CN110030025A - 用于围岩大形变的自膨胀式管缝锚杆及其制备和使用方法 - Google Patents
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Abstract
用于围岩大形变的自膨胀式管缝锚杆及其制备和使用方法，锚杆由内装自膨胀药柱的杆体和托盘构成，在杆体与自膨胀药柱相接触的管壁上开有增阻缝，在自膨胀药柱后部的杆体管壁上有环形增阻槽，串联自膨胀药柱的螺纹杆后端穿过托盘与紧固螺母连接，托盘与杆体不固接。使用时先将自膨胀药柱浸泡水，然后将锚杆插入钻孔中，拧紧紧固螺母使托盘与围岩岩壁靠紧；利用自膨胀锚固剂水化反应体积膨胀产生径向膨胀压起到锚固作用；在围岩发生大形变时，岩体变形力通过托盘、紧固螺栓和螺纹杆施加到自膨胀药柱，自膨胀药柱受力超过设计阻力时与杆体发生摩擦滑移，在滑移过程中通过增阻缝和增租槽可保持恒阻让压，位移后可继续起到锚固作用。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程支护技术领域，特别是一种可用于围岩大形变的自膨胀式管缝锚杆及其制备和使用方法。
背景技术
锚杆是一种用高抗拉强度材料制成、安装在岩体内部、用于对建筑基坑、露天边坡、隧道和井巷工程进行支护的杆状受拉构件。锚杆支护是通过向巷道围岩钻孔，在孔内安装锚杆，使巷道周围形成一个稳定的支护带，达到加固围岩的目的。
管缝式锚杆是目前矿山最为常用的支护锚杆，该锚杆的直径大于钻孔孔径(前端直径略小于钻孔孔径)，使用时，通过外力将管缝杆体顶入钻孔中，锚杆在孔壁的约束下对围岩产生挤压力，与孔壁之间产生轴向摩擦力，在锚杆后端承托装置的支撑下，对围岩起到加固和稳定支撑作用。
管缝锚杆的锚固力由锚杆的直径与钻孔孔径的差值决定，差值大，锚固力大，但安装难度也大，安装速度和工作效率低；差值小则锚固力小，但安装比较容易，安装速度和工作效率高。为解决管缝锚杆锚固力和安装难度的矛盾，CN 109139069 A号专利申请文件公开了一种主动膨胀式管缝锚杆，该锚杆是在传统管缝锚杆中加入由CaO、膨润土、高岭土、减水剂、硬化材料混合组成的自膨胀药柱，通过自膨胀药柱在轴向约束下的径向膨胀以增大管缝锚杆与锚固围岩的摩擦力，以此实现在提高锚固力的前提下适当减小锚杆直径和钻孔孔径的差值，达到降低安装难度、提高安装速度和效率的目的。
随着开采深度的增加，高地应力、高裂隙水压、高地温等因素导致深部巷道和围岩的潜在变形能很大，为此，用于深部开采的支护结构需要在围岩大形变时具有让压功能。上述主动膨胀式管缝锚杆，因锚杆尾部的托盘和挡环与锚杆为固定式连接，在应对破碎围岩大变形支护时，不具有让压功能，当巷道围岩出现较大变形导致围岩变形能超出管缝锚杆的承受范围时，杆体会被拉断，使托盘和挡环脱落，锚杆失去锚固效果。故这种主动膨胀式管缝锚杆不能适应深部围岩大变形的特点。
发明内容
本发明的目的是对上述主动膨胀式管缝锚杆加以改进，提供一种用于围岩大形变的自膨胀式管缝锚杆。
本发明还提供这种管缝锚杆的制备和使用方法。
