田利軍

（晉能控股煤業(yè)集團有限責任公司山西大同037001）

1 引言

我國煤礦最早在1956年研究與使用錨桿支護，經過60多年的發(fā)展，從早期楔縫式、倒楔式的機械錨固錨桿，到可端部、加長或全長錨固的樹脂錨桿，以及玻璃鋼錨桿、中空注漿錨桿等，錨桿材料、錨桿結構都越來越豐富，錨桿支護技術越來越成熟[1]。其中，樹脂錨桿利用樹脂藥卷將高強度螺紋鋼桿體和圍巖體粘合在一起，達到支護目的，結構簡單，綜合力學性能好，較好的滿足了煤礦支護要求，應用較為廣泛，在煤礦井下支護中發(fā)揮了重要作用。

但是，樹脂錨桿一旦安裝難以回收復用，錨桿一次性消耗，支護成本高，而且初錨等待時間長，錨固力受人為因素影響大。此外，在采煤機割煤過程中，截齒切割金屬錨桿會產生火花、損壞截齒，帶來不安全因素。隨著企業(yè)對安全可靠性、經濟合理性，以及快速掘進要求的不斷提高，研制一種可完全回收復用、具有較高錨固力和具有立即承載特性的新型錨桿---“完全可回收螺旋錨桿”來代替樹脂錨桿，具有十分重要的意義。

2 螺旋錨桿錨固原理及受力分析

2.1 錨固原理

其錨固力不是依靠與煤（巖）體的摩擦力（如漲殼式、倒楔式和管縫式），也不是靠錨桿與巖體之間的粘結作用（如樹脂、快硬水泥及砂漿錨桿等），而是當錨桿軸向承受拉力時，靠嵌入煤（巖）體中的螺旋葉片產生對煤體的正壓力，而實現(xiàn)錨固的，如圖1所示。

圖1 螺旋錨桿錨固示意圖

一般而言，錨桿越粗、錨頭越長、錨頭處的螺旋葉片高度越大、螺旋葉片的圈數(shù)越多，則螺旋錨桿的錨固力越大。但是超過一定范圍后，錨固力的增幅不再明顯。相反，隨著以上參數(shù)的變大，螺旋錨桿的制造成本會大幅增加，制造工藝會更復雜，安裝拆卸更加困難。

因此，確定螺旋錨桿的設計參數(shù)時，要綜合考慮煤巖特性、支護效果、材料成本、錨桿的制造工藝以及安裝拆卸的方便性等因素，

2.2 錨桿桿體直徑的確定

按照錨桿桿體承載力與錨固力等強原則，錨桿的錨固力Fm與桿體的承載力Fc滿足以下關系[2]：

式中：D1—錨桿桿體直徑，mm；σt—錨桿桿體的抗拉強度，MPa。

由于Q235碳素結構鋼的強度、塑性、焊接等綜合性能好，選擇采用該材料制作螺旋錨桿的桿體，其σt=235 MPa。根據煤礦支護要求，錨固力Fm≥60 KN。經計算可知螺旋錨桿桿體直徑D1為18 mm以上。

2.3 錨固系統(tǒng)受力分析與計算

為了分析螺旋錨桿各項參數(shù)對整個錨固系統(tǒng)支護效果的影響規(guī)律，確定科學合理的設計參數(shù)，需對整個錨固系統(tǒng)建模進行受力分析和計算。螺旋錨桿的結構模型如圖2所示，錨桿主體由錨頭、桿體、托盤三部分組成。桿體一端為錨頭，是螺旋錨桿的設計關鍵，其螺旋葉片高度、螺旋升角、螺距等參數(shù)直接影響錨桿的錨固性能；桿體另一端為螺紋，用于安裝托盤；托盤可使用鐵托板或其它形式的托板。

