CN109915188A - 一种高强稳阻可卸压回收锚杆及围岩变形监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强稳阻可卸压回收锚杆及围岩变形监测方法。该锚杆包括杆体、套管、卡位环、内螺母、外螺母以及托盘。卡位环用于套管与杆体之间的卡合，外螺母与托盘用于为该锚杆施加预紧力，围岩变形的监测是由托盘带动套管运动后，用尺子测量套管与杆体之间的相对位移实现的。该装置不仅能够为煤矿巷道围岩支护提供预紧力，同时能够克服常规锚杆延伸性差的缺陷，使得锚杆支护系统在煤矿回采巷道掘进期与回采期支护期具有“高强稳阻吸能”的性能，对增强围岩自身的承载能力、抵抗围岩大变形和防治冲击矿压有积极意义；该装置能够快速、便捷且精确的测量出巷道围岩的变形量，同时该装置能够在围岩变形结束后，将套管卸压后取出进行重复利用。

Description

一种高强稳阻可卸压回收锚杆及围岩变形监测方法

技术领域

本发明涉及巷道支护中的锚杆技术领域，具体而言，涉及一种高强稳阻可卸压回收锚杆。

背景技术

目前我国煤矿开采进入了“深部开采”及“高强开采”的新格局，开采水平在800米以下、回采巷道跨度超过5米已经成为了常态。“深部开采”中，回采巷道由于受到“三高一扰动”的影响，软岩巷道会更易于产生大变形，硬岩巷道会遭受高弹性应变能集聚从而引发冲击矿压、岩爆等动力灾害的威胁；“高强开采”中，由于巷道断面的不断增大，也造成巷道围岩容易产生大变形，回采速度的不断增大也加大了巷道围岩产生动力灾害的可能性。

传统的钢筋作为锚杆支护材料，由于其延伸率不足，已经不能够满足抵抗巷道大变形、与围岩协调变形过程中吸收弹性应变能的要求。因此，“让压锚杆”近年来在国内外得到了大力发展。目前国内外公开的“让压锚杆”主要从材料与结构的角度出发来增大锚杆的延伸率。例如，在托盘与螺母间加入让压环，通过压缩让压环实现大变形，然而，让压的距离往往在300 mm到500 mm内，不能实现大变形的目的；利用钛钢材料作为套管，在钢筋杆体中设置锥体从而使得围岩在变形过程中，套管、杆体、锥体三者组成的负泊松比结果，能够实现大变形的目的，然而，钛钢昂贵的价格也限制了其的大范围应用。利用多级插销剪切破坏过程产生的作用力来抵抗围岩变形，尽管支护力得到了提高，但是由于多级插销中存在空隙，围岩变形难以实现稳定支护。

发明内容

本发明目的是，克服现有技术及应用存在的上述缺陷，提供一种高强稳阻可卸压回收锚杆，能够在设定杆体抗拉强度80%左右的稳定阻力下实现较大行程的稳阻支护，同时能够重复利用，节省应用成本。

本发明为实现发明目的所采用的技术方案是：一种高强稳阻可卸压回收锚杆，由杆体、套管、卡位环、内螺母、以及托盘和外螺母等构件组成。其特征是：

所述杆体的一端带有一段螺纹；

所述套管内壁设置部分长度的斜面，呈向外的喇叭口状；套管的外壁在位于喇叭口端带有一段螺纹；

所述卡位环外周设钢珠套，钢珠套中布设钢珠。

所述托盘的中心设圆孔；

上述构件的装配关系：所述套管套装在杆体的螺纹端，喇叭口向外；所述卡位环穿入杆体装入套管中，内螺母旋入杆体螺纹段并压紧卡位环；所述托盘套在套管上，外螺母旋入套管外壁的螺纹。

