CN103590845A - 一种防冲击间隔注浆锚索及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防冲击间隔注浆锚索及其使用方法，包括单向注浆阀、中空注浆钢铰线、弧形锚环、滑动让压收缩环、锥形止浆塞、分段密封塞，滑动让压收缩环安装在弧形锚环和锥形止浆塞之间，中空注浆钢铰线内柔性注浆管上每间隔一定长度设置出浆阀，在钢铰线膨胀区前端设置分段密封塞，实现间隔注浆。其使用方法：根据施工地点煤岩力学参数设置“注浆段”L_2n-1和“非注浆段”L_2n，准备间隔注浆锚索进行初期树脂锚固并张拉预紧，配制注浆材料应用注浆泵对注浆锚索完成间隔注浆。本发明根据围岩条件，设置注浆段和非注浆段，科学改善支护体系的受力状况，缓解了因围岩剧烈变形导致的锚固段钢铰线瞬间高应力状态，有利于预防锚索支护失效。

Description

一种防冲击间隔注浆锚索及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种用于岩土、水利、矿山等支护工程用注浆锚索。

背景技术

锚索因其锚固深度大、承载能力高、且可施加较大的预紧力，因而可以获得比较理想的支护效果。在实际应用中，通常采用锚杆锚索联合支护方式，在巷道支护初期，以锚杆的柔性支护为主，后期以锚索的悬吊作用为主，两者取长补短，充分发挥了锚杆、锚索整体支护性能。但在稳定性较差的厚煤层动压巷道，例如沿空掘巷、大断面切眼、受动压影响的跨采巷道等，由于锚固长度仅为锚索长度的1/3，其承载能力偏低，对破碎顶煤的加固作用有限，因此，在锚索的基础上发展了中空注浆锚索，把注浆锚固锚索和树脂锚固锚索合二为一，取长补短，实现了全长锚固。近几年，伴随煤炭开采强度的增大，煤层开采向纵深发展，深部岩体开挖处于典型的高地应力、高地温、高岩溶水压、机械开挖动力扰动的复杂力学环境，煤岩体具有较强的流变、蠕变特性，扩容现象突出，变形具有冲击性。当支护完成后，锚杆、锚索周围形成强度较高的锚固体，但锚杆、锚索之间的支护体系很难做到完全协调，特别是高地应力环境和煤岩体变形突变区，由于锚索钢绞线钢性较大、延伸率小，在支护后期，锚索体沿轴向承受较高的拉应力，当被支护巷道岩层沿水平变形剧烈增加时，锚索体在受拉状态时的径向让压能力较弱，锚索体极易被剪断，使其失去支护能力，发生顶板事故。因此，对于锚索、注浆锚索在深井大变形巷道支护体系中存在的问题，急需一种新型的锚索结构和支护方法，提高锚索在支护体系中的让压能力，实现锚索支护体系的“强让互补”，对于解决深井大变形巷道的支护问题提供有效的理论与技术支持。

发明内容

为了解决注浆锚索应用于深井大变形巷道支护时存在的问题，本发明提供一种防冲击间隔注浆锚索及其使用方法，通过注浆锚索结构的创新，在锚孔内实现间隔注浆，在不降低支护强度的基础上，使锚索支护体系内每隔一段距离形成“非注浆段”，根据支护区域岩体力学参数设计“非注浆段”长度L_2n，在“非注浆段”锚索体可在锚孔内实现一定角度的弯曲旋转，当被支护巷道岩体发生变形突然剧烈增加时，“非注浆段”内锚索体的旋转和弯曲缓解了锚索锚固体高应力区的瞬间应力集中程度，一定程度上避免了锚索体瞬间被剪断现象发生。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：本发明提供一种防冲击间隔注浆锚索及其使用方法，包括单向注浆阀、中空注浆钢铰线、弧形锚环、滑动让压收缩环、锥形止浆塞、分段密封塞，所述单向注浆阀设置在中空注浆钢铰线尾部，用于单向高压注浆，弧形锚环、滑动让压收缩环、锥形止浆塞、分段密封塞中间设有通孔，中空注浆钢铰线沿通孔穿过。

