CN111425231B - 一种长短锚索协调吸能让压装置及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的长短锚索协调吸能让压装置及施工方法，长锚索采用具有吸收能量、让压变形双重特性的混合让压材料和塑料多孔隔板，可吸收巷道围岩变形破坏或发生冲击地压时释放的变形能并产生让压；短锚索前端采用滑动式中空锚头、移动式锁止器以实现锚固和让压，后端采用端头锚固装置、弹簧压头、多级让压弹簧组成的定量让压端头锚固装置实现多级让压及与长锚索的协调变形，防止长短锚索因承受过大的荷载或吸收过多的能量而发生破断，保证长短锚索的使用安全和维持巷道的基本稳定。本发明装置具有适时吸能、分级定量让压、长短锚索协调工作、横向抗剪、经济适用的特点，能满足软弱破裂围岩巷道、深部高应力巷道及冲击地压巷道支护的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种长短锚索协调吸能让压装置及施工方法，适用于矿山巷道、山岭隧道、基坑、边坡等工程领域的支护和加固装置和方法，尤其适用于软弱破裂围岩巷道、深部高应力巷道、冲击地压巷道的支护，是一种行之有效的让压吸能支护方式。
背景技术
锚索支护是巷道、隧道、隧洞等岩石地下工程中常用的技术手段，因其具有长度可控、支护阻力大、围岩控制效果好、施工简易等特点，目前得到了广泛应用。随着煤矿、金属、有色等矿产资源进入深部开采、深埋水利水电工程的开发，以及公路、铁路隧道的大规模建设，使得围岩所处的工程与地质条件越来越复杂，出现了大量的软弱破碎围岩、高应力围岩、大变形围岩巷(隧)道和隧洞支护难题，也产生了锚索破断现象，造成支护失效，围岩失稳破坏，引发安全事故，危害人们的生命财产及设备安全。
大量的岩石地下工程实践表明，围岩所处的工程与地质条件越复杂，巷(隧)道和隧洞的变形量越大，但受锚索延伸率小(1×7结构锚索的延伸率约为3.5～4.0％，1×19结构锚索的延伸率约为7.0％)的缺陷影响，造成锚索因其延伸率超限而被拉断；另外，破碎围岩往往发生横向错动变形而产生剪应力，则会造成锚索被剪断而失效。为解决锚索延伸率低与提高抗剪强度的问题，目前主要采用2种处理方式，一种是采用特殊材料进行锚索(杆)材料的改性处理或采用特殊热轧工艺处理，以延长支护材料的延伸率和吸能性能，如中国专利申请CN101858225A、CN108754339A、CN102816971A等，但采用特殊材料或进行支护材料的特殊处理，造成支护材料生产成本的增加，降低了其使用性价值；另一种采用特殊锚固装置实现让压与增强抗剪作用，间接地提高了支护材料的延伸率及抗剪强度，如中国专利申请CN102296604A、CN104373145A等，但受特殊锚固装置设计缺陷及其自身材料性质的影响，造成现有特殊锚固装置的让压变形量过小、且不能实现定量让压，几乎不能吸收围岩破坏释放的变形能，对围岩变形控制、让压防锚索破断及吸能效果不理想。因此，亟需探索新型、科学、经济、安全、可靠的锚索吸能让压装置及使用方法，具有定量让压、适时吸能的双重特性，能满足软弱破裂围岩巷道、深部高应力巷道及冲击地压巷道支护的要求，达到维持复杂工程与地质条件下围岩稳定的目的，保证我国矿产资源安全高效开采和基础设施建设的高质量发展。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种长短锚索协调吸能让压装置及施工方法，该方法是一种适时吸能、分级定量让压、长短锚索协调工作、横向抗剪的让压吸能支护新方式。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种长短锚索协调吸能让压装置，包括金属保护套筒、长锚索、短锚索、滑动式中空锚头、移动式锁止器和端头锚固装置；金属保护套筒和滑动式中空锚头通过固定连接成整体，移动式锁止器安装在滑动式中空锚头的锁腔内；长锚索的后端插入金属保护套筒内并与异形锚索托盘固定，在金属保护套筒的前端壁和异形锚索托盘之间填充混合让压材料；短锚索的前端贯穿滑动式中空锚头并与移动式锁止器固定；短锚索的后端贯穿端头锚固装置并与弹簧压头固定，在端头锚固装置和弹簧压头之间设置多级让压弹簧。
