CN110761819A - 一种预应力注浆锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程支护技术领域，提供了一种预应力注浆锚杆，包括锚固段，还包括注浆段；锚固段的尾部与注浆段的头部相连，锚固段用于在钻孔内固定，利用锚固剂与钻孔底段围岩固结，注浆段用于向钻孔内注浆。本发明提供的预应力注浆锚杆，通过设置与锚固段相连的注浆段，在锚杆预紧的基础上，实现预应力注浆锚杆全长锚固，既满足围岩及时支护初始安装预紧条件，又能对自由段进行注浆锚固，有效控制巷道围岩的变形破坏深度，显著提高预应力注浆锚杆的锚固稳定性，确保高应力环境下巷道破碎围岩的支护安全。

Description

一种预应力注浆锚杆

技术领域

本发明涉及岩土工程支护技术领域，特别是涉及一种预应力注浆锚杆。

背景技术

预应力锚杆支护作为煤矿巷道安全高效的主要支护方式，已在我国煤矿巷道支护中广泛应用。预应力锚杆支护是将锚杆一端锚固于煤岩体内，拧紧杆尾螺母对围岩施加预应力，利用托盘等配套构件，约束巷道围岩的变形离层、碎胀与滑移错动。

图1为现有技术中的预应力锚杆支护系统安装结构，预应力锚杆支护施工，首先使用与锚杆和锚固剂直径匹配的钻头，在巷道围岩表面锚杆安装位置打孔；之后向钻孔内装入锚固剂并推送到孔底，旋转并推进锚杆搅拌锚固剂，锚固剂搅拌后固化，将锚杆与孔壁粘结锚固；最后铺设金属网、安装钢带和托盘等护表构件，拧紧杆尾螺母对围岩施加预应力。预应力支护锚杆预紧时孔口侧需要保留一定的自由长度，使锚杆预紧力传递到围岩内部。因此，预应力锚杆支护一般采用端部锚固或加长锚固，即：使用的锚固剂搅拌后充填钻孔底端的一定长度，锚杆在钻孔内形成锚固段L₂和自由段L₁，锚固段对锚杆提供锚固力，自由段则在预紧时对围岩施加预应力。

锚杆的锚固长度影响锚杆的锚固稳定性，由于煤系地层由煤、泥岩、页岩、砂岩等不同岩性和厚度的沉积岩组成，岩层的厚度和强度变化大、结构复杂；地壳运动过程在地层内形成大量褶曲、断层等地质构造，岩层内部层理与各向节理裂隙交叉存在，岩层的结构完整性差。巷道开挖后在地应力、构造应力、采掘动压等综合应力作用下，巷道围岩不可避免地由浅层开始发生破坏，裂隙张开伴随碎涨扩容、滑移等变形；并且随着时间推移，破坏范围逐步向围岩深部发展。巷道围岩应力越高，变形破坏的深度就越大。随着煤矿开采深度和开采强度的不断增加，深井、强烈采动等高应力环境越来越多，巷道围岩变形破坏深度也越来越大，尤其是高应力、破碎围岩、孤岛工作面、临近采空区等复杂困难巷道围岩，破坏范围往往达到甚至超过锚杆锚固深度，造成锚杆的锚固力下降甚至丧失锚固力，导致支护系统失稳甚至完全失效，严重威胁巷道安全。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种预应力注浆锚杆，以解决现有技术中预应力锚杆在高应力巷道围岩中的锚固可靠性低，支护效果不稳定的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种预应力注浆锚杆，包括锚固段，还包括注浆段；锚固段的尾部与注浆段的头部相连，锚固段用于在钻孔内固定，通过锚固剂与钻孔底段围岩固结，注浆段用于向钻孔内注浆。

其中，该预应力注浆锚杆还包括连接头；连接头为管状结构，连接头的管壁开设有第一注浆孔，连接头的一端与锚固段的尾部相连，另一端与注浆段的头部相连。

其中，该预应力注浆锚杆还包括封孔胶筒、胶筒锁紧环与定位卡环；注浆段为管状结构，注浆段的管壁开设有第二注浆孔，封孔胶筒套设于开设有第二注浆孔的注浆段；在封孔胶筒的两端均套设有胶筒锁紧环；定位卡环套设于注浆段，定位卡环与靠近注浆段尾部设置的胶筒锁紧环配合，以固定封孔胶筒靠近注浆段尾部的一端。

