CN104343460A - 一种张拉式预紧力锚杆围岩支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种张拉式预紧力锚杆围岩支护方法，采用张拉机具对锚杆（1）进行张拉施加预紧力，通过锚杆托板（4）、锚环（3）和夹片（2）这些锚杆锁具进行锚杆的锁定。本方法可适用于多种规格锚杆预紧力安装加固巷道围岩的支护方式，使用的锚杆直接用钢筋杆体截取需要的长度即可，锚杆加工制造工艺简单；锚杆搅拌锚固剂（5）后，可直接将锚杆托盘和锚杆锁具沿锚杆推至围岩表面，待锚固剂凝固后即可撤掉锚杆钻机，及时保护顶板的同时实现快速安装；可避免因人为因素造成锚杆扭矩力不够、因扭矩力过大而扭坏锚杆，同时可降低施工人员的劳动强度；对失效锚杆再次进行张拉即可恢复预紧力，可节约锚杆费用，且可回收锚杆锁具重复使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种锚杆围岩支护方法，具体是一种适合于岩土工程、煤矿井下、隧道工程等使用锚杆支护的张拉式预紧力锚杆围岩支护方法，属于围岩支护技术领域。
背景技术
锚杆支护是在边坡、岩土深基坑等地表工程及隧道、采场等地下硐室施工中采用的一种加固支护方式，是用金属件、木件、聚合物件或其他材料制成杆柱，打入地表岩体或硐室周围岩体预先钻好的孔中，利用其头部、杆体的特殊构造和尾部托板，或依赖于黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果，以达到支护的目的，具有成本低、支护效果好、操作简便、使用灵活、占用施工净空少等优点。
由于巷道周围不同深度岩体的自身特性及所处应力环境的不同，围岩容易产生不协调变形，所以锚杆在使用时需要对锚杆进行预紧，防止因围岩变形致使锚杆松动进而导致支护失效，合理的锚杆预紧力可以增加岩体的围压，有效改变围岩的应力状态，改善被锚固岩体的力学性能，增大被锚固岩体的强度，发挥围岩自身的承载能力，从而有利于保持巷道围岩的稳定，因此锚杆预紧力大小是锚杆支护的主要参数，也是锚杆材料能否发挥作用的重要指标。
目前增加锚杆预紧力主要采用螺母紧固的施工方法，这种传统的增加锚杆预紧力的方法还存在以下缺陷：
1. 增加锚杆预紧力大小主要依靠螺母扭矩大小控制，即锚杆尾部设置滚丝段外螺纹，通过扭矩扳手或锚杆钻机施加给螺母的扭矩而返算施加的预紧力，扭矩越大锚杆的预紧力越大，但当对锚杆施加300Nm以上螺母扭矩时施工机具很难达到要求，要想获得300Nm以上较大的扭矩主要依靠人力，因此施工人员劳动强度大，且由于施工人员身体素质的不同及操作时间长短的不同，很难确保每根锚杆的螺母扭矩都能达到要求，实际施工中要达到设计预紧力主要靠管理手段来保证，而且预紧力与螺母扭矩对应的关系因锚杆、螺母的材料、施工方法的不同而不同，对于不同的安装条件相同的扭矩可能出现不同的预紧力，预紧力出现了可变和不可控性；
2. 锚杆扭矩与预紧力关系如表（以左旋无纵筋屈服强度335MPa锚杆试验数据为例），从表中可以看出锚杆达最大扭矩时锚在预紧力平均才达到81KN左右，只达到锚杆材料屈服强度的62%，没有充分发挥锚杆材料的作用，实际是造成了浪费；
3. 此外，使用螺母紧固锚杆的预紧力检测较困难，由于预紧力与螺母扭矩对应的关系是因材料、施工方法不同而不同，要想检测预紧力必须通过其他辅助手段才能得到结果，因此操作繁复，且当扭矩过大超过设定值时对锚杆的杆体也会造成损伤；
4. 由于井下空气较潮湿，紧固锚杆的螺母很容易锈蚀，当螺母与锚杆尾部锈蚀后，再进行紧固或拆卸均很困难，容易在回采工作面上下隅角形成瓦斯积聚，且更易损害锚杆，螺纹锈蚀后锚杆即报废，无法再次使用。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种张拉式预紧力锚杆围岩支护方法，能够满足高强度的预紧力锚固要求，在实现简便操作、降低施工人员劳动强度的前提下保证锚杆充分发挥其支护性能。
