CN110145350A - 一种拉力分散型双级恒阻应力释放锚杆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拉力分散型双级恒阻应力释放锚杆，包括锚杆体、连接件、第二级剪切吸能装置、第二级吸能杆体、第一级吸能套管、第一级吸能滑块、锚盘、锚固螺母、密封盖；第一级吸能滑块固定在第二级吸能杆体后端，并穿过第一级吸能套管和第二级剪切吸能装置，第二级吸能杆体与锚杆体通过连接件固接在一起；该锚杆通过锚盘与锚固螺母紧固在待支护围岩表面。通过与围岩的协同变形，在设定的锚固抗力阈值范围内，可提供两个级别的恒定锚固力和一个更高级别的非恒定锚固力。加工工艺简单、无特殊材料、成本较低，拉力分散、受力状态合理、系统可靠度高。尤其适用于深部金属矿开采过程中的岩爆防护及冒顶灾害防控。
Description
技术领域
本发明涉及采矿工程及岩土工程领域，特别是涉及一种拉力分散型双级恒阻应力释放锚杆。
背景技术
随着浅部矿产资源的逐渐减少，深部开采已经成为未来矿业开发的必然趋势。区别于浅埋矿山，深部金属矿床开采面临着高应力、高井温、高井深的特殊开采环境，围岩在高应力、高井温条件下将表现出显著的流变特性，并呈现出“大变形”的特点，如软岩大变形、岩爆大变形等。此外，高应力环境导致的冒顶灾害风险也日益突出，严重威胁深部金属矿的安全高效开采。
岩土锚固技术作为维护岩体稳定、防控岩土灾害的有效手段，广泛应用于采矿工程及岩土工程中。应用锚杆或锚索对岩土体进行加固，与其他柔性支护手段相同，能够充分地发挥岩土体自身的稳定能力，具有低扰动、起效快、安全可靠、经济有效的优点。同时可与喷射混凝土、锚网、钢拱架等其他支护手段联合作用，广泛适用。
然而，传统的管缝式锚杆、钢筋锚杆等拉伸变形极限受到材料本身性质的限制，当岩体出现“大变形”时，往往表现为相对小变形的拉断失效、锚头拉脱等破坏，进而完全失去锚固抗力，导致工程岩体的破坏，造成地下工程的受损，甚至是发生人员受伤、设备受损的工程灾害事故。显然地，采用容许大变形而不失效的吸能锚杆/索是一种行之有效的解决手段。目前见诸报端的大变形锚杆/索从作用原理上大致可分为摩擦型、剪切型、活塞型、材料本质型及其他型，如Atlas Copco公司的Roofex大变形锚杆、挪威的D-bolt、中国矿业大学的He-bolt，中科院成都山地所的恒阻变形锚杆等。
目前众多大变形锚杆主要存在的问题是，结构可靠性及装置系统稳定性较差，单一级别恒阻力难以维持稳定，过大的恒阻力往往在锚杆/索材料本身已失效的情况下仍未发挥作用，部分大变形锚杆或材料成本高、或加工工艺复杂、或施工难度大，难以满足深部金属矿开采围岩支护需求。
发明内容
基于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种拉力分散型双级恒阻应力释放锚杆，其可提供两个级别的恒定的支护力、可靠度较高，可与围岩较大行程的协同变形，最终提供更高级别的稳定支护抗力，尤其适用于深部金属矿开采过程中的岩爆防护及冒顶灾害防控。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的拉力分散型双级恒阻应力释放锚杆，包括锚杆体、连接件、第二级剪切吸能装置、第二级吸能杆体、第一级吸能套管、第一级吸能滑块、锚盘、锚固螺母、密封盖；
所述的锚杆体与第二级吸能杆体通过连接件固接在一起；