其中，该预应力注浆锚杆还包括弹性内密封套；弹性内密封套套设于第二注浆孔所在位置处的注浆段。

其中，该预应力注浆锚杆还包括封孔密封片与密封片压环；连接头的内管壁设置有阶梯孔，第一注浆孔位于阶梯孔与锚固段之间的区域；封孔密封片与密封片压环通过阶梯孔顺序卡设在连接头的内腔。

其中，封孔密封片与密封片压环均由金属片制成。

其中，该预应力注浆锚杆还包括至少一条搅拌肋；锚固段为实心柱状结构，搅拌肋螺旋绕设于锚固段的外侧壁。

其中，该预应力注浆锚杆还包括若干沿锚固段的轴向间隔套设在搅拌肋外侧的挡圈。

其中，该预应力注浆锚杆还包括依次套设于注浆段的尾部的托盘、调心球形垫圈以及杆尾锁紧螺母，托盘的盘面朝向岩壁设置，用于压紧巷道围岩表面。

其中，该预应力注浆锚杆还包括套设于注浆段的尾部的单向逆止阀，用于防止浆液回流。

(三)有益效果

本发明提供的预应力注浆锚杆，通过设置与锚固段相连的注浆段，能够在锚杆处于预紧状态下注浆，既满足掘进过程预应力锚杆支护要求，又能对自由段进行注浆锚固，注浆区间锚杆与围岩组合成锚固桩，锚固结构的径向尺寸扩大、稳定性增强；同时注浆对巷道围岩进行原位加固，改善围岩结构，可有效控制巷道围岩的变形破坏深度，确保高应力环境下巷道破碎围岩的支护安全。

附图说明

图1为现有技术中的巷道围岩支护结构示意图；

图2为本发明提供的巷道围岩支护结构示意图；

图3为本发明提供的预应力注浆锚杆中锚固段的一个实施例的结构示意图；

图4为本发明提供的预应力注浆锚杆中连接头的一个实施例的结构示意图；

图5为本发明提供的预应力注浆锚杆中注浆段的一个实施例的结构示意图；

图6为本发明提供的预应力注浆锚杆中单向逆止阀的一个实施例的结构示意图；

图中，1-巷道围岩；2-锚固剂；3-钻孔；4-锚固段；5-连接头；6-注浆段；7-单向逆止阀；8-搅拌肋；9-挡圈；10-第一注浆孔；11-封孔密封片；12-密封片压环；13-封孔胶筒；14-胶筒锁紧环；15-定位卡环；16-弹性内密封套；17-第二注浆孔；18-托盘；19-调心球形垫圈；20-杆尾锁紧螺母。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图2所示，本发明实施例提供了一种预应力注浆锚杆，包括锚固段4，还包括注浆段6；锚固段4的尾部与注浆段6的头部相连，锚固段4用于固定在钻孔3内，通过锚固剂2与钻孔底段围岩固结，注浆段6用于向钻孔3内注浆。

具体地，例如，锚固段4可以由钢筋制成，注浆段6可以由钢管制成。使用时，锚固段4插入钻孔3内，旋转搅拌锚固剂2，使钻孔3的底段填充密实，锚固剂2将锚杆与孔壁围岩固结，拧紧杆尾螺母施加预应力，托盘压紧围岩表面，之后可以通过与外部注浆机相连的注浆段6向钻孔3内注入浆液，待浆液固化后形成自由段锚固结构，实现了预应力注浆锚杆的全长锚固。其中，锚固剂2可以由树脂制成。

本发明提供的预应力注浆锚杆，通过设置与锚固段4相连的注浆段6，在锚杆预紧状态下注浆，实现预应力注浆锚杆的全长锚固，既满足整根锚杆支护的初始安装预紧条件，又能对自由段进行注浆锚固，注入钻孔3的浆液向围岩内部裂隙中渗透，锚固结构径向尺寸增大，同时改善围岩的结构完整性，有效控制巷道围岩1的变形破坏深度，显著提高预应力注浆锚杆的锚固稳定性，确保高应力环境下巷道破碎围岩的支护安全。

如图4所示，进一步地，该预应力注浆锚杆还包括连接头5；连接头5为管状结构，连接头5的管壁开设有第一注浆孔10，连接头5的一端与锚固段4的尾部相连，另一端与注浆段6的头部相连。

