CN110067582A - 用于围岩支护、失稳监测的锚杆及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于围岩支护、失稳监测的锚杆及其安装方法，涉及煤矿安全生产技术领域。所述锚杆包括锚杆杆体和托板，锚杆杆体为双层结构，包括外层杆体以及设置于外层杆体内的围岩失稳监测装置，围岩失稳监测装置包括滑动设置于外层杆体内的位移滑杆以及设置于位移滑杆与外层杆体之间、用于感应围岩变形压力推动位移滑杆产生位移的压力传感动力装置。本发明所公开的锚杆，实现了围岩支护与运动监测一体化，有效保证围岩的稳定性；同时，本发明使用液压弹力为驱动力，推动位移滑杆记录围岩运动值，可实现围岩的实时监测，且结构简单，无复杂电路，避免了因围岩变形而导致的线路中断、监测装置无法正常工作的现象，降低了生产成本，适用范围广。

Description

用于围岩支护、失稳监测的锚杆及其安装方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种适用于巷道围岩运动变形时进行围岩支护、失稳监测的锚杆及其安装方法。

背景技术

目前，由于煤矿巷道受采动等工程影响比较大，巷道围岩会产生不同程度的变形运动。准确地掌握围岩内部变形位移状况，建立围岩支护、监测系统是预防和治理围岩失稳等问题的关键。

锚杆支护是目前巷道围岩支护主要手段之一，对巷道围岩稳定性的维护起到了重要的作用。锚杆作为深入岩层的受拉构件，使围岩由载荷体转化为承载体，整根锚杆分为自由段和锚固段，自由段是将锚杆端部的拉力传至锚固体区域，对其施加预应力；锚固段是指水泥浆体将预应力筋与土层粘结的区域，增加锚固体与岩层的粘结摩擦力，提高锚固体的承压作用，将自由段的拉力传至岩层深处。锚杆的应用大幅度减少了巷道围岩的变形与破坏，巷道支护与安全状况发生了本质改变。

近年来，煤矿井下应用了高预应力、强力锚杆与锚索支护等先进的技术，成功地做到了锚杆的主动、及时支护，减少了巷道围岩变形与破坏。但是现有的锚杆无法实现锚固区岩层的破坏与变形的自动监测，通常采用人工实地监测，导致监测的人工检查的数量大、效率及准确率均较低。

针对上述问题，中国专利公告号CN108426517A的专利公开了一种围岩径向位移测量装置，该装置包括：中空锚杆、中空内杆、锚固头、位移传感器、数据采集仪以及外部底座；该装置在使用时，锚固头与中空内杆的一端部固定相连，位于中空锚杆外，中空内杆的杆身嵌于所述通孔内，可相对于中空锚杆轴向滑动，位移传感器与锚固头相连，监测锚固头的轴向位移，数据采集仪与位移传感器相连，获取轴向位移的数据。但是，该装置采用位移传感器与数据采集仪涉及电路仪器，结构复杂、成本高、质量不稳定容易受干扰，这使得此类装置在使用上具有一定局限性。

因此，鉴于以上问题，有必要提出一种结构设计合理可靠、适用范围广的支护与监测一体化的锚杆，从而实现在保证围岩支护的基础上，智能监测围岩失稳状态，保证监测工作的顺利进行。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种用于围岩支护、失稳监测的锚杆，所述锚杆包括锚杆杆体，所述锚杆杆体为双层结构，包括外层杆体以及设置于外层杆体内的围岩失稳监测装置，所述围岩失稳监测装置包括位移滑杆以及压力传感动力装置。本发明能够在围岩极端环境中一边支护、一边实时监测围岩运动，从而实现围岩支护与运动监测一体化，有效地保证围岩的稳定性，保障监测工作的正常进行；同时，本发明使用液压弹力为驱动力，记录围岩变形运动的装置为位移滑杆，工作人员可根据位移滑杆上的刻度显示，实时监测围岩变形运动，结构简单，无复杂电路，避免了因围岩变形而导致的线路中断、监测装置无法正常工作的现象，降低了生产成本，适用范围广。

