CN105626112B - 一种基于内置式恒阻器的支护装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于内置式恒阻器的支护装置，包括：涨壳锚头；内置式恒阻器，与所述涨壳锚头连接，包括外壁、设置于所述外壁内的固体阻尼介质和设置于所述固体阻尼介质中的锥形活塞体；注浆锚杆，与所述内置式恒阻器连接；锁紧装置，与所述注浆锚杆连接。本发明有益效果：本发明提供了一种基于内置式恒阻器的支护装置及其使用方法，应用于煤矿井工巷道支护、隧道支护、坝体支护、涵洞支护或边坡支护等岩土工程支护，基于内置式恒阻器的支护装置及其使用方法是将恒阻器的恒阻延展性能和注浆锚杆的注浆加固性能同时引入岩土工程支护体系，使得支护体系获得既能恒阻让压又有稳定锚固点的新型动态稳定支护体系。
Description
技术领域
本发明涉及锚杆或锚索支护领域，特别是指一种基于内置式恒阻器的支护装置及其使用方法。
背景技术
随着巷道支护技术不断地提高与创新，锚固理论水平的不断发展，巷道锚杆或锚索支护预应力锚固技术应用技术水平也在不断地提高，现在广泛应用在隧道、建筑、矿山等诸多地下工程领域。随着经济的快速发展，社会对能源的需求量日益增加，而浅部易采资源日趋枯竭，无法满足经济发展的需要，因此矿山的规模正在不断地扩大，矿井也逐渐向深部快速推进，目前国内外矿山都在进行深部资源的开发。传统的锚杆或锚索支护技术已无法适应深部巷道稳定性控制的要求，支护体系具有高弹性能、变形量大或支护体系围岩破碎等问题；现逐渐将恒阻延长锚杆或锚索和注浆锚杆或锚索技术应用于矿井施工中，为安全、快速、经济地掘进巷道或隧道提供了一条有效途径。
恒阻延长式锚杆或锚索的恒阻延展性可以有效释放岩土工程中的集中应力，例如释放软岩大变形的软岩膨胀压力、释放冲击地压的冲击能量、释放岩爆的岩石巨大弹性能量、释放煤与瓦斯突出的弹性能和释放边坡治理工程中边坡滑移力等。涨壳注浆锚杆可以增加锚杆的锚固力，使其具备稳定锚固基点，同时注浆液体可以加固围岩裂隙使破碎锚固体围岩形成新的稳固整体围岩；调整注浆原料或时机等可以获得新的稳定支护体系。
在此背景技术下，研发设计出一种基于内置式恒阻器的支护装置及其使用方法很好地解决了上述问题，涨壳注浆锚杆支护体系即能恒阻大变形释放岩土工程中的集中应力，又能通过合适时机注浆加固使得锚杆或锚索支护体系具备稳定锚固基点和将破碎裂隙的围岩体形成新的稳固整体围岩。
发明内容
本发明提出一种基于内置式恒阻器的支护装置及其使用方法，解决了现有技术中上述的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于内置式恒阻器的支护装置，包括：
涨壳锚头，所述涨壳锚头包括锚片和与所述锚片滑动连接的锚头体；
内置式恒阻器，与所述涨壳锚头连接，包括外壁、设置于所述外壁内的固体阻尼介质和设置于所述固体阻尼介质中的锥形活塞体；
注浆锚杆，与所述内置式恒阻器连接；
锁紧装置，与所述注浆锚杆连接；
弹簧，所述弹簧的形状为U型，设置在所述锚片与所述锚头体之间，所述弹簧的底部与所述锚头体连接；
其中，所述锚片上设有增阻结构；所述内置式恒阻器通过套管与所述注浆锚杆连接，所述套管上设有注浆孔，所述注浆孔与所述注浆锚杆连通。
优选地，所述锚头体通过螺栓与所述内置式恒阻器连接。
优选地，所述注浆锚杆为涨壳注浆锚杆。
进一步地，所述锁紧装置包括：
托盘，与所述注浆锚杆连接；
螺母，与所述注浆锚杆连接。
优选地，所述涨壳锚头设置于所述内置式恒阻器的所述外壁与所述套管之间。
一种如上所述的基于内置式恒阻器的支护装置的使用方法，包括以下步骤：
在岩面钻孔；
在所述孔内安装如上所述的基于内置式恒阻器的支护装置；
