新型胀裂自锁可回收锚杆结构设计

李 波，宁掌玄，杨霖堃，高占彬

(山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037009)

1 绪论

1.1 背景及意义

当前各种新型能源层出不穷，煤炭消费在经济发展中的比重有所下降，但结合我国实际国情而言，未来50 年内，煤炭依旧会占据我国能源供应的主要手段[1]。在进行煤炭开采作业时，巷道支护技术能够有效地预防煤矿灾害的发生。近年来，锚杆支护技术凭借其出色的可靠性与经济适用性，在世界各国煤矿巷道中得到使用。随着锚杆支护技术的使用比例日益增重，作为主要支护材料的锚杆需求也随之增加，传统锚杆多为一次性使用，造成了材料极大浪费，极大地增加了开采成本，同时还会对地下环境造成污染，也不利于地下空间的二次开挖。

鉴于这种情况，可回收锚杆技术应运而生，用于解决传统锚杆材料浪费严重、成本投入高、降低放顶开采效率、损坏采煤机等问题。胀裂自锁结构体系可回收锚杆结合了已有的锚杆体系、新型自锁结构，简化了锚杆施工流程，在降低开采成本、保护地下空间环境提高经济效益的同时，更好地实现锚杆的回收利用[2]。

1.2 研究现状

当前，国内外岩土锚固界对于可回收锚杆的研究也已取得了一定成果，开发出了多类不同可回收锚杆，将其主流锚杆依照施工工艺分类可分为以下三类[3]：

（1）机械式可回收锚杆。通过联结机构，将锚索体和施加预应力的钢筋结合起来，需要回收时，只需要从紧固相反方向旋转，使杆体与联结机构分离，便可实现杆体回收。

（2）力学式可回收锚杆。采用带有外套管结构的钢绞线充当锚索体，需要回收时，只需施加拉力于绞线之上，将其逐根抽出。

（3）化学式可回收锚杆。在张拉杆体自由段下部安装足以破坏杆体的发热（爆破）装置，需要回收时只需发热（爆破）装置激活，再将杆体从粘结部位断开，实现杆体回收。

除此以外，按照杆体回收程度划分，也可以分为三类：

（1）只回收杆体上的伸长段部分，不论采用何种方法，所回收部分与杆体脱开点位于自由伸长段的下方。

（2）杆体大部或全部都可以得到回收，通过破坏易于损坏脱落的构件，将杆体与构件分离，实现回收。

（3）通过施加强外力，破坏杆体与注浆体的粘结，最终脱开杆体，实现回收。

虽然可回收锚杆的发展前景可观，但在现阶段仍然有所不足[4]。

（1）理论研究不足。虽然现如今已存在许多不同种类的可回收锚杆，但与其相关的理论研究还尚显不足，作为服务工程实践的理论指导，理论研究应当为工程实践提供针对性和高效的指导，但现有理论研究尚无法满足工业需求。

（2）实际工业性使用。当前成功申请专利的可回收锚杆数量不少，但真正可以用于工业使用的寥寥无几，大部分锚杆依旧处于研究阶段，仅仅满足实验室试验或通过数值模拟等手段得出结论，真正能够满足工业使用严苛条件的并不多。

（3）回收不便。现存许多可回收锚杆在进行回收作业时，仍需要借助大型施工器械，整个过程耗时长，拉拔难，在满足简化施工方面尚有不足，还需有所改进。

2 胀裂自锁锚杆锚固机理分析与影响因素

2.1 锚固原理

锚杆支护属于“主动”支护的一种，多用于加固拱、悬吊、组合梁与围岩补强，通过充分利用围岩自身承载能力来提高巷道围岩稳定，将原本的载荷体变为承载体。锚杆安装时采取预拉紧法，在提高岩石层之间摩擦力的同时，夹紧两支撑点间岩层，并形成由岩梁与拱组成的承载结构[5]。

将杆体插入胀壳中，将杆体拧到胀裂锥体螺母上，安装时将杆体与胀裂锥旋紧，增加两者重合度，利用胀裂锥将胀壳撑开，膨胀后的胀壳紧贴钻孔岩壁，此时由胀壳产生的挤压力即为锚杆初锚力。该锚杆依靠胀裂锥与胀裂壳产生重合膨胀，通过胀裂壳与岩壁之间相互挤压，相互摩擦来实现锚固作业。