具体的，所述金属保护套筒的前端壁设置有穿入孔，长锚索的后端通过穿入孔插入金属保护套筒内，异形锚索托盘安装在长锚索的后端，通过带楔形锁孔的锁头和适配的楔形压块固定，防止异形锚索托盘从长锚索上脱落。
具体的，所述长锚索上贯穿有塑料多孔隔板，通过塑料多孔隔板将金属保护套筒的前端壁和异形锚索托盘之间的空间分为间隔区域，混合让压材料填充在各个间隔区域内。
具体的，所述混合让压材料主要由球型钢珠和可塑性极强的聚氨酯发泡材料组成。
具体的，所述滑动式中空锚头的前端从金属保护套筒的后端口插入，滑动式中空锚头的后端通过螺栓与金属保护套筒的后端口固定，螺栓的中心线平行于金属保护套筒的中心线。
具体的，所述滑动式中空锚头内设置有安装移动式锁止器的锁腔，由前向后方向锁腔的半径逐渐减小，且在后部锁腔内设置有凸齿，由前向后方向凸齿的齿面高度逐渐升高；由前向后方向移动式锁止器的外径逐渐减小，在移动式锁止器的外壁上设置有适配凸齿的凹槽。
具体的，所述端头锚固装置内设置有安装多级让压弹簧的弹簧腔，通过带楔形锁孔的弹簧压头将多级让压弹簧限制在端头锚固装置的前端壁和弹簧压头之间；所述弹簧压头、端头锚固装置的前端壁、滑动式中空锚头的后端壁和移动式锁止器上设置有贯穿孔，短锚索的前端依次穿过弹簧压头、多级让压弹簧、端头锚固装置的前端壁、滑动式中空锚头的后端壁和移动式锁止器上的贯穿孔；短锚索的前端通过带楔形锁孔的锁头和适配的楔形压块固定，防止移动式锁止器从短锚索上脱落；短锚索的后端通过弹簧压头和适配的楔形压头固定，防止弹簧压头从短锚索上脱落。
一种上述任意长短锚索协调吸能让压装置的施工方法，包括如下步骤：
(a)首先采用标尺和记号笔在围岩上标记预将施工钻孔的位置，然后采用锚杆钻机施工钻孔；
(b)采用工程地质钻机对钻孔进行扩孔处理形成端部扩大孔，端部扩大孔的直径为钻孔的3～5倍；
(c)将长锚索放置在钻孔中，采用水泥药卷或树脂药卷进行加长锚固，长锚索的锚固长度(即为伸入金属保护套筒中的长度)约为其长度的1/4～1/3；
(d)在端部扩大孔中安装金属保护套筒；交错执行在长锚索上安装塑料多孔隔板和在金属保护套筒内填充混合让压材料两个动作，之后在长锚索上安装异形锚索托盘以挤压混合让压材料和塑料多孔隔板，并通过锁头和楔形压块固定；
(e)短锚索的前端穿过滑动式中空锚头的后端壁和移动式锁止器，并通过锁头和楔形压块固定；将滑动式中空锚头安装在金属保护套筒上，并通过螺栓固定；
(f)端头锚固装置的前端壁穿过短锚索的后端并贴合在围岩上，安装多级让压弹簧和弹簧压头，并通过楔形压头固定；在围岩和端头锚固装置之间设置金属刚性垫板和塑胶弹性垫板。
有益效果：本发明提供的一种长短锚索协调吸能让压装置及施工方法，能够适用于矿山巷道、交通隧道、水利隧洞等岩石地下工程，是一种新型、科学、经济、安全、可靠的让压吸能支护新方式。
附图说明
图1(a)～1(f)为本发明的施工方法流程示意图；
图2(a)为本发明中滑动式中空锚头和移动式锁止器的配合工装示意图；
图2(b)为本发明在金属保护套筒横截面位置的断面结构示意图；
图3为本发明的结构示意图。
