CN108222990A - 一种m型释能锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种M型释能锚杆，包括：锚固杆体，锚固杆体两端分别设置有搅拌头和螺纹紧固段，螺纹紧固段上旋接有螺母，锚固杆体靠近螺纹紧固段的一端还套装有托板，托板一侧顶抵于螺母，锚固杆体由第一杆体部和第二杆体部组成，第二杆体部设置于两个第一杆体部之间，第二杆体部为椭圆形棒状结构，其外壁沿轴向设置多个向内凹陷的弧形凹槽，相邻两个弧形凹槽相交处外凸形成加强筋。在静态地压条件下，锚杆与普通类型树脂(水泥)锚杆作用机理相同，但其静止拉拔力高于普通锚杆；在高应力、岩爆(冲击地压)以及脆‑延性大变形作用下，锚杆从树脂、水泥锚固剂中快速滑动，释放聚集在围岩表面的动能，保持巷道围岩稳定。

Description

一种M型释能锚杆

技术领域：

本发明涉及矿山动力支护技术领域，具体涉及一种M型释能锚杆。

背景技术：

锚杆是矿山工程、地下工程、铁路工程、公路工程、水利工程以及隧道工程等工程支护中最常用的支护材料，其种类多，应用数量大、范围广，能有效控制岩体工程稳定。将锚杆与金属网、喷射混凝土等联合应用，可有效控制巷道(硐室、隧道等)围岩变形破坏。随着金属矿山开采深度增加，地应力增大，在高应力、动力冲击作用下，巷道围岩产生岩爆(冲击地压)或脆-延性转化等地压灾害。在高应力、大变形和剧烈动力扰动条件下，采用普通的摩擦型、机械型等常规锚杆支护巷(隧)道，已经不能有效控制巷道围岩的稳定，严重破坏将造成设备损坏、人员伤亡、矿产资源损失等。因此，研发适用于高应力、岩爆(冲击地压)或脆-延性转化岩体大变形的释能锚杆已经成为未来发展必然趋势。

深井巷道围岩工程响应的特征科学现象依其发生原因可以归纳为两类：静力的和动力的。静力特征现象表现为在深部巷道围岩结构面控制型破坏或无动力弹射现象的岩石脆性破坏；动力特征现象表现为深部矿井中的岩块弹射、冒落等岩爆现象。岩爆是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。岩爆诱发巷道围岩表面动力响应特征主要表现为片帮、岩块弹射、爆裂剥落、岩体抛掷性破坏等；其最显著的动力破坏特征是岩块从巷道(采场)围岩表面高速弹出，其表面1m厚的岩体能以5～10m/s的速度向巷道内抛出，其抛掷距离可达10～20m之远，其弹射能在5～20KJ/m2，最大弹射能可达到50KJ/m2。岩爆等级不同，其诱发的岩体动力响应也不同，轻微岩爆的岩石呈片状剥落，而强烈岩爆可将巨石猛烈抛出，甚至一次岩爆就能抛出数以吨计的岩块和岩片，严重威胁着井下作业人员和设备的安全。

在高应力、具有岩爆倾向以及大变形环境下，动力特征成为支护系统选择及设计的关键参数。实际上，在选择支护系统时，需要考虑钻孔直径、应力环境、腐蚀、胶结材料(水泥或者树脂)等影响，并且要清楚这些影响因素对不同应力环境的影响。作为新型的动力(让压)支护锚杆(诸如：新型锥体锚杆、让压锚索、让压锚杆等)其应用范围受限，需要根据具体条件不断改进，以满足各种不同工况需求(设备要求、承载能力、刚度特性等)。

早在20世纪90年代，南非首先提出能量吸收支护体系，发明了世界上第一种能量吸收锚杆，即锥体锚杆(Cone锚杆)。锥体锚杆主要在圆钢一端锻造成扁平的圆锥形体，在圆钢表面喷涂一薄层润滑材料，致使锚杆在动荷载作用下易于分离。该种锚杆通常采用水泥浆或者树脂进行全长锚固。当锚固在锚杆托盘与圆锥体之间的岩石在动力作用下发生胀裂时，将使锚杆杆体承受拉力及动力冲击作用。当拉拔力超过预设值时，锚固端的圆锥体将从锚固体中产生滑移。因此，该锚杆在动力冲击作用下通过提供大位移滑动位移，并吸收岩爆产生的动能。最初，该锚杆设计是采用水泥浆锚固，之后调整为采用树脂进行锚固。新型锥体(Cone)锚杆在其端头增加树脂搅拌功能，被广泛应用于加拿大、南非等国家深部易于诱发岩爆灾害深井巷道进行支护。