由锚杆锚固原理可知，该胀裂自锁可回收锚杆主要锚固力来源为胀壳膨胀后与岩壁间相互挤压所产生的摩擦力，所以该锚杆锚固力大小与胀壳的膨胀量、锚固头结构设计（尺寸、锯齿数、扭矩）相关[6]。

2.2 胀壳膨胀量

由锚杆锚固原理可知，该种锚杆主要锚固力来源于胀壳膨胀量与胀裂锥和胀壳内部有效接触面积[7]。

2.2.1 胀裂锥与胀壳配套方式

从力学角度考虑，配套契合度越高的锥壳组合，其胀壳膨胀越均匀，在保证受力均匀的基础上，能够更好地提升锚头锚固力，锚固效果更佳。契合度高锥壳，见图1（a）。

若是锥壳契合度不高或无法契合，两者接触面积过小，胀壳无法达到理想胀裂状态，不仅无法均匀受力保证自身完整，更无法提供有效锚固力，更有甚者无法完成安装。契合度低锥壳，见图1（b）。

图1 锥度契合示意图

2.2.2 锚杆锚固头几何关系

胀壳锥度n1和胀裂锥体锥度n2的计算公式分别为：

式中:φ1为胀壳最大外径；φ2为胀壳与锥体最小内径；φ3为锥体最大外径；δ1为胀壳最小壁厚；δ2为锥体最小壁厚；l1为胀壳长度；l2为锥体长度。

当n1=n2，φ1=φ3，l1=l2时，胀壳与锥体契合度最高，相应可推出最小壁厚δ=δ1=δ2。

2.2.3 锚头最大膨胀量

设行程为x，则胀壳膨胀量为Δy为：

于是最大锚固行程x0和最大膨胀量Δy分别为：

由式（3）到（5）可知，当胀壳与锥体处于最佳契合时，胀壳式锚头膨胀量取决于最小壁厚。

当x=l1时，胀壳最小壁厚处最大值δmax，即

依照钻孔40 mm和锚杆直径18 mm计算，则有

此时锚固头锥体最大行程为：

胀壳式锚固头最大膨胀量为2δmax=8mm。

2.3 锚固头锚固力

通常在进行胀壳式锚杆的锚固力计算时大多采用R.斯蒂芬科所总结的计算公式[8]。

（1）当锚固体表面无摩擦时，有

（2）当锚固表面有摩擦时，有

式中：Tu为锚杆的锚固力；N为胀壳的瓣数；n为胀壳上的锯齿数；l为锯齿的平均长度；d为楔进深度；C0为岩石的单轴抗压强度；β为锯齿的半角，rad；α为胀壳的张开角度，rad；θ为插头楔销的半角，rad；φ1为插头与胀壳间的摩擦系数的反正切，rad；φ为岩石的内摩擦角。

通过上述公式能够发现，胀壳式锚杆锚固部分的直径与其能够提供的锚固力大小成正比；锚固头外部锯齿数量也与锚固力大小成正比。此外，锚固头所处围岩强度越高，在楔进同等深度的要求下，所需胀壳锚胀力越大，相应的锚固力也随之增大

2.4 锚固力与扭矩

机械式可回收锚杆在安装后会产生较大预警力，在整个安装流程当中，控制预警力大小尤为重要，这与支护质量的好坏紧密相关[9]。

在胀壳式锚杆当中所产生的预警力都来自于螺纹扭矩。在安装过程中，锚固头触及孔底，此时胀壳与孔壁相互挤压产生摩擦，两者相对静止。此时旋转杆体，螺紧胀裂椎体，椎体在胀壳中运动长度即为锚固段围岩压缩量与楔体沿胀壳内壁滑动量。设扭矩Mk，此时纵向轴力T为：

