CN104594928A - 一种四维支护大变形锚杆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四维支护大变形锚杆，包括锚杆（1）、恒阻让压机构（2）、锚杆托盘（3）、锚杆锁具（4）、钢绞线连接座（5）和钢绞线（6），锚杆托盘呈喇叭型套结构，其小口端嵌入巷道围岩（7）内并套装的锚杆的后部，大口端顶靠在外岩壁上；锚杆锁具套装在锚杆的后部，并顶靠在锚杆托盘的小口端上；钢绞线连接座与锚杆的后端连接，多股钢绞线通过钢绞线连接座与锚杆连接。本四维支护大变形锚杆具有恒阻、大变形、预紧力实时可调、轴力无损监测、四维支护等特点，既可以避免因受力过大断裂造成支护失效的现象，又可以避免因岩层不协调变形离层造成预紧力失效的现象，且钢绞线能够与围岩紧密贴合、数量可自由设置，提高整体支护质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种大变形锚杆，具体是一种适用于岩土工程、煤矿井下、隧道工程等使用锚杆支护的四维支护大变形锚杆，属于围岩支护技术领域。
背景技术
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，受地质周期运动、地下水压等因素影响，围岩容易产生不协调变形，为防止因围岩变形致使锚杆松动或断裂进而导致支护失效、坍塌引发事故，通常需要在巷道中设置支护设备。
深部巷道或深埋隧道围岩潜在变形能很大，特别是针对煤矿开采，随着开采深度的增加，深部采场、巷道和硐室的围岩呈现出应力高、温度高、地下水水压高、扰动强度高、冲击危险高、蠕变明显、变形大等特点，仅仅依靠普通或支架本身的支护能力，很难控制围岩的剧烈变形，造成巷道和硐室支护困难。
目前，高应力区域的巷道和硐室支护主要采用锚网索支护，即在围岩上打锚索孔，将多股钢绞线绕成一股锚索，锚索尾部套设护孔碗锁，锚索与护孔碗锁伸入锚索孔内，锚索前部与岩层锚固，锚索尾部拆散成多股钢绞线，钢绞线弯曲从护孔碗锁伸出向各方向延伸绑缚在围岩壁上，围岩上密布锚索的钢绞线相互连接，形成锚网索对围岩进行支护。
这种现有的锚网索支护还存在以下缺陷：
1、锚索前部与岩层直接锚固，在围岩变形向巷道内方向挤压的过程中，锚索不具有让压功能，承受轴向拉力，当围岩变形过大，锚索会因受力过大断裂，这片区域就会存在安全隐患；
2、钢绞线需要紧贴围岩才能给围岩足够的预紧力，现有技术中钢绞线与锚索是一体结构，钢绞线必须弯曲才能与围岩接触，由于钢绞线韧性不足，钢绞线弯曲角度只能限制在55°以下，造成钢绞线与围岩贴合不紧密，降低锚索对围岩的预紧力，当钢绞线弯曲角度超过55°时，一旦围岩变形，钢绞线受力就极易断裂；
3、钢绞线由锚索尾部拆散而成，锚索直径有限，因此一股锚索至多拆散的钢绞线数量为8根左右，限制了钢绞线数量，也就限制了锚网索的支护密度，影响整体支护质量。
4、采用锚索的锚网索支护，成本较大。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种四维支护大变形锚杆，成本较小，可以实现在围岩变形过大时避免因受力过大断裂造成支护失效的现象，且钢绞线能够与围岩紧密贴合、不易断裂，钢绞线数量能够自由设置，提高锚网索的整体支护质量。
为实现上述目的，本四维支护大变形锚杆包括锚杆、恒阻让压机构、锚杆托盘、锚杆锁具、钢绞线连接座和钢绞线；
