 安裝方法

（1）依據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)錨桿間排距，將要打錨桿預(yù)先標(biāo)記，采用鉆孔設(shè)備打好鉆孔。

（2）對錨桿進(jìn)行組裝，將可回收自鎖高強(qiáng)度桿體自鎖卡頭沿連接機(jī)構(gòu)凹槽插入至卡頭完全沒入，沿內(nèi)設(shè)軌道旋轉(zhuǎn)至盡頭后向外拉拔，卡槽將自鎖卡頭卡死，至此錨桿桿體組裝完成。

（3）將脹裂環(huán)套裝在自鎖連接機(jī)構(gòu)桿體上，后將脹裂錐體插入脹裂環(huán)中，利用可回收自鎖高強(qiáng)度桿體將脹裂錐體與脹裂環(huán)一同平穩(wěn)推入鉆孔底部，使脹裂錐體與脹裂環(huán)相契合。

（4）使用工具擰緊脹裂環(huán)與脹裂錐體，再通過擊打使其軸向移動(dòng)至預(yù)先標(biāo)記好的達(dá)標(biāo)線范圍，使脹套與孔壁緊密結(jié)合，結(jié)束初步錨固。

（5）上好托盤，通過力矩扳手?jǐn)Q緊螺母，完成最終錨固，結(jié)束安裝。

3.5.2 桿體回收

使用扳手卸下托盤緊固螺母，向上托動(dòng)，卡頭脫離卡槽后沿著軌道從安裝相反方向擰動(dòng)可回收自鎖高強(qiáng)度桿體，將自鎖連接機(jī)構(gòu)與可回收桿體部分脫離，卸下托盤，回收桿體與托盤[11]。

4 結(jié)語

脹裂自鎖結(jié)構(gòu)新型結(jié)構(gòu)可回收錨桿的錨固頭，采用脹殼技術(shù)，通過理論計(jì)算，確保設(shè)計(jì)之初錨固頭部位可提供充足錨固力，在此基礎(chǔ)上，通過新型自鎖連接機(jī)構(gòu)的使用，確保部分桿體的回收利用。新型自鎖連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用了隼牟結(jié)構(gòu)，在保證桿體連接穩(wěn)定，牢固的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步簡化了安裝使用流程，較一般可回收錨桿而言，脹裂自鎖新型結(jié)構(gòu)可回收錨桿操作簡便，易安裝，在提高工作效率同時(shí)增加成本回收率。