回采巷道幫部錨桿錨固時效性與桿體回收技術

胡華峰

【摘要】為解決工作面前方煤幫遺留金屬錨桿桿體帶來的安全隱患，基于回采巷道幫部錨桿錨固時效性與圍巖穩定性分析判據，結合FLAC3D數值計算，確定了工作面前方煤壁幫錨桿合理回收范圍，設計開發了以組合式中空螺旋鉆為主體的錨桿桿體回收機具，建立了一套完整的長壁工作面前方錨桿桿體回收技術措施。通過現場試驗，驗證了回收方案的可行性和實用性。

【關鍵詞】回采巷道 錨桿 回收機具

在地下采礦過程中，煤幫錨桿支護主要用直徑為16～22mm圓鋼、螺紋鋼或直徑為42mm縫管式錨桿，這類錨桿碰到采煤機時易產生火花，增加煤塵、瓦斯爆炸等安全隱患，同時混雜在原煤中的金屬錨桿在運輸中易對人及輸送帶等設備造成危害，因此，對煤幫錨桿桿體進行回收就顯得尤為重要。

1工作面概況

告成煤礦25001綜采工作面走向長1437m，開采二1煤層，傾角9°，煤層平均5.3m，直接頂為深灰色、灰黑色砂質泥巖，厚6.29m。25001回采巷道為拱形斷面，采取錨網索支護，錨桿規格為 MSGLW-335/Φ18mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為700mm×800m，測得錨桿允許應變[[ε拉]]=0.018。錨索規格為Φ18.9mm×7300mm左旋鋼絞線，間排距為1200mmx2400mm。

2回采巷道錨桿合理回收范圍

回采巷道錨桿受力特征分析表明，受采動影響程度的不同，錨桿受力就會有明顯差別，錨桿支護受力變化與圍巖中的應力調整是相對應的。因此，工作面前方煤壁錨桿桿體回收范圍需要充分考慮超前支承壓力分布規律、錨固結構的穩定性以及超前段加強支護，下面通過理論計算法與數值模擬法分別對工作面前方錨桿合理回收范圍進行分析。

（1）回采巷道錨桿支護幫部穩定性分析判據

煤壁出現大面積滑落的原因是錨固體內錨桿失效，使臨近自由面的部分煤體失去了沿錨桿軸向的等效應力的作用，結果出現煤壁片幫以及大面積滑落。所以煤幫是否穩定的準則之一則是錯固體內錨桿的應變量不能超過其極限應變量。

在錨桿與圍巖之間沒有滑落時，錨固體中錨桿拉應變的計算公式為：

式中，G為煤層的剪切彈性模量，取2.83GPa;P0為原巖應力，取8.33MPa;C、[φ]分別為原巖體內聚力及摩擦角，分別取1.3 Mpa和39°;R為巷幫部塑性區半徑，取7.5m;α、β分別為原巖體及錨固體破壞后的塑性擴容系數，分別取2和1.7;a為巷道半徑，取2.1m;L為錨桿長，取2.4m（有效長度將有關參數代入公式計算得二1煤層原巖應力條件下煤幫錨固體拉應變為0.017。超前峰值點壓力取22.7Mpa，煤幫錨固體中錨桿的拉應變為0.042，大于錨桿允許拉應變，因此超前峰值點煤幫錨桿已不適應煤幫的大變形特征，錨固效果降低或失效。

（2）工作面超前支承壓力分布規律FLAC3D分析

1）模型建立。為了消除邊界效應，便于數值模擬計算，按照實踐經驗，模型范圍取長×寬×高=150m×200×90m，滿足圣維南原理的要求，采用摩爾-庫倫破壞準則進行求解。

2）計算結果分析。隨著工作面的向前推進，工作面前方支承壓力影響范圍增大，工作面側極值點位置不斷前移，應力集中系數也逐漸增加，工作面前方0-40m范圍內為采動影響區，峰值點距離工作面距離6-10m。因此錨桿桿體的回收應避開峰值壓力的影響，在卸壓區回收較為合適。

3）工作面前方錨桿合理回收范圍。為保證作業安全回收作業點必須位于超前支護范圍以內，盡量避開超前峰值壓力危險區，25001綜采工作面每循環進尺0.6m，每日推進8個正規循環，即日進尺4.8m。綜合以上分析，結合井下工作面回采工藝流程，確定回收位置為工作面前方2～6.8m范圍內。

3錨桿桿體回收機具設計

錨桿桿體回收機具由動力部、轉換接頭、組合式中空螺旋鉆桿和取芯鉆頭組成。組合式中空螺旋鉆桿為錨桿回收機具的主要構件，由若干根可拆卸的分段中空螺旋鉆桿通過螺紋連接組成，各分段長度和數量根據作業空間大小設計，能夠滿足現場多種條件下的回收作業，鉆桿外表焊接的螺旋式葉片起排粉作用，可滿足干式和濕式兩種條件下作業。錨桿回收機具結構示意圖如圖1所示

回收作業流程：拆除錨桿端頭固定螺母及托盤，將第一節中空螺旋鉆桿與取芯鉆頭、轉換接頭連接后將取芯鉆頭套在錨桿端面，連接動力部沿錨桿鉆進直至第一節鉆桿鉆入煤體時，拆下轉換接頭，在鉆入煤體的鉆桿尾部通過螺紋連接第二節鉆桿，然后連接轉換接頭繼續沿錨桿鉆進，直至鉆入眼底錨桿自動脫落為止，錨桿桿體回收結束。

4現場試驗效果分析

通過檢測工作面前方40m內錨桿的受力，其中32.5%的錨桿處于峰值壓力附近，受力超過90KN;53.8%的錨桿受力在40～90kN之間，這些錨桿處于正常工作狀態，仍具有減弱巷道進一步變形的能力;13.7%的錨桿受力小于40KN，這些錯桿的位置均在工作面0-6m范圍內，錨桿的支護作用減弱，滿足回收條件。通過現場回收試驗，效果分析如下：

1）錨桿回收用時最少為13min/根，平均用時16min/根能夠滿足該工作面日進尺4.8m的進度。

2）回收試驗存在鉆頭啃噬錨桿桿體的現象，通過改進鉆頭，解決了鉆頭啃噬錨桿的問題，提高了回收效率。

3）錨桿桿體回收機具不適用于產生較大變形的錨桿，但基本能滿足60%的回收率。

4）錨桿桿體回收機具結構簡單可靠，操作方便靈活，具有重量輕、體積小、工作性能可靠、回收效率高和回收錨桿復用率高的特點。

5結論

1）回采巷道錨桿受力變化規律基本一致，工作面前方煤壁錨桿桿體回收范圍需要充分考慮超前支承壓力分布規律、錨固結構的穩定性以及超前段加強支護的可靠性。

2）采用錨桿桿體回收機具對工作面前方煤壁幫部的錨桿桿體進行回收，這種方式不改變原有支護方案，回收工序簡單，回收效率高，不影響工作面正常生產。

3）回采巷道錨桿桿體回收能夠充分掌握巷道錨桿受力特征及局部變形破壞規律，也可為錨桿支護動態跟蹤設計提供基礎參考數據。

作者簡介：胡華鋒（1979―），男，河南南召人，本科學歷，助理工程師，主要從事礦井采礦技術管理。