所述的锚杆的前端穿入恒阻让压机构内，恒阻让压机构内孔与锚杆尺寸配合；
所述的锚杆托盘呈喇叭型套结构，其小口端嵌入巷道围岩内并套装在锚杆的后部、且小口端顶部设有定位台阶，大口端前端顶靠在巷道围岩的外岩壁上，锚杆托盘大口端与小口端内壁之间设有圆弧形过渡段；
所述的锚杆锁具套装在锚杆的后部、顶靠在锚杆托盘的小口端顶部的定位台阶上；
所述的钢绞线连接座与锚杆的后端连接，多股钢绞线通过钢绞线连接座与锚杆连接。
作为本发明的优选方案，所述的恒阻让压机构内部设置有具有负泊松比的异形环结构。
作为本发明的优选方案，所述的锚杆锁具包括锚环和夹片，锚环是环形结构，其中间的通孔为锥形孔，其外径尺寸小于锚杆托盘定位台阶的外形尺寸；夹片设置为多片，其外壁弧度尺寸与锚环的锥形孔的锥度配合、内壁弧度尺寸与锚杆的外径尺寸配合，夹片设置在锚环的锥形孔内壁与锚杆杆体之间。
作为本发明的进一步改进方案，所述的夹片后端与钢绞线连接座前端面之间设置弹簧，弹簧内圈内径尺寸与锚杆后端的外径尺寸配合，内圈外径尺寸与锚环锥形孔的大孔直径尺寸配合。
作为本发明的进一步改进方案，所述的钢绞线连接座与锚杆的后端通过螺纹连接，钢绞线连接座的前部设有凹形容纳腔、后部设有轴向铰接机构，所述的弹簧设置在凹形容纳腔内，凹形容纳腔的前后深度尺寸大于弹簧完全压缩后的前后长度尺寸；所述的钢绞线的一端与轴向铰接机构固定连接。
作为本发明的进一步改进方案，所述的锚杆是多段式结构，通过连接机构互相连接。
作为本发明的进一步改进方案，所述的锚杆前端设有外螺纹结构，所述的恒阻让压机构内孔的异形环结构上还设有与锚杆前端的外螺纹结构配合的内螺纹结构。
作为本发明的进一步改进方案，所述的锚杆后端部中心设置有用于无损检测仪的传感器。
作为本发明的进一步改进方案，所述的钢绞线连接座上设置用于无损检测仪的传感器。
与现有技术相比，本四维支护大变形锚杆由于设置有呈喇叭型套结构的锚杆托盘，锚杆托盘小口端嵌入巷道围岩内，大口端前端顶靠在巷道围岩的岩壁上，且大口端与小口端内壁之间设有圆弧形过渡段，因此钢绞线在朝不同方向与相邻的其他锚杆的钢绞线通过恒压锁具连接实现四维支护时，钢绞线可通过压靠在锚杆托盘的圆弧形过渡段上实现与围岩最大限度紧密贴合，避免了钢绞线因弯曲角过大易断裂的问题；由于设置有恒阻让压机构，因此在锚杆会受到过大的轴向拉力而在恒阻让压机构内轴向外移，通过恒阻让压机构的让压作用，当达到新的平衡点时，锚杆停止外移，同时其预紧力保持不变，避免锚杆因受力过大断裂造成安全隐患；由于多股钢绞线通过钢绞线连接座与锚杆连接，钢绞线的数量设置与钢绞线连接座的面积有关，钢绞线连接座可根据需要设置，不受其他条件约束，可以根据需要加大锚网索支护密度，提高支护质量；由于采用锚杆代替锚索支护，因此实现生产成本大幅度降低。
附图说明
图1是本发明正常支护时的结构示意图；
图2是本发明的恒阻让压机构让压后的结构示意图。
图中：1、锚杆，11、连接机构，2、恒阻让压机构，3、锚杆托盘，4、锚杆锁具，41、锚环，42、夹片，5、钢绞线连接座，51、弹簧，52、凹形容纳腔，53、轴向铰接机构，6、钢绞线，7、巷道围岩，8、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。