所述中空注浆钢铰线由中空钢铰线、柔性注浆管和钢铰线膨胀环组成，中空钢铰线每间隔一定长度设置钢铰线膨胀环，使钢铰线膨胀散开，柔性注浆管沿钢铰线中心穿过，根据施工设计需要注浆的锚固段L_2n-1（n=1，2，…，n）位置，在钢铰线膨胀散开设置出浆阀，在“非注浆段”L_2n（n=1，2，…，n）位置无需设置出浆阀。

所述弧形锚环一端呈弧面结构，与弧形托盘接触，弧形锚环内部为锥面结构，内部安装锥形夹片。

所述滑动让压收缩环由弧形托盘、弹性让压收缩环、弓形托盘组成，弧形托盘一端设为弧面，与弧形锚环弧面接触，另一端设为平面，与弹性让压收缩环连接，弓形托盘一端为平面，与弹性收缩环连接，另一端为弓形，中间为平面，与锥形止浆塞连接。

所述锥形止浆塞中心设有通孔，中空注浆钢铰线从通孔穿过，整体结构为锥形，一端设为平面，与弓形托盘连接，另一端为锥面，安装在锚孔内。

所述分段密封塞整体呈圆柱状或锥形，中心设有通孔，安装在钢铰线膨胀散开位置前端，根据注浆段设计位置，沿钢铰线轴线方向，将钢铰线在膨胀散开位置分为若干段。

一种防冲击间隔注浆锚索及其使用方法，包括以下步骤：

①. 对施工地点的顶板岩层取岩芯，测试其岩石力学参数，根据测试结果确定间隔注浆锚索“注浆段”L_2n-1长度和“非注浆段”L_2n长度，据此为施工地点加工防冲击间隔注浆锚索。在“注浆段”长度L_2n-1区间钢铰线膨胀散开位置设置出浆阀，在“非注浆段”长度L_2n区间钢铰线膨胀散开位置无需设置出浆阀，以实现间隔注浆；

② 配制注浆材料，注浆材料以水泥净浆为主，同时添加水泥注浆添加剂，包括早强剂、泵送剂、超塑化剂、膨胀剂等，使注浆材料具有较好的早强与高强性能、良好的流动性及微膨胀性，从而大大改善锚注加固的效果；

③. 应用锚杆钻机按设计位置施工锚索孔，对于软弱易碎顶板或两帮施工锚索孔时，锚索孔内易堆积碎煤岩屑，施工完锚孔后，清理出碎渣及钻孔位置，便于封孔；

④ 将树脂锚固剂用间隔注浆锚索推入钻孔，在锚孔孔口位置进行密封处理，应用锚杆钻机在孔内搅均，完成锚索初期锚固后，等待30 min左右达到锚固强度后安装锥形止浆塞，装上锥形止浆塞、滑动让压收缩环和弧形锚环，然后进行张拉预紧；

⑤ 准备好注浆材料和注浆泵，通过注浆管与防冲击间隔注浆锚索尾部单向注浆阀连接，启动注浆泵进行注浆，注浆速度要缓慢，注浆时注意观察压力表，当压力表有升高趋势时，要等待2～3分钟再注浆，以保证注浆段L_2n-1区间能够注满浆液体，为了能够获得更好的支护效果，根据需要，注浆压力可设计为2MPa～8MPa，提高注浆压力，使浆液向钻孔周围岩石裂隙中扩散，对围岩起到粘结固化作用，增强注浆段L_2n-1区间的锚固力，提高锚注区间的整体强度。

通过应用本发明一种防冲击间隔注浆锚索及其使用方法，根据围岩条件，设置“注浆段”L_2n-1和“非注浆段”L_2n的数量、位置和长度，在注浆段，注浆压力可设计为2MPa～8MPa，通过提高注浆压力，使浆液向钻孔周围岩石裂隙中扩散，对围岩起到粘结固化作用，大大增强了注浆段L_2n-1区间的锚固力，提高了锚注区间的整体强度，科学的改善了支护体系的受力状况。当围岩体沿锚索轴向发生瞬间较大冲击变形时，滑动让压收缩环受压收缩沿锚索滑动，能够有效缓解围岩沿轴向对锚索的瞬间冲击作用；当被支护区域上下岩层沿垂直于锚索轴线方向发生移动时，常规锚索无让压空间，在岩层交界面处形成较强的剪应力，锚索体易被剪断，失去支护能力，当采用间隔注浆锚索时，当岩层交界面处于“非注浆段”时，由于“非注浆段”让压空间的存在，锚索可在锚孔中自由旋转移动，有效避免了锚索承受瞬间的高剪应力状态。应用防冲击间隔注浆锚索，缓解了因围岩剧烈变形导致的锚固段钢铰线瞬间高应力状态，实现锚索支护体系“强让互补”理念，对于解决深井大变形巷道的支护问题提供了有效的技术手段。

