高強度超高強度錨桿支護系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟分析

高強度超高強度錨桿支護系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟分析

高強度、高強度營銷系統(tǒng)在提高道路維護效果、確保道路安全、簡化開采和開采段頭維修技術(shù)等方面具有明顯的優(yōu)勢。有利于采礦區(qū)的快速發(fā)展，充分發(fā)揮礦山的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。目前,高強度錨桿支護技術(shù)已在國內(nèi)外得到普遍應(yīng)用,取得了巨大的技術(shù)經(jīng)濟效益。然而我國現(xiàn)用金屬錨桿結(jié)構(gòu)普遍不合理,導(dǎo)致錨桿支護巷道存在安全隱患和經(jīng)濟上的浪費。主要表現(xiàn)在如下兩個方面:第一,錨桿整體延伸量小,不能很好適應(yīng)圍巖的變形,經(jīng)常發(fā)生尾部斷裂失效;第二,錨桿材料的有效利用率低,浪費了大量的金屬材料。因此,如何合理設(shè)計錨桿結(jié)構(gòu),使其具有良好的技術(shù)經(jīng)濟性能,是煤礦巷道支護中急需解決的重大生產(chǎn)技術(shù)難題。一、錨桿抗拉受力分析目前我國使用的金屬錨桿一般都用螺紋鋼鋼筋加工而成:首先將符合設(shè)計要求的螺紋鋼鋼筋按錨桿長度需要截割成設(shè)計長度,再將鋼筋一端(長度100mm)切削成圓,最后在切削成圓的錨尾上滾壓螺紋制造出錨桿。這樣加工后錨桿尾部部分的螺紋外經(jīng)與桿體的公稱直徑相等,但是內(nèi)徑比桿體公稱直徑小11%～13%(見表1),截面面積小20～22%(見表2)。由于錨桿的極限載荷取決于整根桿體中最薄弱部分的承載能力,所以這種普通螺紋鋼鋼筋錨桿的材料(強度)浪費超過20%;同時,由于錨桿尾部破斷載荷較小,在尾部發(fā)生破斷時往往達(dá)不到螺紋鋼鋼筋的屈服載荷,錨桿桿體部分不能產(chǎn)生延伸,降低了錨桿的整體延伸率,這樣不能有效地適應(yīng)和控制圍巖變形,給巷道支護安全帶來隱患。為了解決這一問題,人們積極發(fā)展等強錨桿,即使錨尾極限承載力等于錨桿桿體部分的極限承載力。主要有兩種方法,一種方法是應(yīng)用精軋右旋螺紋鋼鋼筋錨桿,配合特制螺母制成等強錨桿,它不需要象普通螺紋鋼鋼筋錨桿那樣專門加工錨尾,保證了錨桿整個長度上強度的一致,但因存在錨桿右旋螺紋不利于攪拌樹脂錨固劑、螺紋升角過大螺母不易擰緊,且容易松動以及成本高等缺陷,沒有被廣泛推廣應(yīng)用;另一種方法是將普通螺紋鋼鋼筋錨桿尾部螺紋部分進(jìn)行熱處理,使錨尾部分的抗拉強度大于桿體部分,但是,由于這種方法引起錨尾脆性加大,在井下實際應(yīng)用過程中卻更容易破斷。二、采用密閉式錨桿兩端結(jié)構(gòu)新型金屬粗尾錨桿(專利號:ZL99216921.6)是由左旋螺紋鋼鋼筋經(jīng)過特殊加工而成的,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種錨桿尾部螺紋直徑大于錨桿桿體公稱直徑3～4mm,保證當(dāng)錨桿達(dá)到屈服極限時錨桿尾部螺紋部分不破壞,使桿體的強度和延伸率都得到了充分發(fā)揮。實驗室常規(guī)拉伸試驗和原煤炭部錨桿檢測中心錨桿成型產(chǎn)品性能檢測試驗結(jié)果(見表3)表明,粗尾錨桿的力學(xué)性能普遍優(yōu)于其它各類錨桿,具體表現(xiàn)在:1.