圖2 螺旋錨桿及錨頭結構示意圖

2.3.1 對煤體的壓強計算

當螺旋錨桿旋入煤體后，對錨桿施加預緊力FQ，螺紋與煤體擠壓，每一圈螺旋葉片對煤體接觸面產生垂直壓力，如圖3所示。

圖3 煤體所受垂直壓力分析

螺旋葉片的截面為三角形，底為D4，高度為H，三角形頂角為α。假設每一圈螺旋葉片間的煤體壓力相等，則垂直壓力F'1為：

圖4 錨頭接觸面簡化圖

為了便于分析，我們將每圈螺旋葉片與煤體的接觸面簡化為圓環(huán)，如圖4所示，單圈接觸面積S為：

則每圈螺紋對煤體的壓強K為：

分析可知，壓力一定時，螺旋葉片圈數(shù)和錨頭高度越大，則對煤體的壓強越小。如果對煤體產生的壓強超過煤體的抗壓強度(σ壓)，即K≥σ壓時，煤體將會被壓壞，錨桿將會被拔出。

2.3.2 對煤體的剪力計算

受壓的同時，錨頭螺旋葉片間的煤體受剪，假設每圈螺旋葉片剪切面上的剪力相等，則剪力τ為：

分析可知，在一定的預緊力和拉拔力下，螺旋葉片間的煤體所受剪力隨螺旋葉片圈數(shù)、外徑、螺距的增大而減小。當剪力τ大于煤體抗剪強度時，會被剪壞，螺旋錨桿的支護失效。

2.3.3 錨桿的工作力矩、效率和自鎖計算

首先，從簡單的矩形螺旋葉片分析[3]：將一圈螺旋葉片沿中徑展開，得螺旋體展開斜面，F(xiàn)R為摩擦力和支持力的合力，如圖5所示。

圖5 螺旋體斜面展開圖

FQ—軸向力，N；Ft—水平推力，N；FN—支持反力，N；fFN—摩擦力，N；φ—螺旋升角，°；f—摩擦系數(shù)；ρ—摩擦角，°。

由式（7）可知，摩擦角僅與摩擦系數(shù)有關。當螺旋葉片上升時，由平衡條件知：

力矩Tt隨軸力FQ、螺旋升角φ、摩擦角ρ的增大而增大。

螺旋葉片旋轉一周，沿Ft方向移動πd2距離，螺旋葉片鉆進一個螺距p=πd2tanφ長度。

自鎖指沒有外力作用，物體自己不會下滑。螺旋葉片在FQ作用下有下滑趨勢時，摩擦力fFN將反向，F(xiàn)t將變?yōu)橹С至Γ藭r受力狀態(tài)如圖6所示。

圖6 自鎖受力分析

對η求導，令η′=0，求得，此時η最大，但升角過大，制造困難，通常取φ≤25°，且滿足自鎖條件φ≤ρ。

根據矩形螺旋葉片條件下得出的一般受力規(guī)律，現(xiàn)考察三角螺旋葉片的特定情況，如圖7所示。

圖7 三角牙型受力分析

由上述關系式，可得如下結論：

a.當量摩擦角ρ′越小，力矩T就越小，越省力；

b.當量摩擦角ρ′與牙型角α1有關，牙型角越小，當量摩擦ρ′越小，效率η越高，越省力，但自鎖性降低；

c.螺旋葉片升角φ越小，力矩T越小，越省力；

2.3.4 不同工況下的參數(shù)及效果計算

螺旋錨桿的內徑已通過（2）式計算確定D1=18 mm，三角形螺旋葉片的底可根據經驗可初步定為D4=6，煤與鋼的摩檫系數(shù)約為0.5。按照煤礦支護要求，螺旋錨桿的預緊力FQ=6.5 t，下面設定7種不同工況，可根據（5）式、（6）式、（15）)式、（19）式計算出不同工況下的螺旋升角、自鎖性、效率、對煤體的擠壓強度等，如表1所列。