附图说明

图1是本发明工作状态的结构示意图；

图2是本发明防冲击间隔注浆锚索结构图；

图3是图2当中A-A局部剖视图；

图4是本发明缓解被支护围岩沿锚索轴向瞬间大变形原理图；

图5是常规锚索支护岩层移动锚索受力状态分析图；

图6是本发明锚索支护岩层移动锚索受力状态分析图例1；

图7是本发明锚索支护岩层移动锚索受力状态分析图例2。

具体实施方式

如图1～图3所示，本发明一种防冲击间隔注浆锚索及其使用方法，包括单向注浆阀1、中空注浆钢铰线2、弧形锚环3、滑动让压收缩环4、锥形止浆塞5、分段密封塞6，所述单向注浆阀1设置在中空注浆钢铰线尾部，用于单向高压注浆，弧形锚环3、滑动让压收缩环4、锥形止浆塞5、分段密封塞6中间设有通孔，中空注浆钢铰线2沿通孔穿过。中空注浆钢铰线2由柔性注浆管14、中空钢铰线15和钢铰线膨胀环16组成，中空钢铰线15每间隔一定长度设置钢铰线膨胀环16，使钢铰线膨胀散开，柔性注浆管14沿钢铰线中心穿过，根据施工设计需要注浆的锚固段L_2n-1（n=1，2，…，n）位置，在钢铰线膨胀散开位置设置出浆阀17，在“非注浆段”L_2n（n=1，2，…，n）位置无需设置出浆阀。弧形锚环3一端呈弧面结构10，与弧形托盘11弧面接触，弧形锚环3内部为锥面结构，内部安装锥形夹片9。滑动让压收缩环4由弧形托盘11、弹性让压收缩环12、弓形托盘13组成，弧形托盘11一端设为弧面，与弧形锚环弧面10接触，另一端设为平面，与弹性让压收缩环12连接，弓形托盘13一端为平面，与弹性让压收缩环12连接，另一端为弓形，中间为平面，与锥形止浆塞5连接。锥形止浆塞5中心设有通孔，中空注浆钢铰线2从通孔穿过，整体结构为锥形，一端设为平面，与弓形托盘13连接，另一端为锥面，安装在锚孔内，锥形止浆塞5采用柔性材料加工，要求具有一定的强度，同时具有收缩密封性能，以保证注浆孔口的密封性，防止注浆时，浆液沿孔口流出。分段密封塞6整体呈圆柱状或锥形，中心设有通孔，安装在钢铰线膨胀散开位置18前端，根据注浆段设计位置，沿钢铰线轴线方向，将钢铰线在膨胀散开位置分为若干段。

一种防冲击间隔注浆锚索及其使用方法，施工方法包括以下步骤：

①. 对施工地点的顶板岩层取岩芯，测试其岩石力学参数，根据测试结果确定间隔注浆锚索“注浆段”L_2n-1长度和“非注浆段”L_2n长度，据此为施工地点加工防冲击间隔注浆锚索。参照图1，在“注浆段”长度L_2n-1区间钢铰线膨胀散开位置设置出浆阀，在“非注浆段”长度L_2n区间钢铰线膨胀散开位置无需设置出浆阀，以实现间隔注浆；

② 配制注浆材料，注浆材料以水泥净浆为主，同时添加水泥注浆添加剂，包括早强剂、泵送剂、超塑化剂、膨胀剂等，使注浆材料具有较好的早强与高强性能、良好的流动性及微膨胀性，从而大大改善锚注加固的效果；