所述套管、杆体和钢珠三者之间的材料硬度、屈服极限和强度极限依次为，杆体最小，套管居中，钢珠最大。

套管远离托盘一端的内壁中设有止滑套。

本发明高强稳阻可卸压回收让压锚杆，其安装使用方法是：

安装时，先将杆体锚固在围岩中，带螺纹的一端露在岩体外。插入套管，套管的喇叭口朝外，在套管中放入卡位环；将内螺母旋入杆体的螺纹，旋紧内螺母，利用内螺母压紧卡位环，使得其上的钢珠固定在抵靠斜面上。在套管上安装托盘，采用机械张拉装置，抵住托盘，将套管往外拉，使卡位环、锚杆和套管卡紧；同时将外螺母旋入套管外壁的螺纹，根据现场支护要求施加对应的预紧力。当围岩在小变形阶段，通过套管、钢珠以及杆体之间的挤压力的卡合作用，实现与常规锚杆相同的支护功能。而当围岩发生大变形时，托盘带动套管向巷道围岩外侧运动，使得套管、钢珠与杆体三者之间的挤压力也随之增大，当三者中的任何一个材料达到其塑性屈服极限时，套管与杆体就会发生错动，实现稳阻支护。由于套管、杆体和钢珠三者之间的材料硬度、屈服极限和强度极限依次杆体最小，套管居中，钢珠最大，因此，杆体与钢珠接触的局部会首先进入塑性屈服状态，钢珠会嵌入杆体，产生沿轴向的接触分力，该分力即为锚杆的工作阻力来源。当钢珠与套管运动到抵抗斜面的终点后，钢珠嵌入杆体的深度将保持不变，因此工作阻力也将会保持不变。该高强稳阻可卸压回收锚杆的稳定工作阻力是由套管、钢珠和杆体的结构特征和材料特征所决定的。一般可把工作阻力设定在杆体弹性极限的80%左右。该稳阻锚杆可提供的支护行程是套管的长度，也即止滑套与内螺母之间的距离。当然，这可以根据围岩变形的特征，通过调整外套管的长度来设定支护行程。当套管与内螺母发生抵靠时，本发明的锚杆的支护功能又与常规锚杆相同。在支护过程中，利用尺子测量套管与杆体之间的相对位移能反映出围岩的轴向变形。支护行程后，将外螺母松开，同时将托盘松动，利用机械工具往里敲套管，使得其与杆体之间的接触压力释放，然后将套管取出以便回收利用。

止滑套及内螺母可用于在稳阻支护行程结束时二者相抵靠，防止杆体与托盘相脱离，此时稳阻锚杆的支护功能与常规锚杆相同。

围岩轴向变形的概念是围岩在与锚杆协调变形中，在锚杆轴向上的位移大小。例如，巷道顶底板移近量、两帮变形量均是围岩轴线变形的衍生。

一种使用本发明高强稳阻可卸压回收锚杆进行围岩变形监测的方法，其特征是：使用本发明高强稳阻可卸压回收锚杆锚固围岩，在围岩变形过程中，按照设定的时间间隔测量套管与杆体之间的相对位量，该相对位移量即是被监测围岩的轴向变形量。

因此，根据本发明锚杆的结构特点及产生工作阻力的机制，本发明的工作阻力稳定，且可根据现场要求，调整结构的材料参数和结构参数，能够得到不同的稳阻数值以及支护距离；在支护结束后，可以将套管取出进行重复利用；通过测量套管与杆体之间的相对位移大小，能够得到围岩轴向位移；如果杆体设定为玻璃钢材质，当割煤机在采煤工作面进行作业时，只需退出托盘与套管而不需要将杆体拔出，因此能够适应“高产高效”采煤的快速回采速度。

附图说明

图1为本发明高强稳阻可卸压回收锚杆的结构示意图。

图2为本发明高强稳阻可卸压回收锚杆杆体的结构示意图。

图3为图1中Ⅱ处的放大示意图。

图4为本发明高强稳阻可卸压回收锚杆锚固段的结构示意图。

图5为本发明实施例中围岩变形监测方法示意图。

图标：200-高强稳阻可卸压回收锚杆；210-杆体；220-套管；230-卡位环；211-内螺母；221-外螺母；222-抵靠斜面；223-止滑套；231-钢珠套；232-钢珠；240-托盘；300-巷道围岩；310-锚固段；320-围岩变形量；400-直尺。