表1 工況參數(shù)及計算結果

分析計算結果可知：

（1）A1、C2工況下，螺旋升角小于當量摩擦角，即φ≤ρ′，錨桿自身具有自鎖性；

（2）A2、B1、B2工況下，螺旋升角稍大于當量摩擦角，接近自鎖；

（3）A1、A2、C1工況下，效率較高，安裝省力；

（4）A1、B1、C1工況下，錨桿的螺旋葉片對煤體的壓強和剪力較大，錨固效果降低。

根據上述分析，A1、A2、C1三種工況在理論上具有較好的支護效果，可根據現(xiàn)場試驗效果進一步驗證以上設計參數(shù)是否合理，為優(yōu)化螺旋錨桿的設計提供指導。

2.3.5 錨固系統(tǒng)自鎖計算

上述計算結果僅考慮了螺旋錨桿自身螺紋受力情況，但是在螺旋錨桿用于煤礦井下支護時，尾端會安裝托盤，并用緊固螺母施加5 t以上的預緊力。從整個錨固系統(tǒng)角度考慮，當螺旋錨桿不能自鎖時，將沿錨頭螺旋線產生回退扭矩。而托盤與緊固螺母、煤體之間存在摩擦力，會對錨桿自退產生反向扭矩，阻擋錨桿回退。托盤與緊固螺母之間的摩擦力小于托盤與煤體之間的摩擦力，故用前者進行核算。

鋼鐵之間的摩擦系數(shù)取f=0.2，摩擦力FP和力矩TP分別為：

針對不能自鎖的情況，以A2工況為例，其螺紋的回退力Ft和回退力矩Tt分別為：

由（21）和（23）的計算結果可知，A2工況下Tt＜TP，表明緊固螺母與托盤之間的摩擦力矩大于螺旋錨桿自身的回退力矩，螺旋葉片在工作狀態(tài)可實現(xiàn)自鎖，保證錨桿支護效果。

2.4 螺旋錨桿參數(shù)的選擇確定

根據上述計算分析結果，設計加工了多組不同參數(shù)的螺旋錨桿，并進行了大量工程試驗，得到最優(yōu)的設計參數(shù)。

2.4.1 螺距的選擇確定

螺距為40 mm時，現(xiàn)場試驗過程中煤體被切碎，導致錨桿位移值偏大，錨固力不夠的現(xiàn)象。螺距為52 mm時，現(xiàn)場安裝困難，拉撥時出現(xiàn)了沿螺旋線自退現(xiàn)象。通過多次試驗，螺距為48 mm時，沒有出現(xiàn)以上兩種現(xiàn)象，錨固力超過了桿體承載力。

2.4.2 螺旋葉片圈數(shù)的選擇確定

通過現(xiàn)場試驗效果對比和技術經濟比較，螺旋葉片圈數(shù)N=6時，錨頭長度為288 mm，安裝比較容易，又可達到煤礦對錨固力的要求，充分發(fā)揮錨桿的錨固作用，所耗材料也由開始的0.25 kg/根降到0.19 kg/根。

2.4.3 螺旋葉片高度的選擇確定

在煤體硬度f=3時，經試驗得到錨固力、螺旋葉片高度與螺旋錨桿徑向位移三者之間的關系，如圖8所示。由試驗曲線可以看出，當煤體硬度一定時，螺旋葉片高度H=10 mm～16 mm范圍內錨固力均可達到72 kN，此時錨桿桿體被拉斷，錨頭并未產生滑動失效。但是，H=16 mm時，安裝非常費力、費時，不能滿足現(xiàn)場規(guī)?；瘧?，而且螺旋錨桿的制造工藝復雜、制造成本較高。最終，試驗確定螺旋葉片的高度H=10 mm。

圖8 錨固力與螺旋葉片高度、軸向位移的關系

2.4.4螺旋錨桿最終設計參數(shù)

根據上述理論驗證和大量現(xiàn)場工程試驗結果，最終確定了螺旋錨桿的各項設計參數(shù)，如表2所列。

表2 螺旋錨桿的各項設計參數(shù)