如图1、图2所示，本四维支护大变形锚杆包括锚杆1、恒阻让压机构2、锚杆托盘3、锚杆锁具4、钢绞线连接座5和钢绞线6（以下描述以锚杆1插入锚杆安装孔的一端为前方）。
所述的锚杆1的前端穿入恒阻让压机构2内，恒阻让压机构2内孔与锚杆1尺寸配合。
所述的锚杆托盘3呈喇叭型套结构，其小口端嵌入巷道围岩7内并套装在锚杆1的后部、且小口端顶部设有定位台阶，大口端前端顶靠在巷道围岩7的外岩壁上，锚杆托盘3大口端与小口端内壁之间设有圆弧形过渡段。
所述的锚杆锁具4套装在锚杆1的后部、顶靠在锚杆托盘3的小口端顶部的定位台阶上。
所述的钢绞线连接座5与锚杆1的后端连接，多股钢绞线6通过钢绞线连接座5与锚杆1连接。
本四维支护大变形锚杆在正常支护使用时，首先使用锚杆钻机在巷道围岩7上钻锚杆安装孔，并清理孔内残余的水与矿渣，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8，然后将安装有设定好阻力值的恒阻让压机构2的锚杆1前端插入锚杆安装孔内，在锚杆1后端依次套入锚杆托盘3和锚杆锁具4，然后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8至规定时间，锚固剂8即均匀填充于岩缝内，推入锚杆托盘3和锚杆锁具4并使锚杆托盘3的小口端嵌入锚杆安装孔内，待锚固剂8达到凝固时间后，紧固锚杆锁具4实现给锚杆1施加预紧力，最后安装钢绞线连接座5和钢绞线6即可，钢绞线6可以朝不同方向与相邻的其他锚杆的钢绞线6通过恒压锁具连接实现四维支护，如图1、图2所示，钢绞线6压靠在锚杆托盘3的圆弧形过渡段上实现钢绞线与围岩紧密贴合。
当围岩变形过大时，巷道围岩7向外挤压，锚杆1会受到过大的轴向拉力而在恒阻让压机构2内轴向方向上有向外移动的趋势，当锚杆1受到的轴向拉力大于恒阻让压机构2设定的阻力值时，锚杆1在恒阻让压机构2内轴向滑动外移，当锚杆1受到的轴向拉力等于恒阻让压机构2设定的阻力值时，即达到新的平衡点时，锚杆1停止滑动外移，同时其预紧力保持不变，钢绞线6在恒压锁具的作用下保持不变的预紧力。
所述的恒阻让压机构2内孔可以采用凸起式结构与锚杆1配合，也可以采用具有负泊松比的异形环结构与锚杆1配合，或者采用其他方式的让压结构与锚杆1配合，由于采用第二种方案时当锚杆1受到围岩变形过大的轴向拉力在恒阻让压机构2内轴向外移时，恒阻让压机构2的径向尺寸会变大来抵抗轴向拉力，直至达到新的平衡点，即在让压后锚杆1的预紧力始终保持不变的前提下恒阻让压机构2膨胀，支护效果更好，因此优选第二种方案，即，作为本发明的优选方案，所述的恒阻让压机构2内部设置有具有负泊松比的异形环结构。
所述的锚杆锁具4可以采用与锚杆1螺纹配合的螺母，也可以采用具有锥形内孔的锚环及夹片结构、通过夹片与锚杆及锚环的摩擦力实现锁紧，由于后一种方案的锚杆后端部不需要加工螺纹，且由于本四维支护大变形锚杆的锚杆托盘3呈喇叭型套结构，采用后一种方案时通过张拉机具即可实现紧固，较前一种方案操作简便，因此优选后者，即，作为本发明的优选方案，所述的锚杆锁具4包括锚环41和夹片42，锚环41是环形结构，其中间的通孔为锥形孔，其外径尺寸小于锚杆托盘3定位台阶的外形尺寸；夹片42设置为多片，其外壁弧度尺寸与锚环41的锥形孔的锥度配合、内壁弧度尺寸与锚杆1的外径尺寸配合，夹片42设置在锚环41的锥形孔内壁与锚杆1杆体之间，安装时，将锚环41的小孔端面向锚杆1的前端套入锚杆1的后端并顶靠在锚杆托盘3的小口端顶部的定位台阶上，最后通过张拉机具将夹片42塞实在锚环41的锥度孔的内壁与锚杆1杆体之间即可。
