CN105484781B - 用可回收塑料制作的矿用支护锚杆装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种用可回收塑料制作的矿用支护锚杆装置。主要包括：锚头、杆体、止浆塞、垫板和螺母，所述杆体、止浆塞和螺母用可回收塑料制作，所述锚头、垫板和螺母和所述杆体螺纹连接，所述止浆塞套装在所述杆体的外部。本发明实施例的可回收塑料制作的矿用支护锚杆将聚乙烯塑料废物进行回收利用，制成矿用巷道支护的锚杆，减轻了部分塑料垃圾对环境照成的污染。材料的成本可以大大的减少，锚杆的运输成本也会减少，从而降低煤矿巷道支护的成本。并且可回收塑料锚杆的拉伸、压缩、剪切和弯曲的应力峰值都较大，所以其抗拉、抗压和抗弯的强度较大。

Description

用可回收塑料制作的矿用支护锚杆装置

技术领域

本发明涉及锚杆技术领域，尤其涉及一种用可回收塑料制作的矿用支护锚杆装置。

背景技术

我国煤矿主要是地下开采,需要在井下开掘大量巷道,保持巷道畅通和围岩稳定对煤矿建设与安全生产具有重要意义。所以，在开掘巷道时，就需要采用科学的方法和合理的支护材料对巷道进行有效的支护。

我囯煤矿巷道支护的主要形式有3种：砌碹支护、棚室支护、锚杆支护。相对来说，锚杆支护具有掘进断面小、支护成本低、施工工艺简单、有利于一次成巷和快速掘进、可以紧跟工作面支护等优点,所以，锚杆支护是我国煤矿巷道支护的主要形式。锚杆支护又分为：锚网支护、锚喷支护、锚网喷支护、锚网索支护四种主要形式，锚杆在这些支护形式当中是必不可少的工具。

锚杆是一种安置在巷道围岩体内的杆状锚栓体系。采用锚杆支护的巷道，其实就是在巷道掘进后向围岩中钻锚杆眼，然后将锚杆安置在锚杆孔内，对巷道围岩进行加固，以维护巷道的稳定性。我国矿用巷道支护所用锚杆的材质主要有金属、玻璃钢、树脂和竹木。而由这些材质制成的锚杆又具有不同的缺点，如金属锚杆易生锈易腐蚀、玻璃钢和树脂锚杆成本高、竹木锚杆强度低易腐蚀。因此，制造一种实用和高效的矿用锚杆支护是十分必要的。

发明内容

本发明的实施例提供了一种用可回收塑料制作的矿用支护锚杆装置，以提供一种实用和高效的矿用锚杆支护。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种用可回收塑料制作的矿用支护锚杆装置，包括：锚头、杆体、止浆塞、垫板和螺母，所述杆体、止浆塞和螺母用可回收塑料制作，所述锚头、垫板和螺母和所述杆体螺纹连接，所述止浆塞套装在所述杆体的外部。

优选地，所述锚头包括螺旋状端头和圆柱状底座两部分，在所述圆柱状底座的中间开有孔洞，该孔洞的内径和所述杆体的直径相同，所述孔洞中设置有螺丝，该螺丝和所述杆体上的螺纹进行衔接。

优选地，在所述圆柱状底座的侧面设置了多个倾斜的螺纹阵列，每个螺纹阵列包括上下排列的多层螺纹，各层螺纹水平放置。

优选地，每个倾斜的螺纹阵列的横截面积从下到上逐步减少，使得各层螺纹在圆柱状底座的侧面形成一个斜坡，倾斜的各层螺纹之间的空隙使锚固剂向下流动。

优选地，在所述圆柱状底座的侧面每间隔设定角度设置一个倾斜的螺纹阵列。

优选地，所述垫板为中间带圆孔的正方体形状，垫板上的圆孔的内径和所述杆体的直径相同，垫板上的圆孔中设置有螺丝，该螺丝和所述杆体上的螺纹进行衔接。

优选地，所述止浆塞为中空的圆锥体形状，圆锥体的上口外径比下口外径小。

优选地，所述螺母和所述杆体上的螺纹衔接，安装在所述杆体上，所述螺母顶住所述垫板的下部。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的可回收塑料制作的矿用支护锚杆同现有材料的锚杆相比，有如下几个优点：

