王李進 李銳 張林軍 張景良

摘 ?要：針對當(dāng)前國內(nèi)錨桿支護操作中存在的人員登高危險、錨固劑裝填困難以及安裝效率低下等問題，該研究開發(fā)一種新型的錨固劑快速裝入器。該裝入器利用空氣壓力將錨固劑通過導(dǎo)管順利注入錨桿孔中，從而方便錨固劑的裝填，并減少錨固劑的損耗，提高裝填效率。為深入探究錨固劑快速裝入器的動力學(xué)特性，進行流固耦合分析，并得到在不同氣壓力下錨固劑在導(dǎo)管中的動力學(xué)特性數(shù)據(jù)。最后，采用錨固劑快速裝入器成功地對模擬的錨桿孔進行錨固劑裝填，獲得令人滿意的裝填效果。

關(guān)鍵詞：錨固劑；快速裝入器；流固耦合；動力特性；裝填

中圖分類號：TH48 ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）14-0032-05

Abstract： In view of the problems existing in the current domestic bolt support operation， such as the danger of personnel climbing， difficulties in loading anchoring agent and low installation efficiency， a new type of fast loader of anchoring agent is developed in this paper. The loader uses air pressure to smoothly inject the anchoring agent into the anchor hole through the conduit， which facilitates the filling of the anchoring agent， reduces the loss of the anchoring agent， and improves the filling efficiency. In order to further explore the dynamic characteristics of the rapid loader of anchoring agent， the fluid-solid coupling analysis was carried out， and the dynamic characteristic data of anchoring agent in the conduit under different gas pressure were obtained. Finally， the simulated anchor hole is successfully filled with anchoring agent fast loader， and a satisfactory filling effect is obtained.

Keywords： anchoring agent; rapid loader; fluid-solid coupling; dynamic characteristics; loading

錨桿支護技術(shù)廣泛應(yīng)用于井下煤礦開采巷道支護，巷道支護流程主要為打錨桿孔、裝錨固劑、打錨桿?，F(xiàn)階段國內(nèi)錨固劑的安裝主要靠人工裝填，人員登高作業(yè)存在一定的安全隱患且安裝效率低下，尤其人工進行錨固劑裝填易出現(xiàn)錨固劑破損與脫落，材料損耗嚴(yán)重[1]。錨固劑的安裝效果對錨桿支護穩(wěn)定性影響顯著，為了簡化錨固劑安裝工序，實現(xiàn)安全、快速錨固劑裝入，設(shè)計研發(fā)了一款新型錨固劑快速裝入器[2]。研制的錨固劑快速裝入器主要包括錨固劑箱、錨固劑導(dǎo)入裝置、錨固劑推動裝置、導(dǎo)管和進氣倉[3-4]。錨固劑導(dǎo)入裝置將錨固劑從錨固劑箱運輸?shù)藉^固劑導(dǎo)向槽，錨固劑推動裝置將錨固劑推入錨固劑導(dǎo)管，減壓閥控制空壓機給進氣倉指定的空氣壓力，通過空氣壓力將錨固劑沿著導(dǎo)管噴射出去[5-7]。

錨固劑快速裝入器在進行錨固劑噴射的時候，進氣倉提供的空氣壓力對于錨固劑的運動影響顯著，空氣壓力太大，錨固劑在導(dǎo)管中易提前破損，空氣壓力太小，錨固劑難以進入錨桿孔底，降低錨固劑的錨固效果，因此需要提出適應(yīng)錨固劑運動特性的研究方法。流固耦合分析是多分支學(xué)科的交叉融合，在許多工程領(lǐng)域中都較為常見。錨固劑快速裝入器采用氣動的方式將錨固劑噴出導(dǎo)管，主要就是研究錨固劑在空氣作用下的運動情況，因此屬于流固耦合問題[8-10]。本文結(jié)合工況和實驗難度提出了一個研究錨固劑運動的雙向流固耦合仿真分析方法。首先建立起錨固劑設(shè)備的流固幾何模型，并在此基礎(chǔ)上利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對錨固劑運動情況進行雙向瞬態(tài)流固耦合分析，獲得了錨固劑的整體變形及其應(yīng)力分布及運動規(guī)律。對錨固劑的運動進行仿真分析與實驗，為設(shè)備的進氣選擇提供了參考。