具体地，例如，可以在连接头5的内侧壁开设内螺纹，用于分别与锚固段4的尾部及注浆段6的头部采用螺纹连接；例如，第一注浆孔10可以直接贯穿连接头5设置，有利于浆液更加顺利地注入钻孔3内；其中，由于连接头5传递锚杆受力，因此，可以采用高强度合金钢制成连接头5。

如图5所示，进一步地，该预应力注浆锚杆还包括封孔胶筒13、胶筒锁紧环14与定位卡环15；注浆段6为管状结构，注浆段6的管壁开设有第二注浆孔17，封孔胶筒13套设于开设有第二注浆孔17的注浆段6；在封孔胶筒13的两端均套设有胶筒锁紧环14；定位卡环15套设于注浆段6，定位卡环15与靠近注浆段6尾部设置的胶筒锁紧环14配合，以固定封孔胶筒13靠近注浆段6尾部的一端。

具体地，例如，为了防止注入钻孔3的浆液泄漏，可以在注浆段6上设置封孔胶筒13，封孔胶筒13为高弹力橡胶制成的空心套筒，使用时，将封孔胶筒13套设在注浆段6的外侧，并且，需要使各个第二注浆孔17均被封孔胶筒13所包裹，使得从第二注浆孔17流出的浆液流至封孔胶筒13的内侧壁与注浆段6的外侧壁之间的区域内；例如，胶筒锁紧环14可以由不锈钢或者其他合金材料制成，胶筒锁紧环14套设在封孔胶筒13的两端，防止浆液从封孔胶筒13的两端外溢；同时，随着封孔胶筒13的内侧壁与注浆段6的外侧壁之间的浆液增多，使得封孔胶筒13受力膨胀，将钻孔3与注浆段6的外侧壁之间的缝隙堵死；例如，定位卡环15可以套设或焊接在注浆段6的管体上，使注浆段6的外侧壁形成一个环状的凸起，封孔胶筒13套设在注浆段6外表后，将定位卡环15包裹在里面，靠近注浆管6尾部的胶筒锁紧环14位于定位卡环15的外侧，两者分别从内外两侧将封孔胶筒13固定在注浆段6上，当封孔胶筒13受力膨胀时，只能向靠近定位卡环15的方向缩短，可以避免孔内注浆压力升高时胶筒反向回缩造成的漏浆。

进一步地，该预应力注浆锚杆还包括弹性内密封套16；弹性内密封套16套设于第二注浆孔17所在位置处的注浆段6，弹性内密封套16裹紧在注浆段6的外表面。具体地，例如，该弹性内密封套16可以为环形结构，由高弹性橡胶制成，使用时，弹性内密封套16套设于注浆段6的管体上，并且将第二注浆孔17封堵，当注浆段6的管体内的浆液的压力大于某一临界值时，可以将该弹性内密封套16撑起，浆液经弹性内密封套16的内侧壁与注浆段6之间的缝隙流出。

进一步地，该预应力注浆锚杆还包括封孔密封片11与密封片压环12；连接头5的内管壁设置有阶梯孔，第一注浆孔10位于阶梯孔与锚固段4之间的区域；封孔密封片11与密封片压环12通过阶梯槽顺序卡设在连接头5的内腔。

具体地，例如，封孔密封片11与密封片压环12均由金属片制成，两者的外径均略小于连接头5的内径，以方便安装；注浆段6与连接头5连接时，注浆段6的前端面推动环状密封片压环12，将圆形封孔密封片11与连接头5的阶梯孔端面压紧。当浆液的压力增加到某一临界值时，可以将封孔密封片11撕裂，浆液经密封片压环12的内孔和封孔密封片11的撕裂缺口流出，再经过连接头5上的第一注浆孔10流入钻孔3内，直至注浆完成。

进一步地，封孔密封片11与密封片压环12使用不同厚度和材质的金属片制成。

如图3所示，进一步地，该预应力注浆锚杆还包括至少一条搅拌肋8；锚固段4为实心柱状结构，搅拌肋8螺旋绕设于锚固段4的外侧壁。

具体地，例如，可以设置两条搅拌肋8，搅拌肋8由细钢筋制成，搅拌肋8的直径小于锚固段4的直径，搅拌肋8可以焊接在锚固段4的外侧壁，也可以借助挡圈9将搅拌肋8箍紧固定，其中，挡圈9可以为金属圆环，在搅拌肋8的两端均设置挡圈9，中间的挡圈9个数可以根据搅拌肋8的长度选择；如此设置，可以将锚固剂2搅拌的更加均匀，提高初始锚固的可靠性，同时挡圈9还可以防止在搅拌过程中锚固剂2外溢。