为了实现上述目的，本张拉式预紧力锚杆围岩支护方法的具体步骤如下：
a．钻锚杆安装孔：巷道采用爆破或综掘机破煤、矸，当巷道高度达到施工顶板锚杆要求后，使用锚杆钻机钻锚杆安装孔，并清理孔内残余的水与矿渣；
b．初始安装锚杆及锚杆锁具：铺网、上钢筋梁等护表工作完成后，先在锚杆安装孔中注入锚固剂，然后将锚杆前端塞入锚杆安装孔内，在锚杆后端依次套入锚杆托板和设有锥度孔且锥度孔大孔端面向锚杆后端的锚杆锁具锚环；在锚杆后端安装锚杆搅拌器，锚杆搅拌器再与锚杆钻机机头连接，然后推动锚杆向锚杆安装孔内部移动，同时锚固剂被推至锚杆安装孔的孔底；开动锚杆钻机带动搅拌器旋转，搅拌器带动锚杆搅拌锚固剂至规定时间，锚杆钻机不回撤，待锚固剂达到凝固时间后，在锚杆锁具锚环和锚杆之间塞入外壁与锚杆锁具锚环的锥度孔锥度尺寸配合、内壁与锚杆外圆柱面尺寸配合的多片锚杆锁具夹片，推动锚杆托板和锚杆锁具锚环、锚杆锁具夹片向岩面方向移动，待锚杆托板紧贴岩面后，撤除锚杆钻机；
c．施加锚杆预紧力：开始前张拉机具的千斤顶油缸应收缩到起始位置，用千斤顶咬合夹片咬住锚杆的后端，开动张拉泵千斤顶使油缸外伸，锚杆锁具锚环和锚杆锁具夹片在千斤顶外顶面作用下顶靠在锚杆托板上，继续加压，千斤顶内部的咬合机构咬紧锚杆向外拉，当张拉机具上的油压表达到设定压力时即可泄压、松开，完成锚杆预紧力的施加。
作为本发明的进一步改进方案，所述的锚杆锁具锚环的锥度孔的锥度设置为1:10～1:50。
作为本发明的进一步改进方案，所述的锚杆锁具夹片设置为三片、且中心对称设置于锚杆锁具锚环的锥度孔内。
作为本发明的进一步改进方案，所述的张拉机具在张拉锚杆时按其屈服强度的40～70%计算压力。
作为本发明的进一步改进方案，所述的推动锚杆向锚杆安装孔内部移动、推动锚杆托板和锚杆锁具锚环、锚杆锁具夹片向岩面方向移动的推动方式采用开动锚杆钻机支腿推进机构推进的推动方式。
作为本发明的进一步改进方案，帮部锚杆施工时使用手持式风动钻机。
与现有技术相比，本张拉式预紧力锚杆围岩支护方法可适用于多种规格锚杆预紧力安装加固巷道围岩的支护方式，由于不采用螺母紧固的方式，因此该方法中使用的锚杆直接用钢筋杆体截取需要的长度即可，不需再对尾部进行特殊滚丝处理，锚杆加工制造工艺简单，且锚杆安装时不需要塑料垫圈及配套的螺母，锚杆搅拌锚固剂后，可直接用锚杆钻机将锚杆托板和锚杆锁具沿锚杆推至围岩表面，锚杆托盘在锚杆锁具的作用下对围岩表面形成约束力，待锚固剂凝固后即可撤掉锚杆钻机，并形成一定的初始护顶能力，施工人员和锚杆机具立即可施工其他锚杆，而传统的螺母安装需要打开螺母端头封口拧紧后，才能起到护顶作用，因此利用该方法既起到及时保护顶板的作用，又可实现锚杆的快速安装；由于采用张拉机具进行施加锚杆预紧力，预紧力可在张拉机具压力表中直接读取，预紧力大小可通过调节张拉机具卸压阀或供动力时间长短来获得，因此可避免因人为因素造成锚杆扭矩力不够，也可避免因扭矩力过大而扭坏锚杆，同时可以降低施工人员的劳动强度；在巷道修复时，对失效锚杆再次进行张拉即可又恢复锚杆预紧力，报废锚杆又形成了支护能力，可节约大量锚杆费用，且在回采时只需张拉即可回收锚杆锁具和托板，回收时比螺母安装的方便得多，回收的锚杆锁具可复用，可节省费用, 更有利于上下出口采空区侧顶板及时垮落，减少工作面的瓦斯积聚，减少事故。
附图说明
图1是本发明的安装结构示意图；
图2是本发明的锚杆锁具的结构示意图；
图3是图1的A向视图。
图中：1、锚杆，2、锚杆锁具夹片，3、锚杆锁具锚环，4、锚杆托板，5、锚固剂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本张拉式预紧力锚杆围岩支护方法的具体步骤如下：