当锚杆1的前端受到来自巷道围岩7的正面挤压时，锚杆1连同恒阻让压机构2整体有向背离巷道围岩7的方向移动的趋势，其预紧力即被释放，导致支护失效，为防止这种情况下支护失效，作为本发明的进一步改进方案，所述的夹片42后端与钢绞线连接座5前端面之间设置弹簧51，弹簧51内圈内径尺寸与锚杆1后端的外径尺寸配合，内圈外径尺寸与锚环41锥形孔的大孔直径尺寸配合，正常支护状态时，弹簧51处于压缩状态，当锚杆1的前端受到来自巷道围岩7的正面挤压时，弹簧51可释放弹力，防止夹片42自锚环41的锥形孔内脱出，保证支护效果。
为了进一步保证支护效果，在预紧力达不到要求时能够对锚杆1施加预紧力，作为本发明的进一步改进方案，所述的钢绞线连接座5与锚杆1的后端通过螺纹连接，钢绞线连接座5的前部设有凹形容纳腔52、后部设有轴向铰接机构53，所述的弹簧51设置在凹形容纳腔52内，凹形容纳腔52的前后深度尺寸大于弹簧51完全压缩后的前后长度尺寸，即钢绞线连接座5的前端面与锚环41的后端面接触后弹簧51处于进一步压缩状态，所述的钢绞线6的一端与轴向铰接机构53固定连接，当锚杆1的预紧力达不到要求时，可旋转钢绞线连接座5使弹簧51进一步压缩、钢绞线连接座5前端面顶靠在锚环41的后端面上，继续旋转钢绞线连接座5，钢绞线连接座5即推动锚环41向前移动，同时弹簧51释放弹力推动夹片42向前移动，实现对锚杆1施加预紧力，施加预紧力的过程中钢绞线6一端与轴向铰接机构53不跟随钢绞线连接座5旋转。
需要锚固的深度通常不会大于巷道的高度和宽度，针对大于巷道的高度和宽度的深度锚固的情况，普通的锚杆无法实现，为了实现深度锚固，作为本发明的进一步改进方案，所述的锚杆1是多段式结构，通过连接机构11互相连接，进而可实现深度锚固。
为了便于在回采时回收锚杆1，作为本发明的进一步改进方案，所述的锚杆1前端设有外螺纹结构，所述的恒阻让压机构2内孔的异形环结构上还设有与锚杆1前端的外螺纹结构配合的内螺纹结构，在安装锚杆1注入锚固剂8时，控制锚固剂8的注入量使锚固剂8注入后其后端不超过恒阻让压机构2，即锚固剂8只锚固恒阻让压机构2而不锚固锚杆1，在回收锚杆1时，先拆除锚杆锁具4，然后反方向旋转锚杆1，锚杆1即可自恒阻让压机构2内脱出，实现回收利用。
为了便于对锚杆1的长度及预紧力进行检测，作为本发明的进一步改进方案，所述的锚杆1后端部中心设置有用于无损检测仪的传感器，传感器通过导线与无损检测仪连接即可实现锚杆1的长度及预紧力检测。
为了便于对钢绞线6的拉力进行检测，作为本发明的进一步改进方案，所述的钢绞线连接座5上设置用于无损检测仪的传感器，传感器通过导线与无损检测仪连接即可实现钢绞线6的拉力检测。