本发明提供的用于围岩大形变的自膨胀式管缝锚杆，包括纵向开有管缝的杆体，杆体中有由螺纹杆和限位螺母串联的自膨胀药柱，自膨胀药柱由装有自膨胀锚固剂的套筒构成，在杆体的后端有托盘和紧固螺母组成的承托装置；在所述杆体与自膨胀药柱相接触的管壁上纵向开有与所述管缝呈对称分布的三条增阻缝；在距离自膨胀药柱后端3cm处的杆体管壁上径向有相互间隔的三个环形增阻槽；所述螺纹杆的长度大于杆体的长度，其后端穿过所述托盘的中心孔与所述紧固螺母螺纹连接；托盘与杆体的后端相接触(非固定连接)。
上述用于围岩大形变的自膨胀式管缝锚杆的制备和使用方法，包括以下步骤：
步骤1、制作杆体、螺纹杆、限位螺母、托盘和紧固螺母
杆体用壁厚为2～3mm的高弹性钢板卷制，其长度和直径根据围岩支护设计要求确定(一般长1.8～2.5m，外径30～45mm)；卷制前，在杆体与自膨胀药柱相接触的部分管壁上纵向开设与管缝呈对称分布的三条缝隙为1～2mm的增阻缝；在距离自膨胀药柱后端3cm处的杆体管壁上横向冲压出相互间隔10～15mm的三个增阻槽，增阻槽的槽形分别为圆弧形，深度自内向外分别为1mm、2mm和3mm；卷制后形成的管缝宽度为1-3mm(具体根据钻孔的孔径选取)；
螺纹杆用直径20～25mm的高强度螺纹钢制作，长度大于杆体8-10cm；
限位螺母用普通钢材制作；
托盘用尺寸为200mm×200mm、厚度15mm的正方形钢板中间开设直径为30mm的中心孔制成；
紧固螺母和螺纹杆匹配；
步骤2、制作自膨胀药柱
1)制备套筒：套筒为圆环形，采用工程塑料分两段制作(也可一次性整体制作)，每段长度为10～15cm，壁厚为2～3mm，内径为21～25mm，外径小于步骤1中的杆体内管径43mm，在套筒的外壁上自内向外依次贴附吸水材料和保护套，在套筒的外壁和保护套上分别开设相互对应的吸水孔；
2)制备自膨胀锚固剂：按重量配比CaO75％、减水剂5％、粘结剂5％、无水乙醇10％、塑型材料5％混合制成自膨胀锚固剂，混合时将减水剂、粘结剂溶于无水乙醇中，再将溶液倒入CaO中搅拌均匀；
(3)将制备好的自膨胀锚固剂分别填充到两段套筒中；
步骤3、组装自膨胀药柱
将两段套筒对接成一个完整的自膨胀药柱，然后按设计数量将一组自膨胀药柱穿在步骤1制成的螺纹杆上，并用限位螺母加以固定，最后用塑料薄膜密封组装好的自膨胀药柱；
步骤4、组装和使用管缝锚杆
1)组装管缝锚杆：将步骤3的自膨胀药柱去除密封用塑料薄膜，将其置于水中浸泡(或淋水)5～10Min，待水中只有零星气泡冒出时取出，将其插入管缝锚杆的杆体中，使螺纹杆的后端伸出杆体8-10cm；
2)使用管缝锚杆：①将组装好的管缝锚杆通过外力顶入预先开好的、孔径小于锚杆直径2mm的围岩钻孔中，直至杆体全部进入钻孔(螺纹杆伸出钻孔8-10cm)；②将托盘套入螺纹杆的伸出端，拧紧紧固螺母，使托盘与围岩岩壁靠紧，完成锚杆安装；③待30～50Min后自膨胀锚固剂发生水化反应体积膨胀，产生足够大的径向膨胀压，通过增阻缝与围岩形成稳定的锚固体系，起到锚固作用；④在巷道围岩压力增大、岩体受力向自由空间变形时，岩体变形力作用在托盘上，并通过托盘、紧固螺栓和螺纹杆施加到自膨胀药柱，随着巷道围岩变形能的逐渐积累，当施加于自膨胀药柱上的轴力大于自膨胀药柱与杆体的设计阻力时，自膨胀药柱与杆体发生摩擦滑移，在滑移过程中通过增加的增阻缝和增阻槽可以保持恒阻，以抵抗岩体的变形，自膨胀药柱滑移后可继续起到锚固作用。
