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论文题目综采工作面两顺槽锚杆回收技术研究 工程领域机械工程 硕 士 生刘小军 （签名） 指导教师张传伟（校内） （签名） 指导教师邓增社（校外） （签名） 摘 要 随着煤矿巷道支护改革的不断发展，锚杆支护的比重也在不断增加，我国煤矿每年 需新掘巷道约 35 万公里，每年使用锚杆应该在 2～3 亿套。常规的锚杆大都被作为一次 性消耗材料，极少回收复用，造成大量的钢材被遗留在井下，造成极大的浪费；而且， 回采巷道中煤体上遗留的锚杆会影响采煤机割煤效果，对采煤机设备和刀具有较大的损 害，容易引发安全生产事故。针这类问题，论文提出采用组合式中空螺旋钻对锚杆进行 取芯式回收的方案，主要开展以下工作 1）采用材料力学理论对钻杆的整体承载力进行校核，设计不同螺纹宽度和厚度的 钻杆； 2）采用 ANSYS 有限元软件对钻杆进行静力分析、振动分析及疲劳分析，进一步优 化钻杆的整体结构； 3） 设计不同截齿数的钻头， 创新性的对钻头内部进行防啃噬设计， 加装防啃内环。 4）通过钻杆与钻头的现场正交试验，优化出最优方案，完成中空螺旋钻的设计研 究。本论文的研究对于当前煤矿的降本增效具有重大理论和实践意义。 关键词综采工作面；锚杆；回收；中空螺旋钻；有限元软件 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject Research of Double Crossheading Bolt Recovery Technology on Comprehensive Mechanized Mining Face Specialty Mechanical Engineering NameLiu Xiaojun Signature InstructorZhang Chuanwei Signature InstructorDeng Zengshe Signature ABSTRACT With the continuous development of coal mine roadway support re, the proportion of bolt support is also increasing, New tunnels of coal mining are digged about 350000km every year in our country, which using anchors about 2300million sets per year.Conventional anchors are mostly used as one-off consumption materials, rarely be recovery reused, in that case, a large number of steels are left in the mine, which causes huge waste of resources. In addition, return roadway in coal on the legacy of the anchor rod can affect the coal-cutting effect of coal winning machine, which led to great damage of the coal mining machine equipment and the knife, easily cause a production safety accident. Aiming at this kind of problem, this paper puts forward a scheme of using the combined hollow screw drill to carry out the core recovery, mainly carry out the following work 1 Using material mechanics theory to check the drill pipe of the overall carrying capacity, and designing different width and thickness of the drill pipe; 2 Using ANSYS finite element software to start static analysis, vibration analysis and fatigue analysis of drill, and further optimizing the overall structure of the drill pipe; 3 Designing different number of teeth cut drill, using innovative way to carry on anti-nut design inside and installing the anti-nut inner ring; 4According to the orthogonal test of drill stem and drill bit, we can optimize the best project to finish the designing research of Hollow spiral drill. Our thesis will be of great theoretical and practical significance to the cost-saving and profit-increasing of coal mining at present. Keywords fully mechanized coal mining face bolt, recovery, hollow spiral drill, finite element software Thesis Application Research 万方数据 万方数据 目录 I 目 录 1 绪 论 ................