所述的第一级吸能套管外部前端与所述第二级剪切吸能装置连接，后部依次固定连接所述的锚盘和锚固螺母，后端设置所述密封盖；
所述的第一级吸能滑块固定连接在第二级吸能杆体的后端，呈楔形。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的拉力分散型双级恒阻应力释放锚杆，整个锚杆装置加工工艺简单、无特殊材料、成本较低，能够满足矿山开采巷道及采场支护等工程实际诉求；可提供两个级别的恒定锚固力和一个更高级别的非恒定锚固力，能够更加有效地适应围岩变形及支护抗力需求；将锚杆承受的拉力分散至锚杆装置的两个不同位置，每个部位所承受的拉力均较小，降低单纯一处受力对机械结构的损伤，提高整个装置系统的可靠度；进一步地将剪切应力(即剪切产生的锚固抗力)分散至3个剪切齿，进一步优化结构受力状态；本发明能够与岩体协同变形，在充分发挥围岩自稳能力的基础上，通过吸收围岩变形剩余能量，持续稳定可靠地提供不同级别的支护抗力，使得围岩有效应力得到可控地释放，进一步维持岩体稳定性，保障工程的使用功能及安全性。“遇强则强、遇弱则弱”，是一种兼济柔性支护和刚性支护特点的新型锚杆，尤其适用于深部金属矿开采过程中的岩爆防护及冒顶灾害防控。
附图说明
图1为本发明优选实施例的拉力分散型双级恒阻应力释放锚杆整体结构示意图；
图2为本发明优选实施例的应力释放锚杆第二级剪切吸能装置结构示意图；
图3为本发明优选实施例的应力释放锚杆第二级吸能杆体及第一级吸能滑块结示意图；
图4为本发明优选实施例的应力释放锚杆第一级吸能套管结构示意图。
图5为本发明优选实施例的应力释放锚杆实施方案示意图。
具体实施方式
下面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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的拉力分散型双级恒阻应力释放锚杆，其较佳的具体实施方式是：
包括锚杆体、连接件、第二级剪切吸能装置、第二级吸能杆体、第一级吸能套管、第一级吸能滑块、锚盘、锚固螺母、密封盖；
所述的锚杆体与第二级吸能杆体通过连接件固接在一起；
所述的第一级吸能套管外部前端与所述第二级剪切吸能装置连接，后部依次固定连接所述的锚盘和锚固螺母，后端设置所述密封盖；
所述的第一级吸能滑块固定连接在第二级吸能杆体的后端，呈楔形。
所述的第二级剪切吸能装置内部自前向后依次设置第一级剪切齿、第二级剪切齿、第三级剪切齿和内螺纹。
所述的第二级吸能杆体包括自前向后依次设置的：前端外螺纹、细段杆体、粗段剪切吸能杆体和后端外螺纹。
所述的第二级吸能杆体和第一级吸能滑块被包裹在所述的第二级剪切吸能装置和第一级吸能套管内部。
本发明的拉力分散型双级恒阻应力释放锚杆，是一种适用于深部金属矿开采过程中的岩爆防护及冒顶灾害防控的新型支护装置，本发明的工作原理为：
拉力分散型双级恒阻应力释放锚杆整体装入钻孔内，通过旋紧锚固螺母使锚盘贴紧岩壁提供初始预紧锚固力；当围岩因蠕变或其它形式的破坏导致变形逐渐增大，使得施加在应力释放锚杆上的拉力持续增加，直至拉力达到第一级恒阻力阈值后，第一级吸能滑块连同第二级吸能锚杆一起在第一级吸能套管内部开始滑动，适应围岩的变形并提供持续稳定的恒阻锚固力；当提供的锚固力能够维持围岩变形不再增大，则锚杆停止吸能滑动；反之，当锚固力不足以保持围岩稳定，且变形达到预设的滑动距离且锚固拉力达到第二级恒阻力阈值后，则应力释放锚杆启动第二级剪切吸能，通过第二级剪切吸能装置剪切第二级吸能杆体的粗段，适应围岩变形并提供更高一级别的恒阻锚固力；同样的，当提供的锚固力能够维持围岩变形不再增大，则锚杆停止吸能滑动；反之，当锚杆与围岩协同变形量达到吸能装置设定极限后，第一级吸能滑块与第二级剪切吸能装置咬合，产生更高级别的非恒阻锚固力，用以防止围岩持续变形而导致灾变。