本发明在保持上述现有主动膨胀式管缝锚杆优点(在提供相同锚固力的条件下比使用普通无自膨胀剂的管缝锚杆减小锚杆直径和钻孔孔径的差值，安装难度降低，安装效率提高)的基础上，增加了以下新的功能：
1、通过改变锚杆杆体、安装自膨胀药柱的螺纹杆和托盘的连接关系(托盘与杆体非固定连接)，使作用在托盘上的岩体变形力，并不作用在杆体上，避免了岩体变形力超出杆体和挡环承受范围时被拉断、导致锚杆失效现象的发生。
2、在杆体与自膨胀药柱相接触的部分管壁上增加了增阻缝，其作用是让自膨胀剂径向膨胀后与围岩有更多的接触，在不发生围岩大形变时进一步提高锚杆的锚固力；在发生围岩大形变、受螺纹杆拉力沿杆体内壁移动时，提高自膨胀药柱与杆体内壁的摩擦阻力，吸收更多能量，以实现恒阻让压。
3、杆体管壁上的增阻槽，可在自膨胀药柱沿杆体发生滑移时增加药柱与限位螺母的滑移阻力，同时提供更高的锚固力。
本发明通过增加的上述新功能使其尤其适用于具有高地应力、高裂隙水压、高地温等特点、存在围岩大形变可能的深部开采围岩巷道支护。
本发明还具有结构简单、安装方便、易于实现机械化生产的特点。
附图说明
图1为本发明管缝锚杆的整体结构示意图(轴向剖视图)；
图2为图1中锚杆杆体的剖视图；
图3为图1中自膨胀药柱(两段中的一段)剖视图；
图4为与螺纹杆组装的自膨胀药柱示意图；
图5为图1中限位螺母的示意图。
图6为图1中托盘的剖视图。
图中符号说明：1-杆体，11-管缝，12-增阻缝，13-增阻槽，2-自膨胀药柱，21-自膨胀锚固剂，22-套筒，23-吸水孔，24-吸水材料，25-保护套，3-螺纹杆，4-限位螺母，5-托盘，6-紧固螺母。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本实施例为采用本发明管缝锚杆对某矿山巷道围岩进行支护。该煤矿随采深增加，地应力变高，且受回采扰动影响使巷道围岩变形量加大，最大处位移可达500mm左右。该矿采用常规管缝锚杆不能适应巷道围岩变形，出现因锚杆被拉断和挡环滑脱导致锚杆失效现象。为解决该问题，现采用本发明进行支护，有效地解决了围岩变形导致的锚杆失效问题。
如图1所示，用于该煤矿巷道围岩支护的管缝锚杆由杆体1、自膨胀药柱2和承托装置组成。
如图2所示，所述杆体用壁厚为2mm的高弹性钢板卷制，其长度为2m，直径为45mm，轴向留有2mm的管缝11，在距离前端15cm、后端90cm的中间部位的管壁上开设与管缝平行、相互间呈对称分布(即径向呈90°)的三条增阻缝12，增阻缝的宽度为1mm；在距杆体后端87cm、72cm、57cm的管壁上别设有三个环形增阻槽13，增阻槽的深度自外向内分别为3mm、2mm、1mm。
如图1和图4所示，所述自膨胀药柱2分两段对接构成。单段自膨胀药柱如图3所示，由自膨胀锚固剂21、套筒22、吸水材料24和保护套25构成。其中套筒22由厚度2mm的工程塑料制成，为圆环形，其长度为10cm、内径21mm、外径42mm，在套筒的外壁上自内向外依次贴附由吸水海绵构成的吸水材料24和由塑型纸构成的保护套25，套筒的外壁和保护套上有轴向相对开设的两个长25mm、宽10mm的吸水孔23。在套筒中填充由(重量配比)CaO75％、减水剂5％、粘结剂5％、无水乙醇10％，塑型材料5％混合制成的自膨胀锚固剂21。如图4所示，该实施例管缝锚杆的杆体中装有四个自膨胀药柱，每个自膨胀药柱由两段药柱相接构成，四个自膨胀药柱分别由与螺纹杆匹配的锥形限位螺母4前后相接固定在螺纹杆3上，螺纹杆由直径20mm、长2.1m的高强度螺纹钢制成，螺纹杆的后端伸出杆体10cm。与螺纹杆匹配的锥形限位螺母如图5所示。
