CN109505640A - 一种螺纹型金属让压锚杆装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种螺纹型金属让压锚杆装置，包括固定锚头、锚杆杆体、金属头、金属保护套筒和螺纹让压环；螺纹让压环以内螺纹的形式设置在金属保护套筒内；金属头的直径大于螺纹让压环的小径，且小于金属保护套筒的内径；使用时，固定锚头安装在围岩的钻孔内，金属保护套筒安装在围岩的钻孔端口内；锚杆杆体的一端穿过螺纹让压环与固定锚头连接，另一端与金属头连接，金属头置于金属保护套筒内。本发明将螺纹让压环以内螺纹的形式设置在金属保护套筒内，由于螺纹是连续不间断的，两让压环之间没有空缺，从而在金属头对螺纹让压环产生轴向变形时，作用力是连续的，产生稳定的连续的让压作用，提高让压效果。
Description
技术领域
本发明属于煤矿井下工程支护设备领域，具体涉及一种螺纹型金属让压锚杆装置。
背景技术
在岩土工程、隧道工程、边坡工程的支护中常见的支护设备为锚杆和锚索，传统的支护设备往往由于材料和结构的限制都是采用刚性结构，锚杆的延伸率和锚索的抗拉拔力都有所限制，对于岩体裂隙较为发育，变形破坏较大的地质条件往往出现支护失效等现象，造成围岩失稳等险况，急需采用能够容许大变形的耗能的锚杆/索来解决工程支护问题。
现有的大变形锚杆/索从功能上主要分为两种：一种是采用特殊柔性材料作为杆体和锚索结构体，利用柔性材料特殊的属性，在极限强度内，能够允许较大的变形荷载，这类材料的延展性一般要求较高，成本相对较大；第二类是在锚杆和锚索里加装特殊的抗压结构，在杆体和锚索受力拉拔条件下，利用摩擦或是抗压来损耗岩体的变形能，从而使锚杆/索产生恒阻或变阻等减压效果，这种通常是通过设置让压环的方式，但是现有的让压环均是不连续的，导致让压作用不能连续进行。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种螺纹型金属让压锚杆装置，使让压作用能够连续进行，提高让压效果。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种螺纹型金属让压锚杆装置，包括固定锚头、锚杆杆体、金属头、金属保护套筒和螺纹让压环；
螺纹让压环以内螺纹的形式设置在金属保护套筒内；
金属头的直径大于螺纹让压环的小径，且小于金属保护套筒的内径；
使用时，固定锚头安装在围岩的钻孔内，金属保护套筒安装在围岩的钻孔端口内；锚杆杆体的一端穿过螺纹让压环与固定锚头连接，另一端与金属头连接，金属头置于金属保护套筒内。
优选的，螺纹让压环和金属保护套筒一体成型。
进一步的，通过车加工的方式直接采用金属杆车出带有螺纹让压环的金属保护套筒。
优选的，螺纹让压环的一侧齿面为弧面，另一侧齿面为与金属保护套筒轴向垂直的垂直面，使用时，且金属头的内侧端面与螺纹让压环一端的垂直面接触。
优选的，金属头为圆柱体，圆柱体的高度大于螺纹让压环的螺距。
进一步的，螺纹让压环的螺距L根据公式计算得到，螺纹让压环的齿高R根据公式计算得到：
A＝πDL (1)
其中，A为剪切破坏面积；L为螺纹让压环的螺距，D为金属头(4)的直径；
其中，Abs为挤压破坏面积；d为螺纹让压环(3)的小径。
进一步的，锚杆杆体直径为22mm，金属头的直径为32mm，螺纹让压环的螺距为9.95mm，螺纹让压环的齿高为9.66mm。
优选的，还包括固定托盘，固定托盘设置在围岩的钻孔端口外并与金属保护套筒固定连接；锚杆杆体与金属头连接的一端延伸穿过固定托盘固定。
优选的，锚杆杆体和金属头一体成型。