打开所述涨壳锚头施加预紧力，利用涨壳锚头提供初始锚固力；
对所述内置式恒阻器施加初始拉力，所述锥形活塞体挤压所述固体阻尼介质迫使所述外壁膨胀形变，使所述外壁与所述孔内壁压紧贴实，逐渐增加拉力，使得所述注浆锚杆的锚固力达到设计要求。
进一步地，当隧道受到非自然因素导致隧道变形量超量时，所述基于内置式恒阻器的支护装置释放压力稳定后，还包括以下步骤：
释放出碎石整形隧道；
重新预紧所述注浆锚杆至合适尺寸；
对所述注浆锚杆进行注浆。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种基于内置式恒阻器的支护装置及其使用方法，应用于煤矿井工巷道支护、隧道支护、坝体支护、涵洞支护或边坡支护等岩土工程支护，基于内置式恒阻器的支护装置及其使用方法是将恒阻器的恒阻延展性能和注浆锚杆的注浆加固性能同时引入岩土工程支护体系，使得支护体系获得既能恒阻让压又有稳定锚固点的新型动态稳定支护体系。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明一种基于内置式恒阻器的支护装置的结构示意图；
图2为本发明一种基于内置式恒阻器的支护装置的使用状态参考图；
图3为本发明一种基于内置式恒阻器的支护装置的另一使用状态参考图；
图4为图3中A的局部放大图；
图5为本发明一种基于内置式恒阻器的支护装置的另一使用状态参考图；
图6为本发明一种基于内置式恒阻器的支护装置的另一使用状态参考图；
图7为本发明一种基于内置式恒阻器的支护装置的另一结构示意图；
图8为本发明一种基于内置式恒阻器的支护装置的涨壳锚头的结构示意图；
图9为本发明一种基于内置式恒阻器的支护装置的涨壳锚头的另一结构示意图。
图中：
1、涨壳锚头；2、外壁；3、固体阻尼介质；4、锥形活塞体；5、注浆锚杆；6、锚片；7、锚头体；8、螺栓；9、套管；10、注浆孔；11、托盘；12、螺母；13、孔；14、弹簧。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-9所示，本发明所述的一种基于内置式恒阻器的支护装置，包括：
涨壳锚头1；
内置式恒阻器，与涨壳锚头1连接，包括外壁2、设置于外壁2内的固体阻尼介质3和设置于固体阻尼介质3中的锥形活塞体4；
注浆锚杆5，与内置式恒阻器连接；
锁紧装置，与注浆锚杆5连接。
具体地，内置式恒阻器为内置膨胀式固体活塞结构，在受到初始拉力时，锥形活塞体4挤压固体阻尼介质3迫使外壁2膨胀形变，使外壁2与孔13内壁压紧贴实，逐渐增加锚固力，使得锚固力达到设计要求；内置式恒阻器设有增强初始锚固力阶段，即低恒阻力阶段，和高支护阻力让压阶段，即超高恒阻力阶段，共两个阶段，通过上述结构使得外壁2膨胀变形与孔13内壁摩擦贴实，将涨壳锚头1的单一150kN低锚固力提高到240kN以上超高锚固力，同时此过程锥形活塞体4的锥形固体活塞结构恒阻变形提供形变恒阻力，充分释放岩爆冲击能量。
采用内置式恒阻器：1、可以将初始锚固力提高2-3倍以上；2、同时能够通过内置式恒阻器自身结构的恒阻变形，吸收冲击，例如岩爆的能量；3、在施工过程无需扩孔或增加其他辅具安装，即使出现冲击事故，例如岩爆，也可将损失降到最低。
其中，所述涨壳锚头1可以包括：
锚片6；
锚头体7，与锚片6滑动连接。
具体地，锚头体7两侧设有向外倾斜的倾斜面，锚片6可滑动地设置在倾斜面上。使用时，向孔13内推入涨壳锚头1，推入的过程锚片6与锚头体7保持相对静止；当推入预设深度时，旋转涨壳锚头1，然后向外拉锚头体7，锚片6受到孔13内壁的阻力，与锚头体7发生相对运动，同时在倾斜面的作用下，锚片6受到孔13内壁的阻力越来越大，直至达到要求。为了更容易旋转涨壳锚头1，锚片6或锚头体7的径向截面可以为变径结构，例如阿基米德螺线，其标准极坐标方程为r(θ)＝a+b(θ)。