根据本发明的目的提出的一种用于围岩支护、失稳监测的锚杆，包括锚杆杆体以及固定连接于锚杆杆体一端的托板，所述锚杆杆体为双层结构，包括外层杆体以及设置于外层杆体内的围岩失稳监测装置，所述围岩失稳监测装置包括滑动设置于外层杆体内的位移滑杆以及设置于位移滑杆与外层杆体之间、用于感应围岩变形压力推动位移滑杆产生位移的压力传感动力装置。

优选的，所述压力传感动力装置包括用于感应围岩压力的弹性敏感元件、与弹性敏感元件电连接的微控制器、存储液压油的液压腔、连接于位移滑杆远离托板的一端的弹力囊以及连接液压腔与弹力囊的液压管；所述弹性敏感元件设置于外层杆体远离托板一端的内壁上，在锚杆受到围岩变形运动压力，作用于弹性敏感元件时，产生应力应变，并将压力信息传输至微控制器，微控制器控制液压腔经由液压管向弹力囊内注入液压油，将围岩压力信息传递至内层，为位移滑杆提供有效推动力。

优选的，所述外层杆体表面均布压力孔；围岩变形运动时，给锚杆施加压力，压力孔受压作用于弹性敏感元件。

优选的，所述围岩失稳监测装置还包括有用于限定位移滑杆位置的限位装置，所述限位装置包括与外层杆体靠近托板一端螺纹连接的螺栓组件以及均布于位移滑杆外表面的多组弹力阻尼装置。

优选的，所述螺栓组件包括螺杆和螺母，所述螺杆外表面成型有外螺纹，所述外层杆体靠近托板一端的内壁上成型有与螺杆外螺纹相匹配的内螺纹，所述螺杆穿过托板中心孔与外层杆体螺纹连接；所述螺杆为空心结构，其侧壁上设置有弹性调节块；所述位移滑杆伸出外层杆体的一端穿过螺杆中心孔后暴露于岩体表面，所述位移滑杆伸出外层杆体一端的外表面设置有与弹性调节块位置和大小相匹配的第一凹槽，旋转螺杆，通过弹性调节块与第一凹槽的卡扣或错位，实现位移滑杆的锁止或解锁；所述螺母内壁成型有与螺杆外螺纹相匹配的内螺纹，所述螺母旋于螺杆上，紧压托板。

优选的，所述弹性调节块贯穿螺杆侧壁，两端分别接触位移滑杆和托板，所述托板中心孔内壁上设置有与弹性调节块位置和大小相匹配的第二凹槽，旋转螺杆，解锁位移滑杆后，弹性调节块与第二凹槽卡扣，锁止螺杆。