(a)锚杆体1包括锚固剂搅拌头101,如图1所示。优选地，锚杆体1由HRB400热轧螺纹钢筋制成，长度可根据实际需求调整，通常地为1-3m；
(b)优选地，连接件2由Q345无缝钢管加工而成，如图1所示。长度通常为20cm，内部通常加工内螺纹，用以连接锚杆体1及第二级吸能杆体4，可根据工程需求在锚杆体间增加连接件数量，用以调整锚杆装置整体的长度；
(c)第二级剪切吸能装置3包括：第一级剪切齿301、第二级剪切齿302、第三级剪切齿303和内螺纹304，如图2所示。
优选地，第二级剪切吸能装置3由Cr40号轴承钢经淬火加工而成，第一级剪切齿301、第二级剪切齿302、第三级剪切齿303的高度可根据第二级恒阻力需求进行调整，通常地，前述三级剪切齿高度间尺寸差为0.5mm，可提供60kN的剪切恒阻力；加工内螺纹304用以连接第一级吸能套管，通常地长度为10cm；
(d)第二级吸能杆体4包括：前端外螺纹401，细段杆体402、粗段剪切吸能杆体403和后端外螺纹404，如图3所示。
优选地，第二级吸能杆体4由HRB400热轧螺纹钢筋加工而成，前端外螺纹401长度通常为10cm,细段杆体402经机械切削而成，直径与第二级剪切吸能装置内径相匹配；在粗段剪切吸能杆体403的后端加工外螺纹404，长度通常为10cm，用以连接第一级吸能滑块6；
(e)第一级吸能套管5包括：前端外螺纹501，楔形哨口502，后端外螺纹503和后端内螺纹504，如图4所示。
优选地，第一级吸能套管5由Q345无缝钢管加工而成，套管5的长度可根据工程需求调节，通常地为50cm；套管5前端加工有外螺纹501，通常地长度为10cm，用以连接第二级剪切吸能装置；套管5后端内部加工有楔形哨口502，尺寸与第一级吸能滑块相匹配，通常地斜面段为3cm，平面段为10cm；套管5后端加工有外螺纹503，用以匹配锚固螺母，通常地长度为8cm；套管5后端加工有内螺纹504，用以连接密封盖9；
(f)第一级吸能滑块6包括：内螺纹601，前端斜面段602和后端平面段603，如图3所示。
优选地，第一级吸能滑块6由Cr15号轴承钢经淬火加工而成，全长加工内螺纹601，与外螺纹404相配合，连接第二级吸能杆体4；外侧加工前端斜面段602，通常地长度为3cm；后端平面段603，通常地长度为7cm。
本发明的应力释放锚杆，总体而言加工工艺简单、材料易获得、成本较低，可提供两个级别的恒定锚固力和一个更高级别的非恒定锚固力，能够更加有效地适应围岩变形及支护抗力需求；将锚杆承受的拉力分散至锚杆装置的两个不同位置，进一步地优化结构受力状态，整个装置系统的可靠度较高。尤其适用于深部金属矿开采过程中的岩爆防护及冒顶灾害防控，能够与岩体协同变形，在充分发挥围岩自稳能力的基础上，通过吸收围岩变形剩余能量，持续稳定可靠地提供不同级别的支护抗力，使得围岩有效应力得到可控的释放，进一步维持岩体稳定性，保障工程的使用功能及安全性。“遇强则强、遇弱则弱”，是一种兼济柔性支护和刚性支护特点的新型锚杆。
具体实施例：
拉力分散型双级恒阻应力释放锚杆，当选用树脂锚固剂时，其一种具体的实施方案为：