在国际上主要有如下释能支护锚杆：

Durabar锚杆：是在锥体锚杆基础上改进的一种锚杆，在光滑杆体设计几个褶皱，在锚杆的尾部设计成一个光滑的圆环。当进行拉拔力测试时，托板承受荷载锚杆沿着波形面滑移。其最大滑动位移等同于锚杆尾部长度(约为0.6m)，属于两点锚固锚杆，但此种锚杆未进行动力测试。

膨胀(Swellex)锚杆：是一种典型的膨胀锚杆，该锚杆主要通过锚杆杆体与锚杆孔管壁之间的摩擦力锚固岩体。最新研制的Mn24型号Swellex锚杆具有较好的能量吸收能力，其能量吸收范围为18～29kJ。

Garford刚性锚杆：主要由圆钢、锚头及粗牙螺纹钢套组成，采用树脂锚固。粗牙螺纹钢套主要用于搅拌树脂。该锚杆的工程锚头能产生较大的位移量。该锚固头采用厚壁圆钢制作，压入钢管套中350mm。圆钢直径压缩至原始尺寸插入粗牙螺纹钢套中。当锚固端与托板间压缩岩石膨胀时，圆钢被拔出从锚固端。当被拔出之后，其锚固力仍然保持不变，该锚杆能够产生390mm位移。

Roofex锚杆：是一种动力韧性锚杆，由锚固端和圆钢组成，采用树脂进行锚固。圆钢从锚固端中滑动。产生80kN的恒定支护阻力。锚杆的锚固力低于圆钢抗拉强度。Roofex锚杆动力荷载约为60kN，其动力测试能量为12kJ～27kJ。

D锚杆：由圆钢带一定数量的具有一定间隔的锚固点组成，锚杆安装后，由于锚固点较圆钢直径宽，固定在锚杆孔中，使用树脂或者水泥浆全长锚固在锚杆孔中。在两锚固点间的圆钢与锚固体的粘结较弱。当两锚固点之间的岩体膨胀时，在两锚固点之间圆钢强度和变形能力起主要作用，产生200mm的拉伸长度。当荷载为200kN，锚杆的拉伸位移为100～120mm，承受冲击荷载的能量为36～39kJ。为此，研发有效控制岩爆危害的新型释能锚杆，实现“爆而不倒”、留有足够的安全空间确保作业人员、机械设备安全，为我国深井开采及高应力矿体安全、高效开采提供技术保障。

深井岩爆等动力灾害发生时，锚固在岩体内的M型释能锚杆在保持高拉拔力作用同时具有动力释能让压能力。因此，研发了一种新型M型释能锚杆满足上述要求。

发明内容：

本发明的目的是提供一种M型释能锚杆，主要应用于高应力作用下、高岩爆倾向区域、岩爆(冲击地压)以及高应力作用下岩体产生脆-延性变形的巷(隧)道围岩支护。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种M型释能锚杆，包括：锚固杆体，所述锚固杆体一端端部设置有搅拌头，其另一端端部设置有螺纹紧固段，所述螺纹紧固段上旋接有螺母，所述锚固杆体靠近所述螺纹紧固段的一端还套装有托板，所述托板一侧顶抵于所述螺母，通过所述螺母紧固所述托板，所述锚固杆体由第一杆体部和第二杆体部组成，所述第二杆体部设置于两个第一杆体部之间，所述第二杆体部为椭圆形棒状结构，其外壁沿轴向设置多个向内凹陷的弧形凹槽，相邻两个弧形凹槽相交处外凸形成加强筋，使所述第二杆体部截面呈多边形，且所述多边形的每个顶角均为圆角，其每条边向内凹陷形成弧形面。

所述第二杆体部截面为四边形，由两个对扣的M形组成。

所述锚固杆体为一体成型结构。

所述托板横截面为圆形或者矩形，所述托板中心处开设有碗形通孔，所述托板通过所述碗形通孔套装于所述锚固杆体上，且所述碗形通孔靠近所述螺母的一端朝向所述托板外侧延伸，形成碗形部。