优选的，所述弹力阻尼装置包括呈八字型的弹力卡扣以及与弹力卡扣对应设置固定安装于位移滑杆外表面的圆形扣件，所述弹力卡扣与外层杆体内壁铰接。

优选的，所述围岩失稳监测装置还包括套设安装于位移滑杆外表面的滑动轴承。

本发明另外公开了用于围岩支护、失稳监测锚杆的安装方法，包括以下步骤：

步骤一：预制锚杆杆体，旋转螺杆至弹性调节块与第一凹槽卡扣，锁止位移滑杆；

步骤二：根据巷道围岩性质、松动圈长度以及巷道支护设计要求，确定锚杆支护监测预警围岩的区域，钻凿一定数量的锚杆孔；

步骤三：在所述锚杆孔中用锚固剂进行充填；

步骤四：旋入锚杆杆体，把锚固剂管捣碎，锚孔内的锚固剂被均匀搅拌后锚杆杆体停止旋转，锚固剂凝固，锚杆杆体被固定于锚杆孔内，锚杆与岩层成为一个整体；

步骤五：将露出围岩的锚杆端头通过孔口封堵结构固定，安装锚杆托板；

步骤六：旋转螺杆，使得弹性调节块与第一凹槽错位，解锁位移滑杆；

步骤七：继续旋转螺杆，使得弹性调节块与第二凹槽卡扣，锁止螺杆；

步骤八：将螺母旋于螺杆上，并压紧锚杆托板至岩壁，锚杆安装结束；

步骤九：锚杆安装完毕后，等待围岩运动，自动实时记录位移信息。

优选的，所述锚固剂为香肠式树脂锚固剂。

与现有技术相比，本发明公开的一种用于围岩支护、失稳监测的锚杆的优点是：

(1)本发明能够在围岩极端环境中一边支护、一边实时监测围岩运动，从而实现围岩支护与运动监测一体化，有效地保证围岩的稳定性，保障监测工作的正常进行。

(2)本发明记录围岩变形运动的装置为位移滑杆，所述位移滑杆可在围岩变形运动时实时产生位移，工作人员可根据位移滑杆上的刻度显示，实时监测围岩变形运动。

(3)本发明通过记录位移滑杆产生的位移，记录围岩变形运动，无复杂电路，避免了因围岩变形而导致的线路中断、监测装置无法正常工作的现象。

(4)本发明使用液压弹力为驱动力，通过位移滑杆来记录围岩变形运动量，避免使用精密监测仪器，结构简单稳定，降低了生产成本，且适用范围广。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明公开的用于围岩支护、失稳监测的锚杆的结构示意图。

图2为图1中Ⅰ处放大图。

图3为图1中Ⅱ处放大图。

图4为本发明公开的用于围岩支护、失稳监测的锚杆的安装示意图。

图5为本发明公开的用于围岩支护、失稳监测的锚杆的作用示意图。

图中的数字或字母所代表的零部件名称为：

1-托板；2-外层杆体；21-压力孔；3-位移滑杆；4-压力传感动力装置；41-弹力囊；42-液压腔；5-螺杆；6-螺母；7-弹力阻尼装置；71-圆形扣件；72-弹力卡扣；8-滑动轴承。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

图1-图5示出了本发明较佳的实施例，分别从不同的角度对其结构进行了详细的剖析。

如图1-5所示的一种用于围岩支护、失稳监测的锚杆，包括化学药剂树脂锚杆杆体以及固定连接于锚杆杆体一端的托板1。锚杆杆体为双层结构，包括外表面均布圆形压力孔21的外层杆体2以及设置于外层杆体2内的围岩失稳监测装置，从而实现锚杆的围岩支护与运动监测一体化的功能，有效地保证围岩的稳定性，保障监测工作的正常进行。

锚杆表面材质刚度适中，外层杆体2上均匀设有圆形的压力孔21，具有微小的弹性拉长、收缩性，压力孔21的设置使得锚杆能够更好的感应围岩变形运动的压力，并将其传递至围岩失稳监测装置。

围岩失稳监测装置包括滑动设置于外层杆体2内的位移滑杆3以及设置于位移滑杆3与外层杆体2之间、用于感应围岩变形压力推动位移滑杆3产生位移的压力传感动力装置4。

其中，位移滑杆3呈圆柱状铝合金，其上刻有科学位移刻度，用于围岩离层变形时记录和显示位移值，以便对围岩失稳进行预警。位移滑杆3的设置，使得围岩变形运动监控更具实时性，工作人员根据位移滑杆3上的刻度显示即可实时记录围岩变形运动。同时避免使用精密监测仪器和复杂电路，从而避免了因围岩变形而导致的线路中断、监测装置无法正常工作的现象，结构简单稳定，降低了生产成本，且适用范围广。