1 ?總體方案設(shè)計

1.1 ?模型構(gòu)建

錨固劑快速裝入器結(jié)構(gòu)如圖1所示，錨固劑導(dǎo)入裝置將錨固劑從錨固劑箱運輸?shù)藉^固劑導(dǎo)向槽，錨固劑推動裝置將錨固劑順著導(dǎo)向槽推出進氣倉導(dǎo)管接口，錨固劑進入導(dǎo)管后進氣倉導(dǎo)管接口閉合。

空壓機通過減壓閥給進氣倉指定的氣壓值，錨固劑在氣壓作用下沿著約7 m長的導(dǎo)管噴出進入錨桿孔?？紤]到導(dǎo)管在巷道中實際操作時會有不同的彎度但最終管道的導(dǎo)向都是將錨固劑從水平狀態(tài)輸送至豎直狀態(tài)最后噴入錨桿孔，對導(dǎo)管模型進行適當(dāng)簡化，圖2為簡化后的錨固劑、導(dǎo)管示意圖，幾何參數(shù)見表1。

1.2 ?仿真方法

錨固劑進入導(dǎo)管后，錨固劑在空壓機給的氣壓作用下順著摩擦管道運動，錨固劑受到空氣壓力的作用位移，錨固劑位移以后又改變氣體對錨固劑的影響，屬于流體仿真中的雙向流固耦合問題，其中管道中氣體在進氣倉釋放高壓氣體的作用下向外高速流動，氣體可看作湍流模型。因此，本文采用ANSYS軟件中Tluent模塊聯(lián)合Transient模塊進行錨固劑運動的雙向流固耦合仿真。

2 ?錨固劑噴出仿真

2.1 ?流固耦合控制方程

2.1.1 ?流體控制方程

流體控制方程主要包括連續(xù)性方程、動量方程及能量方程。本文研究內(nèi)容不考慮能量轉(zhuǎn)換，選用絕熱模型。連續(xù)性是指在單位時間內(nèi)流體流入流出的質(zhì)量是相等的。根據(jù)實際情況，錨固劑噴出實驗中，流體介質(zhì)空氣為可壓縮性流體，因此流體單位質(zhì)量的減少量等于流出量，得到流體連續(xù)性方程如下

式中：ρ為流體密度；u為流體沿x軸方向的速度；？淄為流體沿y軸方向的速度；w為流體沿z軸方向的速度。

流體的運動遵循牛頓定律，因此流體的運動形式與作用于流體上的力有關(guān)，動量方程是指對于一個設(shè)定好的流體單元，外界對該單元作用力的合力與該流體單元動量對時間的導(dǎo)數(shù)相等，把力與加速度的關(guān)系式代入牛頓第二定律公式中，得到流體的動量方程式

， （2）

式中：fx為單位流體質(zhì)量受到x方向的體積力；fy為單位流體質(zhì)量受到y(tǒng)方向的體積力；fz為單位流體質(zhì)量受到z方向的體積力；τ為單位流體受到的正應(yīng)力與切應(yīng)力。

2.1.2 ?固體控制方程

流體作用于固體引起的固體位移方程為

式中：Ks為固體的剛度矩陣；Ms為固體的質(zhì)量矩陣；Cs為固體的阻尼矩陣；r為固體的位移；τs為固體的應(yīng)力。

2.1.3 ?耦合控制方程

因為文中只分析錨固劑的流固耦合性質(zhì)，即采用絕熱模型，所以耦合控制方程表示的是流固耦合面位移與應(yīng)力之間的對應(yīng)關(guān)系，公式如下

式中：rf為流體的位移；rs為固體的位移；τx為固體x軸方向的應(yīng)力；τy為y軸方向的應(yīng)力；n為流固耦合面數(shù)據(jù)交換次數(shù)。