考慮到不同圍巖條件，可根據實際情況優(yōu)化螺旋錨桿的設計參數(shù)：當用于軟巖巷道支護時，可適當減小外徑，加長錨頭長度，提高支護的可靠性；用于堅硬頂板支護時，增大外徑，縮短錨頭長度，可提高安裝效率，同時保證支護效果。

3 新型螺旋錨桿的制做工藝

螺旋錨桿主要由錨頭、桿體、回轉接頭、托盤、螺母等組成，其中：錨頭采用專門軋制的三角型材在桿體前端繞制而成，是最為關鍵的加工環(huán)節(jié)；回轉接頭焊接在桿體的一端，與回轉設備連接使用，用于錨桿安裝和回收。螺旋錨桿的加工設備簡單、較為成熟，主要有螺旋錨頭軋制機、鋼筋加熱機、螺栓套絲機、螺旋纏繞機，并配套鋼筋調直機、切割機、CO2弧焊機等。

3.1 錨頭的加工工藝

通過實驗研究和自主設計，研制了螺旋錨頭軋制機、螺旋纏繞機，解決了錨頭螺旋葉片的熱處理、軋制、焊接等技術難點，確定了錨頭加工工藝：選材—熱處理—軋制—纏繞—倒角—焊接。

圖9 螺旋葉片的加工過程

3.1.1 選材

錨頭的螺旋葉片材料選用φ8 mm的低碳鋼熱軋圓盤條。

3.1.2 熱處理

圓盤條采用電加熱法進行熱處理，以減少表面氧化，利于防銹。

3.1.3 軋制

圓盤條經熱處理后，通過自制的螺旋錨頭軋制機制成三角形。要求軋制出的三角形底為6 mm，三角形高位10 mm。

3.1.4 纏繞

軋制成三角形并冷卻后，通過機床上的自制螺旋絲桿纏繞機加工成等螺距的螺旋葉片。纏繞后的螺旋葉片外徑38 mm，螺距48 mm，共6圈，總長288 mm。

3.1.5 倒角

對成形后的螺旋錨頭進行倒角，一端打磨成30°的椎體，利于安裝和回收。

3.1.6 焊接

將螺旋葉片套裝在桿體一端，與桿體軸向垂直，然后焊接在一起。因螺旋葉片底只有6 mm，焊縫太長，會造成熱影響區(qū)正大，葉片變形。通過實驗研究，采用平位置角焊方法，在螺旋葉片左端和右端180°范圍內按3⊿焊接，焊縫腳5 mm，焊縫長度10 mm，焊條選用匹配的E43系列手弧焊條，將錨頭螺旋葉片與桿體的一端焊接在一起。加工成型的錨頭見圖10。

圖10 加工成型的錨頭

3.2 桿體制造工藝

桿體的加工工藝主要有：選材—套絲—裝配焊接。

3.2.1 選材

桿體材料選用Q235碳素結構鋼，直徑18 mm，桿體長度1 800 mm，桿體屈服強度大于235 MPa，δ5延伸率應不小于15%。

3.2.2 套絲

桿體的另一端通過螺栓套絲機加工成螺紋，長度100 mm，用于安裝緊固螺母。

3.2.3 裝配焊接

將回轉接頭在尾端螺紋上方，采用電焊的方法焊接在一起。

經過所有工藝，整根螺旋錨桿加工完成，見圖11。

圖11 加工成型的螺旋錨桿

4 新型螺旋錨桿安裝與拆卸

圖12 在巷幫安裝螺旋錨桿

完全可回收螺旋錨桿在安裝過程中先用變徑自攻鉆桿（前端直徑小，后端直徑大）在煤（巖）體中打孔，隨后依靠一定扭矩將螺旋錨桿旋入鉆孔。拆卸時，只需卸掉托盤，用專用工具反向旋出即可。復用時，重復以上步驟。