③. 应用锚杆钻机按设计位置施工锚索孔，对于软弱易碎顶板或两帮施工锚索孔时，锚索孔内易堆积碎煤岩屑，施工完锚孔后，清理出碎渣及钻孔位置，便于封孔；

④ 将树脂锚固剂用间隔注浆锚索推入钻孔，在锚孔孔口位置进行密封处理，应用锚杆钻机在孔内搅均，完成锚索初期锚固后，等待30 min左右达到锚固强度后安装锥形止浆塞5，装上锥形止浆塞5、滑动让压收缩环4和弧形锚环3，然后进行张拉预紧；

⑤ 准备好注浆材料和注浆泵7，通过注浆管与防冲击间隔注浆锚索尾部单向注浆阀1连接，启动注浆泵7进行注浆，注浆速度要缓慢，注浆时注意观察压力表，当压力表8有升高趋势时，要等待2～3分钟再注浆，以保证注浆段L_2n-1区间能够注满浆液体，为了能够获得更好的支护效果，根据需要，注浆压力可设计为2MPa～8MPa，提高注浆压力，使浆液向钻孔周围岩石裂隙中扩散，对围岩起到粘结固化作用，增强注浆段L_2n-1区间的锚固力，提高锚注区间的整体强度。

下面介绍一下本发明实施时预防围岩大变形及瞬间冲击造成锚索破坏的原理及工程应用注意的问题：

参照图4，支护完成后，对于被支护的软弱围岩体在高地应力环境下，沿锚索轴向易发生瞬间较大冲击变形，由于锚索钢绞线钢性较大、延伸率小，很可能在围岩体的冲击作用下，锚环脱落或冲击力超过了钢绞线的抗拉强度而发生破断。当采用本发明防冲击间隔注浆锚索时，当围岩体沿锚索轴向发生瞬间较大冲击变形时，滑动让压收缩环4受压收缩为19形状，有效的缓解了围岩沿轴向的瞬间冲击作用，间接保护了锚索。

参照图5，对于常规的树脂锚固或注浆锚固，锚索与周围岩体相互作用形成高应力区，且锚索体沿轴向承受较高的拉应力，当被支护区域上下岩层沿垂直于锚索轴线方向变形剧烈增加，厚度为h₁的岩层水平移动位移为a时，锚索在岩层交界面20处形成较强的剪应力，由于锚索处于高应力区，无让压空间，且锚索体在受拉状态时的径向让压能力较弱，锚索体极易被剪断，使其失去支护能力，发生顶板事故。当采用本发明防冲击间隔注浆锚索时，参照图6，同样厚度为h₁的岩层水平移动位移为a时，当岩层交界面处于“非注浆段”区域接近中间位置时，锚索在“非注浆段”和“注浆段”交界处21、23形成较小的弯曲变形，由于“非注浆段”让压空间的存在，锚索可在锚孔中自由旋转移动，该条件下，“非注浆段”空间内的锚索在岩层交界面处未受到岩层剪力，有效避免了锚索承受瞬间的高剪应力状态；参照图7，当下部移动岩层厚度为h₂（h₂<h₁）的岩层水平移动位移为a时，岩层交界面处于“非注浆段”区域靠近下部岩层位置时，锚索在“非注浆段”和“注浆段”交界处24、26同样形成较小的弯曲变形，“非注浆段”空间内的锚索在岩层交界面25受到了岩层剪力，但相比图5情况，由于“非注浆段”让压空间的存在，锚索高剪应力状态得到了有效缓解。

可见，岩层移动交界面在“非注浆段”区域所处的位置对于锚索的受力状态也有较大的影响，而岩层弱面、易破坏移动区域及岩层移动角在实际工程中非线性强，难以判断，因此，在实际应用中，必须对施工地点的顶板岩层取岩芯，测试岩石力学参数及顶板分层情况，根据测试结果科学设置“注浆段”L_2n-1和“非注浆段”L_2n的长度和位置，以保证间隔注浆方案的最优化及良好的应用效果，实现锚索支护体系“强让互补”理念，对于解决深井大变形巷道的支护问题提供有效的技术装备支持。 

Claims (7)

1.一种防冲击间隔注浆锚索，包括单向注浆阀、中空注浆钢铰线、弧形锚环、滑动让压收缩环、锥形止浆塞、分段密封塞，其特征在于：所述单向注浆阀设置在中空注浆钢铰线尾部，用于单向高压注浆，弧形锚环、滑动让压收缩环、锥形止浆塞、分段密封塞中间设有通孔，中空注浆钢铰线沿通孔穿过。