进一步地，该预应力注浆锚杆还包括若干沿锚固段4的轴向间隔套设在搅拌肋8外侧的挡圈9。

进一步地，该预应力注浆锚杆还包括依次套设于注浆段6的尾部的托盘18、调心球形垫圈19以及杆尾锁紧螺母20，托盘18的盘面朝向岩壁设置，用于预应力注浆锚杆安装时压紧围岩表面。

具体地，例如，托盘18、调心球形垫圈19以及杆尾锁紧螺母20均与图1中现有技术中的托盘18、调心球形垫圈19以及杆尾锁紧螺母20等部件的结构及安装方式相同，在此不再赘述。

如图6所示，进一步地，该预应力注浆锚杆还包括套设于注浆段6的尾部的单向逆止阀7，用于防止浆液回流。

具体地，例如，可以在注浆段6的尾部设置外螺纹，与单向逆止阀7上的内螺纹连接，该单向逆止阀7只允许注浆机中的浆液进入到注浆段6内，并且注浆完成后，待浆液固化之后可以将单向逆止阀7取下，以便循环利用，有利于降低施工成本。

下面对具体地施工使用过程做出描述：

1、锚固剂锚固

以树脂制成的锚固剂2为例，锚固过程旋转推进注浆段6，通过连接头5带动锚固段4搅拌锚固剂2，锚固段4处在锚固剂2中的部分为最前端的挡圈9至最后端的挡圈9之间的长度。锚固剂2的最大直径不超过钻孔3的直径；锚固过程搅拌肋8搅拌锚固剂2，并且向钻孔3内推挤锚固剂2，同时挡圈9阻挡锚固剂2向钻孔3的孔口侧流动，使锚固段4充填密实。

2、注浆锚固

完成锚固剂锚固后，先进行锚杆的安装预紧，之后在注浆段6的尾部安装单向逆止阀7，并通过注浆管与注浆机相连。浆液经单向逆止阀7进入注浆段6的内腔，并向前流动至连接头5，在封孔密封片11的阻挡下，注浆段6的内腔压力升高，浆液挤开弹性内密封套16，经第二注浆孔17流至封孔胶筒13与注浆段6之间的空腔内，随着空腔内浆液量增加，封孔胶筒13径向膨胀并向靠近注浆段6的尾部方向单向滑移收缩，封孔胶筒13胀紧钻孔3的孔壁后，浆液压力升高，连接头5内的浆液挤压封孔密封片11的作用力增大，直至将封孔密封片11沿连接头5的中心孔的边缘剪切破裂，此时，弹性内密封套16收缩封闭第二注浆孔17，封孔胶筒13与注浆段6之间的空腔内的浆液压力即为注浆封孔压力，其大小与封孔密封片11破裂时的注浆压力相同。此时，巷道围岩1注浆系统形成，浆液流经密封片压环12的中心孔再经第一注浆孔10进入钻孔3。连续注浆至一定压力，浆液充满钻孔3及周边围岩裂隙即可；钻孔3和巷道围岩1裂隙内的浆液固化后形成结石体，原位改善围岩结构同时完成预应力注浆锚杆在钻孔3内全长锚固；浆液固化后拆除单向逆止阀7以备复用。

由以上实施例可以看出本发明提供的预应力注浆锚杆具备以下有益效果：

1，不改变原有的预应力锚杆支护施工工艺；掘进过程能够对巷道围岩进行及时主动支护，有利于改善初始支护巷道围岩的应力状态，充分发挥巷道围岩的承载能力；

2，锚杆处于预应力支护状态下注浆，浆液注入钻孔和周边围岩裂隙，对巷道围岩进行原位加固，有效控制巷道围岩变形过程和破坏范围，浆液充填巷道围岩开挖造成的张开裂隙，形成连续的传力结构、巷道围岩完整性提高、承载能力增强，锚固注浆的同时完成巷道围岩注浆加固，尤其是采用高强度、强韧性、高粘结力的化学材料注浆时，巷道围岩整体性显著提高；