(1)将聚乙烯塑料废物进行回收利用，制成矿用巷道支护的锚杆，减轻了部分塑料垃圾对环境照成的污染。

(2)因为可回收塑料属于废弃物，所以，材料的成本可以大大的减少。另外，锚杆密度小，质量轻，所以锚杆的运输成本也会减少。从而降低煤矿巷道支护的成本。

(3)可回收塑料锚杆的拉伸、压缩、剪切和弯曲的应力峰值都较大，所以其抗拉、抗压和抗弯的强度较大。并且，在一些特殊环境下，其强度大小所受影响也不大。

(4)由于可回收塑料锚杆的主要成分是聚乙烯，所以，其耐腐蚀和抗酸碱的能力强，在其表面不会出现生锈、发霉的现象。另外不易分解。

(5)各层螺纹在锚头的圆柱状底座的侧面形成一个斜坡，倾斜的各层螺纹之间的空隙都可便于锚固剂向下流动，使锚固剂平均分布在钻孔内，使锚杆各部分都可以完全黏贴到钻孔壁，增强锚固的效果。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种用可回收塑料制作的矿用支护锚杆的结构示意图，图中，锚头1、杆体2、止浆塞3、垫板4和螺母5；

图2为本发明实施例提供的一种锚头的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种垫板的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种止浆塞的结构示意图；

图5本发明实施例提供的一种螺母的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种矿用支护锚杆在巷道支护时的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种可回收塑料锚杆的弯曲蠕变影响测试示意图；

图8为本发明实施例提供的一种可回收塑料锚杆蠕变弯曲的Arrhenius图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例为了解决其他材质锚杆所具有的缺点，提高支护效果、降低支护成本，提出用可回收塑料制成煤矿巷道支护所用的锚杆。

本发明实施例提供的一种用可回收塑料制作的矿用支护锚杆的结构示意图如图1所示，主要由5部分组成：锚头1、杆体2、止浆塞3、垫板4和螺母5，为了增强锚头和垫板的硬度，锚头和垫板均采用一般的不锈钢等金属材质，杆体、止浆塞和螺母采用可回收塑料的材质进行制作。所述锚头、垫板和螺母和所述杆体螺纹连接，所述止浆塞套装在所述杆体的外部。

上述可回收塑料是从工业废物和一些生活垃圾中制造出来的，主要包括高密度聚乙烯以及微量木屑等成分。在可回收塑料的制作加工过程中，首先需将废旧塑料中的泥沙、油污、石子、橡胶、铁丝、破布及其它金属杂物清除干净；然后将各种不同的废旧塑料鉴别分类，挑选出高密度聚乙烯的可回收塑料，主要有一些：安全帽、塑料桶、管道、塑料容器等；接着将挑选出来的废旧塑料进行清理、清洗、脱水干燥；材料准备好之后，用破碎机将废物粉碎，混合在一起，加热，直至部分熔化，然后用注塑机按照要求的形状和尺寸生产出产品。

本发明实施例提供的一种锚头的结构示意图如图2所示，锚头的作用是锚杆在被打入钻孔时，使锚杆居中，且可以不断搅拌锚固剂，使锚固剂混合，触发锚固剂使锚杆固定。

本发明实施例的锚头包括螺旋状端头和圆柱状底座两部分，在圆柱状底座的中间开有孔洞，该孔洞的内径和杆体的直径相同，便于插入所述杆体，孔洞中设置有螺丝，该螺丝和杆体上的螺纹进行衔接。圆柱状底座的外径比内径大3mm左右，锚头可以高8cm。

在圆柱状底座的侧面设置了多列倾斜的螺纹阵列，比如，每间隔设定角度(比如，90°或者120°)设置一个螺纹阵列，螺纹阵列的倾斜角度可以为15°。每个螺纹阵列包括上下排列的多层螺纹，各层螺纹水平放置，每层螺纹的长度可以在15mm左右，每个倾斜的螺纹阵列的横截面积从下到上逐步减少，使得各层螺纹在圆柱状底座的侧面形成一个斜坡，倾斜的各层螺纹之间的空隙都可便于锚固剂向下流动，使锚固剂平均分布在钻孔内，使锚杆各部分都可以完全黏贴到钻孔壁，增强锚固的效果。

杆体是本发明实施例的矿用支护锚杆的最重要的构建，在锚固和支护中起主要作用。锚杆的尺寸可根据煤矿井下具体的岩层和煤层的特性而定，杆体与其他部件连接处均有螺纹，以便连接，一般锚杆的杆体直径为16～22mm，锚杆长度为1.6～2.6m。

本发明实施例提供的一种垫板的结构示意图如图3所示，垫板为中间带圆孔的正方体形状，垫板上的圆孔的内径和所述杆体的直径相同，垫板上的圆孔中设置有螺丝，该螺丝和所述杆体上的螺纹进行衔接。垫板的作用是支撑巷道顶部，承受更大的围岩应力，比如，大小为边长15cm的正方形。