為了進一步提高螺旋錨桿的安裝拆卸速度和安全性，研制了配套安裝機具，包括變徑自攻鉆桿、扭矩倍增器等。

4.1 變徑自攻鉆桿和鉆頭的研制

在前期實驗中，先采用直徑18 mm的傳統(tǒng)鉆桿進行打孔，然后直接將螺旋錨桿旋入鉆孔，發(fā)現(xiàn)安裝過程中錨桿擺幅較大，影響操作安全，而且安裝速度慢、較費力。考慮到螺旋錨桿錨頭段和桿體存在變徑，可依此設計變徑自攻鉆桿[4]，實現(xiàn)一次鉆進，鉆出兩段不同孔徑鉆孔。

圖13 變徑自攻鉆桿和鉆頭結構圖

如圖13所示，研制的變徑自攻鉆桿全長2 285 mm，由5段組成：尾端長85 mm，用于連接鉆機；麻花段1長1 700 mm，直徑35 mm；鉆頭1直徑35 mm；麻花段2長500 mm，直徑18 mm；鉆頭2直徑18 mm。

鉆頭采用公母對接的形式，通過細牙螺紋與鉆桿連接，如圖14所示。鉆頭選用金剛石復合片（PDC）加工而成，這種材料是由人造金剛石與硬質合金在高溫條件下一次性合成的特殊超硬材料，它不但具有金剛石硬度高、耐磨等優(yōu)點，同時還具備了硬質合金抗沖擊性強、出刃大和熱穩(wěn)定性好等特點，可大大提高鉆頭的工作效率。

圖14 金剛石復合片鉆頭

變徑自攻鉆桿一次鉆進后，形成的鉆孔如圖15所示：鉆孔總長2.2 m，前端鉆孔直徑φ18長0.5 m，后端鉆孔直徑φ35長1.7 m。與傳統(tǒng)的單徑鉆桿相比，該鉆桿大幅節(jié)省螺旋錨桿的安裝時間、減小安裝扭矩、提高施工安全，同時保證了螺旋錨桿的錨固效果。

圖15 鉆孔示意圖

4.2 鉆機的選型和扭矩倍增器的研制

目前煤礦大都采用風煤鉆，技術較為成熟，具有安全、方便、快捷、可過載保護等優(yōu)點。綜合考慮螺旋錨桿安裝和回收的設備通用性和便攜性，選用了具有反轉功能的風煤鉆ZQS-65/2.5s，轉速380 r/min,扭矩65 Nm，重量13 kg。

采用風煤鉆ZQS-65/2.5s打孔后，如果直接使用鉆機將螺旋錨桿旋入鉆孔，螺旋葉片與煤體會產生很大的壓力，需要給螺旋錨桿提供＞220 Nm的扭矩，超出了風煤鉆的額定扭矩，無法將錨桿安裝到位。因此，需設計扭矩倍增器，以利用風煤鉆ZQS-65/2.5s實現(xiàn)螺旋錨桿的安裝。

為實現(xiàn)安裝機具的通用性，在風煤鉆ZQS-65/2.5s的基礎上，設計了與之相匹配的扭矩倍增器。根據計算，可將扭矩倍增器的放大倍數(shù)定為4倍，即螺旋錨桿安裝時的扭矩為65×4=260 Nm。由于螺旋錨桿錨頭段擰進距離短（按450 mm計算），鉆進圈數(shù)數(shù)=450/48=9.4，即轉動9.4圈完成安裝。風煤鉆轉速n=380 r/min，扭矩倍增器可將轉速降低4倍，所以螺旋錨桿實際轉速為95 r/min，即1.5 r/s。由此，利用扭矩倍增器安裝螺旋錨桿時，錨頭段完全旋入煤體所需時間t=9.4/1.5=6.3 s。如圖16所示，設計的扭矩倍增器與風煤鉆是各自獨立的分離體，通過改變風煤鉆的旋轉方向，可實現(xiàn)螺旋錨桿的快速安裝與回收。