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景及意义 ..........................................................................................................1 1.1.1 研究背景 ...............................................................................................................1 1.1.2 研究意义...............................................................................................................1 1.2 锚杆支护及回收技术研究现状 ...................................................................................2 1.2.1 锚杆支护技术的发展 ............................................................................................2 1.2.2 锚杆支护理论的发展 ............................................................................................3 1.2.3 锚杆杆体回收技术研究现状 ............................................................................................... 4 1.3 研究目标及技术路线 .................................................................................................................... 5 1.3.1 研究目标 ................................................................................................................................... 5 1.3.2 研究内容 ...............................................................................................................6 1.3.3 研究方法与技术路线 ............................................................................................6 2 回采巷道锚杆支护机理研究 ............................................................................................. 8 2.1 王村煤矿 14501 综采工作面概况 ...............................................................................8 2.2 锚杆支护基本理论与应用 ......................................................................................... 10 2.2.1 锚杆支护基本理论 .............................................................................................. 10 2.2.2 锚杆支护的作用机理 .......................................................................................... 13 2.2.3 煤帮加固机理分析 .............................................................................................. 14 2.3 本章小结 .................................................................................................................... 16 3 回采巷道帮部锚杆回收技术研究 ................................................................................... 17 3.1 帮部锚杆回收方法 .................................................................................................... 17 3.1.1 帮部可切割锚杆支护 .......................................................................................... 17 3.1.2 帮部可回收锚杆支护 .......................................................................................... 18 3.1.3 普通螺纹钢树脂锚杆支护 .................................................................................. 20 3.1.4 各类锚杆支护技术性能比较 .............................................................................. 20 3.2 回采巷道帮部锚杆回收机理 ..................................................................................... 21 3.2.1 巷道锚杆支护帮部稳定性分析判据 ................................................................... 21 3.2.2 回采巷道帮部锚杆锚固体变形分析 ................................................................... 21 3.3 回采巷道帮部锚杆回收位置分析 ............................................................................. 23 3.3.1 超前支承压力分布规律 FLAC3D 分析 ................................................................ 