回采巷道帮部锚杆锚固时效性与杆体回收技术

胡华峰

【摘要】为解决工作面前方煤帮遗留金属锚杆杆体带来的安全隐患，基于回采巷道帮部锚杆锚固时效性与围岩稳定性分析判据，结合FLAC3D数值计算，确定了工作面前方煤壁帮锚杆合理回收范围，设计开发了以组合式中空螺旋钻为主体的锚杆杆体回收机具，建立了一套完整的长壁工作面前方锚杆杆体回收技术措施。通过现场试验，验证了回收方案的可行性和实用性。

【關键词】回采巷道 锚杆 回收机具

在地下采矿过程中，煤帮锚杆支护主要用直径为16～22mm圆钢、螺纹钢或直径为42mm缝管式锚杆，这类锚杆碰到采煤机时易产生火花，增加煤尘、瓦斯爆炸等安全隐患，同时混杂在原煤中的金属锚杆在运输中易对人及输送带等设备造成危害，因此，对煤帮锚杆杆体进行回收就显得尤为重要。

1工作面概况

告成煤矿25001综采工作面走向长1437m，开采二1煤层，倾角9°，煤层平均5.3m，直接顶为深灰色、灰黑色砂质泥岩，厚6.29m。25001回采巷道为拱形断面，采取锚网索支护，锚杆规格为 MSGLW-335/Φ18mm×2400mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为700mm×800m，测得锚杆允许应变[[ε拉]]=0.018。锚索规格为Φ18.9mm×7300mm左旋钢绞线，间排距为1200mmx2400mm。

2回采巷道锚杆合理回收范围

回采巷道锚杆受力特征分析表明，受采动影响程度的不同，锚杆受力就会有明显差别，锚杆支护受力变化与围岩中的应力调整是相对应的。因此，工作面前方煤壁锚杆杆体回收范围需要充分考虑超前支承压力分布规律、锚固结构的稳定性以及超前段加强支护，下面通过理论计算法与数值模拟法分别对工作面前方锚杆合理回收范围进行分析。

（1）回采巷道锚杆支护帮部稳定性分析判据

煤壁出现大面积滑落的原因是锚固体内锚杆失效，使临近自由面的部分煤体失去了沿锚杆轴向的等效应力的作用，结果出现煤壁片帮以及大面积滑落。所以煤帮是否稳定的准则之一则是错固体内锚杆的应变量不能超过其极限应变量。

在锚杆与围岩之间没有滑落时，锚固体中锚杆拉应变的计算公式为：

式中，G为煤层的剪切弹性模量，取2.83GPa;P0为原岩应力，取8.33MPa;C、[φ]分别为原岩体内聚力及摩擦角，分别取1.3 Mpa和39°;R为巷帮部塑性区半径，取7.5m;α、β分别为原岩体及锚固体破坏后的塑性扩容系数，分别取2和1.7;a为巷道半径，取2.1m;L为锚杆长，取2.4m（有效长度将有关参数代入公式计算得二1煤层原岩应力条件下煤帮锚固体拉应变为0.017。超前峰值点压力取22.7Mpa，煤帮锚固体中锚杆的拉应变为0.042，大于锚杆允许拉应变，因此超前峰值点煤帮锚杆已不适应煤帮的大变形特征，锚固效果降低或失效。

（2）工作面超前支承压力分布规律FLAC3D分析

1）模型建立。为了消除边界效应，便于数值模拟计算，按照实践经验，模型范围取长×宽×高=150m×200×90m，满足圣维南原理的要求，采用摩尔-库伦破坏准则进行求解。

2）计算结果分析。随着工作面的向前推进，工作面前方支承压力影响范围增大，工作面侧极值点位置不断前移，应力集中系数也逐渐增加，工作面前方0-40m范围内为采动影响区，峰值点距离工作面距离6-10m。因此锚杆杆体的回收应避开峰值压力的影响，在卸压区回收较为合适。

3）工作面前方锚杆合理回收范围。为保证作业安全回收作业点必须位于超前支护范围以内，尽量避开超前峰值压力危险区，25001综采工作面每循环进尺0.6m，每日推进8个正规循环，即日进尺4.8m。综合以上分析，结合井下工作面回采工艺流程，确定回收位置为工作面前方2～6.8m范围内。

3锚杆杆体回收机具设计

锚杆杆体回收机具由动力部、转换接头、组合式中空螺旋钻杆和取芯钻头组成。组合式中空螺旋钻杆为锚杆回收机具的主要构件，由若干根可拆卸的分段中空螺旋钻杆通过螺纹连接组成，各分段长度和数量根据作业空间大小设计，能够满足现场多种条件下的回收作业，钻杆外表焊接的螺旋式叶片起排粉作用，可满足干式和湿式两种条件下作业。锚杆回收机具结构示意图如图1所示

回收作业流程：拆除锚杆端头固定螺母及托盘，将第一节中空螺旋钻杆与取芯钻头、转换接头连接后将取芯钻头套在锚杆端面，连接动力部沿锚杆钻进直至第一节钻杆钻入煤体时，拆下转换接头，在钻入煤体的钻杆尾部通过螺纹连接第二节钻杆，然后连接转换接头继续沿锚杆钻进，直至钻入眼底锚杆自动脱落为止，锚杆杆体回收结束。

4现场试验效果分析

通过检测工作面前方40m内锚杆的受力，其中32.5%的锚杆处于峰值压力附近，受力超过90KN;53.8%的锚杆受力在40～90kN之间，这些锚杆处于正常工作状态，仍具有减弱巷道进一步变形的能力;13.7%的锚杆受力小于40KN，这些错杆的位置均在工作面0-6m范围内，锚杆的支护作用减弱，满足回收条件。通过现场回收试验，效果分析如下：

1）锚杆回收用时最少为13min/根，平均用时16min/根能够满足该工作面日进尺4.8m的进度。

2）回收试验存在钻头啃噬锚杆杆体的现象，通过改进钻头，解决了钻头啃噬锚杆的问题，提高了回收效率。

3）锚杆杆体回收机具不适用于产生较大变形的锚杆，但基本能满足60%的回收率。

4）锚杆杆体回收机具结构简单可靠，操作方便灵活，具有重量轻、体积小、工作性能可靠、回收效率高和回收锚杆复用率高的特点。

5结论

1）回采巷道锚杆受力变化规律基本一致，工作面前方煤壁锚杆杆体回收范围需要充分考虑超前支承压力分布规律、锚固结构的稳定性以及超前段加强支护的可靠性。

2）采用锚杆杆体回收机具对工作面前方煤壁帮部的锚杆杆体进行回收，这种方式不改变原有支护方案，回收工序简单，回收效率高，不影响工作面正常生产。

3）回采巷道锚杆杆体回收能够充分掌握巷道锚杆受力特征及局部变形破坏规律，也可为锚杆支护动态跟踪设计提供基础参考数据。

作者简介：胡华锋（1979―），男，河南南召人，本科学历，助理工程师，主要从事矿井采矿技术管理。