可回收錨桿技術研究進展

寧掌玄，楊東輝，李 波，高 瑞

（山西大同大學煤炭工程學院 山西 大同 037003）

0 引言

錨桿是錨固在巖土體內維護基坑或圍巖穩定的桿狀結構物，錨桿支護已經成為礦山巷道、隧道及基坑工程支護的主要形式之一[1]。在錨桿支護系統中，金屬錨桿是應用最為廣泛的一種，金屬錨桿90%以上采用樹脂錨固劑進行錨固，無法回收再利用，造成極大的浪費。按照我國煤炭產量30億噸、巷道掘進率100 m/萬噸計算，則我國煤礦每年新掘巷道約3萬公里，每年使用錨桿約2～3億套，若不回收利用，浪費十分驚人。每套錨桿按50元計算，則每年浪費約100~150個億。同時，對于綜采工作面回采巷道煤體側幫，不回收錨桿會影響采煤機的割煤效率，增加采煤機負荷，縮短采煤機壽命；對于放頂煤工作面，不回收錨桿會降低工作面端頭的放煤效率；大量遺留錨桿不僅嚴重污染地下空間環境，而且還造成工程成本的增加和資源的極大浪費，等等[2]。為解決這些問題，可回收錨桿技術應運而生。

目前在礦山可回收錨桿技術試驗研究方面已經有學者做了大量的研究工作，取得了一定的成績。石嘴山礦務局王義和等研發的MS-41型塑料膨脹可回收金屬錨桿[3]具有即時承載效果好、可卸壓性和可回收等支護特性，適用于復雜地質條件下回采巷道支護；武蘊馥等研制的可回收塑料錨桿[4]分別在大同礦務局晉華宮礦與晉城礦務局長平礦進行工業性實驗，錨固力均符合設計要求，回收率分別達到79%與87%。從工程應用情況來看，到目前為止還沒有在礦山巷道工程領域大范圍使用的報道。究其原因，主要原因有：①企業對錨桿的回收再利用認識不足。一方面擔心錨桿回收時出現安全事故；一方面怕影響回采效率，為了多出煤，忽視了成本核算；②現有可回收錨桿由于結構設計問題致使拆卸工藝復雜，拆卸時間長，容易引起頂板冒落，出現傷人事故；③專用配套的拆卸機具尚未開發，工人在拆卸時勞動強度大，費時費工；④回收的錨桿仍需進行修復，方可再利用，增加工序環節，工人嫌麻煩。由中國知網檢索“可回收錨桿”主題詞可知，發文量最高為2017年的20篇，最少1篇，平均6篇，主要集中在礦業工程和建筑科學與工程2個學科，分別占48.3%、45.9%。可知，對可回收錨桿技術開展的研究不多，研究論文只有52篇，綜述只有4篇，且很少涉及礦山巷道領域。從另一個角度說明，可回收錨桿技術仍存在諸多問題，但工程應用前景非常廣闊。

推廣使用可回收錨桿的宗旨是在確保安全和工程質量的前提下,降低噸煤成本中的支護材料費,提高經濟效益，因此，可回收錨桿的回收率至關重要。伊茂森等[5]對可回收錨桿回收率進行了分類、定義，提出了可回收錨桿回收率上的盈虧平衡點，付文光等[6]建議產品質量標準中按錨筋抗拆力、回收可靠性及適用錨桿長度等指標把產品劃分成為不同類別，產品應用標準中以回收率85%、95%及98%分別作為三級、二級及一級回收指標，對于可回收錨桿研發及后續推廣應用具有一定指導意義。

可回收錨桿技術主要在兩大工程領域應用，礦山巷道和基坑工程，本文以礦山巷道工程領域為主，對國內外可回收錨桿技術進行分類、總結與探討。

1 可回收錨桿分類

可回收錨桿須滿足全部回收或者部分回收的功能，故在結構設計上與傳統錨桿有很大不同。目前根據可回收錨桿結構進行分類，可大致分為機械式、組合式、螺旋式、熱熔式四大類型。

1.1 機械式

機械式可回收錨桿采用機械結構實現錨固，主要由錨固頭、連接裝置和可回收錨桿桿體三大部分組成，錨固頭結構主要有脹殼式、倒楔式兩種方式。

（1）脹殼式可回收錨桿

脹殼式可回收錨桿通常由膨脹套、楔形錐體、金屬桿體、托盤、螺母等構成[7]，如圖1所示，按照材質不同，有塑料漲殼和鋼漲殼兩種類型。其工作原理為：錨桿螺紋連接楔形錐體，并拉動楔形錐體向下運動，楔形錐體將膨脹套管脹裂，膨脹套管與鉆孔壁相互擠壓，產生摩擦阻力從而提供錨固力。當回收錨桿時，只需將螺母托盤卸下，反向旋轉桿體便可將其從楔形錐體中分離，實現錨桿桿體的回收，錨固頭部分仍然殘留在巖體內。脹殼式可回收錨桿所產生的錨固力主要根據膨脹套管的脹裂程度大小而定，脹裂程度越大，錨固力越大。