图中：1-围岩，2-钻孔，3-端部扩大孔，4-长锚索，5-金属保护套筒，6-锁头，7-楔形压块，8-混合让压材料，9-塑料多孔隔板，10-异形锚索托盘，11-滑动式中空锚头，12-移动式锁止器，13-螺栓，14-短锚索，15-金属刚性垫板，16-塑胶弹性垫板，17-端头锚固装置，18-弹簧压头，19-楔形压头，20-多级让压弹簧，21-水泥药卷或树脂药卷锚固剂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
长短锚索协调吸能让压装置，包括金属保护套筒5、长锚索4、短锚索14、滑动式中空锚头11、移动式锁止器12和端头锚固装置17。
所述金属保护套筒5的前端壁设置有穿入孔，长锚索4的前端伸入钻孔2内，后端通过穿入孔插入金属保护套筒5内，长锚索4的后端安装有异形锚索托盘10，通过带楔形锁孔的锁头6和适配的楔形压块7固定，防止异形锚索托盘10从长锚索4上脱落，在金属保护套筒5的前端壁和异形锚索托盘10之间填充混合让压材料8，填充混合让压材料8通过塑料多孔隔板9分隔。通过异形锚索托盘10可以传递预应力对混合让压材料8和塑料多孔隔板9进行挤压；混合让压材料8主要由球型钢珠和可塑性极强的聚氨酯发泡材料组成，故混合让压材料8具有吸收能量和让压变形的双重特性；塑料多孔隔板9为柔性材料，一方面在承载时具有变形让压的作用，另一方因其内部开设孔洞既可吸收能量又可使得不同位置处的混合让压材料8交互流动而实现多级和大变形让压。因此，当巷道围岩产生大变形破坏或发生冲击地压时，所释放的变形能可被混合让压材料8和塑料多孔隔板9吸收并产生让压，可防止长锚索4因承受过大的荷载或吸收过多的能量而发生破断，保证了长锚索4的使用安全和维持了巷道的基本稳定。
所述金属保护套筒5和滑动式中空锚头11需要采用高强度钢材制作，这样能够具有较高的抗压和抗剪特性，可防止长锚索4和短锚索14因围岩1横向错动变形产生的剪应力而发生剪断。
所述滑动式中空锚头11的前端从金属保护套筒5的后端口插入，滑动式中空锚头11的后端通过螺栓13与金属保护套筒5的后端口固定，螺栓13的中心线平行于金属保护套筒5的中心线。
所述滑动式中空锚头11内设置有安装移动式锁止器12的锁腔，由前向后方向锁腔的半径逐渐减小，且在后部锁腔内设置有凸齿，由前向后方向凸齿的齿面高度逐渐升高；由前向后方向移动式锁止器12的外径逐渐减小，在移动式锁止器12的外壁上设置有适配凸齿的凹槽。
所述端头锚固装置17内设置有安装多级让压弹簧20的弹簧腔，通过带楔形锁孔的弹簧压头18将多级让压弹簧20限制在端头锚固装置17的前端壁和弹簧压头18之间，端头锚固装置17、弹簧压头18、楔形压头19、多级让压弹簧20组成的定量让压端头锚固装置。
所述弹簧压头18、端头锚固装置17的前端壁、滑动式中空锚头11的后端壁和移动式锁止器12上设置有贯穿孔，短锚索14的前端依次穿过弹簧压头18、多级让压弹簧20、端头锚固装置17的前端壁、滑动式中空锚头11的后端壁和移动式锁止器12上的贯穿孔；短锚索14的前端通过带楔形锁孔的锁头6和适配的楔形压块7固定，防止移动式锁止器12从短锚索14上脱落；短锚索14的后端通过弹簧压头18和适配的楔形压头19固定，防止弹簧压头18从短锚索14上脱落。
所述短锚索14前端结构的设计：一方面，通过锁头6和楔形压块7对短锚索14进行机械锚固以保障可对短锚索14施加预应力；另一方面，围岩变形向临空面(巷道空间方向)移动产生的似张拉应力使短锚索14受力变形，此时移动式锁止器12会在滑动式中空锚头11内发生啃齿式移动以适应围岩变形且防止短锚索受力过大而脱锚或破坏。