3，浆液充填钻孔及周边巷道围岩内部裂隙形成网状结石体，预应力注浆锚杆与巷道围岩和浆液结石体则形成一体结构的锚固桩，锚固结构的径向尺寸增加、稳定性增强。而且，预应力注浆锚杆沿钻孔全长包裹在浆液结石体内，阻止岩层间滑移的抗剪能力显著提高；

4，封孔密封片与弹性内密封套配合，使封孔与注浆过程一次连续完成，且改变封孔密封片的厚度或连接头的中心孔直径，可以改变封孔胶筒的膨胀压力，能够保证高压注浆的封孔效果；

5，树脂锚固不仅为预应力支护提供初始锚固力，而且注浆时轴向拉紧预应力注浆锚杆，保持支护系统稳定，注浆锚固时，作用在封孔胶筒上的浆液压力使预应力注浆锚杆承受沿钻孔轴向的拉拔力，锚固段使预应力注浆锚杆稳定在钻孔内；

6，连接头和注浆段的管体均为高强度厚壁结构，承载力与锚固段匹配，保证预应力注浆锚杆整体承载能力一致，承载能力高、适应巷道围岩变形的能力强；

7，预应力支护和注浆锚固可以组织平行作业，不影响巷道掘进施工速度，注浆锚固允许滞后掘进预应力支护施工一定范围，而不影响支护效果；

8，可以采用不同性质的注浆材料，包括高强度水泥浆和化学浆，可使用的注浆材料范围广。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种预应力注浆锚杆，包括锚固段，其特征在于，还包括注浆段；

所述锚固段的尾部与所述注浆段的头部相连，所述锚固段用于在钻孔内固定，通过锚固剂与钻孔底段围岩固结，所述注浆段用于向所述钻孔内注浆。

2.根据权利要求1所述的预应力注浆锚杆，其特征在于，还包括连接头；

所述连接头为管状结构，所述连接头的管壁开设有第一注浆孔，所述连接头的一端与所述锚固段的尾部相连，另一端与所述注浆段的头部相连。

3.根据权利要求1所述的预应力注浆锚杆，其特征在于，还包括封孔胶筒、胶筒锁紧环与定位卡环；

所述注浆段为管状结构，所述注浆段的管壁开设有第二注浆孔，所述封孔胶筒套设于开设有所述第二注浆孔的所述注浆段；

在所述封孔胶筒的两端均套设有所述胶筒锁紧环；

所述定位卡环套设于所述注浆段，所述定位卡环与靠近所述注浆段尾部设置的所述胶筒锁紧环配合，以固定所述封孔胶筒靠近所述注浆段尾部的一端。

4.根据权利要求3所述的预应力注浆锚杆，其特征在于，还包括弹性内密封套；

所述弹性内密封套套设于所述第二注浆孔所在位置处的所述注浆段。

5.根据权利要求2所述的预应力注浆锚杆，其特征在于，还包括封孔密封片与密封片压环；

所述连接头的内管壁设置有阶梯孔，所述第一注浆孔位于所述阶梯孔与所述锚固段之间的区域；

所述封孔密封片与所述密封片压环通过所述阶梯孔顺序卡设在所述连接头的内腔。

6.根据权利要求5所述的预应力注浆锚杆，其特征在于，所述封孔密封片与所述密封片压环均由金属片制成。

7.根据权利要求1所述的预应力注浆锚杆，其特征在于，所述还包括至少一条搅拌肋；

所述锚固段为实心柱状结构，所述搅拌肋螺旋绕设于所述锚固段的外侧壁。

8.根据权利要求7所述的预应力注浆锚杆，其特征在于，还包括若干沿所述锚固段的轴向间隔套设在所述搅拌肋外侧的挡圈。

9.根据权利要求1所述的预应力注浆锚杆，其特征在于，还包括依次套设于所述注浆段的尾部的托盘、调心球形垫圈以及杆尾锁紧螺母，所述托盘的盘面朝向岩壁设置，用于预应力注浆锚杆安装时压紧围岩表面。

10.根据权利要求1所述的预应力注浆锚杆，其特征在于，还包括套设于所述注浆段的尾部的单向逆止阀，用于防止浆液回流。

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