CN110130959A - 一种防脱锚大变形锚杆及锚固方法 - Google Patents

一种防脱锚大变形锚杆及锚固方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防脱锚大变形锚杆，包括膨胀锚固头以及带动膨胀锚固头膨胀的驱动机构，驱动机构包括锚杆主体、拉杆、第一支撑杆和第二支撑杆，膨胀锚固头套设在锚杆主体前端外，拉杆设置在锚杆主体中且两端从锚杆主体中穿出，膨胀锚固头与锚杆主体之间铰接连接有第一支撑杆，膨胀锚固头与拉杆前端之间铰接连接有第二支撑杆，锚杆主体的尾端设有托盘和第一锁紧螺母，拉杆尾端设有第二锁紧螺母。本发明通过锚杆主体和拉杆的带动膨胀锚固头挤压锚固，在围岩变形的过程中通过第一支撑杆和第二支撑杆的转动在实现锚杆让压的同时增加锚固端的挤压力，使得在一定范围内，围岩变形越大，膨胀锚固头锚固力越强，锚固的越稳定，实现了对矿山压力的利用。

Description

一种防脱锚大变形锚杆及锚固方法
技术领域
本发明属于岩体锚固技术领域，尤其涉及一种防脱锚大变形锚杆及锚固方法。
背景技术
向地球深部进军已成为全球科学家的共识，锚杆作为地下空间工程支护的关键依托，其重要性随着岩石工程深度的增加愈加凸显。深部岩石工程处于“三高一扰动”的环境中，锚杆在高应力及频繁的开采扰动情况下，经常发生脱锚或断锚的事故，造成巷道、隧洞无预警垮塌、锚杆飞射等，导致大量人员财产损失，随着工程深度的增加这些事故呈现增加的趋势制约了深部岩石工程的发展。锚固端岩石的强度及完整性是影响锚端脱锚的重要原因，锚固端岩体微观力学性质的变化能够反映岩石宏观的力学性质。
参见图1和图2，裂隙的扩展与串接是岩石破坏的根本原因，而裂隙扩展的难易受制于裂隙的断裂强度因子KId与断裂韧度KIc的影响具体表现为：当岩石的断裂韧度KIc较小，裂隙的断裂强度因子KId升高时，裂隙的扩展受到促进，使得动载产生的入射能或者静压能更多的用于该区域的裂隙的扩展；而当断裂韧度KIc升高，裂隙的断裂强度因子KId降低时，裂隙的扩展受到抑制，岩石发生破坏的难度增加，有利于保持岩石的完整性。当前的锚杆大都通过锚固剂使得锚杆与锚固端岩体锚固，在锚杆施加预应力过程中，锚固端的岩体整体受到拉应力。设压应力为正时，σl为负值，由公式(1)～(5)可知，锚固端岩石的断裂韧度降低，裂隙的强度因子增加，这就说明拉应力的存在使得受拉伸应力影响的区域的裂隙扩展变得更加容易，在岩石受到动力扰动或者较大静压时，锚固端岩体容易破坏，引起脱锚。
KIC＝ξ(σc+σ1) (1)
τeff＝τ+μ|σ'n| (5)
为改善这种状况，当前普遍使用胀壳式锚杆，也就是通过锚固端塑料或者其他材料的膨胀实现锚固。但是，由于围岩支护的主体是围岩本身，锚杆支护的作用在于增强围岩在变形破坏过程中支护的能力，尤其是对于变形比较大的软弱或者中硬岩体，锚杆的变形让压能力以及在变形后的锚固强度对于地下岩石空间支护尤为重要。但是当前该锚杆是通过锚杆主体的变形实现让压，使得锚杆的杆体强度逐渐降低，不利于围岩的稳定。同时在锚杆变形过程中锚端强度在应力调整过程中逐渐降低，导致锚杆脱锚的现象。此外，虽然注浆锚杆已经被使用，但是在锚杆注浆过程中经常发生堵孔及注浆不充分的现象。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种支护效果好的防脱锚大变形锚杆及锚固方法。