粗尾錨桿屈服極限與破斷載荷我國目前金屬錨桿最常用的規(guī)格是公稱直徑20mm的桿體,當(dāng)桿體材料為A3圓鋼時,粗尾錨桿的屈服極限與破斷載荷分別較普通錨桿提高56%和61%;當(dāng)錨桿材料為20MnSi螺紋鋼時,粗尾錨桿的屈服極限與破斷載荷比普通錨桿高13%和24%。2.力狀態(tài)下錨桿兩端延伸率得到改善因桿體與桿尾為同一材質(zhì),因此在受復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)情況下,其內(nèi)在晶質(zhì)結(jié)構(gòu)不會發(fā)生任何突變,且因錨桿尾部破斷載荷大大高于桿體的屈服極限,因此其延伸率得到明顯改善。3.同樣，錨尾很難首先破裂錨桿整個自由段的延伸率都能充分發(fā)揮,克服了普通錨桿尾部破斷載荷過低,在錨桿桿體發(fā)生屈服前就斷裂的缺陷。4.經(jīng)濟的優(yōu)越性金屬粗尾錨桿除具有優(yōu)良的可延伸防破斷性能外,在相同破斷力條件下,比普通金屬錨桿節(jié)約成本20%以上。三、硬臂金屬噴霧劑和設(shè)備金屬粗尾錨桿成型工藝流程如圖2所示。金屬粗尾錨桿成型設(shè)備主要包括:錨桿鋼筋桿體輸送機、中頻加熱系統(tǒng)、錨尾墩粗系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等。1.桿體停留時間時間它是用來陸續(xù)把螺紋鋼桿體送進(jìn)加熱裝置的設(shè)備。為了達(dá)到良好的加熱效果,桿體在中頻加熱裝置中應(yīng)該停留一定時間。因此設(shè)計用鏈傳動,鏈條在氣缸的驅(qū)動下帶動鋼筋桿間歇運動通過加熱裝置。2.可控硅中小型電源裝置中頻加熱系統(tǒng)所使用的是可控硅中頻電源裝置,功率為100kW,頻率為2.5kHz。它是一種把三相工頻電源轉(zhuǎn)換為單相中頻電源的晶閘管靜止變頻裝置?？煽毓柚蓄l電源裝置的控制電路部分采用數(shù)字集成電路,它同分立元器件電路及單片機電路相比具有線路簡單、先進(jìn)、抗干擾能力強、運行穩(wěn)定、調(diào)試維修方便等特點?？煽毓柚蓄l電源裝置具有在滿負(fù)荷狀態(tài)下頻繁啟動功能,啟動成功率100%。3.錨尾墩粗裝置錨尾墩粗是金屬粗尾錨桿生產(chǎn)制作流程中的中心環(huán)節(jié),這一過程是在錨尾墩粗裝置中完成的。錨尾墩粗裝置是立式結(jié)構(gòu)。主要包括夾緊裝置和擠壓裝置。通過電動機驅(qū)動油泵,將電能轉(zhuǎn)化成機械能,為錨尾墩粗工作提供動力。液壓系統(tǒng)在PLC控制下協(xié)同完成錨尾墩粗的動作。4.粗尾錨桿生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要用于控制成型設(shè)備的動作。成型設(shè)備的動作采用手動/自動兩套系統(tǒng)控制,其中自動系統(tǒng)的核心是采用了一個由國外進(jìn)口的PLC,使其操作更精確。滾絲加工是現(xiàn)在比較成熟的工藝,粗尾錨桿成型的最后一道工序是用滾絲機滾壓錨桿尾部的螺紋,再配上標(biāo)準(zhǔn)螺母即完成了金屬粗尾錨桿的整個生產(chǎn)過程。第一套金屬粗尾錨桿生產(chǎn)線于2003年11月在平煤集團調(diào)試成功,其小時生產(chǎn)能力為150根錨桿。在相同承載能力的條件下,每根金屬粗尾錨桿的綜合成本比普通金屬錨桿減少15%左右,取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。四、金屬粗尾錨桿我國現(xiàn)用金屬錨桿結(jié)構(gòu)普遍不合理,導(dǎo)致錨桿支護巷道存在安全隱患和經(jīng)濟上的浪費。新型金屬