本发明实施例提供的一种止浆塞的结构示意图如图4所示，止浆塞为中空的圆锥体形状，圆锥体的上口外径比下口外径小，止浆塞套在杆体的外部，可防治锚固剂从钻孔溢出，上口外径为19mm～25mm，下口外径为24mm～30mm。所述止浆塞套装在所述杆体的外部。

本发明实施例提供的一种螺母的结构示意图如图5所示，螺母和杆体上的螺纹衔接，安装在杆体上，螺母顶住垫板的下部，螺母的作用是固定垫板，将围岩应力集中到垫板上，外径为19mm～25mm。

在支护时，根据矿井岩层的实际情况，先用钻机打孔，打至所需深度，钻孔直径要和杆体直径相匹配，一般比杆体直径大5mm左右。打孔完成之后，用压风机将孔内岩粉、水等杂物吹净，再将锚固剂插入孔内，锚固剂的技术指标应符合执行标准要求。接着用锚杆钻机将锚杆推入钻孔，锚杆在快速旋转时，锚头不断搅拌锚固剂，使锚固剂混合，触发锚固剂使锚杆固定。最后按标准要达到的等待时间，先安装止浆塞，再使用专用扳手安装垫板和螺母，使垫板紧贴岩壁。如果需要使用铁丝网或锚索加强支护效果，可在安装垫板和螺母之前，将铁丝网或锚索套在锚杆外漏的下端再进行安装垫板和螺母。

本发明实施例提供的一种矿用支护锚杆在巷道支护时的示意图如图6所示，锚杆在使用时的支护原理主要有悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论、挤压加固拱作用等。

本发明实施例的矿用支护锚杆的各种材料特性分析如下：

本发明实施例的可回收塑料制成的锚杆与其他材料制成的锚杆相比，具有良好的材料特性。首先，含有高密度聚乙烯的可回收塑料化学稳定性好，对降解的敏感性很低、不易腐蚀；其次，该材料在各种恶劣环境下的峰值应力和杨氏模量都较大，即强度大；最后，该材料的密度小，质量轻。接下来，对该材料的特性进行具体的说明。

(1)降解敏感度低、不易腐蚀

聚乙烯材料具有优良的耐低温性能(最低使用温度可达-70～-100℃)，化学稳定性好，能耐大多数酸碱的侵蚀，常温下不溶于一般溶剂，吸水性小，电绝缘性能优良。此外它也不会促进藻类、细菌或真菌生长，所以可回收塑料制作的锚杆的表面不会出现发霉、青苔的现象，不会因为发霉、青苔的现象而影响强度。

聚乙烯是线性的饱和碳氢化合物，在结构上与石蜡和长链烷烃类似，但分子量大都在2万以上，聚乙烯生物降解的难易程度直接与其分子量有关，支链及20碳以上的烷烃很难被生物降解。塑料在土壤中完全被微生物降解成CO₂和水，需要200～400a，从而造成在环境中的积累，导致了塑料对环境的污染。因此，能够对聚乙烯塑料进行回收再利用，对环境保护也起到了很大的作用。

(2)蠕变性

固体材料在保持应力不变的条件下，即使该应力的大小没有超过其弹性极限，应变也会随时间延长而增加的现象叫蠕变。所以，可回收塑料锚杆支护的使用期限除了环境对他降解、腐蚀的影响有关以外，还与其受到横向应力和抵抗变形的能力的相互作用有关，即与蠕变速率相关。

为确定可回收塑料锚杆的蠕变影响，将可回收塑料锚杆放置在一个框架中，进行类似悬臂梁的测试，框架尺寸为5cm*5cm的截面，可回收塑料锚杆受到沿其长度的单点或者多点负载的作用，本发明实施例提供的一种可回收塑料锚杆的弯曲蠕变影响测试示意图如图7所示，锚杆的弯曲变形随着时间的推移在A、B和C点被测量出来。由于蠕变是一个长期的现象，我们将测试环境的温度升高，以便加速蠕变进程，分别选择56℃、68℃、78℃三个温度环境进行测试。另外，三种环境下锚杆的极限偏转都设为120mm。在56℃条件下测试的结果见表1。

表1 锚杆的弯曲蠕变测试结果

我们将测试结果用Arrhenius方法进行处理，本发明实施例提供的一种可回收塑料锚杆蠕变弯曲的Arrhenius图如图8所示，图8表示了锚杆达到偏转极限120mm所需时间的倒数与测试温度的倒数关系，包括了锚杆在56℃、68℃、78℃时的测试数据，随着测试温度的增加，达到极限偏转的时间在减少。Arrhenius线的斜率被称为活化能Eact。已知测试温度Ttest和实际的温度Tsite，那么在Ttest温度下可回收塑料锚杆达到极限偏转的时间就可以用下式进行计算：