压力传感动力装置4包括用于感应围岩压力的弹性敏感元件、与弹性敏感元件电连接的微控制器、存储液压油的液压腔42、固定连接于位移滑杆3远离托板1的一端的弹力囊41以及连接液压腔42与弹力囊41的液压管。弹性敏感元件为若干个，每一弹性敏感元件一端贴附于外层杆体2远离托板1一端的内壁上，另一端焊接于微控制器上，在锚杆受到围岩变形运动压力，作用于弹性敏感元件时，弹性敏感元件感受压力产生应力应变，并将压力信息传输至微控制器。微控制器与液压腔42电连接，液压腔42固定连接于在外层杆体2远离托板1一端的内壁上，微控制器接收到弹性敏感元件传输的压力信息后，控制液压腔42经由液压管向与液压腔42管道连通的弹力囊41内注入液压油，弹力囊41在液压油的作用下舒展，为位移滑杆3提供有效推动力，推动位移滑杆3向岩层外移动，从而记录围岩运动信息。具体的，弹力囊41为多节可压缩真空橡胶塑料活塞，其与位移滑杆3的固定连接方式在此不做限制。压力传感动力装置4的设置，运用液压弹力为位移滑杆3提供有效驱动力，避免使用精密监测仪器，结构简单稳定，降低了生产成本，且适用范围广。

进一步的，围岩失稳监测装置还包括有用于限定位移滑杆3位置的限位装置，该限位装置包括与外层杆体2靠近托板1一端螺纹连接的螺栓组件以及均布于位移滑杆3外表面的多组弹力阻尼装置7。具体的，螺栓组件包括螺杆5和螺母6，螺杆5外表面成型有外螺纹，外层杆体2靠近托板1一端的内壁上成型有与螺杆5外螺纹相匹配的内螺纹，螺杆5穿过托板中心孔与外层杆体2螺纹连接。螺杆5为空心结构，其侧壁上设置有弹性调节块，位移滑杆3伸出外层杆体2的一端穿过螺杆中心孔后暴露于岩体表面，其外表面设置有与弹性调节块位置和大小相匹配的第一凹槽，旋转螺杆5，通过弹性调节块与第一凹槽的卡扣或错位，实现位移滑杆3的锁止或解锁。具体的，锚杆安装前期，预制锚杆本体，旋转螺杆5使其与外层杆体螺纹连接，直至螺杆5上弹性调节块与位移滑杆3上的第一凹槽卡扣，锁止位移滑杆3，防止位移滑杆3在惯性作用下的自由滑动。锚杆杆体与锚杆托板1均安装完成后，继续旋转螺杆5，弹性调节块与第一凹槽错位，解锁位移滑杆3，开始围岩运动监测工作。螺母6内壁成型有与螺杆5外螺纹相匹配的内螺纹，螺母6旋于螺杆5上，通过托板1给锚杆本体施加预紧力，间接稳固锚杆位置。

进一步的，弹性调节块贯穿螺杆5侧壁，两端分别接触位移滑杆3和托板1，托板中心孔内壁上设置有与弹性调节块位置和大小相匹配的第二凹槽，旋转螺杆5，解锁位移滑杆3后，弹性调节块与第二凹槽卡扣，锁止螺杆5，防止螺杆5的自由旋转。

进一步的，弹力阻尼装置7包括呈八字型的弹力卡扣72以及与弹力卡扣72对应设置固定安装于位移滑杆3外表面的圆形扣件71。具体的，该弹力阻尼装置7为等间距设置于位移滑杆3外表面的两组，其中，弹力卡扣72一端与外层杆体2内壁铰接，有弹力，且仅能沿位移滑杆3的运动方向单向打开，圆形扣件71固定安装于位移滑杆3上，与弹力卡扣72配合作用，在围岩未产生变形运动时，阻止位移滑杆3的自由滑落，是外层杆体2端部所设置的螺栓组件的辅助装置。而当围岩发生变形，作用于位移滑杆3产生位移时，圆形扣件71通过弹力卡扣72，弹力卡扣72呈八字形打开，圆形扣件71通过后，弹力卡扣72呈八字关闭，从而阻止位移滑杆3的反向运动。

进一步的，围岩失稳监测装置还包括套设安装于位移滑杆3外表面的滑动轴承8，该滑动轴承8设置于位移滑杆3靠近托板1的一端，减少了摩擦损失和位移滑杆3的表面磨损，保证了位移滑杆3的精确移动。