23 3.3.2 回采巷道锚杆回收位置分析 .............................................................................. 28 3.4 本章小结 .................................................................................................................... 28 4 锚杆回收机具设计与 ANSYS 仿真优化分析 ................................................................. 29 4.1 锚杆回收机具结构设计及强度校核.......................................................................... 29 4.1.1 锚杆回收机具结构设计 ...................................................................................... 29 4.1.2 组合式中空螺旋钻杆强度校核........................................................................... 31 4.2 组合式中空螺旋钻的 ANSYS 静力分析 .................................................................. 32 4.2.1 建模及计算 ......................................................................................................... 32 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 II 4.2.2 扭转作用下螺旋钻杆应力分布及变形分析 ....................................................... 33 4.2.3 扭转与横力组合作用下钻杆应力分布及变形分析 ............................................ 36 4.3 模态分析及疲劳分析 ................................................................................................. 41 4.3.1 振动模态分析 ..................................................................................................... 41 4.3.2 疲劳分析 ............................................................................................................. 43 4.4 本章小结 .................................................................................................................... 44 5 组合式中空螺旋钻现场试验与优化分析........................................................................ 45 5.1 回收点条件与回收试验准备 ..................................................................................... 45 5.1.1 回收点巷道断面特征及支护方式 ....................................................................... 45 5.1.2 现场试验样品汇总 .............................................................................................. 47 5.1.3 回收试验准备 ..................................................................................................... 53 5.2 钻杆参数的现场效果优化分析 ................................................................................. 54 5.2.1 试验方案 ............................................................................................................. 54 5.2.2 试验过程 ............................................................................................................. 54 5.2.3 效果评价 ............................................................................................................. 60 5.3 防啃内环的设计及应用效果分析 ............................................................................. 61 5.3.1 设计背景 ............................................................................................................. 61 5.3.2 设计原理 ............................................................................................................. 