2.2 ?錨固劑噴出仿真流程

雙向流固耦合仿真是流體分析與瞬態(tài)動力學(xué)分析的一種聯(lián)合仿真，先獲得流體分析的結(jié)果，通過設(shè)置耦合界面將壓力值傳輸?shù)焦腆w運動學(xué)分析中對應(yīng)交界面，固體在流體產(chǎn)生的壓力作用下位移，再把位移數(shù)據(jù)通過耦合界面?zhèn)骰氐搅黧w分析中，不斷迭代進行求解。運用ANSYS Workbench軟件中的Fluent模塊、Transient Structure模塊以及System Coupling模塊進行雙向流固耦合分析，流程圖如圖3所示。

1）基于Tluent模塊，以瞬態(tài)RNG k-？著湍流模型設(shè)置邊界條件：進口為0.5 MPa壓力口，出口為自由出口，管道壁面采用無滑移，SIMPLE求解器，設(shè)置錨固劑表面為流固耦合交界面用于后續(xù)與瞬態(tài)分析進行數(shù)據(jù)傳輸。創(chuàng)建管道內(nèi)流體區(qū)域為錨固劑運動的動網(wǎng)格區(qū)域，尺寸重構(gòu)間隔為一步一更新，根據(jù)流體域網(wǎng)格尺寸大小設(shè)置單元重構(gòu)網(wǎng)格高度為2 mm。流體域網(wǎng)格如圖4所示。

2）創(chuàng)建Transient Structure模塊，導(dǎo)入錨固劑和管道固體模型，設(shè)置邊界條件：錨固劑與管道壁面摩擦系數(shù)為0.05，重力加速度為9.8 m/s2，創(chuàng)建流固耦合交界面，注意要和Fluent設(shè)置中的耦合邊界對應(yīng)，部件材料屬性見表2。

3）創(chuàng)建System Coupling模塊，將瞬態(tài)仿真設(shè)置和流體仿真設(shè)置導(dǎo)入到系統(tǒng)耦合設(shè)置Coupling中，創(chuàng)建流體計算與瞬態(tài)計算的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，設(shè)定分析時長為3 s，步長為0.000 1，進行求解計算，實現(xiàn)雙向流固耦合仿真，數(shù)據(jù)交互設(shè)置如圖5所示。

3 ?不同工況下性能分析

錨固劑流固耦合分析目的有2個，探究不同氣壓下，錨固劑運動過程的應(yīng)力和錨固劑噴出時刻的速度，設(shè)置進口壓力分別為0.5、0.75和1.0 MPa進行仿真求解，得到的錨固劑運動過程應(yīng)力云圖如圖6所示。錨固劑在通過管道彎道處的時候受到的應(yīng)力最大，進口處次之，出口處最小。錨固劑在通過管道圓弧處時，由于受到較大的向心力，因此受到較大的摩擦力，受到的應(yīng)力最大。錨固劑在進口處剛開始處于靜止?fàn)顟B(tài)，錨固劑相對于空氣流速差最大，受到的氣壓力最大，因此受到的應(yīng)力次之。在出口處由于錨固劑本身已經(jīng)有了較高的速度，流速差較小，因此受到的氣壓力較小，錨固劑受到的應(yīng)力最小。隨著進口壓力的增大，錨固劑在管道各段受到的氣體應(yīng)力隨之增大，在進口壓力為1.0 MPa的時候，錨固劑在管道的運動過程中受到的最大應(yīng)力為6 000 Pa。

在ANSYS中Transient Structure模塊中加入速度探針繪制錨固劑運動速度曲線如圖7所示，錨固劑最后噴出管道的時刻分別為0.61、0.73和0.89 s，隨著進口的加壓，錨固劑的最終噴出速度有顯著的提升，錨固劑噴出管道后在重力加速度的作用下最后速度降到0。錨固劑噴出管道后在僅考慮重力的影響下，錨固劑噴出高度分別為8.10、13.56和20.82 m，但是并不是錨固劑的噴出速度越快，噴出高度越高越好，在進口壓力為0.5 MPa的時候，錨固劑的噴出速度達到12.6 m/s，這個速度錨固劑很難順利噴入錨桿孔底。進口壓力為0.75 MPa的時候，錨固劑的噴出速度達到16.3 m/s。錨固劑理論上可以順利進入孔底，1.0 MPa的時候，錨固劑的噴出速度達到20.2 m/s，但是錨固劑運動過程受到的最大應(yīng)力達到6 000 Pa，錨固劑為塑料聚乙烯材質(zhì)，有可能會出現(xiàn)錨固劑提前破損。