本发明另外公开的一种围岩支护、失稳监测的锚杆的安装方法，包括以下步骤：

步骤一：预制锚杆杆体，旋转螺杆5至弹性调节块与第一凹槽卡扣，锁止位移滑杆3。

步骤二：根据巷道围岩性质、松动圈长度以及巷道支护设计要求，确定锚杆支护监测预警围岩的区域，钻凿一定数量的锚杆孔。

步骤三：在锚杆孔中用香肠式树脂锚固剂进行充填。

步骤四：旋入锚杆杆体，把锚固剂管捣碎，锚孔内的锚固剂被均匀搅拌，树脂、固化剂和石英颗粒混合在一起，填充锚杆与孔壁之间的缝隙，之后锚杆杆体停止旋转，锚固剂凝固，锚杆杆体被固定于锚杆孔内，使得锚杆与岩层变成一个整体，提高了锚杆的锚固效果。

步骤五：将露出围岩的锚杆端头通过孔口封堵结构固定，安装锚杆托板1。

步骤六：旋转螺杆5，使得弹性调节块与第一凹槽错位，解锁位移滑杆3。

步骤七：继续旋转螺杆5，使得弹性调节块与第二凹槽卡扣，锁止螺杆5。

步骤八：将螺母6旋于螺杆5上，压紧锚杆托板1至岩壁，锚杆安装结束。

步骤九：锚杆安装完毕后，等待围岩运动，一旦岩石内部出现开裂的情况，压力孔21受到挤压作用，锚杆内外分层间的压力传感动力装置4就会在岩石运动的作用下经由液压腔42向弹力囊41内注入液压油，弹力囊41增压推动位移滑杆3向外滑出，位移滑杆3上标注有刻度，可自动实时记录位移信息，通过记录的位移滑杆3滑出的刻度，就可以推断出围岩失稳情况。

综上所述，本发明公开的用于围岩支护、失稳监测的锚杆能够在围岩极端环境中起到一边支护，一边实时监测围岩运动的作用，可以实现岩层分层运动监测，克服了支护与监测分离的缺点，有效地保证围岩的稳定性，保障监测工作的正常进行。同时，本发明采用液压弹力为驱动力，弥补目前具有电阻应变仪等电路的岩层监测装置所带来的不稳定和成本高的缺点，结构简单，降低了成本，适用范围广。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于围岩支护、失稳监测的锚杆，包括锚杆杆体以及固定连接于锚杆杆体一端的托板(1)，其特征在于，所述锚杆杆体为双层结构，包括外层杆体(2)以及设置于外层杆体(2)内的围岩失稳监测装置，所述围岩失稳监测装置包括滑动设置于外层杆体(2)内的位移滑杆(3)以及设置于位移滑杆(3)与外层杆体(2)之间、用于感应围岩变形压力推动位移滑杆(3)产生位移的压力传感动力装置(4)。

2.根据权利要求1所述的用于围岩支护、失稳监测的锚杆，其特征在于，所述压力传感动力装置(4)包括用于感应围岩压力的弹性敏感元件、与弹性敏感元件电连接的微控制器、存储液压油的液压腔(42)、连接于位移滑杆(3)远离托板(1)的一端的弹力囊(41)以及连接液压腔(42)与弹力囊(41)的液压管；所述弹性敏感元件设置于外层杆体(2)远离托板(1)一端的内壁上，在锚杆受到围岩变形运动压力，作用于弹性敏感元件时，产生应力应变，并将压力信息传输至微控制器，微控制器控制液压腔(42)经由液压管向弹力囊(41)内注入液压油，将围岩压力信息传递至内层，为位移滑杆(3)提供有效推动力。

3.根据权利要求1所述的用于围岩支护、失稳监测的锚杆，其特征在于，所述外层杆体(2)表面均布压力孔(21)；围岩变形运动时，给锚杆施加压力，压力孔(21)受压作用于弹性敏感元件。