所述短锚索14后端结构的设计，即定量让压端头锚固装置，采用张拉方式对短锚索)施加预应力通过金属刚性垫板15、塑胶弹性垫板16向围岩1传递预应力。多级让压弹簧20由多组低-中-高刚度、长度不等的弹簧组成：一方面，可将短锚索14施加的预应力均匀地向围岩1和在锚索杆体内部稳定传递，避免因施加预应力产生的应力集中造成围岩破坏和锚索材料的破损；另一方面，可吸收巷道变形破坏时所释放的变形能并可实现多级定量让压，并能根据长锚索4的让压状态进行动态调整，实现长短锚索的协调联动让压，防止短锚索14因承受过大的荷载或吸收过多的能量而发生破断。
所述金属保护套筒5和滑动式中空锚头11需要采用高强度钢材制作，这样能够具有较高的抗压和抗剪特性，可防止长锚索4和短锚索14因围岩1横向错动变形产生的剪应力而发生剪断。
一种上述任意长短锚索协调吸能让压装置的施工方法，如图1所示，包括如下步骤：
(a)首先采用标尺和记号笔在围岩1上标记预将施工钻孔2的位置，然后采用锚杆钻机施工钻孔2，锚索间距约为1000～2000mm；
(b)采用工程地质钻机对钻孔2进行扩孔处理形成端部扩大孔3，端部扩大孔3的直径为钻孔2的3～5倍；
(c)将长锚索4放置在钻孔2中，采用水泥药卷或树脂药卷21进行加长锚固，长锚索4的锚固长度(即为伸入金属保护套筒5中的长度)约为其长度的1/4～1/3，以提供足够的锚固力，防止在对长锚索4进行张拉施加预应力时因其锚固力不足发生脱锚甚至被拔出；
(d)在端部扩大孔3中安装金属保护套筒5，金属保护套筒5采用Q345～460钢材制作，壁厚为5～10mm，具有较高的抗压和抗剪特性，可防止长锚索4因围岩1横向错动变形产生的剪应力而发生剪断；金属保护套筒5的直径比端部扩大孔3小5～10mm，以便于安装和降低其与端部扩大孔3之间的间隙；交错执行在长锚索4上安装塑料多孔隔板9和在金属保护套筒5内填充混合让压材料8两个动作，之后在长锚索4上安装异形锚索托盘10以挤压混合让压材料8和塑料多孔隔板9，并通过锁头6和楔形压块7固定；
(e)短锚索14的前端穿过滑动式中空锚头11的后端壁和移动式锁止器12，并通过锁头6和楔形压块7固定；将滑动式中空锚头11安装在金属保护套筒5上，并通过螺栓13固定，滑动式中空锚头11采用Q345～460钢材制作，壁厚为10～20mm，具有较高的抗压和抗剪特性，可防止短锚索14因围岩1横向错动变形产生的剪应力而发生剪断；
(f)端头锚固装置17的前端壁穿过短锚索14的后端并贴合在围岩1上，安装多级让压弹簧20和弹簧压头18，并通过楔形压头19固定；在围岩1和端头锚固装置17之间设置金属刚性垫板15和塑胶弹性垫板16。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种长短锚索协调吸能让压装置，其特征在于：包括金属保护套筒（5）、长锚索（4）、短锚索（14）、滑动式中空锚头（11）、移动式锁止器（12）和端头锚固装置（17）；金属保护套筒（5）和滑动式中空锚头（11）通过固定连接成整体，移动式锁止器（12）安装在滑动式中空锚头（11）的锁腔内；长锚索（4）的后端插入金属保护套筒（5）内并与异形锚索托盘（10）固定，在金属保护套筒（5）的前端壁和异形锚索托盘（10）之间填充混合让压材料（8）；短锚索（14）的前端贯穿滑动式中空锚头（11）并与移动式锁止器（12）固定；短锚索（14）的后端贯穿端头锚固装置（17）并与弹簧压头（18）固定，在端头锚固装置（17）和弹簧压头（18）之间设置多级让压弹簧（20）。
2.根据权利要求1所述的长短锚索协调吸能让压装置，其特征在于：所述金属保护套筒（5）的前端壁设置有穿入孔，长锚索（4）的后端通过穿入孔插入金属保护套筒（5）内，异形锚索托盘（10）安装在长锚索（4）的后端，通过带楔形锁孔的锁头（6）和适配的楔形压块（7）固定，防止异形锚索托盘（10）从长锚索（4）上脱落。