其中，优选地，锚片6上还设有增阻结构，例如锯齿状台阶或倒刺等。具体地，向孔13内推入涨壳锚头1时，锯齿状台阶或倒刺为顺茬，向外拉锚头体7时，锯齿状台阶或倒刺为戗茬。
其中，优选地，所述锚头体7通过螺栓8与内置式恒阻器连接。
其中，优选地，所述内置式恒阻器通过套管9与注浆锚杆5连接。
其中，优选地，所述套管9上设有注浆孔10，注浆孔10与注浆锚杆5连通。
其中，优选地，所述注浆锚杆5为涨壳注浆锚杆。
其中，所述锁紧装置可以包括：
托盘11，与注浆锚杆5连接；
螺母12，与注浆锚杆5连接。
当然，锁紧装置还可以为其它结构，例如卡环等，本发明对此不进行限定。
其中，优选地，所述涨壳锚头1设置于内置式恒阻器的外壁2与套管9之间。具体地，涨壳锚头1为空心结构，锥形活塞体4穿过涨壳锚头1，以使锥形活塞体4与注浆锚杆5连接。
另外，锚片6和锚头体7初始分开利用弹性结构打开，具体可以使用弹簧14，弹簧14的形状为U型，设置在锚片6与锚头体7之间，弹簧14的底部与锚头体7连接。在使用时，向孔13内推入涨壳锚头1时，弹簧14两侧是张开的，因此锚片6也被弹开，因为锚头体7设有倾斜面、锚片6上设有锯齿状台阶或倒刺等增阻结构，锚片6在弹簧14的弹力作用下保证一直挂壁，即挤压孔13内壁，在向后拉拔锚头体7时，锚片6在弹簧14、锚头体7的倾斜面和锚片6上的锯齿状台阶或倒刺等增阻结构共同作用下，会沿锚头体7的倾斜面锁死，锚固在孔13内部。锚片6和锚头体7初始分开利用弹性结构打开，改变原有涨壳锚头1的锚头体7受拉力状态，变为受压力状态，与涨壳锚头1设置于一端相比，从结构上提高锚固力。
一种如上所述的基于内置式恒阻器的支护装置的使用方法，包括以下步骤：
在岩面钻孔13；
在孔13内安装如上所述的基于内置式恒阻器的支护装置；
打开涨壳锚头1施加预紧力，利用涨壳锚头1提供初始锚固力；
对内置式恒阻器施加初始拉力，锥形活塞体4挤压固体阻尼介质3迫使外壁2膨胀形变，使外壁2与孔13内壁压紧贴实，逐渐增加拉力，使得注浆锚杆5的锚固力达到设计要求。
其中，当隧道受到非自然因素导致隧道变形量超量时，基于内置式恒阻器的支护装置释放压力稳定后，还可以包括以下步骤：
释放出碎石整形隧道；
重新预紧注浆锚杆5至合适尺寸；
对注浆锚杆5进行注浆。
具体地，使用时，将内置式恒阻器端部螺栓8上拧紧涨壳锚头1，同时尾部拧紧注浆锚杆5，将上述部件推入孔13底部后旋转注浆锚杆5使涨壳锚头1打开，形成初始锚固，其中孔13的孔径为50mm；如果需要超高锚固力和恒阻力可以人为利用专用张拉机具对注浆锚杆5进行张拉，利用内置式恒阻器变形增强初始锚固力，使其处于超高锚固力和高支护阻力让压状态；如果隧道受到非自然因素，例如冲击地压、岩爆或地质构造非对称形变等，导致隧道变形量超量，可以剪开护网，即初喷层和钢网，放出碎石整形隧道后，拧紧注浆锚杆5的螺母12，将多余长度注浆锚杆5截除即可，这样就可以将高地应力的原岩应力充分释放后再进行滞后注浆，杜绝注浆过早应力释放不充分导致隧道施工永久支护后变形、开裂或起皮等灾害。
本发明所述的一种基于内置式恒阻器的支护装置及其使用方法，其设计理念是：首先利用涨壳锚头1提供初始锚固力150kN以下，再利用内置式恒阻器的增阻增锚结构，将注浆锚杆5端头锚固力过渡增加到240kN以上，同时恒阻力过渡增加到240kN左右，保证恒阻使用过程恒阻力240kN左右，即注浆锚杆5最大力310kN的80％左右，最后卡紧抱死达到最大力310kN以上。内置式恒阻器具备恒阻卸压功能和配合注浆锚杆5滞后注浆功能，可构成超高恒阻力可控式让压和滞后注浆加固围岩体系；在超高恒阻力可控式让压过程可实现对围岩体系针对性可控补强加固和超大变形量可控修复等功能，将冲击地压或岩爆瞬间灾害事故转变为可控工程治理问题。