为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：
一种防脱锚大变形锚杆，包括膨胀锚固头以及带动膨胀锚固头径向膨胀或收紧的驱动机构，所述驱动机构包括锚杆主体、拉杆、第一支撑杆和第二支撑杆；
所述膨胀锚固头套设在所述锚杆主体前端外，所述拉杆设置在所述锚杆主体中且两端从所述锚杆主体中穿出；
所述第一支撑杆铰接连接在所述膨胀锚固头与所述锚杆主体之间且朝锚杆主体前端倾斜设置，所述第二支撑杆铰接连接在所述膨胀锚固头与所述拉杆之间且朝拉杆前端倾斜设置；
所述锚杆主体的尾端设有托盘和第一锁紧螺母，所述拉杆的尾端设有第二锁紧螺母。
进一步的，所述第一支撑杆沿所述锚杆主体外周方向均匀分布，所述第二支撑杆沿所述拉杆外周方向均匀分布。
进一步的，所述膨胀锚固头的外壁上设有倒钩。
进一步的，所述膨胀锚固头顶端设有储存有锚固剂且可被所述拉杆顶破的套袋。
进一步的，所述第一支撑杆的两端分别与所述膨胀锚固头的尾端和所述锚杆主体的顶端铰接连接；所述第二支撑杆的两端分别与所述膨胀锚固头的前端和所述拉杆的前端铰接连接。
进一步的，所述膨胀锚固头为圆柱状结构，由若干横截面呈弧形并成圆周阵列排布的膨胀瓣围成，所述锚杆主体与每块膨胀瓣之间均设有所述第一支撑杆，所述拉杆与每块膨胀瓣之间均设有所述第二支撑杆。
进一步的，所述拉杆上设有注浆孔，所述拉杆内部设有与所述注浆孔连通的注浆通道，所述注浆通道通过注浆管顺次连接至注浆泵和浆液储存槽。
进一步的，所述锚杆主体和拉杆同轴设置，且第一支撑杆的长度+锚杆主体的半径值＜所述第二支撑杆的长度+拉杆的半径值。
进一步的，所述拉杆匹配滑动设置在锚杆主体中，且两者相接触的面为光滑面。
进一步的，所述第一支撑杆的长度小于所述第二支撑杆的长度。
进一步的，所述锚杆主体的外表面为粗糙表面。
一种锚固方法，使用上述的锚杆，包括如下步骤：
根据围岩松动圈的范围和锚杆支护参数确定钻孔深度和锚杆长度，并将锚杆置入钻孔中；
向上顶推锚杆主体，同时外拉拉杆，带动第二支撑杆挤压膨胀锚固头，使膨胀锚固头与第二支撑杆连接的部分径向膨胀，调节第二锁紧螺母，使其与锚杆主体尾端抵接，从而将膨胀锚固头预锚固在孔底稳定岩层中；
调节第一锁紧螺母，使得托盘与围岩外壁紧贴，继续旋钮第一锁紧螺母，带动锚杆主体外移，进而产生预紧力；同时第一支撑杆通过锚杆主体的带动，挤压膨胀锚固头，使得膨胀锚固头与第一支撑杆连接的部分径向膨胀，最终实现膨胀锚固头在孔底稳定岩层中稳定锚固。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：本发明以锚杆主体和拉杆的带动实现锚固端膨胀锚固头挤压锚固，在围岩变形的过程中通过第一支撑杆和第二支撑杆的转动在实现锚杆让压的同时增加锚固端的挤压力，使得在一定范围内，围岩变形越大，端部膨胀锚固头锚固力越强，锚固的越稳定，实现了对矿山压力的利用。同时，在实现让压的过程中以第一支撑杆和第二支撑杆转动取代锚杆主体变形，减少了锚杆主体的变形，能够有效避免锚杆被拉断。