3.根据权利要求1所述的长短锚索协调吸能让压装置，其特征在于：所述长锚索（4）上贯穿有塑料多孔隔板（9），通过塑料多孔隔板（9）将金属保护套筒（5）的前端壁和异形锚索托盘（10）之间的空间分为间隔区域，混合让压材料（8）填充在各个间隔区域内。
4.根据权利要求1所述的长短锚索协调吸能让压装置，其特征在于：所述混合让压材料（8）主要由球型钢珠和聚氨酯发泡材料组成。
5.根据权利要求1所述的长短锚索协调吸能让压装置，其特征在于：所述滑动式中空锚头（11）的前端从金属保护套筒（5）的后端口插入，滑动式中空锚头（11）的后端通过螺栓（13）与金属保护套筒（5）的后端口固定，螺栓（13）的中心线平行于金属保护套筒（5）的中心线。
6.根据权利要求1所述的长短锚索协调吸能让压装置，其特征在于：所述滑动式中空锚头（11）内设置有安装移动式锁止器（12）的锁腔，由前向后方向锁腔的半径逐渐减小，且在后部锁腔内设置有凸齿，由前向后方向凸齿的齿面高度逐渐升高；由前向后方向移动式锁止器（12）的外径逐渐减小，在移动式锁止器（12）的外壁上设置有适配凸齿的凹槽。
7.根据权利要求1所述的长短锚索协调吸能让压装置，其特征在于：所述端头锚固装置（17）内设置有安装多级让压弹簧（20）的弹簧腔，通过带楔形锁孔的弹簧压头（18）将多级让压弹簧（20）限制在端头锚固装置（17）的前端壁和弹簧压头（18）之间；所述弹簧压头（18）、端头锚固装置（17）的前端壁、滑动式中空锚头（11）的后端壁和移动式锁止器（12）上设置有贯穿孔，短锚索（14）的前端依次穿过弹簧压头（18）、多级让压弹簧（20）、端头锚固装置（17）的前端壁、滑动式中空锚头（11）的后端壁和移动式锁止器（12）上的贯穿孔；短锚索（14）的前端通过带楔形锁孔的锁头（6）和适配的楔形压块（7）固定，防止移动式锁止器（12）从短锚索（14）上脱落；短锚索（14）的后端通过弹簧压头（18）和适配的楔形压头（19）固定，防止弹簧压头（18）从短锚索（14）上脱落。
8.一种如权利要求1~7任一所述的长短锚索协调吸能让压装置的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
（a）首先采用标尺和记号笔在围岩（1）上标记预将施工钻孔（2）的位置，然后采用锚杆钻机施工钻孔（2）；
（b）采用工程地质钻机对钻孔（2）进行扩孔处理形成端部扩大孔（3），端部扩大孔（3）的直径为钻孔（2）的3~5倍；
（c）将长锚索（4）放置在钻孔（2）中，采用水泥药卷或树脂药卷（21）进行加长锚固；
（d）在端部扩大孔（3）中安装金属保护套筒（5）；交错执行在长锚索（4）上安装塑料多孔隔板（9）和在金属保护套筒（5）内填充混合让压材料（8）两个动作，之后在长锚索（4）上安装异形锚索托盘（10）以挤压混合让压材料（8）和塑料多孔隔板（9），并通过锁头（6）和楔形压块（7）固定；
（e）短锚索（14）的前端穿过滑动式中空锚头（11）的后端壁和移动式锁止器（12），并通过锁头（6）和楔形压块（7）固定；将滑动式中空锚头（11）安装在金属保护套筒（5）上，并通过螺栓（13）固定；
（f）端头锚固装置（17）的前端壁穿过短锚索（14）的后端并贴合在围岩（1）上，安装多级让压弹簧（20）和弹簧压头（18），并通过楔形压头（19）固定；在围岩（1）和端头锚固装置（17）之间设置金属刚性垫板（15）和塑胶弹性垫板（16）。
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