所述承托装置如图1所示，包括托盘5和紧固螺母6。托盘如图6所示,用尺寸为200mm×200mm、厚度为15mm的正方形钢板中间开设直径30mm的中心孔制成。紧固螺栓与螺纹杆螺纹配合，使用时，将托盘套在露出杆体后端的螺纹杆端部，向前拧紧紧固螺栓，使托盘抵靠在钻孔周围的围岩岩壁上。
该实施例管缝锚杆的制备和使用方法包括以下步骤：
步骤1、按上述锚杆的设计尺寸和材质要求分别制作杆体、螺纹杆、限位螺母、托盘和紧固螺母；
步骤2、制作自膨胀药柱
(1)按上述设计要求制备套筒；
(2)按重量配比取CaO75％、减水剂5％、粘结剂5％、无水乙醇10％、塑型材料5％为原料，将减水剂、粘结剂溶于无水乙醇中，再将溶液倒入CaO中，搅拌均匀，制成自膨胀锚固剂；
(3)将制备好的自膨胀锚固剂填充到套筒中；然后在套筒的外壁上通过吸水材料和保护套轴向相对开设两个长25mm、宽10mm的吸水孔；
步骤3、组装自膨胀药柱
按四个自膨胀药柱穿在步骤1制成的螺纹杆上，并分别用步骤1制成的限位螺母加以固定，然后用塑料薄膜密封组装好的自膨胀药柱；
步骤4、组装和使用管缝锚杆
1)组装管缝锚杆：将步骤3的自膨胀药柱去除密封用塑料薄膜，将其置于水中浸泡(或淋水)5～10Min，待水中只有零星气泡冒出时取出，将其插入管缝锚杆的杆体中，使螺纹杆的后端伸出杆体10cm；
2)使用管缝锚杆：①将组装好的管缝锚杆采用气腿式凿岩机顶入预先开好的直径43mm、深度2m的围岩钻孔中，直至杆体全部进入钻孔，螺纹杆伸出钻孔10cm；②将托盘套入螺纹杆的伸出端，拧紧紧固螺母，使托盘与围岩岩壁抵靠，完成锚杆安装；③待35Min后自膨胀锚固剂发生水化反应体积膨胀，产生足够大的径向膨胀压，通过增阻缝与围岩形成稳定的锚固体系，起到锚固作用。
实践证明，该矿巷道围岩采用本发明自膨胀式管缝锚杆锚固，锚杆直径与钻孔孔径差值仅为2mm，在较小差值情况下很容易安装，通过自膨胀药柱反应后膨胀提供更高的锚固力。尤其是在围岩压力增大、岩体受力向自由空间变形时，本发明可将岩体变形力通过托盘、紧固螺栓和螺纹杆带动四个自膨胀药柱在杆体中产生最大80cm的相对位移，位移过程中锚杆杆体因不承受岩体变形力(因杆体与托盘、紧固螺母和螺纹杆不固定连接)不会受损；同时通过杆体上增加的多道增阻缝和增阻槽实现恒阻让压，使滑移后的锚杆能以原锚固力继续起到锚固作用。
Claims (3)
1.用于围岩大形变的自膨胀式管缝锚杆，包括纵向开有管缝(11)的杆体(1)，杆体中有由螺纹杆(3)和限位螺母(4)和串联的自膨胀药柱(2)，自膨胀药柱由装有自膨胀锚固剂(21)的套筒(22)构成，在杆体的后端有托盘(5)和紧固螺母(6)组成的承托装置；其特征在于：在所述杆体与自膨胀药柱相接触的管壁上纵向开有与所述管缝(11)呈对称分布的三条增阻缝(12)；在距离自膨胀药柱后端3cm处的杆体管壁上径向有相互间隔的三个环形增阻槽(13)；所述螺纹杆的长度大于杆体的长度，其后端穿过所述托盘的中心孔与所述紧固螺母螺纹连接；托盘与杆体的后端相接触。