4.根据权利要求1所述的用于围岩支护、失稳监测的锚杆，其特征在于，所述围岩失稳监测装置还包括有用于限定位移滑杆(3)位置的限位装置，所述限位装置包括与外层杆体(2)靠近托板(1)一端螺纹连接的螺栓组件以及均布于位移滑杆(3)外表面的多组弹力阻尼装置(7)。

5.根据权利要求4所述的用于围岩支护、失稳监测的锚杆，其特征在于，所述螺栓组件包括螺杆(5)和螺母(6)，所述螺杆(5)外表面成型有外螺纹，所述外层杆体(2)靠近托板(1)一端的内壁上成型有与螺杆(5)外螺纹相匹配的内螺纹，所述螺杆(5)穿过托板中心孔与外层杆体(2)螺纹连接；所述螺杆(5)为空心结构，其侧壁上设置有弹性调节块，所述位移滑杆(3)伸出外层杆体(2)的一端穿过螺杆中心孔后暴露于岩体表面，所述位移滑杆(3)伸出外层杆体(2)一端的外表面设置有与弹性调节块位置和大小相匹配的第一凹槽，旋转螺杆(5)，通过弹性调节块与第一凹槽的卡扣或错位，实现位移滑杆(3)的锁止或解锁；所述螺母(6)内壁成型有与螺杆(5)外螺纹相匹配的内螺纹，所述螺母(6)旋于螺杆(5)上，紧压托板(1)。

6.根据权利要求5所述的用于围岩支护、失稳监测的锚杆，其特征在于，所述弹性调节块贯穿螺杆(5)侧壁，两端分别接触位移滑杆(3)和托板(1)，所述托板中心孔内壁上设置有与弹性调节块位置和大小相匹配的第二凹槽，旋转螺杆(5)，解锁位移滑杆(3)后，弹性调节块与第二凹槽卡扣，锁止螺杆(5)。

7.根据权利要求4所述的用于围岩支护、失稳监测的锚杆，其特征在于，所述弹力阻尼装置(7)包括呈八字型的弹力卡扣(72)以及与弹力卡扣(72)对应设置固定安装于位移滑杆(3)外表面的圆形扣件(71)，所述弹力卡扣(72)与外层杆体(2)内壁铰接。

8.根据权利要求4所述的用于围岩支护、失稳监测的锚杆，其特征在于，所述围岩失稳监测装置还包括套设安装于位移滑杆(3)外表面的滑动轴承(8)。

9.一种用于围岩支护、失稳监测锚杆的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：预制锚杆杆体，旋转螺杆(5)至弹性调节块与第一凹槽卡扣，锁止位移滑杆(3)；

步骤二：根据巷道围岩性质、松动圈长度以及巷道支护设计要求，确定锚杆支护监测预警围岩的区域，钻凿一定数量的锚杆孔；

步骤三：在所述锚杆孔中用锚固剂进行充填；

步骤四：旋入锚杆杆体，把锚固剂管捣碎，锚孔内的锚固剂被均匀搅拌后锚杆杆体停止旋转，锚固剂凝固，锚杆杆体被固定于锚杆孔内，锚杆与岩层成为一个整体；

步骤五：将露出围岩的锚杆端头通过孔口封堵结构固定，安装锚杆托板(1)；

步骤六：旋转螺杆(5)，使得弹性调节块与第一凹槽错位，解锁位移滑杆(3)；

步骤七：继续旋转螺杆(5)，使得弹性调节块与第二凹槽卡扣，锁止螺杆(5)；

步骤八：将螺母(6)旋于螺杆(5)上，并压紧锚杆托板(1)至岩壁，锚杆安装结束；

步骤九：锚杆安装完毕后，等待围岩运动，自动实时记录位移信息。

10.根据权利要求9所述的一种用于围岩支护、失稳监测锚杆的安装方法，其特征在于，所述锚固剂为香肠式树脂锚固剂。