附图说明
图1为岩石在拉应力作用下的细观力学分析图；
图2为岩石在压应力作用下的细观力学分析；
图3为本发明的结构示意图；
图4为本发明注浆后的结构示意图；
图5为图3中B-B向剖视图；
图6为图3中A-A向剖视图；
图7为图4中B-B向剖视图；
图8为图4中A-A向剖视图。
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。
参见图3-图8，一种防脱锚大变形锚杆，包括膨胀锚固头3以及带动膨胀锚固头径向膨胀或收紧的驱动机构，驱动机构包括锚杆主体1、拉杆2、第一支撑杆4和第二支撑杆5。膨胀锚固头3套设在锚杆主体1前端外，拉杆2设置在锚杆主体1中且两端从锚杆主体1中穿出，第一支撑杆4铰接连接在膨胀锚固头3与锚杆主体1之间且朝锚杆主体1前端倾斜设置，第二支撑杆5铰接连接在膨胀锚固头3与拉杆2之间且朝拉杆2前端倾斜设置。锚杆主体1的尾端套设有托盘6和螺纹连接有第一锁紧螺母7，拉杆2尾端螺纹连接设有第二锁紧螺母8。
参见图5和图6，可以想到的是，在实际应用中，第一支撑杆4的数量为多根，沿锚杆主体1外周方向均匀分布，第二支撑杆5的数量为多根，沿拉杆2外周方向均匀分布。
需要解释说明的是，在实际设计中，第一支撑杆4的两端可以设置为分别与膨胀锚固头3的尾端和锚杆主体1的顶端铰接连接；第二支撑杆5的两端可以设置为分别与膨胀锚固头3的前端和拉杆2的前端铰接连接，这样通过第一支撑杆4和第二支撑杆5分别对膨胀锚固头3的两端进行挤压，以方便膨胀锚固头3的径向膨胀。
本实施例，通过外拉锚杆主体1，带动第一支撑杆4绕铰接轴向下转动，从而给予膨胀锚固头3尾端挤压力，使得膨胀锚固头3尾端径向膨胀，配合托盘6和第一锁紧螺母7，即可实现膨胀锚固头尾端的锚固以及锚杆预紧力的施加；通过外拉拉杆2，带动第二支撑杆5绕铰接轴a向下转动，从而给予膨胀锚固头3前端挤压力，使得膨胀锚固头前端径向膨胀，配合第二锁紧螺母8锁止定位，即可实现膨胀锚固头3前端的膨胀锚固。
本实施例，以锚杆主体1和拉杆2的带动实现锚固端膨胀锚固头挤压锚固，在围岩变形的过程中通过第一支撑杆4和第二支撑杆5的转动在实现锚杆让压的同时增加锚固端的挤压力，使得在一定范围内，围岩变形越大，端部膨胀锚固头锚固力越强，锚固的越稳定，实现了对矿山压力的利用。同时，在实现让压的过程中以第一支撑杆4和第二支撑杆5转动取代锚杆主体1变形，减少了锚杆主体1的变形，能够有效避免锚杆被拉断。
参见图3和图4，在一实施例中，本实施例锚杆的膨胀锚固头3顶端设有储存有锚固剂且可被拉杆顶破的套袋9，锚杆使用时，通过向上顶推拉杆2，将套袋9刺破，锚固剂16从套袋9中流出并渗入钻孔15和膨胀锚固头3中，从而进一步提高膨胀锚固头3的锚固性能；为方便刺破套袋9，拉杆2的前端可以设计成尖刺端。