优选的，螺纹让压环的小径与锚杆杆体的直径配合。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所述的螺纹型金属让压锚杆装置，固定锚头安装在围岩的钻孔内，金属保护套筒安装在围岩的钻孔端口内；锚杆杆体的一端穿过螺纹让压环与固定锚头连接，另一端与金属头连接，金属头在锚杆杆体拉力作用下，与金属套筒内的螺纹让压环接触，金属头与锚杆杆体受到岩体破坏产生的拉力作用，向金属保护套筒内部运动，金属头对螺纹让压环产生轴向变形，当轴向拉力达到弹塑性金属材料的弹性极限后，螺纹让压环产生剪切破坏变形，螺纹让压环破坏对轴向拉力产生一定的损耗，从而使锚固结构实现部分让压作用，损耗围岩的岩体变形能。本发明将螺纹让压环以内螺纹的形式设置在金属保护套筒内，由于螺纹是连续不间断的，两让压环之间没有空缺，从而在金属头对螺纹让压环产生轴向变形时，作用力是连续的，产生稳定的连续的让压作用，提高让压效果。
进一步的，螺纹让压环和金属保护套筒一体成型，没有两者之间连接的薄弱点，使得让压作用更加稳定可靠。加工设备强度不高，降低了生产投资成本，加工一体成型的螺纹让压环，在金属保护套筒内的不规则处强度高不易断裂。
进一步的，采用车加工的方式直接采用金属杆车出带有螺纹让压环的金属保护套筒，不但加工方式简单，易于实现，同时，这种方式加工出的产品螺纹让压环和金属保护套筒连接处完全没有薄弱点，一体效果更好，性能更加稳定。
进一步的，螺纹让压环的一侧齿面为弧面，另一侧齿面为与金属保护套筒轴向垂直的垂直面，使用时，金属头的内侧端面和螺纹让压环一端的垂直面接触，与金属头的内侧端面和螺纹让压环的弧面接触相比较，这种情况下两者的接触面更大，接触更加充分，使得受力更加均匀，让压效果更好。
进一步的，金属头为圆柱体结构，高度大于螺纹让压环的厚度，在锚杆杆体拉力作用下金属头与螺纹让压环产生剪切破坏后，导致拉力降低，通过金属保护套筒向内运动的金属头再次与螺纹让压环接触时间较长，会产生挤压破坏，降低锚杆杆体的轴向拉力作用。
进一步的，固定托盘可以起到稳定锚杆杆体的作用，防止锚杆杆体晃动。且通过金属保护套管和固定托盘构成的组合结构提高空口段锚杆杆体的抗剪变形。
进一步的，螺纹让压环的内径与锚杆杆体的直径配合，避免锚杆杆体在螺纹让压环处因为直径太小产生晃动，导致锚杆杆体局部段的受力不均，进而影响抗拉效果。
进一步的，锚杆杆体和金属头一体成型，降低了制造难度和安装难度。
附图说明
图1为本发明金属头在轴向拉伸状态下剪切变形受力图；
图2为本发明金属头在轴向拉伸状态下挤压变形受力图；
图3为本发明实施例中螺纹型金属让压锚杆结构与安装示意图；
图4为本发明螺纹型金属让压锚杆装置局部放大示意图。
其中：1.锚杆杆体；2.金属保护套筒；3.螺纹让压环；4.金属头；5.固定托盘；6.围岩；7.固定锚头。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，是对本发明的解释而不是限定。
本发明所述的螺纹型金属让压锚杆装置，包括固定锚头7、锚杆杆体1、金属头4、金属保护套筒2和螺纹让压环3。
螺纹让压环3以内螺纹的形式设置在金属保护套筒2内，且螺纹让压环3和金属保护套筒2一体成型。本实施例中，通过车加工的方式直接采用金属杆车出带有螺纹让压环3的金属保护套筒2。并且在本实施例中，螺纹让压环3的一侧齿面为弧面，另一侧齿面为与金属保护套筒2轴向垂直的垂直面。
螺纹让压环3的小径与锚杆杆体1的直径配合，金属头4的直径大于螺纹让压环3的小径，且小于金属保护套筒2的内径。
使用时，固定锚头7通过钻孔装置安装在围岩6内，金属保护套筒2安装在围岩6的钻孔端口内；锚杆杆体1的一端穿过螺纹让压环3与固定锚头7连接，另一端与固定金属头4连接，金属头4置于金属保护套筒2内，且金属头4的内侧端面与螺纹让压环3一端的垂直面接触。如图3和4所示。锚杆杆体1与金属头4连接，锚杆杆体1与金属头4共同受力。