a．钻锚杆安装孔：巷道采用爆破或综掘机破煤、矸，当巷道高度达到施工顶板锚杆要求后，使用锚杆钻机钻锚杆安装孔，并清理孔内残余的水与矿渣；
b．初始安装锚杆及锚杆锁具：铺网、上钢筋梁等护表工作完成后，如图1、图2所示，先在锚杆安装孔中注入锚固剂5，然后将采用螺纹钢制作的锚杆1前端塞入锚杆安装孔内，在锚杆1后端依次套入锚杆托板4和设有锥度孔且锥度孔大孔端面向锚杆1后端的锚杆锁具锚环3；在锚杆1后端安装锚杆搅拌器，锚杆搅拌器再与锚杆钻机机头连接，然后推动锚杆1向锚杆安装孔内部移动，同时锚固剂5被推至锚杆安装孔的孔底；开动锚杆钻机带动搅拌器旋转，搅拌器带动锚杆1搅拌锚固剂5至规定时间，锚固剂5即均匀填充于岩缝内，此时锚杆钻机不回撤，待锚固剂5达到凝固时间后，在锚杆锁具锚环3和锚杆1之间塞入外壁与锚杆锁具锚环3的锥度孔锥度尺寸配合、内壁与锚杆1外圆柱面尺寸配合的多片锚杆锁具夹片2，推动锚杆托板4和锚杆锁具锚环3、锚杆锁具夹片2向岩面方向移动，待锚杆托板4紧贴岩面后，撤除锚杆钻机，由于锚杆锁具有止退的功能，这时锚杆托板4依靠锚杆锁具锚环3和锚杆锁具夹片2的止退作用，对顶板形成一定的支护力，起到了临时支护的作用；
c．施加锚杆预紧力：利用锚杆锁具与张拉机具配合，完成张拉工序，开始前张拉机具的千斤顶油缸应收缩到起始位置，用千斤顶咬合夹片咬住锚杆1的后端，开动张拉泵千斤顶使油缸外伸，锚杆锁具锚环3和锚杆锁具夹片2在千斤顶外顶面作用下顶靠在锚杆托板4上，继续加压，千斤顶内部的咬合机构咬紧锚杆1向外拉，使锚杆1在张拉机具外推里拉机构的作用下，锚杆1自由段产生预紧力，当张拉机具上的油压表达到设定压力时即可泄压、松开，完成锚杆预紧力的施加，由于锚杆锁具锚环3和锚杆锁具夹片2的止退作用，锚杆1预紧力不会消失。
本张拉式预紧力锚杆围岩支护方法的工作原理是：利用锚杆锁具与锚杆张拉机具的配合，对已在围岩中锚固好的锚杆进行张拉，张拉机具松开后，锚杆1在弹性力作用下带着锚杆锁具夹片2有向岩面运动的趋势，由于锚杆锁具锚环3内壁是锥形，锚杆锁具夹片2越向锥底运动受到阻力越大，锚杆锁具夹片2对锚杆1夹得越紧，使锚杆1不能产生径向移动，由于锚杆锁具有较好止退功能，张拉引起的径向力最终通过锚杆1前端锚固剂和后端锚杆锁具传递给锚固的岩石，对岩石产生了压应力从而使将巷道周围岩体彼此挤紧，形成一个能承受较大载荷的力学结构体，能抵抗较高的地应力，从而达到巷道支护安全、稳定的目的。
锚杆锁具在拉力试验机上试验的情况：用φ22mm、335MPa锚杆与锚杆锁具配套试验，试验前时，锚杆达到220KN拉力破断，锚杆锁具没有发生破坏，说明锁具能达到锚杆能力的要求。
为进一步保证锚杆锁具锁住锚杆1的止退效果，作为本发明的进一步改进方案，所述的锚杆锁具锚环3的锥度孔的锥度设置为1:10～1:50。
为进一步保证锚杆锁具锁住锚杆1的止退效果，作为本发明的进一步改进方案，如图3所示，所述的锚杆锁具夹片2设置为三片、且中心对称设置于锚杆锁具锚环3的锥度孔内。
为进一步防止因预紧力过大对锚杆1造成损伤，作为本发明的进一步改进方案，所述的张拉机具在张拉锚杆1时按其屈服强度的40～70%计算压力，也可根据不同需要对锚杆张拉到任意设计预紧力值。
为了进一步降低操作人员的劳动强度，作为本发明的进一步改进方案，所述的推动锚杆1向锚杆安装孔内部移动、推动锚杆托板4和锚杆锁具锚环3、锚杆锁具夹片2向岩面方向移动的推动方式采用开动锚杆钻机支腿推进机构推进的推动方式。
为了在帮部锚杆施工时简化操作步骤、提高效率，作为本发明的进一步改进方案，帮部锚杆施工时可使用手持式风动钻机，减少固定安装风动钻机这一步骤，提高效率的同时具有钻孔的机动性。
张拉机具可采用MQ22-300/60型张拉机具或其他改进型张拉机具，在使用规格为335MPa、φ22mm的锚杆时，压力表达到92KN时即可停止张拉。