优选的，锚杆主体和拉杆同轴设置，且第一支撑杆的长度+锚杆主体的半径值＜第二支撑杆的长度+拉杆的半径值，通过上述设置，第二支撑杆与第一支撑杆在下降同样的距离情况下，第二支撑杆向外承口膨胀锚固头3的距离要大于第一支撑杆撑开的距离，从而导致在下拉的过程中膨胀锚固头3形成剖面为倒梯形的形状，锚固头锚固更加紧固。
参见图3和图4，在一实施例中，本实施例锚杆的膨胀锚固头3为圆柱状结构，由若干横截面呈弧形并成圆周阵列排布的膨胀瓣301围成，锚杆主体1与每块膨胀瓣301之间均设有第一支撑杆4，拉杆2与每块膨胀瓣301之间均设有第二支撑杆5。本实施例膨胀锚固头3设计成膜瓣结构，膨胀锚固头3扩张后，膨胀瓣301被撑起进而紧贴钻孔壁面，相邻膨胀瓣301之间存在注浆间隙，方便后续浆液填充。需要解释说明的是，膨胀锚固头3也可以采用现有技术中其他结构，如在套管两端设置轴向锯缝，从而在相邻锯缝之间形成膨胀膜瓣，在此不再赘述。
为提高膨胀锚固头的锚固性能，在膨胀瓣301的外壁上还可以设置倒钩302，膨胀锚固头3径向膨胀时，倒钩302刺入稳定岩层中。
为使得第一支撑杆4和第二支撑杆5能够平顺转动，与同一膨胀瓣连接的第一支撑杆4和第二支撑杆5的轴线位于过锚杆主体中轴线的同一纵向剖分面内。需要说明的是，为保证支撑杆受力的均匀性，锚杆主体1与拉杆2下降的距离比值与其对应的支撑杆的长度比值相同。
参见图7和图8，在一实施例中，拉杆2位于膨胀锚固头3内的杆段上设有注浆孔10，拉杆2内部设有与注浆孔10连通的注浆通道11，注浆通道11通过注浆管依次与注浆泵12和浆液填充槽13连通。
本实施例锚杆采用注浆锚杆，相比普通锚杆，锚固性能得到进一步提高；此外，当注浆孔10设置在第一支撑杆4和第二支撑杆5之间时，注浆不仅不易堵塞注浆孔，而且在不影响支撑杆的支撑力施加的同时也能够降低设置注浆孔对于拉杆抗拉强度的影响。
可以想到的是，为防止浆液从钻孔顶部开口端流出，在托盘6与围岩外壁之间设有第一密封件(图中未示出)，在第二螺母与锚杆主体尾端之间设有第二密封件(图中未示出)。
具体的，拉杆2匹配滑动设置在锚杆主体1中，锚杆主体1的内表面为光滑表面，外表面为粗糙表面，拉杆2的内表面为光滑表面，以降低摩擦力对于杆体的影响，实现杆体较好的滑动，锚杆主体1的外侧粗糙以增加锚杆主体1与注浆凝固体14之间的摩擦力。
参见图4、图7和图8，一种锚固方法，使用上述的锚杆，包括如下步骤：
根据围岩松动圈的范围和锚杆支护参数确定钻孔深度和锚杆长度，并将锚杆置入钻孔中；
将中空拉杆2及锚杆主体1上推，带动第一支撑杆4和第二支撑杆5向上转动使得膨胀瓣301径向收紧，将锚杆插入至钻孔孔底，将套袋9挤破使锚固剂16散落在膨胀瓣表面。
然后迅速进行锚杆预应力的施加：向上顶推锚杆主体1，同时外拉拉杆2，带动第二支撑杆5挤压膨胀锚固头3，使膨胀锚固头3前端径向膨胀，调节第二锁紧螺母8，使其与锚杆主体1尾端抵接，从而实现膨胀锚固头3前端与孔底稳定岩层的锚固；
调节第一锁紧螺母7，使得托盘6与围岩外壁紧贴，继续旋钮第一锁紧螺母7，带动锚杆主体1外移，进而产生预紧力；同时第一支撑杆4通过锚杆主体1的带动，挤压膨胀锚固头3，使得膨胀锚固头3尾端径向膨胀，最终实现整个膨胀锚固头3在孔底稳定岩层中的稳定锚固；
