礦用多功能一體化錨桿施工設(shè)備的分析與應(yīng)用

劉世翔

（山西省節(jié)能中心有限公司， 山西 太原 030045）

1 項(xiàng)目概況

錨桿支護(hù)可以有效控制圍巖變形，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外煤礦、金屬礦山等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。以煤礦巷道支護(hù)為例，相關(guān)技術(shù)中，使用錨桿在煤巖壁上打孔，人工將樹(shù)脂錨固劑塞進(jìn)打好的孔內(nèi)，放入錨桿攪拌，待錨固劑固化后預(yù)緊錨桿。但是在錨桿支護(hù)施工工藝中存在以下問(wèn)題：人工將錨固劑塞入鉆孔內(nèi)這一步驟難度較高，尤其是在煤巖體較為破碎或鉆孔壁凹凸不平時(shí)，需要耗費(fèi)一定的時(shí)間才能完成錨固劑的安裝，降低了支護(hù)效率；鉆孔、安裝錨固劑和預(yù)緊需要使用不同的工具完成，拆卸鉆桿、不同工具的切換都需要消耗較長(zhǎng)的時(shí)間才能完成。

針對(duì)錨桿支護(hù)施工工藝中存在的問(wèn)題，提供了一種一體化的作業(yè)裝置來(lái)綜合實(shí)現(xiàn)鉆孔、錨固與錨桿預(yù)緊，避免人工安裝錨固劑和切換工具，可以提高支護(hù)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)巷道高效快速支護(hù)[1-3]。

2 多功能一體化錨桿施工設(shè)備分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

針對(duì)煤礦現(xiàn)有錨桿施工工藝耗時(shí)長(zhǎng)、效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)難度高，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足煤礦巷道快速支護(hù)需求的情況，提供了一種多功能一體化錨桿施工設(shè)備，如圖1 和圖2 所示。該設(shè)備包括基座、轉(zhuǎn)軸、密封件、驅(qū)動(dòng)裝置、止回裝置、殼體、導(dǎo)軌等部件。

從圖1 和圖2 可知，多功能一體化錨桿施工設(shè)備中，第一轉(zhuǎn)軸套設(shè)在基座中，第一轉(zhuǎn)軸設(shè)有第一通孔。第二轉(zhuǎn)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)在第一通孔中，第二轉(zhuǎn)軸上設(shè)有多個(gè)用于輸送液體介質(zhì)的第一流體通路。驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)傳動(dòng)組件與第一轉(zhuǎn)軸相連。

圖1 錨桿施工設(shè)備正視結(jié)構(gòu)圖

圖2 錨桿施工設(shè)備剖視結(jié)構(gòu)圖

止回裝置與第一流體通路相連，止回裝置用于防止液體介質(zhì)回流。

其中，介質(zhì)源包括水源、錨固劑供應(yīng)倉(cāng)等，錨固劑包括樹(shù)脂錨固劑或水泥錨固劑中的一種。通過(guò)多個(gè)流體通道與多個(gè)介質(zhì)源一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)多個(gè)流體通道可以根據(jù)需求提供介質(zhì)，在錨注過(guò)程中，先用水源向錨桿中供應(yīng)水源以清理洞內(nèi)的煤渣，然后關(guān)閉水源供應(yīng)，向錨桿中供應(yīng)錨固劑以將錨桿和圍巖錨固在一起。

通過(guò)一個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)了鉆孔、添加錨固劑和預(yù)緊，避免了因添加錨固劑而頻繁跟換工具，浪費(fèi)人力資源，且由于可以通過(guò)多個(gè)流體通道一次完成錨固劑的放置，不受施工環(huán)境影響，進(jìn)而加強(qiáng)了應(yīng)用范圍。

2.2 止回裝置

2.2.1 結(jié)構(gòu)分析

止回裝置包括本體、支架、止回組件和限位件，如圖3 所示。從圖3 中可知，第二流體通路的上端與第一流體通路的進(jìn)口相連通，第二流體通路中設(shè)有安裝磁性件的支架，支架上設(shè)有第二通孔，支架與第二流體通路的內(nèi)壁是固定連接。

圖3 止回裝置結(jié)構(gòu)示意圖

磁性件和球閥設(shè)在支架的上端，磁性件上設(shè)有第三通孔，當(dāng)球閥處于止回狀態(tài)時(shí)，球閥與第三通孔配合以封堵第三通孔上端，可以理解的是，球閥與磁性件通過(guò)磁力配合，即球閥應(yīng)當(dāng)具有磁性。

限位件設(shè)在支架的下側(cè)，并與球閥相連。其中，限位件的下端的尺寸應(yīng)大于第二通孔的直徑，當(dāng)球閥處于流通狀態(tài)時(shí)，限位件可以與支架的下端相配合，以限制球閥的位移。其中，止回裝置設(shè)置多個(gè)，多個(gè)止回裝置與多個(gè)第一流體通路相連通。