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。

以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

实施例

如图所示，本发明提出的一种高强稳阻可卸压回收锚杆200，包括杆体210、卡位环230、套管220、内螺母211、外螺母221和托盘240等组件组成。该高强稳阻可卸压回收锚杆200不仅能够为围岩施加预紧力，同时能够实现高强稳阻支护功能，能适用于围岩300大变形、动压状态下的稳定性控制，可以克服常规锚杆延伸率差的缺点。

图1及图2示出了实施例中提供的高强稳阻可卸压回收锚杆200的具体结构。从图1及图2中可以看出，杆体210的一端外周带有一段螺纹，用于安装内螺母211。

套管220套设在杆体210外，并且套管220的一端设有托盘240。套管220内壁设置部分长度的斜面，呈向外的喇叭口状；套管220的外壁在位于喇叭口的一端带有一段螺纹。另一端的内壁中设有止滑套223。

卡位环230外周为钢珠套231，钢珠套中布满钢珠232。

托盘240的中心设圆孔。

套管220、杆体210和钢珠232三者之间的材料硬度、屈服极限和强度极限依次为，杆体最小，套管居中，钢珠最大。

本发明高强稳阻可卸压回收锚杆200的装配关系：所述套管套装在杆体的螺纹端，喇叭口向外；所述卡位环穿入杆体装入套管中，内螺母旋入杆体螺纹段并压紧卡位环；所述托盘套在套管上，外螺母旋入套管外壁的螺纹。

需要说明的是，在使用的状态下，卡位环230中的钢珠232用于套管220与杆体210的卡合，套管220、钢珠232和杆体210三者之间存在挤压力，其挤压力与杆体210中的轴力成正比。当杆体210中的轴力较小时，三者处于卡死状态，该锚杆与常规锚杆功能相同；当杆体210轴力达到设定的稳阻阻力时，锚杆开启吸能功能；当内螺母211与止滑套223抵靠时，锚杆的稳阻支护行程结束，其后的支护功能与常规锚杆相同。

进一步地，在本实施例中，钢珠232的硬度、强度极限和屈服极限大于套管220的硬度、强度极限和屈服极限，套管220的硬度、强度极限和屈服极限大于杆体210的硬度、强度极限和屈服极限。因此，在外力逐渐增大时，杆体210与钢珠232接触处会最先发生塑性破坏现象。

具体的，在本实施例中，当巷道围岩300发生大变形时，其施加到套管220上的外力增大，使得杆体210、钢珠232和套管220三者之间的挤压力增加，当大于杆体210屈服极限时，因为杆体210的屈服极限最小，所以其管壁内侧与钢珠232接触处将首先进入塑性破坏状态，钢珠232会嵌入杆体210，产生的接触力在轴向方向上抵抗围岩变形。该力的大小随着钢珠232嵌入杆体210的深度不断增大，当套管220与钢珠232的相对运动到套管抵靠斜面222终点后，钢珠232会嵌入杆体210的深度将保持不变，因此使该高强稳阻可卸压回收锚杆200进入稳阻吸能支护状态，使该高强稳阻可卸压回收锚杆200进入稳阻支护状态。

套管220与卡位环230的连接处形成抵靠斜面222。用于卡位环230卡合杆体210与套管220时的初期嵌合（安装），使其卡合成一个整体。

在使用的过程中，为防止可加预紧力的稳阻锚杆200脱落，套管220远离外托盘240一端的内壁上和杆体210靠近托盘240一端的外壁上分别设有止滑套223和内螺母211。止滑套223用于卡位钢珠232在杆体210内壁接触处发生塑性剪切滑移后与杆体210上的内螺母211抵靠，以起到稳阻支护结束时，继续使可加预紧力的稳阻锚杆200保持为一个整体，使其具有常规锚杆的支护功能。