圖16 風煤鉆和扭矩倍增器

5 新型螺旋錨桿應用效果

為了驗證螺旋錨桿的支護效果，檢驗螺旋錨桿安裝和回收工藝的快速、簡便性，在忻州窯礦井下煤巷中進行了錨固力測試和支護效果對比試驗。

5.1 錨固力測試

試驗地點選在放頂煤工作面巷道，巷道采用機掘，沿煤層底板掘進，煤層埋藏深度280 m～350 m，煤層平均厚度7 m，巷道頂板厚度平均4 m，f=2.5～3.5，煤層頂板為17 m～33 m厚的深灰色粉砂巖-粗砂巖?，F(xiàn)場使用風煤鉆ZQS-65/2.5s、變徑自攻鉆桿、扭矩倍增器等工具，在巷道側幫打了10個深度1.6 m的鉆孔，隨后安裝螺旋錨桿，并采用錨桿拉拔儀測試了每根錨桿的錨固力。

圖17 井下拉拔試驗

測試結果如表3所列，螺旋錨桿的錨固力最大10.56 t（錨桿被拉斷），最小8.05 t，平均值8.867 t，完全符合護幫支護要求。根據測試數(shù)據統(tǒng)計，螺旋錨桿安裝平均用時88.9 s，螺旋錨桿拆卸平均用時3.2 s，其中：鉆孔鉆進平均時間80.4 s，螺旋錨桿旋入平均用時8.5 s。而樹脂錨桿在使用安裝時，不僅要攪拌樹脂錨固劑30 s左右，還需5 min～20 min等待樹脂凝固，方可安裝托盤。與之相比，螺旋錨桿安裝更加省時，縮短了空幫、空頂時間。

表3 測試數(shù)據

5.2 支護效果對比試驗

為了對比分析螺旋錨桿的支護效果，現(xiàn)場使用相同的支護方案，在不同巷道分別采用螺旋錨桿和樹脂錨桿支護，各自設置了礦壓觀測點，每個測點安設一臺KY-82型動態(tài)儀和1個幫位移監(jiān)測點[5]，巷道位移觀測結果如圖18、19所示。

圖18 樹脂錨桿支護巷道位移曲線

圖19 螺旋錨桿支護巷道位移曲線

通過對兩個巷道的位移觀測結果分析：樹脂錨桿支護巷道的兩幫位移量230 mm，頂板下沉48 mm；螺旋錨桿支護巷道的兩幫位移量只有152 mm，頂板下沉48 mm。顯然，螺旋錨桿支護巷道的兩幫表面位移量小于樹脂錨桿的支護巷道的兩幫表面位移量，支護效果更好，主要是因為螺旋錨桿可立即承載，初錨力大于樹脂錨桿初錨力，保證了巷道最初的穩(wěn)定性，具有較好的初始錨固效果，對巷道起到了主動支護的作用。

隨著回采面的推進，對試驗段的270根螺旋錨桿全部回收，經檢查螺旋葉片完好，僅有4根桿體略有彎曲，整形修復后可繼續(xù)使用。

6 結論

通過計算分析和現(xiàn)場測試，螺旋錨桿可完全回收復用、成倍降低支護材料成本，且承載速度快、安裝拆卸方便、支護效果好，能有效控制巷道圍巖變形，安全可靠，具有廣闊的推廣應用前景。但是，該螺旋錨桿仍有改進空間，可繼續(xù)從以下四方面開展深入研究：

（1）研究適應不同硬度煤體和頂板條件的螺旋錨頭合理參數(shù)，以為提高其適用性和推廣性；

（2）在現(xiàn)場實際應用中，需要優(yōu)化螺旋錨桿錨頭直徑、桿體直徑與鉆孔直徑的匹配性，增強錨固系統(tǒng)耦合度，提高支護效果；

（3）探究新型桿體材料，進一步提高螺旋錨桿的抗拔性和抗變形性，增強桿體防腐蝕性，延長使用年限和復用次數(shù)，降低支護成本；

（4）在一定情況下，由于巖層變形導致螺旋錨桿的桿體彎曲、錨頭受損，回收后的螺旋錨桿整形難度大，復用困難，需研制專用的錨桿整形工具，提升整形效果和效率。