(a)如图5所示。本发明锚杆的装配顺序是：①将第一级吸能滑块6旋入第二级吸能杆体4；②将第一级吸能套管5旋入第二级剪切吸能装置3；③将前述①中装置按正确方向放入前述②装置中；④旋紧密封盖9；⑤将锚杆体1旋入连接件2；⑥将前述装置⑤与前述装配好的装置③相连接，完成本发明应力释放锚杆的装配；
(b)在工程岩体待支护范围内施工钻孔，钻孔的长度应与应力释放锚杆10的长度相匹配，钻孔的直径应略大于应力释放锚杆10的最大直径，防止锚杆10在与围岩的协同变形过程中被限制微小胀径而导致失效；
(c)在钻孔内依次放入速凝树脂锚固药卷和缓凝锚固药卷，将本发明的应力释放锚杆10连同止浆塞14一并放入钻孔内；
(d)将应力释放锚杆10旋转压入钻孔内，通过锚杆体1前端锚固剂搅拌头101压破锚固药卷并搅拌均匀，充满止浆塞14前端钻孔；
(e)待锚固剂凝固后形成锚固体13与围岩11紧密粘结，在岩体11外壁出露的锚杆10后端，依次套入锚盘7并旋紧锚固螺母8，施加一定的预紧力，再次旋紧锚固螺母8，完成本发明的应力释放锚杆安装；
(f)当围岩11因蠕变或其他形式的破坏导致变形逐渐增大，使得施加在应力释放锚杆上的应力持续增加，直至拉力达到第一级恒阻力阈值后，第一级吸能滑块6连同第二级吸能锚杆4一起在第一级吸能套管5内部开始滑动，适应围岩11的变形并提供持续稳定的恒阻锚固力；当提供的锚固力能够维持围岩变形不再增大，则锚杆10停止吸能滑动；反之，当锚固力不足以保持围岩11稳定，且变形达到预设的滑动距离且锚固拉力达到第二级恒阻力阈值后，则应力释放锚杆启动第二级剪切吸能，通过第二级剪切吸能装置3剪切第二级吸能杆体的粗段403，适应围岩11变形并提供更高一级别的恒阻锚固力；同样的，当提供的锚固力能够维持围岩11变形不再增大，则锚杆10停止吸能滑动；反之，当锚杆10与围岩11协同变形量达到吸能装置设定极限后，第一级吸能滑块6与第二级剪切吸能装置3咬合，产生更高级别的非恒阻锚固力，用以防止围岩11持续变形而导致灾变。
需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为本发明保护内容的限制。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种拉力分散型双级恒阻应力释放锚杆，其特征在于，包括锚杆体、连接件、第二级剪切吸能装置、第二级吸能杆体、第一级吸能套管、第一级吸能滑块、锚盘、锚固螺母、密封盖；
所述的锚杆体与第二级吸能杆体通过连接件固接在一起；
所述的第一级吸能套管外部前端与所述第二级剪切吸能装置连接，后部依次固定连接所述的锚盘和锚固螺母，后端设置所述密封盖；
所述的第一级吸能滑块固定连接在第二级吸能杆体的后端，呈楔形。
2.根据权利要求1所述的拉力分散型双级恒阻应力释放锚杆，其特征在于，所述的第二级剪切吸能装置内部自前向后依次设置第一级剪切齿、第二级剪切齿、第三级剪切齿和内螺纹。
3.根据权利要求2所述的拉力分散型双级恒阻应力释放锚杆，其特征在于，所述的第二级吸能杆体包括自前向后依次设置的：前端外螺纹、细段杆体、粗段剪切吸能杆体和后端外螺纹。
4.根据权利要求1、2或3所述的拉力分散型双级恒阻应力释放锚杆，其特征在于，所述的第二级吸能杆体和第一级吸能滑块被包裹在所述的第二级剪切吸能装置和第一级吸能套管内部。
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