请参照图4并结合图1-3，该高强稳阻可卸压回收锚杆200的支护工作原理是：

首先，在巷道围岩300中打钻孔，然后将配置好的杆体210插入钻孔中，利用锚固剂对其进行锚固，形成锚固段310。

接着，将套管220插入杆体210内，将卡位环230放置在抵靠斜面222处，固定杆体210与套管220的位置。

然后，将内螺母211拧紧，使得卡位环230将钢珠232固定在抵靠斜面222上。

最后，利用机械张拉装置，抵住托盘240，并将套管220往外拉，使卡位环230、杆体210和套管220卡紧，将外螺母221拧在套管220上，并使其与托盘240相连，同时对其施加任意扭矩，实现对高强稳阻可卸压回收锚杆200施加预紧力。

当围岩在小变形或者有变形的趋势时，接触力小，不足以使得杆体210产生塑性屈服。随着围岩进一步变形，接触力不断增大，当达到杆体210的屈服极限时，在钢珠232与外套管壁接触处将发生塑性破坏，由于杆体210材料的具有良好的延展性，因此其在塑性变形阶段提供的支护力是稳定的，由于该装置的稳阻阻力大小是由组成该装置的材料和结构所决定的，所以可设定其稳阻阻力为杆体210弹性极限的80%左右，实现稳阻可延伸支护。该装置稳阻支护的行程由止滑套223和内螺母211之间安装距离所决定。因此，根据不同矿区、不同巷道围岩300变形的不同要求，可以调整稳阻支护的行程。

当围岩300变形结束后，将外螺母221松开，利用机械工具，将托盘240松开，同时往围岩内部敲击套管220，使得其与杆体210与卡位环230松开，然后即可将套管220取出来重复利用。

请参照图5并结合图1-3，该围岩变形的监测方法是：

在围岩300变形过程中，其轴向变形量320可以利用直尺400测量套管220与杆体210之间的相对位移反映出围岩300的轴向变形。

综上，本发明在控制巷道围岩300大变形、动压中，通过利用专利设计的外螺母221、托盘杆体240、钢珠232和套管220三者组成的机械装置，实现稳阻支护功能，同时能够在支护过程中对围岩的变形量进行快速、便捷且准确的监测。在支护结束后，可以将套管220卸压取出进行重复利用。如果杆体210的材质设置为玻璃钢，当采煤机进行作业时，工作面煤帮侧的杆体无需拔出，一次能够提高采煤效率。

Claims (4)

1.一种高强稳阻可卸压回收锚杆，由杆体、套管、卡位环、内螺母、以及托盘和外螺母等构件组成；其特征是：

所述杆体的一端带有一段螺纹；

所述套管内壁设置部分长度的斜面，呈向外的喇叭口状；套管的外壁在位于喇叭口端带有一段螺纹；

所述卡位环外周设钢珠套，钢珠套中布设钢珠；

所述托盘的中心设圆孔；

上述构件的装配关系是，所述套管套装在杆体的螺纹端，喇叭口向外；所述卡位环穿入杆体装入套管中，内螺母旋入杆体螺纹段并压紧卡位环，使其上的钢珠固定在抵靠斜面上；所述托盘套在套管上，外螺母旋入套管外壁的螺纹。

2.根据权利要求1所述高强稳阻可卸压回收锚杆，其特征是：所述套管、杆体和钢珠三者之间的材料硬度、屈服极限和强度极限依次为，杆体最小，套管居中，钢珠最大。

3.根据权利要求1所述高强稳阻可卸压回收锚杆，其特征是：套管远离托盘一端的内壁中设有止滑套。

4.一种使用权利要求1、2或3所述的高强稳阻可卸压回收锚杆进行围岩变形监测的方法，其特征是：使用1、2或3所述的高强稳阻可卸压回收锚杆锚固围岩，在围岩变形过程中，按照设定的时间间隔测量套管与杆体之间的相对位量，该相对位移量即是被监测围岩的轴向变形量。