式中rtest——在测试中达到偏转极限的时间；

rsite——在现场达到极限偏转的时间；

R——通用气体系数。

我们可以将这个结论结合煤矿巷道的实际环境，推算出可回收塑料锚杆的蠕变率，确定锚杆的使用期限。

(3)强度大

选择的可回收塑料锚杆尺寸为Φ18cm*2.4m。目前为止，我们已经完成了共65个拉伸试验，53个压缩试验，9个剪切试验和6个弯曲试验，实验结果见表2。

表2各种环境条件下可回收塑料材料的性能测试结果汇总

这些数据表明：

1、可回收塑料制成的锚杆无论是进行拉伸、压缩、剪切还是弯曲，其杨氏模量和峰值应力都较大，其抗拉、抗压、抗剪、抗弯强度分别是13Mpa、21Mpa、8.7Mpa、1.5Mpa。

2、在一些特殊的环境下，与理想条件相比，可回收塑料制成的锚杆的拉伸和压缩强度都出现略微降低，但是强度减少较小。所以，当可回收塑料锚杆在煤矿巷道可能遭受的条件下支护时，其强度受到的影响并不大，完全可以适用。

(4)密度低、材质轻

聚乙烯塑料的密度一般为0.91～0.97g/cm3，因此可回收塑料锚杆的密度最大不会超过1g/cm3。这相对于金属锚杆来说，质量会减轻不少。因此，可回收塑料锚杆在运输上会节省成本，便于运输和安装。

综上所述，本发明实施例的可回收塑料制作的矿用支护锚杆同现有材料的锚杆相比，有如下几个优点：

(1)将聚乙烯塑料废物进行回收利用，制成矿用巷道支护的锚杆，减轻了部分塑料垃圾对环境照成的污染。

(2)因为可回收塑料属于废弃物，所以，材料的成本可以大大的减少。另外，锚杆密度小，质量轻，所以锚杆的运输成本也会减少。从而降低煤矿巷道支护的成本。

(3)可回收塑料锚杆的拉伸、压缩、剪切和弯曲的应力峰值都较大，所以其抗拉、抗压和抗弯的强度较大。并且，在一些特殊环境下，其强度大小所受影响也不大。

(4)由于可回收塑料锚杆的主要成分是聚乙烯，所以，其耐腐蚀和抗酸碱的能力强，在其表面不会出现生锈、发霉的现象。另外不易分解。

(5)各层螺纹在锚头的圆柱状底座的侧面形成一个斜坡，倾斜的各层螺纹之间的空隙都可便于锚固剂向下流动，使锚固剂平均分布在钻孔内，使锚杆各部分都可以完全黏贴到钻孔壁，增强锚固的效果。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种用可回收塑料制作的矿用支护锚杆装置，其特征在于，包括：锚头、杆体、止浆塞、垫板和螺母，所述杆体、止浆塞和螺母用可回收塑料制作，所述锚头、垫板和螺母和所述杆体螺纹连接，所述止浆塞套装在所述杆体的外部；

所述锚头包括螺旋状端头和圆柱状底座两部分，在所述圆柱状底座的中间开有孔洞，该孔洞的内径和所述杆体的直径相同，所述孔洞中设置有螺丝，该螺丝和所述杆体上的螺纹进行衔接；在所述圆柱状底座的侧面设置了多个倾斜的螺纹阵列，每个螺纹阵列包括上下排列的多层螺纹，各层螺纹水平放置；每个倾斜的螺纹阵列的横截面积从下到上逐步减少，使得各层螺纹在圆柱状底座的侧面形成一个斜坡，倾斜的各层螺纹之间的空隙使锚固剂向下流动；

所述垫板为中间带圆孔的正方体形状，垫板上的圆孔的内径和所述杆体的直径相同，垫板上的圆孔中设置有螺丝，该螺丝和所述杆体上的螺纹进行衔接。

2.根据权利要求1所述的用可回收塑料制作的矿用支护锚杆装置，其特征在于，在所述圆柱状底座的侧面每间隔设定角度设置一个倾斜的螺纹阵列。

3.根据权利要求1所述的用可回收塑料制作的矿用支护锚杆装置，其特征在于，所述止浆塞为中空的圆锥体形状，圆锥体的上口外径比下口外径小。

4.根据权利要求1所述的用可回收塑料制作的矿用支护锚杆装置，其特征在于，所述螺母和所述杆体上的螺纹衔接，安装在所述杆体上，所述螺母顶住所述垫板的下部。