钻锚一体化研究与分析

2022-09-11

随着掘锚一体化技术逐步提上日程, 现有的煤矿巷道支护技术不能很好的满足掘锚一体化的需求, 制约了掘锚一体化技术的发展。掘锚一体化技术急需新的巷道支护技术的出现, 为此我们进行了钻锚一体化研究, 并成功开发研制了一次性锚杆。

1 市场现状

锚杆支护作为一种有效的采准巷道支护方式, 由于对巷道围岩强度的强化作用, 可显著提高围岩的稳定性, 加之具有支护成本低、成巷速度快、劳动强度减轻、提高巷道端面利用率、简化回采面端头维护工艺、显著改善作业环境和安全生产条件等优点, 可提高矿井的经济效益, 因而成为世界各国矿井巷道的一种主要支护形式, 代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。

现有的锚杆支护工艺为:锚杆钻机带动六方钻杆或麻花钻杆实现钻孔, 然后卸下钻杆, 装入锚杆, 紧固, 最后实现锚固。锚杆支护过程中钻孔和锚固分别由钻机带动钻杆和锚杆独自完成, 并且树脂锚杆、涨壳锚杆、水力膨胀锚杆、竹锚杆以及木锚杆等现有锚杆施工工艺繁琐, 操作复杂, 不利于机械自动化过程的实现, 无法满足掘锚一体化技术的要求。

2 功能分析

一次性锚杆作为锚杆支护的一种新形式, 要实现钻孔锚固一次成型, 快速实现巷道支护作业, 从功能上分析要同时满足钻孔和锚固两大功能。

从钻孔方面讲, 一次性锚杆首先要具有钻杆的钻孔功能。钻杆因排粉和润滑需要, 钻杆中心必须能够通水或通气;为保证水流或气流畅通, 钻杆行业标准规定钻杆中心孔径不小于φ5.5, 所以一次性锚杆为满足要求中心孔径也应不小于φ5.5;在强度上, 一次性锚杆应能同时满足钻孔扭转强度需求。

从锚固方面讲, 一次性锚杆要具有锚杆的锚固功能。一次性锚杆从锚固机理讲, 属于机械端锚, 锚杆支护技术要求规定, 端部锚固锚杆锚固力要不小于100KN, 承受扭矩不小于140N.m。

从现有煤矿锚杆支护实现过程分析, 一次锚杆能够实现的动作分为顶、拉、左旋转、右旋转4个基本动作及其组合动作。因钻孔需要顶和右旋转2个动作, 锚固就只有拉和左旋转2个动作, 要实现“拉”动作, 就要通过外力作用于一次性锚杆, 如通过套管等。如果不借助外力, 要实现锚固功能一次性锚杆只有左旋转一个动作能够利用。分析可知, 左旋转只能实现杆体局部膨胀功能, 不能实现永久锚固功能。

3 参数计算

取条件:杆体材料选用45冷拔管, 旋块与涨壳材料选用45钢, 杆体抗拉强度σb≤590MPa, 杆体扭转剪应力τp=25~45MPa。

杆体承受转矩分别取T=1 4 0 N.m、1 8 0 N.m, 轴向拉力分别取F=1 0 0 K N、200KN。按下面公式计算

由一次性锚杆设计计算得知, 锚杆要想满足功能要求最小杆径为φ2 8壁厚6mm。因机械锚固需要注浆, 注浆孔径最小为φ14, 用φ28壁厚6mm杆能够满足注浆要求。

4 方案确定

以上分析得知, 要想满足设计要求, 一次性锚杆要同时满足以下几个条件。

(1) 锚杆要能注浆, 中心孔最小为φ14m m。

(2) 杆体最小杆径为φ2 8 m m, 壁厚6 m m。

(3) 锚杆锚固力要不小于100KN, 承受扭矩不小于140N.m。

(4) 锚杆要通过外力实现锚固功能, 需加套管等装置。

根据以上分析设计, 设计图见图1所示。

5 工作原理及结构特点

一次性锚杆中心杆通过内外旋块带动钻头旋转钻孔, 钻完孔后, 左旋中心杆, 使外旋块膨胀, 内外旋块分离, 然后通过托盘对套管施力, 由于楔块作用, 涨壳膨胀实现初步锚固功能, 达到初预紧力后, 拧紧螺母, 然后通过中心杆中心孔注浆, 浆液经过内外旋块分离空隙注满中心杆内外, 实现最终锚固。

结构特点: (1) 改变传统的锚杆支护施工工艺, 实现钻孔、锚固一体化作业, 从而降低工人劳动强度和一定程度上缩短支护时间。 (2) 简化了施工工艺, 方便了机械化自动过程的实现。 (3) 实现钻锚一体化, 使掘进机与锚杆钻机联合作业时不用人工换钻杆和放树脂药卷, 从而更好地发挥掘锚联合机组的优势。 (4) 机械端锚和注浆锚固组合使用, 克服了锚固力不足的问题。