使用本发明所述的一种基于内置式恒阻器的支护装置及其使用方法，可形成超高恒阻力可控式让压和滞后注浆加固围岩支护体系，具体为：锚固端基岩为稳定岩层、支护体系围岩为无裂隙致密岩层并有弹性能冲击动力，采用涨壳锚头1和内置式恒阻器将注浆锚杆5锚固于基岩，其锚固力大于内置式恒阻器恒阻卸压力，利用内置式恒阻器的恒阻卸压性能将支护体系的高弹性能和冲击动力进行可控式卸压释放，同时在锚固端与支护层表面之间的围岩内制造人工裂隙后，最后通过注浆锚杆5滞后注浆加固围岩内部人工裂隙，形成恒阻释放弹性能滞后注浆加固的稳定支护体系。
同时，在现有的设备条件下，使用本发明所述的一种基于内置式恒阻器的支护装置及其使用方法，可形成支护过程动态监测和动态支护工艺，具体为：在超高恒阻力可控式让压过程中可对围岩体系针对性可控补强加固和超大变形量可控修复等支护施工，上述支护施工中所涉及的内置式恒阻器的施工质量、注浆时机、裂隙状况、恒阻卸压状况、区域性补强加固和修巷等参数，可以通过顶板离层仪、锚杆测力计、地应力监测仪、地音监测仪和微震监测仪等测定综合分析，根据上述仪器监测结果综合分析掌握控制施工中的施工质量、注浆时机、裂隙状况、恒阻卸压状况、可控补强加固管理和可控修巷管理等，上述各监测仪器设定合理报警阀值，对超高恒阻力可控式让压和滞后注浆加固围岩支护体系合理监测报警、分析支护体系支护状况，判断冲击地压或岩爆等瞬间灾害作用于支护体系实时状况，最终选择合理的可控补强加固、超大变形量可控修复以及注浆时机等方案，保障支护过程动态监测和动态支护安全稳定，例如补打吸能锚杆加强支护或滞后注浆补强支护等动态补强支护，将冲击地压或岩爆瞬间灾害事故转变为可控工程治理问题。
本发明所述的一种基于内置式恒阻器的支护装置及其使用方法，可应用于煤矿井工巷道支护、隧道支护、坝体支护、涵洞支护或边坡支护等岩土工程支护治理，同时利用顶板离层仪、锚索测力计、地应力监测仪、地音监测仪和微震监测仪等测定综合分析支护治理效果，有效的解决了普通锚杆或锚索支护体系岩土工程中的集中应力无法释放问题和普通注浆锚杆或锚索无法灵活选取注浆时机加固锚杆或锚索支护体系，使其具备稳定锚固基点和将破碎裂隙的围岩体形成新的稳固整体围岩，将恒阻延展性能和灵活高效注浆加固性能同时引入岩土工程支护体系，使得支护体系获得即能恒阻让压又有稳定锚固点的新型动态稳定支护体系，本发明的主要优点体现在以下几点：
1、使得岩土工程支护体系具备恒阻让压性能，可以释放集中应力；
2、使得岩土工程支护体系具备灵活高效注浆加固性能，可以加固形成稳定锚固基点和将破碎裂隙的围岩体形成新的稳固整体围岩；
3、各监测仪器综合监测分析掌握内置式恒阻器的施工质量、注浆时机、裂隙状况、恒阻卸压状况、可控补强加固管理和可控修巷管理等，对支护体系动态监测管理；
4、对于软岩支护岩土工程或类似疑难治理岩土工程，本发明可以在锚固端人工制造裂隙后滞后注浆，在锚固基点形成注浆大头稳固支护体系，控制岩体工程形变减少返修工程；
5、对于冲击动力支护岩土工程或类似疑难治理岩土工程，本发明可以对锚固点以内围岩体恒阻释放集中应力，杜绝冲击事故或集中应力突然释放事故产生，保障安全生产需求；
6、内置式恒阻器安装使用无需增加任何施工机具和修改施工工艺，即无需扩孔、树脂锚固、修改安装机具等，利用原有设备既可施工；
7、内置式恒阻器将原有涨壳锚头锚固力提高2-3倍，可节省1-2套注浆锚杆成本和施工成本，并具备恒阻卸压功能；
8、原有支护体系锚杆失效，即能量释放，为瞬间过程，没有时间人为干预控制，本发明能量释放为缓慢恒阻过程，可以人为干预控制、针对性加强支护和控制灾害发生；