2.根据权利要求1所述的一种防冲击间隔注浆锚索，其特征在于：所述中空注浆钢铰线由中空钢铰线、柔性注浆管和钢铰线膨胀环组成，中空钢铰线每间隔一定长度设置钢铰线膨胀环，使钢铰线膨胀散开，柔性注浆管沿钢铰线中心穿过，根据施工设计需要注浆的锚固段L_2n-1（n=1，2，…，n）位置，在钢铰线膨胀散开位置设置出浆阀，在“非注浆段”L_2n（n=1，2，…，n）位置无需设置出浆阀。

3.根据权利要求1所述的一种防冲击间隔注浆锚索，其特征在于：所述弧形锚环一端呈弧面结构，与弧形托盘接触，弧形锚环内部为锥面结构，内部安装锥形夹片。

4.根据权利要求1所述的一种防冲击间隔注浆锚索，其特征在于：所述滑动让压收缩环由弧形托盘、弹性让压收缩环、弓形托盘组成，弧形托盘一端设为弧面，与弧形锚环弧面接触，另一端设为平面，与弹性让压收缩环连接，弓形托盘一端为平面，与弹性收缩环连接，另一端为弓形，中间为平面，与锥形止浆塞连接。

5.根据权利要求1所述的一种防冲击间隔注浆锚索，其特征在于：所述锥形止浆塞中心设有通孔，中空注浆钢铰线从通孔穿过，整体结构为锥形，一端设为平面，与弓形托盘连接，另一端为锥面，安装在锚孔内。

6.根据权利要求1所述的一种防冲击间隔注浆锚索，其特征在于：所述分段密封塞整体呈圆柱状或锥形，中心设有通孔，安装在钢铰线膨胀散开位置前端，根据注浆段设计位置，沿钢铰线轴线方向，将钢铰线在膨胀散开位置分为若干段。

7.一种防冲击间隔注浆锚索及其使用方法，采用如权利要求1所述的一种防冲击间隔注浆锚索，其特征在于：包括以下步骤：

①. 对施工地点的顶板岩层取岩芯，测试其岩石力学参数，根据测试结果确定间隔注浆锚索“注浆段”L_2n-1长度和“非注浆段”L_2n长度，据此为施工地点加工防冲击间隔注浆锚索，

在“注浆段”L_2n-1区间钢铰线膨胀散开位置设置出浆阀，在“非注浆段”L_2n区间钢铰线膨胀散开位置无需设置出浆阀，以实现间隔注浆；

 ② 配制注浆材料，注浆材料以水泥净浆为主，同时添加水泥注浆添加剂，包括早强剂、泵送剂、超塑化剂、膨胀剂等，使注浆材料具有较好的早强与高强性能、良好的流动性及微膨胀性，从而大大改善锚注加固的效果；

③. 应用锚杆钻机按设计位置施工锚索孔，对于软弱易碎顶板或两帮施工锚索孔时，锚索孔内易堆积碎煤岩屑，施工完锚孔后，清理出碎渣及钻孔位置，便于封孔；

④ 将树脂锚固剂用间隔注浆锚索推入钻孔，在锚孔孔口位置进行密封处理，应用锚杆钻机在孔内搅均，完成锚索初期锚固后，等待30 min左右达到锚固强度后安装锥形止浆塞，装上锥形止浆塞、滑动让压收缩环和弧形锚环，然后进行张拉预紧；

⑤ 准备好注浆材料和注浆泵，通过注浆管与防冲击间隔注浆锚索尾部单向注浆阀连接，启动注浆泵进行注浆，注浆速度要缓慢，注浆时注意观察压力表，当压力表有升高趋势时，要等待2～3分钟再注浆，以保证注浆段L_2n-1区间能够注满浆液体，为了能够获得更好的支护效果，根据需要，注浆压力可设计为2MPa～8MPa，提高注浆压力，使浆液向钻孔周围岩石裂隙中扩散，对围岩起到粘结固化作用，增强注浆段L_2n-1区间的锚固力，提高锚注区间的整体强度。

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