最后，通过注浆泵12进行注浆，注浆液填充钻孔15与锚杆主体1以及拉杆2与膨胀锚固头3之间的空隙。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种防脱锚大变形锚杆，包括膨胀锚固头以及带动膨胀锚固头径向膨胀或收紧的驱动机构，其特征在于：所述驱动机构包括锚杆主体、拉杆、第一支撑杆和第二支撑杆；
所述膨胀锚固头套设在所述锚杆主体前端外，所述拉杆设置在所述锚杆主体中且两端从所述锚杆主体中穿出；
所述第一支撑杆铰接连接在所述膨胀锚固头与所述锚杆主体之间且朝锚杆主体前端倾斜设置，所述第二支撑杆铰接连接在所述膨胀锚固头与所述拉杆之间且朝拉杆前端倾斜设置；
所述锚杆主体的尾端设有托盘和第一锁紧螺母，所述拉杆的尾端设有第二锁紧螺母。
2.根据权利要求1所述的锚杆，其特征在于：所述第一支撑杆沿所述锚杆主体外周方向均匀分布，所述第二支撑杆沿所述拉杆外周方向均匀分布。
3.根据权利要求2所述的锚杆，其特征在于：所述第一支撑杆的两端分别与所述膨胀锚固头的尾端和所述锚杆主体的前端铰接连接；所述第二支撑杆的两端分别与所述膨胀锚固头的前端和所述拉杆的前端铰接连接。
4.根据权利要求3所述的锚杆，其特征在于：所述锚杆主体和拉杆同轴设置，且第一支撑杆的长度+锚杆主体的半径值＜所述第二支撑杆的长度+拉杆的半径值。
5.根据权利要求1所述的锚杆，其特征在于：所述膨胀锚固头的外壁上设有倒钩。
6.根据权利要求1所述的锚杆，其特征在于：所述膨胀锚固头顶端设有储存有锚固剂且可被所述拉杆顶破的套袋。
7.根据权利要求1-6任一项所述的锚杆，其特征在于：所述膨胀锚固头为圆柱状结构，由若干横截面呈弧形并成圆周阵列排布的膨胀瓣围成，所述锚杆主体与每块膨胀瓣之间均设有所述第一支撑杆，所述拉杆与每块膨胀瓣之间均设有所述第二支撑杆。
8.根据权利要求7所述的锚杆，其特征在于：所述拉杆上位于所述第一支撑杆和第二支撑杆之间设有注浆孔，所述拉杆内部设有与所述注浆孔连通的注浆通道，所述注浆通道通过注浆管顺次连接至注浆泵和浆液储存槽。
9.根据权利要求7所述的锚杆，其特征在于：所述拉杆匹配滑动设置在锚杆主体中，且两者相接触的面为光滑面，所述锚杆主体的外表面为粗糙表面。
10.一种锚固方法，其特征在于，使用权利要求1-9任一项所述的锚杆，包括如下步骤：
根据围岩松动圈的范围和锚杆支护参数确定钻孔深度和锚杆长度，并将锚杆置入钻孔中；
向上顶推锚杆主体，同时外拉拉杆，带动第二支撑杆挤压膨胀锚固头，使膨胀锚固头与第二支撑杆连接的部分径向膨胀，调节第二锁紧螺母，使其与锚杆主体尾端抵接，从而将膨胀锚固头预锚固在孔底稳定岩层中；
调节第一锁紧螺母，使得托盘与围岩外壁紧贴，继续旋钮第一锁紧螺母，带动锚杆主体外移，进而产生预紧力；同时第一支撑杆通过锚杆主体的带动，挤压膨胀锚固头，使得膨胀锚固头与第一支撑杆连接的部分径向膨胀，最终实现膨胀锚固头在孔底稳定岩层中稳定锚固。
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