61 5.3.3 应用效果分析 ........................................................................................................................ 62 5.4 试验结论 .................................................................................................................... 63 5.5 本章小结 .................................................................................................................... 64 6 结 论 ............................................................................................................................... 65 参考文献 ............................................................................................................................. 66 致谢 ..................................................................................................................................... 68 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 锚杆支护是巷道支护的一次重大革命，锚杆可以起到加固围岩、悬吊、合成梁和挤 压连接体等作用，从而改变围岩体的受力状态和力学特性，不仅增加了岩石本身的稳定 程度，而且使被支护岩体由荷载变为承载体，由被动支护变为主动支护，提高了岩体承 载能力，能获得很好的支护效果。大量工程实践表明，锚杆支护具有用料节省、巷道断 面利用率高、支护及时、劳动强度小、经济效益高以及对巷道围岩变形的适应性好等诸 多优点。因而，井下巷道采用锚杆支护是一种行之有效的支护手段，已经成为世界主要 产煤国家煤矿巷道支护的主要形式，美国、澳大利亚的煤矿巷道普遍采用锚杆支护，其 支护比例己接近 100，英法两国煤巷的锚杆支护比例也分别达到了 50和 80以上。 我国锚杆支护技术的应用起始于上世纪 50 年代，当时有京西矿务局的矿井等矿采 用锲缝式锚杆支护井下巷道，进入 60 年代，除了用于矿井巷道支护外，已广泛用于铁 路隧道、边坡工程、水坝以及深基坑加固等诸多领域都采用锚杆锚固技术，并都取得了 显著的社会效益和经济效益。 随着煤矿巷道支护改革的不断发展，锚杆支护的比重也在不断增加，按照去年我国 煤炭产量 35 亿吨， 巷道掘进率 100m/万吨计算， 我国煤矿每年需新掘巷道约 35 万公里， 每年使用锚杆应该在 2～3 亿套。常规的锚杆大都被作为一次性消耗材料，极少回收复 用，造成大量的钢材被遗留在井下，造成极大的浪费；而且，回采巷道中煤体上遗留的 锚杆会影响采煤机割煤效果，对采煤机设备和刀具有较大的损害，容易引发安全生产事 故。针这类问题，国内外已研发出多种可回收锚杆和玻璃钢锚杆，但由于结构复杂、支 护可靠性差、成本较高、使用要求高等原因严重制约了该类锚杆的推广和发展。 1.1.2 研究意义 回采巷道显著的特点之一是巷道两帮为煤体。与岩石相比，一般情况下煤层比较松 软破碎， 两帮煤体的维护也十分重要。 同时， 靠采煤工作面一侧的煤帮要被采煤机切割， 如果采用金属锚杆护帮，锚杆会损坏采煤机滚筒和截齿，影响工作面正常生产，而且切 割时易产生火花，引起安全事故。研究开发针对普通螺纹钢锚杆杆体的回收技术，对使 用锚杆加固这项先进技术更好地服务于矿井安全生产，并有效解决其在支护工程使用中 存在的问题具有重要意义。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 本项目针对综采工作面两顺槽的锚杆回收利用技术进行研究，研发出一套能够满足 实际生产的快速有效的锚杆回收技术，在保证操作人员及设备安全的前提下，提高锚杆 回收速度，以保证井下工作面安全高效生产，项目完成后也将为锚杆的回收再利用、矿 山的绿色开采以及矿井的节能减排提供技术理论支撑。 1.2 锚杆支护及回收技术研究现状 1.2.1 锚杆支护技术的发展 （1）锚杆支护技术的发展 自从 19 世纪末期英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡起，随着锚杆支 护技术的不断改进和提高，锚杆支护理论的不断发展和完善，锚杆支护在国内外逐渐被 广泛应用于水利、交通、矿山等工程领域。1912 年，德国谢列兹矿最先用锚杆支护井下 巷道，20 世纪 40 年代，锚杆支护技术开始在西方发达国家得到系统的试验研究，50 年 代起便在世界许多国家的矿山、交通等领域的地下工程中得到了广泛的应用。 80 年代以后，矿井开采深度日益增加，巷道断面不断增大、压力增大、围岩变形严 重、巷道维护困难，原有的巷道支护方式难以满足巷道维护的要求，且支护费用高、施 工运输困难、掘进速度低，在这种情况下，各国纷纷寻求成本低、施工简单方便、控制 围岩变形效果较好的锚杆支护。美国和澳大利亚是目前几乎都用锚杆作为唯一的煤矿顶 板支护方式的国家，目前美国锚杆支护技术最成熟，锚杆使用数量最多，每年锚杆使用 量在 8000 万根以上，每年有 25000km 的煤巷使用锚杆支护。 我国在二十世纪 50 年代中期就开始应用锚杆支护技术，当时主要采用机械式金属 锚杆，锚杆支护发展比较缓慢；60 年代初研制了压缩木锚杆，在一定程度上促进了锚杆 支护技术的发展；“九五”期间，原煤炭部把在煤巷推广锚杆支护技术作为我国煤炭行业 继推广综合机械化采煤以后的第二次重大支护技术改革和我国实现高产高效的关键技 术之一，开展了一些专题研究工作，在攻关研究的基础上，在我国煤矿大力推广煤巷锚 杆支护技术。在锚杆支护技术方面，相继成功研发试验了快硬水泥锚杆、管缝式锚杆、 可拉伸锚杆、树脂锚杆、组合锚杆和桁架锚杆、内注浆锚杆等，并在国内各大矿区广泛 推广应用，取得了显著的技术经济效益。 （2）锚杆的分类及其特性 现有锚杆按锚固长度可划分为两大类，即集中（端头）锚固类锚杆和全长锚固类锚 杆[1]。集中锚固类锚杆和全长锚固类锚杆按锚固方式的不同又可分为三种形式，即机械 锚固型、粘结锚固型和混合锚固型。根据上述分类方法，现有的主要类型锚杆分类如图 1.1 和图 1.2 所示 万方数据 1 绪 论 3 图 1.1 集中锚固类锚杆分类 图 1.2 全长锚固类锚杆分类 集中锚固类锚杆是由锚杆的张拉力挤压岩体， 约束岩体变形从而提高围岩强度及改 变其受力状态，一般地说，这类锚杆对锚固点要求比较高，整体结构的岩体及块状结构 的岩体、围岩自稳性较好、松动圈 400～1 000 mm 且不受采动影响的中等断面巷道，宜 用集中类锚杆。 