一个实施例中，还包括固定托盘5，固定托盘5设置在钻孔端口外并与金属保护套筒2固定连接，锚杆杆体1与金属头4连接的一端延伸穿过固定托盘5固定。固定托盘5用于对金属保护套筒2施加预紧力形成有效锚固结构。
一个该实施例中，锚杆杆体1和金属头4一体成型。
金属头4为硬质钢材，如沉淀硬化不锈钢、钴基合金等，金属保护套筒2的外壁包裹有防腐材料，如环氧煤沥青防腐漆、树脂防腐涂料等。
为使金属保护套筒2固定在围岩6的内部，还可以在金属保护套筒2的外壁上涂抹砂浆，或者将金属套筒2的外壁设置为点状和波纹状组合花纹来增大摩擦阻力。
采用的螺纹让压环3的螺距L和齿高R设计是基于金属头4，通过螺纹让压环3的破坏形式来计算。
螺纹让压环3在金属保护套筒2内存在一定的间隙，通过锚杆杆体1连接金属头4，轴向拉力强度应小于锚杆杆体1的极限强度值。考虑到围岩6破断来压较大较快，金属头4为金属圆柱体，圆柱体高度远远大于螺纹让压环3的螺距，采用剪切破坏形式。
设计采用直径为22mm的锚杆杆体1，极限强度值F钢为400kN，在保证锚杆杆体1不断的情况下轴向剪切破坏拉力为设计值的百分之九十，轴向剪切破坏拉力FJ计算如下：
FJ＝F钢*90％＝360kN
根据金属塑性力学理论，剪切破坏公式为：
其中，A为剪切破坏面积；FJ为剪切破坏力；τb为许用切压应力值，查询资料取360MPa。
剪切破坏面由图1展开悬臂梁受力，受力面积为金属圆柱体侧面积，侧面积计算公式为：
A＝πDL
其中，L为剪切距离，即螺纹让压环的螺距，D＝32mm为金属头的直径；经过计算得L≈9.95mm。
通过剪切破坏损耗岩体变形能，轴向拉力降低，金属头4与螺纹让压环3接触时间长，破坏变形形式由剪切破坏变为挤压破坏，根据金属塑性力学理论，挤压破坏公式为：
其中，Abs为挤压破坏面积；Fy＝F钢*90％＝360kN取杆体最大受力为挤压破坏力；[σbs]为许用挤压应力值，查询资料取360MPa。
挤压破坏面由图2所示，为金属环形状，金属环面积计算公式为：
其中，d为螺纹让压环3的小径，d＝21mm，经过计算得R≈9.66mm。
轴向压力过大，伴随有冲击性，波动较大，产生的剪切破坏和挤压破坏都会产生金属碎屑和金属热量，导致金属抗剪性和抗压性能降低，弱化减压效果，为了保证构件的完好，设计了多级抗剪抗压来避免产生的破坏，在金属保护套筒2内的螺纹让压环3的环与环之间留设为齿槽，将冲击破坏的部分填充到齿槽内，用于填补金属头4破坏导致的波动。
金属头4与锚杆杆体1相固定连接，金属头4轴向拉力由锚杆杆体1提供，在保证锚杆杆体1弹性极限的情况下提高轴向拉力，金属头4对螺纹让压环3产生轴向变形，金属头4的抗剪材料属性远高于螺纹让压环3，当轴向拉力达到弹塑性金属材料的弹性极限后，金属材料的螺纹让压环3产生剪切破坏变形，金属头4依次通过若干螺纹让压环3，螺纹让压环3破坏对轴向拉力产生一定的损耗，从而使锚固结构实现部分让压作用，损耗围岩6的岩体变形能。
金属保护套筒2内的螺纹让压环3由于受到轴向拉力作用产生剪切破坏，根据围岩断裂变形时间的不同，采用逐级分段剪切破坏达到让压效果，轴向应力变化采取锚杆设计值的90％、75％、60％、45％和30％。
本发明的具体实施方法为：利用钻孔机在围岩6内进行打钻作业，固定锚头7通过钻孔安置在围岩6的深部，金属保护套筒2安装在围岩6的钻孔端口内；锚杆杆体1的一端穿过螺纹让压环3与固定锚头7连接，另一端与固定金属头4连接，金属头4置于金属保护套筒2内，且金属头4的内侧端面与螺纹让压环3一端的垂直面接触，固定托盘5套装在锚杆杆体1位于钻孔外的一端并卡住孔口位置，通过固定托盘5在锚杆杆体1上施加预紧力后将金属头4推压至螺纹让压环3处。