所述螺母与所述托板之间还安装有阻尼垫片，其厚度为1～3mm。

所述搅拌头远离所述锚固杆体的一端端部沿轴向延伸形成凸台，所述凸台横截面的面积小于所述锚固杆体横截面的面积。

所述凸台的外壁均朝向所述凸台内部凹陷形成弧形面。

所述凸台的横截面为矩形或者三角形。

本发明一种M型释能锚杆的有益效果：本发明的锚杆结构依据岩石动力学、能量耗散原理、锚杆支护作用等作为设计基础，且在安装过程中，锚杆通过使用搅拌头搅拌安放在锚杆孔中树脂药卷或水泥药卷，将锚固材料(树脂、水泥等)均匀分布到锚杆周围，将锚杆与围岩牢牢锚固在一起，锚杆锚固段安装配套托板、垫圈和螺母，通过调整托板、螺母位置而改变锚杆的预紧力，使锚杆固定在围岩内部，使其既具有南非cone锚杆在动力冲击下的整体滑移释放能量能力，又具有D锚杆的多点锚固作用，同时两点锚固间产生滑移作用，使得锚杆既可以与围岩共同移动消耗积聚在围岩内部的动能，又可以保持较高的锚固力，保持围岩与支护体的稳定，在静态地压条件下，锚杆与普通类型树脂(水泥)锚杆作用机理相同，但其静止拉拔力高于普通锚杆；在高应力、岩爆(冲击地压)以及脆-延性大变形作用下，锚杆从树脂、水泥锚固剂中快速滑动，释放聚集在围岩表面的动能，保持巷道围岩稳定。

附图说明：

图1为本发明一种M型释能锚杆的结构示意图；

图2为图1中I处的放大示意图；

图3为第二杆体部的结构示意图；

图4为图3中A-A的截面示意图；

图5为托板的结构示意图；

图6为图5的后视图；

图7为带垫片螺母的结构示意图；

图8为图7的后视图；

图9为图2的左视图；

图中：1-锚固杆体，11-第一杆体部，12-第二杆体部，2-搅拌头，3-螺纹紧固段，4-螺母，5-阻尼垫片，6-托板，7-碗形通孔，8-碗形部，9-凸台。

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的一部分实施例，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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

根据图1～图9所示，本发明提供的一种M型释能锚杆，包括：锚固杆体1，其直径为16mm～40m，杆体总长度为1200～4000mm，依据矿山地压显现情况，杆体长度可以增加或减少，所述锚固杆体1一端端部设置有搅拌头2，其另一端端部设置有螺纹紧固段3，所述螺纹紧固段3上旋接有螺母4，所述螺母4长度30mm，材料为低碳钢，所述锚固杆体1靠近所述螺纹紧固段3的一端还套装有托板6，所述托板6一侧顶抵于所述螺母4，通过所述螺母4限位所述托板6，所述锚固杆体1由第一杆体部11和第二杆体部12组成，所述锚固杆体1在冲压时，由所述第一杆体部11和第二杆体部12一体成型形成，所述第二杆体部12设置于两个第一杆体部11之间，所述第二杆体部12为椭圆形棒状结构，其左右两侧为非对称结构，其两端距离椭圆形棒状结构弧面的最高点距离不同，其外壁沿轴向设置多个向内凹陷的弧形凹槽，相邻两个弧形凹槽相交处外凸形成加强筋，使所述第二杆体部12截面呈多边形，且所述多边形的每个顶角均为圆角，其每条边向内凹陷形成弧形面，在所述螺母4与所述托板6之间还设置有阻尼垫片5，其厚度为0.5～1mm。

进一步地，在其中一个实施例中，所述第二杆体部12的截面为四边形，由两个对扣的M形组成，所述四边形的每个顶角均为圆角，其每条边向内凹陷形成弧形面，弧形面的弧度均一致，在其他实施例中，所述第二杆体部12的截面可以为任意的多边形结构。

进一步地，所述托板6横截面为圆形或者矩形，其直径为150mm或者外形尺寸为150mm～150mm，厚度为5～10mm，所述托板6中心处开设有碗形通孔7，所述托板6通过所述碗形通孔7套装于所述锚固杆体1上，且所述碗形通孔7靠近所述螺母4的一端朝向所述托板6外侧延伸，形成碗形部8，所述碗形通孔7的直径视锚杆直径而定；如果围岩应力大，所述托板6的直径可变为200mm或外形尺寸为200mm×200mm，厚度变为10mm；托板6的材质为低碳钢，冲压制作而成。