圖1 脹殼式可回收錨桿

（2）倒楔式可回收錨桿

倒楔式可回收錨桿結構設計同脹殼式大致相同，僅在錨固頭處進行改造，將脹殼式表面光滑的膨脹套管改為帶有倒楔形的倒楔脹殼[8]，如圖2所示。

圖2 倒楔式可回收錨桿

相比于脹殼式，倒楔式可回收錨桿能夠有效避免因膨脹套管外表面摩擦系數較低而導致錨固失效現象，當錐體嵌入倒楔式外脹殼后，隨著嵌入深度增加，外脹殼膨脹越大，鉆孔內壁摩擦力增加，受軸向拉力作用，外脹殼與鉆孔內壁圍巖相互摩擦，倒楔式結構能夠有效抓附巖體，增加錨固效果。然而，采用倒楔式結構設計，膨脹套管外表面與圍巖接觸為點線型，相比脹殼式膨脹套管規則外壁的高度巖體耦合性，倒楔式膨脹套管外壁與圍巖耦合性較差，且不具有脹殼式可回收錨桿優異的可卸壓性，因此，當巷道圍巖壓力發生劇烈變化時，倒楔式可回收錨桿錨固可靠性相對較低。

1.2 組合式可回收錨桿

組合式可回收錨桿通常由可回收自由段金屬桿體與錨固段附件組合而成，兩者之間通常采用螺紋或特殊機構進行連接[9]。組合式可回收錨桿早期多配合水泥錨固劑使用，目前多配合樹脂藥卷使用，其工作原理并未發生變化，但錨固段附件結構進行了大幅優化提升。

（1）特殊錨固頭組合式可回收錨桿

特殊錨固頭組合式可回收錨桿主要由特殊錨固頭、連接套、可回收桿體、托盤等部件構成。其中特殊錨固頭與可回收桿體通過回收連接套連接，連接套采用焊接或螺紋形式，錨固段特殊錨固頭采用水泥（樹脂）錨固劑與孔壁相粘結。當錨桿回收時，通過反向轉動可回收桿體使之與連接套脫落，實現桿體回收利用。

目前國內研制的特殊錨固頭主要為麻花式或十字狀，具有代表性的麻花式可回收錨桿如圖3所示[10]。

圖3 可回收樹脂錨桿

（2）套管錨固頭組合式可回收錨桿

特殊錨固頭組合式可回收錨桿的錨固頭依然無法實現回收利用，未能實現錨桿回收最大化，且錨固劑回流會造成錨固段裝藥量減少，錨固力能不達到設計需求。基于此，國內學者研發了套管錨固頭組合式可回收錨桿。

套管錨固頭組合式可回收錨桿主要由可回收桿體、螺母、塑料套管、套管堵頭、托盤等部件構成，具有代表性的塑料套管錨固頭組合式可回收錨桿如圖4所示[11]。

圖4 套管錨固頭組合式可回收錨桿

其中可回收桿體兩端均有螺紋，使用時將錨固劑與塑料套管穿過可回收桿體，通過錨桿將錨固劑送達指定位置，利用套管頂端螺紋將桿體擰緊，套管上的堵頭裝置能夠有效防止錨固劑回流，同時通過調節堵頭位置也可實現錨固長度調節功能。當錨桿回收時，只需將桿體底部托盤卸下，反向旋轉桿體，即可使可回收桿體與錨固套管相脫離，實現桿體回收工作。

相較于特殊錨固頭組合式，套管錨固頭組合式可回收錨桿能夠有效解決錨固劑回流，減少圍巖金屬桿體殘留，且錨固性能穩定，塑料套管通常使用再生尼龍、聚丙烯等工程塑料制作，亦不會對采煤機截齒造成損傷。

（3）新型錨固頭組合式可回收錨桿

套管錨固頭組合式可回收桿體長時間處于錨固劑包圍當中，桿體頂端與套管螺母連接部位容易發生銹蝕或錨固劑滲入粘結，對于回收工作造成阻礙或無法回收。對此，劉勇、周保精等[12]人開發了新式樹脂錨固式可回收錨桿，采用“盲孔短頭”與“密封螺紋”技術提升了套管與桿體連接處螺紋的密封性能，加強了螺紋水密性，確保了長時間錨固情況下螺紋不會出現銹蝕或粘結現象，提高了桿體回收率。其結構如圖5所示。

