礦用自解鎖錨索鎖具研究應(yīng)用

宋 清 生

（霍州煤電汾河焦煤公司億隆煤業(yè)，山西 洪洞041600）

1 錨索鎖具現(xiàn)狀分析

目前煤礦使用錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)主要由錨索、托板、鎖具和調(diào)心球墊組成。施工過程中，首先將錨索插入頂板施工好的錨索鉆孔，待鉆孔中錨固劑錨固后，依次在錨索中套入托板、調(diào)心球墊和錨索鎖具。然后使用錨索張拉機(jī)張拉錨索，使錨索產(chǎn)生一定的彈性變形和預(yù)緊力，張拉完畢后，通過錨索的彈性回縮和鎖具中間鍥形鎖芯的自鎖功能鎖緊錨索，從而達(dá)到錨索支護(hù)的作用[1,2]。

目前常用錨索鎖具只有鎖緊功能，不能實(shí)現(xiàn)解鎖功能。錨索退錨器由油泵、高壓油管總成、錨索拉拔器組成。錨索拉拔器可以夾緊錨索，通過高張拉力拉出錨索，人工去掉鎖芯，從而實(shí)現(xiàn)退錨的功能[3,4]。鑒于以上原因，通過對(duì)鎖具力學(xué)分析，針對(duì)煤礦井下錨索退錨困難、效率低的問題，對(duì)礦用自解鎖錨索鎖具進(jìn)行了研究并應(yīng)用。

2 鎖具結(jié)構(gòu)分析

目前常用錨索鎖具結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，鎖具由外部鎖體和內(nèi)部鎖芯組成。鎖體呈圓柱狀，內(nèi)部開設(shè)圓臺(tái)孔。鎖芯由三個(gè)鍥形鎖片組成，鎖芯內(nèi)部加工成齒狀，有利于加緊錨索。一方面該鎖具只有鎖緊功能，不能實(shí)現(xiàn)解鎖功能，另一方面，近些年來，隨著開采深度的增加，巷道圍巖應(yīng)力隨著增大，錨索端部破斷崩出現(xiàn)象呈逐年增加趨勢(shì)，給煤礦安全生產(chǎn)帶來很大的安全隱患，該鎖具沒有防錨索崩斷功能。

圖1 鎖具結(jié)構(gòu)示意圖

調(diào)心球墊如圖2 所示，鎖具本身沒有調(diào)心功能，配合調(diào)心球墊使用實(shí)現(xiàn)調(diào)心功能。

圖2 錨索鎖具及調(diào)心球墊

圖3 錨索退錨器

錨索退錨器如圖3 所示，退錨器由油泵（手動(dòng)、氣動(dòng)油泵）、高壓油管總成、錨索拉拔器組成。錨索拉拔器可以夾緊錨索，通過高張拉力拉出錨索，人工去掉鎖芯，從而實(shí)現(xiàn)退錨的功能。退錨過程中主要存在以下問題：

1）隨著開采深度的增加，圍巖應(yīng)力增大，錨索受力隨之增大，拉伸變形嚴(yán)重，由于目前情況下錨索退錨器提供拉力有限，且錨索已經(jīng)沒有足夠拉伸空間，造成退錨十分困難，隨著退錨器中油壓不斷增大以后，還可能造成油管破裂、錨索崩斷傷人等安全隱患。

2）隨著高強(qiáng)度錨索的應(yīng)用，導(dǎo)致錨索退錨器退錨更加困難，同時(shí)也增加了高應(yīng)力狀態(tài)下人員施工的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3）在生產(chǎn)過程中，許多錨索端部被超前段支架、掘進(jìn)機(jī)、運(yùn)輸系統(tǒng)等破壞嚴(yán)重，使得錨索退錨器無法夾持住錨索，造成無法退錨。從而導(dǎo)致錨索退錨器可靠性下降，退錨速度較慢，退錨效率不高。

3 自解鎖錨索鎖具研究

3.1 新型自解鎖錨索鎖具結(jié)構(gòu)及操作方法

新型自解鎖錨索鎖具由鎖體和鎖芯構(gòu)成，鎖芯仍為原鎖芯結(jié)構(gòu)，鎖體主要由套筒、調(diào)心底座和鎖芯槽組成，如圖4 所示。

圖4 配合拱形托板可調(diào)心鎖具

1）套筒：套筒外部呈六角形狀，是退錨時(shí)由風(fēng)動(dòng)扳手或手動(dòng)扳手夾持位置。套筒內(nèi)部中空，下部?jī)?nèi)側(cè)有螺紋，用于和調(diào)心底座連接。上部套筒孔呈圓臺(tái)狀，孔壁與垂直方向呈10夾角，一方面可以卡住鎖芯槽，保證鎖芯槽不會(huì)移動(dòng)，另一方面，減小退錨時(shí)套筒向下移動(dòng)的阻力，易于退錨。同時(shí)，在錨索安裝完成后，套筒上部為主要受力部位，設(shè)置10的夾角很好的保證了上部套筒壁的厚度，充分發(fā)揮了材料的作用，保證鎖具的強(qiáng)度。在錨索工作中，主要承受由鎖芯傳遞的水平方向的力，人工使用扳手既可將套筒從鎖具上擰下。如果錨索端部被破壞（撞開花），套筒也可以順著錨索慢慢拉出。