9、可以将高地应力的原岩应力充分释放后再进行滞后注浆，杜绝注浆过早原岩应力释放不充分导致隧道施工永久支护后变形、开裂、起皮或冲击等灾害；
10、采用本发明施工的隧道受到非自然因素，例如冲击地压、岩爆或地质构造非对称形变等，导致隧道变形量超量，可以剪开护网，即初喷层和钢网，放出碎石修整隧道后，拧紧螺母12，将多余长度注浆锚杆5截除即可，节省成本，杜绝隧道变形后卡住掘进机影响施工，同时避免了普通刚性支护的涨壳锚头早已失效造成更大灾害破坏；
11、具有极强经济效益和安全效益，首先整体提高支护强度2-3倍，节省1-2套锚杆成本，其次杜绝冲击事故伤人伤设备问题，节省事故人员和设备损失，再次杜绝事故后长期停工延误工期问题和高成本恢复生产问题，最后通过动态监测、施工、管理，即使出现冲击事故，例如岩爆，通过控制变形量、缓解冲击能量释放、吸收部分冲击能量、可控解决非对称形变问题和原有恒阻器锚杆循环使用等，也可将损失降到最低；
12、将冲击地压或岩爆瞬间灾害事故转变为可控工程治理问题，保证施工和使用全过程中安全高效。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于内置式恒阻器的支护装置，其特征在于，包括：
涨壳锚头(1)，所述涨壳锚头(1)包括锚片(6)和与所述锚片(6)滑动连接的锚头体(7)；
内置式恒阻器，与所述涨壳锚头(1)连接，包括外壁(2)、设置于所述外壁(2)内的固体阻尼介质(3)和设置于所述固体阻尼介质(3)中的锥形活塞体(4)；
注浆锚杆(5)，与所述内置式恒阻器连接；
锁紧装置，与所述注浆锚杆(5)连接；
弹簧(14)，所述弹簧(14)的形状为U型，设置在所述锚片(6)与所述锚头体(7)之间，所述弹簧(14)的底部与所述锚头体(7)连接；
其中，所述锚片(6)上设有增阻结构；所述内置式恒阻器通过套管(9)与所述注浆锚杆(5)连接，所述套管(9)上设有注浆孔(10)，所述注浆孔(10)与所述注浆锚杆(5)连通。
2.根据权利要求1所述的基于内置式恒阻器的支护装置，其特征在于，所述锚头体(7)通过螺栓(8)与所述内置式恒阻器连接。
3.根据权利要求1所述的基于内置式恒阻器的支护装置，其特征在于，所述注浆锚杆(5)为涨壳注浆锚杆。
4.根据权利要求1所述的基于内置式恒阻器的支护装置，其特征在于，所述锁紧装置包括：
托盘(11)，与所述注浆锚杆(5)连接；
螺母(12)，与所述注浆锚杆(5)连接。
5.根据权利要求1所述的基于内置式恒阻器的支护装置，其特征在于，所述涨壳锚头(1)设置于所述内置式恒阻器的所述外壁(2)与所述套管(9)之间。
6.一种如权利要求1所述的基于内置式恒阻器的支护装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
在岩面钻孔(13)；
在所述孔(13)内安装如权利要求1所述的基于内置式恒阻器的支护装置；
打开所述涨壳锚头(1)施加预紧力，利用涨壳锚头(1)提供初始锚固力；
对所述内置式恒阻器施加初始拉力，所述锥形活塞体(4)挤压所述固体阻尼介质(3)迫使所述外壁(2)膨胀形变，使所述外壁(2)与所述孔(13)内壁压紧贴实，逐渐增加拉力，使得所述注浆锚杆(5)的锚固力达到设计要求。
7.根据权利要求6所述的基于内置式恒阻器的支护装置的使用方法，其特征在于，当隧道受到非自然因素导致隧道变形量超量时，所述基于内置式恒阻器的支护装置释放压力稳定后，还包括以下步骤：
释放出碎石整形隧道；
重新预紧所述注浆锚杆(5)至合适尺寸；
对所述注浆锚杆(5)进行注浆。
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