2.权利要求1所述用于围岩大形变的自膨胀式管缝锚杆的制备和使用方法，其特征包括以下步骤：
步骤1、制作杆体、螺纹杆、限位螺母、托盘和紧固螺母
杆体用壁厚为2～3mm的高弹性钢板卷制，其长度和直径根据围岩支护设计要求确定；卷制前，在杆体与自膨胀药柱相接触的部分管壁上纵向开设与管缝呈对称分布的三条缝隙为1～2mm的增阻缝；在距离自膨胀药柱后端3cm处的杆体管壁上横向冲压出相互间隔10～15mm的三个增阻槽，增阻槽的槽形分别为圆弧形，深度自内向外分别为1mm、2mm和3mm；卷制后形成的管缝宽度为1-3mm；
螺纹杆用直径20～25mm的高强度螺纹钢制作，长度大于杆体8-10cm；
限位螺母用普通钢材制作；
托盘用尺寸为200mm×200mm、厚度15mm的正方形钢板中间开设直径为30mm的中心孔制成；
紧固螺母和螺纹杆匹配；
步骤2、制作自膨胀药柱
1)制备套筒：套筒为圆环形，采用工程塑料分两段制作，每段长度为10～15cm，壁厚为2～3mm，内径为21～25mm，外径小于步骤1中的杆体内管径43mm，在套筒的外壁上自内向外依次贴附吸水材料(24)和保护套(25)，在套筒的外壁和保护套上分别开设相互对应的吸水孔(23)；
2)制备自膨胀锚固剂(21)：按重量配比CaO75％、减水剂5％、粘结剂5％、无水乙醇10％、塑型材料5％混合制成自膨胀锚固剂，混合时将减水剂、粘结剂溶于无水乙醇中，再将溶液倒入CaO中搅拌均匀；
3)将制备好的自膨胀锚固剂分别填充到两段套筒中；
步骤3、组装自膨胀药柱
将两段套筒对接成一个完整的自膨胀药柱，然后按设计数量将一组自膨胀药柱穿在步骤1制成的螺纹杆上，并用限位螺母加以固定，最后用塑料薄膜密封组装好的自膨胀药柱；
步骤4、组装和使用管缝锚杆
1)组装管缝锚杆：将步骤3的自膨胀药柱去除密封用塑料薄膜，将其置于水中浸泡5～10Min，待水中只有零星气泡冒出时取出，将其插入管缝锚杆的杆体中，使螺纹杆的后端伸出杆体8-10cm；
2)使用管缝锚杆：①将组装好的管缝锚杆通过外力顶入预先开好的、孔径小于锚杆直径2mm的围岩钻孔中，直至杆体全部进入钻孔；②将托盘套入螺纹杆的伸出端，拧紧紧固螺母，使托盘与围岩岩壁靠紧，完成锚杆安装；③待30～50Min后自膨胀锚固剂发生水化反应体积膨胀，产生足够大的径向膨胀压，通过增阻缝与围岩形成稳定的锚固体系，起到锚固作用；④在巷道围岩压力增大、岩体受力向自由空间变形时，岩体变形力作用在托盘上，并通过托盘、紧固螺栓和螺纹杆施加到自膨胀药柱，随着巷道围岩变形能的逐渐积累，当施加于自膨胀药柱上的轴力大于自膨胀药柱与杆体的设计阻力时，自膨胀药柱与杆体发生摩擦滑移，在滑移过程中通过增加的增阻缝和增阻槽可以保持恒阻，以抵抗岩体的变形，自膨胀药柱滑移后可继续起到锚固作用。
3.权利要求2所述用于围岩大形变的自膨胀式管缝锚杆的制备和使用方法，其特征是，步骤2中所述吸水材料(24)由吸水海绵制成；所述保护套(25)由塑型纸制成。
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