2）鎖芯槽：由兩部分組合而成，整體呈圓臺(tái)狀，中部開設(shè)圓臺(tái)孔，可自由從中間分開。固定在底座與套筒之間，錨索工作中主要承受鎖芯傳遞的力，垂直方向受力傳遞給底座，水平方向受力傳遞給套筒。

3）防墜環(huán)：近圓環(huán)狀，兩邊帶有圓孔，由套筒和調(diào)心底座夾持固定，使用鐵絲穿過圓孔將鎖具拴在巷道表面金屬網(wǎng)上，防止錨索端部破斷飛出傷人。

4）底座：下部呈近圓弧裝，可以起到錨索調(diào)心作用。中空，用于穿過錨索。上部開設(shè)有螺紋，用于與套筒完成連接。錨索工作狀態(tài)下，垂直方向受力主要傳遞到底座，使得底座與錨索托板緊密接觸，在退錨時(shí)可以保證擰轉(zhuǎn)套筒時(shí)底座可以保持固定狀態(tài)，從而順利完成退錨工作。

5）鎖芯：仍使用原鎖芯結(jié)構(gòu)。

操作流程：①完成鎖具組裝工作，使其成為一個(gè)整體。②將錨索插入頂板施工好的錨索鉆孔，待鉆孔中錨固劑凝固后，依次套入托板和鎖具（鎖芯），進(jìn)行錨索張拉、固定，完成錨索安裝工作。③使用鐵絲穿過圓孔將鎖具拴在巷道表面金屬網(wǎng)上，防止錨索端部破斷飛出傷人。④退錨時(shí)，使用風(fēng)動(dòng)扳手或手動(dòng)扳手?jǐn)Q轉(zhuǎn)鎖具套筒，直至套筒擰出。套筒擰出后，鎖芯槽分離為兩半，錨索鎖具已經(jīng)沒有承載能力，此時(shí)收回鎖具和錨索托盤，完成退錨工作。

3.2 自解鎖錨索鎖具應(yīng)用

新型礦用自解鎖錨索鎖具彌補(bǔ)了普通錨索鎖具無法自解鎖的缺陷，在沒有錨索退錨器等外部專業(yè)設(shè)備的情況下，可以通過井下扳手實(shí)現(xiàn)解鎖、退錨功能。將錨索鎖具和調(diào)心球墊合為一體，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)心功能，減少構(gòu)件加工和現(xiàn)場(chǎng)操作工序，降低錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)成本及現(xiàn)場(chǎng)施工難度。使用鐵絲穿過圓孔將鎖具拴在巷道表面金屬網(wǎng)上，防止錨索端部破斷飛出傷人。根據(jù)鎖具各部件受力條件，合理分配材料和設(shè)計(jì)角度，在保證鎖具承載能力的條件下保障退錨的可靠性與易操作性。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件要求較低，錨索端部被撞歪、撞散的情況下仍可以正常退錨，避免了錨索端部無法傳入錨索退錨器而導(dǎo)致無法退錨現(xiàn)象的發(fā)生。大大提高錨索退錨效率和退錨成功率，使煤礦回采工作面端頭頂板及時(shí)跨落，減小工作面端頭圍巖應(yīng)力和工作面上、下隅角瓦斯聚集區(qū)面積，提高工作面端頭頂煤回收率，促進(jìn)煤礦安全高效開采。

4 效果分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

億隆煤業(yè)1-102 工作面以西為1-1022 巷工作面及1-101 回采工作面，以東為設(shè)計(jì)回采面，北部為皮帶下山巷與回風(fēng)下山巷。南部為采區(qū)井田邊界萬安斷層。工作面平均進(jìn)尺為12m/d，所采煤層平均厚度為1.675m。102 工作面采用新型自解鎖錨索鎖具取得了良好的應(yīng)用效果。

據(jù)粗略估計(jì)，億隆煤業(yè)井下工作面采用以上新型自解鎖錨索鎖具，省去調(diào)心球墊，按照目前調(diào)心價(jià)格計(jì)算，每年可節(jié)約材料成本約3 萬元。大大減輕上下隅角治理難度，可節(jié)約人工及材料成本8.5 萬元/年。

4.2 社會(huì)效益分析

此自解鎖錨索鎖具的應(yīng)用，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)安全生產(chǎn)，社會(huì)效益顯著。目前，煤礦井下采巷道大多采用了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式，而回采期間退錨困難已經(jīng)成為當(dāng)下煤炭生產(chǎn)過程中一個(gè)共性和困難的問題。此成果的應(yīng)用，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)安全生產(chǎn)，一經(jīng)推廣，必將具有良好的推廣前景。

5 結(jié)束語

1）使鎖具自身具有調(diào)心功能，淘汰目前所使用的調(diào)心球墊，減少構(gòu)件加工和現(xiàn)場(chǎng)操作工序，降低錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)成本及現(xiàn)場(chǎng)施工難度。

2）實(shí)現(xiàn)錨索自解鎖功能，在沒有錨索退錨器等外部專業(yè)設(shè)備的情況下，可以通過風(fēng)動(dòng)扳手實(shí)現(xiàn)解鎖、退錨功能。解決錨索端部破壞嚴(yán)重、錨索受力較大等條件下無法退錨及退錨時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)較大的問題，保障煤礦回采工作面上下隅角頂板及時(shí)跨落，促進(jìn)煤礦安全高效生產(chǎn)。

3）加設(shè)防錨索崩斷裝置，避免錨索破斷受鎖具及端部飛出傷人事故的發(fā)生，促進(jìn)煤礦生產(chǎn)安全。