本四维支护大变形锚杆由于设置有呈喇叭型套结构的锚杆托盘3，锚杆托盘3小口端嵌入巷道围岩7内，大口端前端顶靠在巷道围岩7的岩壁上，且大口端与小口端内壁之间设有圆弧形过渡段，因此钢绞线6在朝不同方向与相邻的其他锚杆的钢绞线6通过恒压锁具连接实现四维支护时，钢绞线6可通过压靠在锚杆托盘3的圆弧形过渡段上实现与围岩最大限度紧密贴合，避免了钢绞线6因弯曲角过大易断裂的问题；由于设置有恒阻让压机构2，因此在锚杆1会受到过大的轴向拉力而在恒阻让压机构2内轴向外移，通过恒阻让压机构2的让压作用，当达到新的平衡点时，锚杆1停止外移，同时其预紧力保持不变，避免锚杆1因受力过大断裂造成安全隐患；由于多股钢绞线6通过钢绞线连接座5与锚杆1连接，钢绞线6的数量设置与钢绞线连接座5的面积有关，钢绞线连接座5可根据需要设置，不受其他条件约束，可以根据需要加大锚网索支护密度，提高支护质量；由于采用锚杆代替锚索支护，因此实现生产成本大幅度降低。
Claims (9)
1.一种四维支护大变形锚杆，包括锚杆（1）、恒阻让压机构（2）、锚杆托盘（3）和锚杆锁具（4），锚杆（1）的前端穿入恒阻让压机构（2）内，恒阻让压机构（2）内孔与锚杆（1）尺寸配合，其特征在于，
所述的锚杆托盘（3）呈喇叭型套结构，其小口端嵌入巷道围岩（7）内并套装在锚杆（1）的后部、且小口端顶部设有定位台阶，大口端前端顶靠在巷道围岩（7）的外岩壁上，锚杆托盘（3）大口端与小口端内壁之间设有圆弧形过渡段；
所述的锚杆锁具（4）套装在锚杆（1）的后部，并顶靠在锚杆托盘（3）的小口端顶部的定位台阶上；
还包括钢绞线连接座（5）和钢绞线（6），钢绞线连接座（5）与锚杆（1）的后端连接，多股钢绞线（6）通过钢绞线连接座（5）与锚杆（1）连接。
2.根据权利要求1所述的四维支护大变形锚杆，其特征在于，所述的恒阻让压机构（2）内部设置有具有负泊松比的异形环结构。
3.根据权利要求1或2所述的四维支护大变形锚杆，其特征在于，所述的锚杆锁具（4）包括锚环（41）和夹片（42），锚环（41）是环形结构，其中间的通孔为锥形孔，其外径尺寸小于锚杆托盘（3）定位台阶的外形尺寸；夹片（42）设置为多片，其外壁弧度尺寸与锚环（41）的锥形孔的锥度配合、内壁弧度尺寸与锚杆（1）的外径尺寸配合，夹片（42）设置在锚环（41）的锥形孔内壁与锚杆（1）杆体之间。
4.根据权利要求3所述的四维支护大变形锚杆，其特征在于，所述的夹片（42）后端与钢绞线连接座（5）前端面之间设置弹簧（51），弹簧（51）内圈内径尺寸与锚杆（1）后端的外径尺寸配合，内圈外径尺寸与锚环（41）锥形孔的大孔直径尺寸配合。
5.根据权利要求4所述的四维支护大变形锚杆，其特征在于，所述的钢绞线连接座（5）与锚杆（1）的后端通过螺纹连接，钢绞线连接座（5）的前部设有凹形容纳腔（52）、后部设有轴向铰接机构（53），所述的弹簧（51）设置在凹形容纳腔（52）内，凹形容纳腔（52）的前后深度尺寸大于弹簧（51）完全压缩后的前后长度尺寸；所述的钢绞线（6）的一端与轴向铰接机构（53）固定连接。
6.根据权利要求1或2所述的四维支护大变形锚杆，其特征在于，所述的锚杆（1）是多段式结构，通过连接机构（11）互相连接。
7.根据权利要求1或2所述的四维支护大变形锚杆，其特征在于，所述的锚杆（1）前端设有外螺纹结构，所述的恒阻让压机构（2）内孔的异形环结构上还设有与锚杆（1）前端的外螺纹结构配合的内螺纹结构。
8.根据权利要求1或2所述的四维支护大变形锚杆，其特征在于，所述的锚杆（1）后端部中心设置有用于无损检测仪的传感器。
9.根据权利要求1或2所述的四维支护大变形锚杆，其特征在于，所述的钢绞线连接座（5）上设置用于无损检测仪的传感器。
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