进一步地，所述搅拌头2由圆钢车削而成，长度为50mm～100mm，厚度为5mm～15mm，且所述搅拌头2远离所述锚固杆体1的一端端部沿轴向延伸形成凸台9，所述凸台9横截面的面积小于所述锚固杆体1横截面的面积，所述凸台9的外壁均朝向所述凸台9内部凹陷形成弧形面，所述凸台9的横截面为矩形或者三角形，当凸台9的横截面为矩形时，所述矩形相对的两个弧形面的弧度相一致，且相邻的两个弧形面的弧度不同，使得凸台9呈扁平状结构。

本发明提供的一种M型释能锚杆，其中M的全称为mace，所指的是一种“狼牙棒”型的锚杆，其中第二杆体部12形似双M相对扣所形成结构，锚固杆体1的端部设置的搅拌头2及其中部设置的多个第二杆体部12的尺寸和设计位置，均是根据岩体动力响应特征进行设计调整的，锚固长度是全长锚固，其锚固范围在1.5～3m之间，锚固材料为树脂或者水泥，第二杆体部12的长度可以根据现场实际地压情况确定，视锚固力及岩体动力响应要求进行调整，所述第二杆体部12既可以多点锚固，又可以在两个锚固间通过拉伸或者剪切变形释能，同时在动力冲击作用下通过杆体整体滑移释放动能。

锚杆安装过程中，搅拌头2将树脂或水泥均匀分散到钻孔中锚杆周围，使锚固杆体1通过均匀树脂，与围岩锚固在一起，锚固杆体1端部安装托板6、阻尼垫片5和螺母4，进而使锚杆在围岩表面固定；；在静态地压作用下，释能锚杆与普通类型锚杆作用机理一样；当高应力引起大变形或岩爆引起动力学破坏时，阻尼模块发生作用，使阻尼模块从树脂锚固剂快速滑移，释放聚集在围岩中的能量。在高应力、岩爆(冲击地压)以及脆-延性大变形作用下，锚杆又会在树脂中停留下来，起到静态锚固作用。即，锚杆可以与巷道围岩变形保持一致，从而释放围岩的应变性能，保持巷道稳定性。

综上所述，通过设计不同类型，不同长度的锚杆能够抵抗巷道围岩大变形和强烈岩爆的功能；实现巷道稳定，消除由于深井大变形和岩爆带来的安全隐患。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种M型释能锚杆，其特征在于：包括：锚固杆体，所述锚固杆体一端端部设置有搅拌头，其另一端端部设置有螺纹紧固段，所述螺纹紧固段上旋接有螺母，所述锚固杆体靠近所述螺纹紧固段的一端还套装有托板，所述托板一侧顶抵于所述螺母，通过所述螺母紧固所述托板，所述锚固杆体由第一杆体部和第二杆体部组成，所述第二杆体部设置于两个第一杆体部之间，所述第二杆体部为椭圆形棒状结构，其外壁沿轴向设置多个向内凹陷的弧形凹槽，相邻两个弧形凹槽相交处外凸形成加强筋，使所述第二杆体部截面呈多边形，且所述多边形的每个顶角均为圆角，其每条边向内凹陷形成弧形面。

2.根据权利要求1所述的一种M型释能锚杆，其特征在于：所述第二杆体部截面为四边形，由两个对扣的M形组成。

3.根据权利要求1所述的一种M型释能锚杆，其特征在于：所述锚固杆体为一体成型结构。

4.根据权利要求1所述的一种M型释能锚杆，其特征在于：所述托板横截面为圆形或者矩形，所述托板中心处开设有碗形通孔，所述托板通过所述碗形通孔套装于所述锚固杆体上，且所述碗形通孔靠近所述螺母的一端朝向所述托板外侧延伸，形成碗形部。

5.根据权利要求1所述的一种M型释能锚杆，其特征在于：所述螺母与所述托板之间还安装有阻尼垫片，其厚度为1～3mm。

6.根据权利要求1所述的一种M型释能锚杆，其特征在于：所述搅拌头远离所述锚固杆体的一端端部沿轴向延伸形成凸台，所述凸台横截面的面积小于所述锚固杆体横截面的面积。

7.根据权利要求6所述的一种M型释能锚杆，其特征在于：所述凸台的外壁均朝向所述凸台内部凹陷形成弧形面。

8.根据权利要求6所述的一种M型释能锚杆，其特征在于：所述凸台的横截面为矩形或者三角形。