式中：f为钢材与钢材间摩擦系数；r1为胀壳的平均半径；r2为锚杆杆体螺纹的平均半径；α′为螺纹螺旋线上升角；ρ′为螺纹中的有效摩擦角。

对于单瓣胀壳的挤张力Q，设单瓣胀壳的张开角度为α，则有：

根据机械式端锚锚杆的锚固机理，当胀壳与围岩壁产生滑动失稳时，失稳前的载荷即为最大锚固力。锚杆的最大锚固力Tu为：

式中：fτp与锯齿数、锯齿的半角和围岩的抗压强度等有关，可根据现场拉拔试验由上式求得；N为比例系数,与接触面、螺纹形式、杆体直径等因素有关。

3 胀裂自锁锚杆结构设计

胀裂自锁可回收锚杆整体由可回收杆体、自锁连接机构、胀裂环、带螺母胀裂椎体四部分组成，见图2。

图2 胀裂自锁可回收锚杆整体结构图

3.1 可回收自锁杆体

除杆体首尾两端以外，整体为柱体，直径20 mm，在杆头部分设有凸起卡头，两侧卡头各自突出杆体4 mm，长为10 mm，宽4 mm。卡头用以配合自锁机构实现杆体锁死。在杆体尾部车有螺纹，用以安装托盘、垫片等设备。可回收自锁杆体结构，见图3。

图3 可回收自锁杆体图

3.2 自锁连接机构

自锁连接机构为该可回收锚杆核心部件，集安装、锁死、退锚回收功能于一体，左部圆柱型结构采用隼牟结构，中开圆孔，孔侧开槽，便于锚杆插入，中间部位设有左右走向轨道，用于卡死可回收杆体端头卡头，实现锁死。右部杆体端头设有螺纹，配合胀裂环与带螺母胀裂椎体实现锚固。自锁连接机构结构，见图4。

图4 自锁连接机构图

3.3 胀裂环

胀裂环整体为中空圆椎体，椎体四周呈90°分布不完全至底开槽，内径自底至顶逐渐增大，底部最小内径略大于自锁连接机构杆体部分，便于胀裂环套装，顶部最大内径大于胀裂锥体最小直径，使得胀裂椎体可随螺纹旋转进入胀裂环内部，逐步实现胀裂。胀裂环，见图5。

图5 胀裂环结构示意图

3.4 带螺母胀裂锥体

胀裂锥体整体呈锥形，内径不变，外径逐渐缩小，用以配合插入胀裂环中实现膨胀锚固，尾部带头螺母，随着与杆体螺纹不断拧紧，将锥体带入胀裂环中，螺纹方向与自锁杆体尾部螺纹方向相反，避免底部加装托盘时影响锚头锚固性。带螺母胀裂锥体，见图6。

图6 带螺母胀裂椎体

3.5 锚杆安装与回收

3.5.1 安装方法

（1）依据预先设计锚杆间排距，将要打锚杆预先标记，采用钻孔设备打好钻孔。

（2）对锚杆进行组装，将可回收自锁高强度杆体自锁卡头沿连接机构凹槽插入至卡头完全没入，沿内设轨道旋转至尽头后向外拉拔，卡槽将自锁卡头卡死，至此锚杆杆体组装完成。

（3）将胀裂环套装在自锁连接机构杆体上，后将胀裂锥体插入胀裂环中，利用可回收自锁高强度杆体将胀裂锥体与胀裂环一同平稳推入钻孔底部，使胀裂锥体与胀裂环相契合。

（4）使用工具拧紧胀裂环与胀裂锥体，再通过击打使其轴向移动至预先标记好的达标线范围，使胀套与孔壁紧密结合，结束初步锚固。

（5）上好托盘，通过力矩扳手拧紧螺母，完成最终锚固，结束安装。

3.5.2 杆体回收

使用扳手卸下托盘紧固螺母，向上托动，卡头脱离卡槽后沿着轨道从安装相反方向拧动可回收自锁高强度杆体，将自锁连接机构与可回收杆体部分脱离，卸下托盘，回收杆体与托盘[11]。

4 结语

胀裂自锁结构新型结构可回收锚杆的锚固头，采用胀壳技术，通过理论计算，确保设计之初锚固头部位可提供充足锚固力，在此基础上，通过新型自锁连接机构的使用，确保部分杆体的回收利用。新型自锁连接机构设计，采用了隼牟结构，在保证杆体连接稳定，牢固的基础上，进一步简化了安装使用流程，较一般可回收锚杆而言，胀裂自锁新型结构可回收锚杆操作简便，易安装，在提高工作效率同时增加成本回收率。