高强度超高强度锚杆支护系统的技术经济分析

高强度超高强度锚杆支护系统的技术经济分析

高强度、高强度营销系统在提高道路维护效果、确保道路安全、简化开采和开采段头维修技术等方面具有明显的优势。有利于采矿区的快速发展，充分发挥矿山的高产、稳产。目前,高强度锚杆支护技术已在国内外得到普遍应用,取得了巨大的技术经济效益。然而我国现用金属锚杆结构普遍不合理,导致锚杆支护巷道存在安全隐患和经济上的浪费。主要表现在如下两个方面:第一,锚杆整体延伸量小,不能很好适应围岩的变形,经常发生尾部断裂失效;第二,锚杆材料的有效利用率低,浪费了大量的金属材料。因此,如何合理设计锚杆结构,使其具有良好的技术经济性能,是煤矿巷道支护中急需解决的重大生产技术难题。一、锚杆抗拉受力分析目前我国使用的金属锚杆一般都用螺纹钢钢筋加工而成:首先将符合设计要求的螺纹钢钢筋按锚杆长度需要截割成设计长度,再将钢筋一端(长度100mm)切削成圆,最后在切削成圆的锚尾上滚压螺纹制造出锚杆。这样加工后锚杆尾部部分的螺纹外经与杆体的公称直径相等,但是内径比杆体公称直径小11%～13%(见表1),截面面积小20～22%(见表2)。由于锚杆的极限载荷取决于整根杆体中最薄弱部分的承载能力,所以这种普通螺纹钢钢筋锚杆的材料(强度)浪费超过20%;同时,由于锚杆尾部破断载荷较小,在尾部发生破断时往往达不到螺纹钢钢筋的屈服载荷,锚杆杆体部分不能产生延伸,降低了锚杆的整体延伸率,这样不能有效地适应和控制围岩变形,给巷道支护安全带来隐患。为了解决这一问题,人们积极发展等强锚杆,即使锚尾极限承载力等于锚杆杆体部分的极限承载力。主要有两种方法,一种方法是应用精轧右旋螺纹钢钢筋锚杆,配合特制螺母制成等强锚杆,它不需要象普通螺纹钢钢筋锚杆那样专门加工锚尾,保证了锚杆整个长度上强度的一致,但因存在锚杆右旋螺纹不利于搅拌树脂锚固剂、螺纹升角过大螺母不易拧紧,且容易松动以及成本高等缺陷,没有被广泛推广应用;另一种方法是将普通螺纹钢钢筋锚杆尾部螺纹部分进行热处理,使锚尾部分的抗拉强度大于杆体部分,但是,由于这种方法引起锚尾脆性加大,在井下实际应用过程中却更容易破断。二、采用密闭式锚杆两端结构新型金属粗尾锚杆(专利号:ZL99216921.6)是由左旋螺纹钢钢筋经过特殊加工而成的,其结构如图1所示。这种锚杆尾部螺纹直径大于锚杆杆体公称直径3～4mm,保证当锚杆达到屈服极限时锚杆尾部螺纹部分不破坏,使杆体的强度和延伸率都得到了充分发挥。实验室常规拉伸试验和原煤炭部锚杆检测中心锚杆成型产品性能检测试验结果(见表3)表明,粗尾锚杆的力学性能普遍优于其它各类锚杆,具体表现在:1.粗尾锚杆屈服极限与破断载荷我国目前金属锚杆最常用的规格是公称直径20mm的杆体,当杆体材料为A3圆钢时,粗尾锚杆的屈服极限与破断载荷分别较普通锚杆提高56%和61%;当锚杆材料为20MnSi螺纹钢时,粗尾锚杆的屈服极限与破断载荷比普通锚杆高13%和24%。2.力状态下锚杆两端延伸率得到改善因杆体与杆尾为同一材质,因此在受复杂应力状态情况下,其内在晶质结构不会发生任何突变,且因锚杆尾部破断载荷大大高于杆体的屈服极限,因此其延伸率得到明显改善。3.同样，锚尾很难首先破裂锚杆整个自由段的延伸率都能充分发挥,克服了普通锚杆尾部破断载荷过低,在锚杆杆体发生屈服前就断裂的缺陷。4.经济的优越性金属粗尾锚杆除具有优良的可延伸防破断性能外,在相同破断力条件下,比普通金属锚杆节约成本20%以上。三、硬臂金属喷雾剂和设备金属粗尾锚杆成型工艺流程如图2所示。金属粗尾锚杆成型设备主要包括:锚杆钢筋杆体输送机、中频加热系统、锚尾墩粗系统、自动控制系统等。1.杆体停留时间时间它是用来陆续把螺纹钢杆体送进加热装置的设备。为了达到良好的加热效果,杆体在中频加热装置中应该停留一定时间。因此设计用链传动,链条在气缸的驱动下带动钢筋杆间歇运动通过加热装置。2.可控硅中小型电源装置中频加热系统所使用的是可控硅中频电源装置,功率为100kW,频率为2.5kHz。它是一种把三相工频电源转换为单相中频电源的晶闸管静止变频装置。可控硅中频电源装置的控制电路部分采用数字集成电路,它同分立元器件电路及单片机电路相比具有线路简单、先进、抗干扰能力强、运行稳定、调试维修方便等特点。可控硅中频电源装置具有在满负荷状态下频繁启动功能,启动成功率100%。3.锚尾墩粗装置锚尾墩粗是金属粗尾锚杆生产制作流程中的中心环节,这一过程是在锚尾墩粗装置中完成的。锚尾墩粗装置是立式结构。主要包括夹紧装置和挤压装置。通过电动机驱动油泵,将电能转化成机械能,为锚尾墩粗工作提供动力。液压系统在PLC控制下协同完成锚尾墩粗的动作。4.粗尾锚杆生产线控制系统主要用于控制成型设备的动作。成型设备的动作采用手动/自动两套系统控制,其中自动系统的核心是采用了一个由国外进口的PLC,使其操作更精确。滚丝加工是现在比较成熟的工艺,粗尾锚杆成型的最后一道工序是用滚丝机滚压锚杆尾部的螺纹,再配上标准螺母即完成了金属粗尾锚杆的整个生产过程。第一套金属粗尾锚杆生产线于2003年11月在平煤集团调试成功,其小时生产能力为150根锚杆。在相同承载能力的条件下,每根金属粗尾锚杆的综合成本比普通金属锚杆减少15%左右,取得了良好的技术经济效益。四、金属粗尾锚杆我国现用金属锚杆结构普遍不合理,导致锚杆支护巷道存在安全隐患和经济上的浪费。新型金属