2.2.2 工作過(guò)程

如圖2 和圖3 所示，當(dāng)介質(zhì)通過(guò)流體介質(zhì)入口后，在流體介質(zhì)進(jìn)入第一流體通道中時(shí)，由于球閥位于如圖3 所示的支架的上端，流體介質(zhì)從如圖3 所示的下方向上方流動(dòng)進(jìn)入第一流體通路中，此時(shí)球閥通過(guò)磁性配合在磁性件上的第三通孔處，形成線(xiàn)密封，當(dāng)液體介質(zhì)流入時(shí)，球閥和磁性件受液體介質(zhì)的壓力分開(kāi)，液體介質(zhì)通過(guò)第三通道流入第一流體通路中，此時(shí)通過(guò)限位件和支架的配合限制球閥不被液體介質(zhì)帶走，第二通道與第三通道的長(zhǎng)度之和應(yīng)小于磁性件與球閥之間的相互吸引的距離，且磁性件與球閥在相距最大距離時(shí)的引力應(yīng)大于流體介質(zhì)中的阻力。

當(dāng)?shù)谝涣黧w通路內(nèi)的液體介質(zhì)開(kāi)始回流，通過(guò)回流的流體介質(zhì)可以推動(dòng)球閥向磁性件方向移動(dòng)，以加快球閥和磁性件之間配合速度，并通過(guò)第三通孔限制球閥向下移動(dòng)，并與球閥形成線(xiàn)密封以防止液體介質(zhì)回流。

2.3 設(shè)備施工過(guò)程分析

礦用多功能一體化錨桿施工設(shè)備施工過(guò)程：

第一步：當(dāng)設(shè)備第一止擋件與第一轉(zhuǎn)軸接觸時(shí)，殼體和第二轉(zhuǎn)軸停止向上移動(dòng)且隨著第一轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在外置錨桿鉆臂的推進(jìn)下實(shí)現(xiàn)鉆孔，進(jìn)行下一步施工工藝。

第二步：在鉆孔過(guò)程中，第二轉(zhuǎn)軸的上端與錨桿組件相接觸，錨桿組件可以隨著第二轉(zhuǎn)軸一同旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆孔。當(dāng)鉆孔完成后，驅(qū)動(dòng)裝置停止轉(zhuǎn)動(dòng)，錨固劑通過(guò)泵送設(shè)備經(jīng)由第二轉(zhuǎn)軸內(nèi)的流體通路將錨固劑泵送到錨桿組件中錨桿的中孔及錨桿與圍巖之間的空隙。由于第二轉(zhuǎn)軸的上端與錨桿的尾部相接觸，因此在填充錨固劑時(shí)，可以避免殘留的錨固劑堵塞施工裝置。

第三步：當(dāng)泵送的錨固劑將錨桿和圍巖粘接牢固后，驅(qū)動(dòng)裝置反轉(zhuǎn)，通過(guò)傳動(dòng)組帶動(dòng)第一轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于第二轉(zhuǎn)軸和第一轉(zhuǎn)軸通過(guò)螺紋相連，在第一轉(zhuǎn)軸的帶動(dòng)下，第二轉(zhuǎn)軸、殼體、第一止擋件、第二止擋件相對(duì)于基座向遠(yuǎn)離錨桿錨桿尾部的方向平動(dòng)，直至殼體與基座相接觸或錨桿無(wú)法進(jìn)一步被轉(zhuǎn)動(dòng)，預(yù)緊完成。

3 多功能一體化錨桿施工設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 工程概況

山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司漳村煤礦位于山西省長(zhǎng)治市郊區(qū)西白兔鄉(xiāng)。該煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為400 萬(wàn)t/年；開(kāi)拓方式為斜井開(kāi)拓；井筒數(shù)量為7 個(gè)；開(kāi)采水平為+680 m；+810 m；現(xiàn)采煤層為3號(hào)；采煤工藝為綜采放頂煤；瓦斯等級(jí)為高瓦斯；水文地質(zhì)類(lèi)型為中等；自燃傾向性為不易自燃。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)位于漳村煤礦東軌道運(yùn)輸巷，采用錨網(wǎng)支護(hù)，混凝土噴漿，巷表噴漿層較硬，內(nèi)部為軟弱煤巖。采用提供的礦用多功能一體化錨桿施工設(shè)備在巷道煤巖體進(jìn)行錨桿支護(hù)施工作業(yè)，錨桿的施工過(guò)程如下頁(yè)圖4 所示。

圖4 錨桿的施工過(guò)程示意圖

通過(guò)井下的錨桿施工試驗(yàn)可知，該用多功能一體化錨桿施工設(shè)備排渣順暢、鉆進(jìn)順利。當(dāng)封孔膠塞到達(dá)孔口處時(shí)，停止鉆進(jìn)，然后使錨桿鉆機(jī)反轉(zhuǎn)，錨桿托盤(pán)推動(dòng)膠塞進(jìn)入鉆孔，漲殼張開(kāi)壓緊孔壁，直至螺母剪斷銷(xiāo)釘，帶動(dòng)托盤(pán)壓緊孔壁，機(jī)械錨固結(jié)束，完成錨桿安裝。試驗(yàn)錨桿的安裝扭矩均大于250 N·m，滿(mǎn)足井下高預(yù)應(yīng)力錨固錨桿的預(yù)緊要求[4-6]。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)煤巖體較為破碎或鉆孔壁凹凸不平狀態(tài)下，錨桿支護(hù)施工工藝存在支護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、支護(hù)效率低下等問(wèn)題，提供了一種礦用多功能一體化錨桿施工設(shè)備。該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)鉆孔、錨固與錨桿預(yù)緊，避免人工安裝錨固劑和切換工具，可以提高支護(hù)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)巷道高效快速支護(hù)。該設(shè)備在漳村煤礦東軌道運(yùn)輸巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果理想，能有效實(shí)現(xiàn)破碎圍巖巷道的高強(qiáng)度支護(hù)。