本发明螺纹型金属让压锚杆装置，金属保护套筒2插入到钻孔后，将金属头4安装进金属保护套筒2并挤压在螺纹让压环3的第一个螺纹处，外端安装固定托盘5，并施加预紧力，形成有效锚固结构，使用特制的金属保护套筒2里面的金属头4对螺纹让压环3的剪切破坏来消耗围岩6的变形能。
本发明提供的应用在岩土工程以及相关领域的支护用的内嵌式金属抗剪让压锚杆，对于发生岩体变形分层运动有较好的控制作用，通过金属头4在金属保护套筒2内不同形式的抗剪抗压效应，降低锚杆杆体1的轴向拉力，减小岩体变形破坏运动，整个装置结构设计合理，使用方便。
本发明利用该内嵌式分级抗剪恒阻大变形特性，适用于深部围岩离层变形要求，整个装置具备深层岩体控制，防止岩层离层变形、抗剪、分级恒阻等多重作用，具有安装便捷，性能稳定、易于推广等特点。综上，本发明设计操作实用方便、性能稳定可靠、成本低廉、可回收以及适合大变形岩体的支护设备。本发明利用金属材料抗剪变形产生的抗阻能力来实现锚杆装置让压变形功能，在围岩发生变形分层断裂时该装置锚固端不发生破坏，允许变形离层拉伸减速装置向岩层内运动，此过程中减速装置剪切破坏螺纹让压环可以不断吸收围岩变形能，维持围岩与支护结构的整体稳定性及安全，且特殊的减速装置提供一定的阻力达到锚杆让压的功能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种螺纹型金属让压锚杆装置，其特征在于，包括固定锚头(7)、锚杆杆体(1)、金属头(4)、金属保护套筒(2)和螺纹让压环(3)；
螺纹让压环(3)以内螺纹的形式设置在金属保护套筒(2)内；
金属头(4)的直径大于螺纹让压环(3)的小径，且小于金属保护套筒(2)的内径；
使用时，固定锚头(7)安装在围岩(6)的钻孔内，金属保护套筒(2)安装在围岩(6)的钻孔端口内；锚杆杆体(1)的一端穿过螺纹让压环(3)与固定锚头(7)连接，另一端与金属头(4)连接，金属头(4)置于金属保护套筒(2)内。
2.根据权利要求1所述的螺纹型金属让压锚杆装置，其特征在于，螺纹让压环(3)和金属保护套筒(2)一体成型。
3.根据权利要求2所述的螺纹型金属让压锚杆装置，其特征在于，通过车加工的方式直接采用金属杆车出带有螺纹让压环(3)的金属保护套筒(2)。
4.根据权利要求1所述的螺纹型金属让压锚杆装置，其特征在于，螺纹让压环(3)的一侧齿面为弧面，另一侧齿面为与金属保护套筒(2)轴向垂直的垂直面，使用时，且金属头(4)的内侧端面与螺纹让压环(3)一端的垂直面接触。
5.根据权利要求1所述的螺纹型金属让压锚杆装置，其特征在于，金属头(4)为圆柱体，圆柱体的高度大于螺纹让压环(3)的螺距。
6.根据权利要求5所述的螺纹型金属让压锚杆装置，其特征在于，螺纹让压环(3)的螺距L根据公式(1)计算得到，螺纹让压环(3)的齿高R根据公式(2)计算得到：
A＝πDL (1)
其中，A为剪切破坏面积；L为螺纹让压环的螺距，D为金属头(4)的直径；
其中，Abs为挤压破坏面积；d为螺纹让压环(3)的小径。
7.根据权利要求6所述的螺纹型金属让压锚杆装置，其特征在于，锚杆杆体(1)直径为22mm，金属头(4)的直径为32mm，螺纹让压环(3)的螺距为9.95mm，螺纹让压环(3)的齿高为9.66mm。
8.根据权利要求1所述的螺纹型金属让压锚杆装置，其特征在于，还包括固定托盘(5)，固定托盘(5)设置在围岩(6)的钻孔端口外并与金属保护套筒(2)固定连接；锚杆杆体(1)与金属头(4)连接的一端延伸穿过固定托盘(5)固定。
9.根据权利要求1所述的螺纹型金属让压锚杆装置，其特征在于，锚杆杆体(1)和金属头(4)一体成型。
10.根据权利要求1所述的螺纹型金属让压锚杆装置，其特征在于，螺纹让压环(3)的小径与锚杆杆体(1)的直径配合。
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