4 ?實驗驗證

對于錨固劑快速裝入器的錨固劑快速裝入實驗來說，需要針對不同的進口空氣壓力進行實驗，在保證進氣口壓力不一樣的前提下對錨固劑的運動情況進行觀測分析。如何采集進氣口壓力數(shù)據(jù)和錨固劑噴出速度成為錨固劑快速裝入器實驗的關(guān)鍵所在，本系統(tǒng)采用數(shù)顯減壓閥采集進氣倉的壓力值，在導(dǎo)管出口處相距0.2 m分別安裝光電傳感器用于捕捉錨固劑在噴出導(dǎo)管時刻短距離的時間差，根據(jù)傳感器實時反饋的時間差值估算錨固劑噴出導(dǎo)管時刻的速度值，原理如圖8所示。

在通過仿真驗證了整套系統(tǒng)的穩(wěn)定性符合要求以后，對錨固劑快速裝入器進行實驗。實驗設(shè)備如圖9所示，圖10展示為利用封閉鋼管模擬的巷道錨桿孔。管道出口處裝有光電傳感器可以測出錨固劑噴出時刻速度，可拆卸錨桿孔底裝有壓力傳感器可以測錨固劑噴入孔底產(chǎn)生的壓力。采用PLC控制步進電機實現(xiàn)錨固劑裝入，空壓機提供氣動力，電磁閥控制壓力閥空壓機放氣吹動錨固劑噴出管道，實驗選擇和仿真一致的3組進口壓力數(shù)值，分別設(shè)置0.5、0.75和1.0 MPa對錨固劑設(shè)備進行實驗并采集數(shù)據(jù)，實驗采集到的數(shù)據(jù)見表3。實驗最終得到錨固劑噴出速度分別為13、17和25 m/s。在理想狀態(tài)下，錨固劑可以噴出的高度分別為8.2、10.6和17.5 m?？紤]到錨桿孔壁面的摩擦力，這個高度會有所下降，錨桿孔壁面摩擦是不規(guī)則的，沒有辦法直接測得，最終錨固劑在進口壓力為0.75 MPa的實驗效果如圖10所示。錨固劑順利進入錨桿孔底。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)在進氣倉壓力設(shè)置為1.0 MPa的時候，錨固劑未吹出管道已經(jīng)發(fā)生了破損。通過仿真和實驗我們可以得出結(jié)論，在實際工況中要避免進口壓力大于1.0 MPa，否則錨固劑易出現(xiàn)提前破損。假如進口壓力為1.0 MPa時仍然無法把錨固劑吹入錨桿孔底，此時要考慮打孔的時候如何讓錨桿孔更加光順。

5 ?結(jié)束語

本研究設(shè)計了一款新型錨固劑快速裝入器，解決了手動裝藥問題，不需要多人登高作業(yè)，減少了安全隱患，顯著縮短了錨固劑安裝時間，減少了錨固劑的損耗，提高了施工效率。對新設(shè)備的錨固劑氣動性進行了一系列研究，研究得到以下結(jié)果。

1）構(gòu)建了雙向流固耦合錨固劑實驗仿真模型，分析出錨固劑在導(dǎo)管運動過程中應(yīng)力最大在彎管處，錨固劑在彎管處最容易破損。仿真得到各個速度曲線，隨著加壓速度加快，并以此為指標(biāo)得到了保證錨固劑順利噴出的預(yù)壓力設(shè)定指標(biāo)。

2）開展了不同氣壓下的實驗，驗證了仿真的準(zhǔn)確性，為實際工況的預(yù)壓設(shè)定提供了參考。

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