全长锚固类锚杆多是在围岩绝对变形或锚孔壁岩石与锚杆相对变形时，起约束剪应 力及横向变形作用，在围岩稳定性差，松动圈1 m，服务年限 10 a 以上的巷道或大断面 硐室适宜采用。 机械型锚杆作用的实质是围岩变形时，锚固装置和锚孔壁接触面产生摩擦阻力约束 围岩变形，摩擦阻力大小主要取决于锚孔壁岩石的强度，当围岩自稳性较好时，可选用 机械型锚杆。 粘结型锚杆的锚固机理是利用胶结材料把杆体部分或全长与锚孔壁粘结成整体，达 到端锚或全长锚固的目的， 锚固力的大小， 主要取决于粘结力或胶结材料固化后的强度， 在围岩整体性不是很好的情况或有三级以上岩石结构面的块状结构岩体较适宜采用。 1.2.2 锚杆支护理论的发展 巷道保护手段伴随着矿井生产环境的不断变化，其技术能力取得了长足的进步，从 最初的仅仅依靠木头支护模式，经历了砌碹支护模式以及型钢支护模式，到如今常见的 锚杆支护模式。随着锚杆支护工程实践的不断丰富，适用于各种围岩条件下的各种锚杆 支护理论相继被提出并逐步得到发展和完善。 目前，国内较成熟的锚杆支护理论主要可归纳为 3 大类[2]一是基于锚杆的悬吊作 用而提出的悬吊理论、 减跨理论等； 二是基于锚杆的挤压、 加固作用提出的组合梁理论、 组合拱理论以及楔固理论等；三是综合锚杆各方面的作用而提出的松动圈支护理论、锚 固体强度强化理论、锚注理论、最大水平应力理论以及锚杆桁架支护理论等。 膨胀锚杆 木锚杆 管缝锚杆 膨胀水泥锚杆 柔性注压锚杆 机 械 型 粘 结 型 全长树脂锚杆 钢筋砂浆锚杆 全长锚固类锚杆 全长水泥锚杆 混 合 型 内锚外注型锚杆 竹锚杆 扩头地锚 机械可回收锚杆（涨壳型） 沙结固预应力锚杆 螺旋锚片锚杆 压力分散型锚杆 机 械 型 粘 结 型 水泥锚杆 树脂锚杆 集中锚固类锚杆 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 不同的支护理论的出发点及适用情况不同，总结起来锚杆支护与其他支护方式相比 的支护机理和突出优点主要有以下几个方面 （1）提高围岩的整体强度 锚杆支护就是将锚杆嵌入岩体之中， 将锚杆与岩体整合， 可不同程度地提高其强度、 弹性模量、黏聚力和内摩擦角等力学参数，改善发生塑性变形和破碎煤岩的力学性质， 显著提高其屈服后的强度，改变屈服后煤岩变形特性，有效的提高支护的整体性能[3]； 作为一个整体结构，其稳定性、坚固性方面，就可以大幅度提升，安全就有了保障。 （2）对不稳定岩层的保护作用 围岩内存在各种节理、层理、裂隙等不连续面，这些结构面的分布与强度对煤岩体 的整体强度影响很大[4]。在进行锚杆支护时，会由于锚杆提供的轴向力与切向力，在岩 层之中形成一种压缩岩梁的构成，对层状岩体的离层起到阻挠作用，同时也增强岩层之 间的相互摩擦，辅助于锚杆的抗剪性能，就可以有效的阻止岩层之间的相对滑动，从而 提升了节理煤岩体的整体强度、完整性与稳定性，形成安全可靠地巷道保护。 （3）改变围岩的受力状态 巷道开挖以后， 应力状态发生很大变化， 出现受拉与受剪的区域。 锚杆支护的使用， 给围岩施加一定的压应力，使岩体形成一个整体构成，此时就改变了巷道岩壁、顶板的 受力状态，原有的两个方向的受力情况就转变为三个方向的受力现状[5]，可以很大程度 的提升岩体自身的承载力，致使巷道安全而可靠。 1.2.3 锚杆杆体回收技术研究现状 （1）可回收锚杆的回收 在可回收锚杆的研究方面，新汶矿务局华丰煤矿郑珍修研制的矿用可拆卸锚杆回收 率高达 96％，取得了良好的经济和社会效益。兑镇煤矿 31113 综放面切眼顶板为泥岩、 石灰岩，顶锚杆选用胀套式锚杆长 1.9m，锚杆间距 0.76m，排距 0.75m，提高了安装工 作面支架的速度和质量，大幅度降低了优质坑木消耗，减少了原材料搬运，大大减轻了 工人劳动强度， 有利于安全生产。 苏州市能工基础工程有限责任公司的王立明、 施鸣升、 徐雷云等人开发设计的回转型可回收扩大头锚杆；重庆大学建筑工程学院针对回采巷道 特点，研究设计了一种新型的可回收锚杆，根据巷道围岩压力大小、可采用单、双锚头 结构型式，经现场应用证明是成功的，锚杆回收率可达 75％90％；北京市第三城市建 设工程公司的握线式可回收锚杆等产品都取得了成功的应用。随着研究的深入，单一的 金属材质锚杆已经不能满足众多领域对锚杆的需求，因此，许多科研单位开发研究了玻 璃钢锚杆，济南金利德机械有限公司研发的液压往复式玻璃钢锚杆，已经在山东、安徽 等地多个煤矿安装使用，使用效果良好，有效降低了帮部采煤对截割头的损伤。此外， 山东省鑫隆机械厂、无锡市可普瑞商贸有限公司也开发研制了类似的玻璃钢锚杆，现场 万方数据 1 绪 论 5 使用效果较好。 上述研究成果大多还停留于专利设计阶段，在成果转化方面仍需要进一步深入研究， 到目前，尚未大面积推广应用。 （2）普通螺纹钢锚杆的回收 在普通螺纹钢锚杆的回收机具研究方面，山西潞安矿务局漳村煤矿的王志清、万世 文、王标等提出了“扩孔剥离回收方式”，并对回收机具的结构进行了初步的设计。山东 交通学院的张庆云、王延明、陈永正等设计了 TMQl5-300/60 型退锚器，阐述了退锚器 的结构及工作原理。永煤集团车集煤矿的刘利平[6]设计了一种由空心钻头和空心麻花钻 杆组成的锚杆回收机具，经现场试验回收效果良好强。新汶汶南矿设计的 GMH1 型 锚杆回收机由钎尾、钻杆和钻头组成，方法相比操作简便、回收复用率高，可年创经济 效益30万元。 淮北矿业集团石台煤矿的王艳功设计了一套回收煤巷帮锚杆的回收机具， 现场试验效果良好。山西焦煤集团镇城底矿的丰立武设计了筒形钻杆，解决了帮锚杆无 法回收的难题。山西凌志达煤业有限公司赵庆枝、刘旭明等设计的注水排粉型的轻型回 收锚杆钻具试验取得成功，经济效益明显。焦作工学院的郭军杰、侯永勃、孙玉宁等设 计了一种回收扳手，经现场测试回收率较高。 平朔公司高剑峰设计了由锁扣、拉绳和张紧器为主要组成部分的金属锚杆主动回收 工具，使用时先将距工作面最近的一排锚杆的托盘进行拆除并分别与锚杆回收工具的一 端固定，并施加 80120N 的拉紧力，在采煤机滚筒破坏了前方锚固体后，锚杆会被固定 在顺槽里的回收工具从煤壁中拉到顺槽里，在平朔公司 49204 工作面试验之后，实现了 对巷帮金属锚杆进行主动回收的目的，但这种方法对作业安全很难保证，而且对端头作 业影响大。 另外，山西焦煤集团尹根成[7]、陈素斌、卢小波，山东新汶矿业集团汶南煤矿的金 焕章，山西阳煤集团的刘润身[8]，山东新汶矿业集团的石学让、徐方军，煤炭科学研究 总院唐山分院的王永申、张士凯、马善述，山东淄博沂源鲁村煤矿的魏列法[9]、尚绪友 分别设计了锚杆回收装置，并且取得了实用新型专利。 1.3 研究目标及技术路线 1.3.1 研究目标 本项目根据综采工作面顺槽锚杆支护方案及井下实际条