圖5 新型錨固頭組合式可回收錨桿

1.3 螺旋式可回收錨桿

相較于機械式可回收錨桿與組合式可回收錨桿，螺旋式可回收錨桿設計工藝和支護機理均有所改變，它主要通過螺旋葉片嵌入巖體中形成的多點高耦合接觸，實現較好的錨固作用。螺旋式可回收錨桿主要由桿體、特制鉆頭、托盤三部分組成，其結構如圖6[13]所示。

圖6 螺旋式可回收錨桿

螺旋式可回收錨桿安裝時無需打孔，只需利用機械鉆具將錨桿強力旋入巖體中，進行回收作業時，只需反向旋轉錨桿即可。螺旋式可回收錨桿因其多點高耦合接觸性，作用于破碎圍巖巷道中具有明顯的優越性，但如果圍巖變形較大，螺旋葉片處易產生集中應力導致葉片破壞，增加葉片密度雖能有效克服這種缺陷，但密度過高的葉片也會破壞圍巖整體性，導致錨固力降低。

1.4 熱熔式可回收錨桿

熱熔式可回收錨桿又稱化學式可回收錨桿，是一種新式可回收錨桿，其錨固段或設計斷裂點采用熱熔材料將錨桿體粘結，當進行回收作業時，只需對錨桿體間接加熱或對熱熔材料直接加熱，熱熔材料融化后，錨桿體所受摩擦力降低，便能進行錨桿體回收利用。

圖7 為蘇州市能工基礎工程有限責任公司開發的熱熔可拆芯錨桿[14]，屬于一種壓力分散型錨桿，熱熔錨具張拉后通過夾具將錨桿固定，進行回收作業時，利用36V低電壓將錨具內熱熔材料破壞，進而實現桿體回收。熱熔式可回收錨桿具有操作簡便、回收效率高、桿體損傷小等優點。缺點是需要通電，并進行電路檢測。

圖7 熱熔式可回收錨桿

2 存在問題

2.1 理論不完善

（1）針對可回收錨桿錨固力的研究大多為定性描述，沒有統一規范進行錨桿設計，而是籠統的認為粘結應力均勻分布，這種設計原則與實際工程條件存在較大偏差[15]；

（2）針對可回收錨桿尚未提出統一的加固機理，目前研制可回收錨桿重點均在可回收功能上，對可退錨桿錨固機理、抗拔力影響因素等方面的研究尚未成熟，設計計算方法尚處于一桿一法的研究階段，未形成系統的可靠性計算體系，難以有效地指導工程實踐；

（3）可回收錨桿數值模擬計算、理論分析同實際應用存在一定差距，現場工程條件往往較為復雜，而數值模擬與理論計算難以全面考慮。

2.2 工藝標準不明確

目前可回收錨桿種類眾多，在安裝回收時施工工藝也有所區別，雖然整體施工思路大同小異，但未能形成統一規范的工藝流程。大多錨桿拆卸工藝復雜，拆卸時間長，拆卸時容易引起頂板冒落，出現傷人事故。且專用配套的拆卸機具尚未開發，工人在拆卸時勞動強度大，費時費工，導致礦山巷道使用可回收錨桿較少[16]。工藝標準無法明確統一，無法順利實現錨桿回收利用，降低錨桿回收率，增加施工成本，與可回收錨桿研發初衷相違背。因此，亟待制定統一規范的可回收錨桿工藝標準，提高施工效率與回收率，有效降低支護成本。

3 發展趨勢

（1）針對礦山巷道工程條件，研發安裝簡便快速、瞬間可產生較大錨固力、拆卸方便、安全可靠的新型可回收錨桿技術，設計快速錨固、便捷退錨的錨頭鎖具，提高可回收錨桿的適用性。

（2）優化新型可回收錨桿的施工工藝，簡化施工工序，退錨時不需要螺母的松動，采用旋轉90°實現快捷的旋鈕式自動解鎖，配套專用的快速退錨扳手，實現機械化半機械化退錨作業，提高回收率。

（3）制訂行業產品質量標準，加強政策引導，提高礦山企業使用可回收錨桿的積極性，加大可回收錨桿技術推廣力度。

4 結語

技術發展離不開科技創新，對于可回收錨桿技術的創新研發尚處于探索階段，雖然已取得了部分成果，但涉及到實際工程應用，可回收錨桿產品并未能得到廣泛推廣，而且在可回收錨桿理論研究與工藝標準方面尚缺乏統一的質量體系。不過基于研究手段的發展以及對資源合理利用需求，可回收錨桿的研究應用前景十分廣闊，其實際應用價值也毋庸置疑。