本张拉式预紧力锚杆围岩支护方法可适用于多种规格锚杆预紧力安装加固巷道围岩的支护方式，该方法中使用的锚杆直接用钢筋杆体截取需要的长度即可，不需再对尾部进行特殊滚丝处理，锚杆加工制造工艺简单，且锚杆安装时不需要塑料垫圈及配套的螺母，锚杆搅拌锚固剂后，可直接用锚杆钻机将锚杆锁具沿锚杆推至围岩表面，待锚固剂凝固后即可撤掉锚杆钻机，并形成一定的初始护顶能力，施工人员和锚杆机具立即可施工其他锚杆，利用该方法既起到及时保护顶板的作用，又可实现锚杆的快速安装；预紧力可在张拉机具压力表中直接读取，预紧力大小可通过调节张拉机具卸压阀或供动力时间长短来获得，可避免因人为因素造成锚杆扭矩力不够，也可避免因扭矩力过大而扭坏锚杆，同时可以降低施工人员的劳动强度；在巷道修复时，对失效锚杆再进行张拉即可又恢复锚杆预紧力，报废锚杆又行成了支护能力，可节约大量锚杆费用，且在回采时只需张拉即可回收锚杆锁具和托板，回收的锚杆锁具可重复使用，可节省费用, 更有利于上下出口采空区侧顶板及时垮落，减少工作面的瓦斯积聚，减少事故。
Claims (7)
1. 一种张拉式预紧力锚杆围岩支护方法，其特征在于，具体步骤如下：
a．钻锚杆安装孔：巷道采用爆破或综掘机破煤、矸，当巷道高度达到施工顶板锚杆要求后，使用锚杆钻机钻锚杆安装孔，并清理孔内残余的水与矿渣；
b．初始安装锚杆及锚杆锁具：铺网、上钢筋梁等护表工作完成后，先在锚杆安装孔中注入锚固剂（5），然后将锚杆（1）前端塞入锚杆安装孔内，在锚杆（1）后端依次套入锚杆托板（4）和设有锥度孔且锥度孔大孔端面向锚杆（1）后端的锚杆锁具锚环（3）；在锚杆（1）后端安装锚杆搅拌器，锚杆搅拌器再与锚杆钻机机头连接，然后推动锚杆（1）向锚杆安装孔内部移动，同时锚固剂（5）被推至锚杆安装孔的孔底；开动锚杆钻机带动搅拌器旋转，搅拌器带动锚杆（1）搅拌锚固剂（5）至规定时间，锚杆钻机不回撤，待锚固剂（5）达到凝固时间后，在锚杆锁具锚环（3）和锚杆（1）之间塞入外壁与锚杆锁具锚环（3）的锥度孔锥度尺寸配合、内壁与锚杆（1）外圆柱面尺寸配合的多片锚杆锁具夹片（2），推动锚杆托板（4）和锚杆锁具锚环（3）、锚杆锁具夹片（2）向岩面方向移动，待锚杆托板（4）紧贴岩面后，撤除锚杆钻机；
c．施加锚杆预紧力：开始前张拉机具的千斤顶油缸应收缩到起始位置，用千斤顶咬合夹片咬住锚杆（1）的后端，开动张拉泵千斤顶使油缸外伸，锚杆锁具锚环（3）和锚杆锁具夹片（2）在千斤顶外顶面作用下顶靠在锚杆托板（4）上，继续加压，千斤顶内部的咬合机构咬紧锚杆（1）向外拉，当张拉机具上的油压表达到设定压力时即可泄压、松开，完成锚杆预紧力的施加。
2. 根据权利要求1所述的张拉式预紧力锚杆围岩支护方法，其特征在于，所述的锚杆锁具锚环（3）的锥度孔的锥度设置为1:10～1:50。
3. 根据权利要求1或2所述的张拉式预紧力锚杆围岩支护方法，其特征在于，所述的锚杆锁具夹片（2）设置为三片、且中心对称设置于锚杆锁具锚环（3）的锥度孔内。
4. 根据权利要求1或2所述的张拉式预紧力锚杆围岩支护方法，其特征在于，所述的张拉机具在张拉锚杆（1）时按其屈服强度的40～70%计算压力。
5. 根据权利要求3所述的张拉式预紧力锚杆围岩支护方法，其特征在于，所述的张拉机具在张拉锚杆（1）时按其屈服强度的40～70%计算压力。
6. 根据权利要求1或2所述的张拉式预紧力锚杆围岩支护方法，其特征在于，所述的推动锚杆（1）向锚杆安装孔内部移动、推动锚杆托板（4）和锚杆锁具锚环（3）、锚杆锁具夹片（2）向岩面方向移动的推动方式采用开动锚杆钻机支腿推进机构推进的推动方式。
7. 根据权利要求1或2所述的张拉式预紧力锚杆围岩支护方法，其特征在于，帮部锚杆施工时使用手持式风动钻机。
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