CN111441804B - 一种抗倾斜让压大变形锚固装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗倾斜让压大变形锚固装置及使用方法，属岩土锚固技术领域。锚固装置包括锚杆体、抗倾斜装置、让压系统。通过预紧防滑丝螺母使自调节连杆体张开角度大小向围岩分散式传递支护阻力，围岩变形破坏时自调节连杆体会收缩变形而释放能量实现让压。通过让压弹簧、锚杆中空段吸收围岩变形破坏释放的变形能、降低锚杆损失的预应力及持续变形让压，实现自调节连杆体‑多级让压弹簧‑锚杆中空段之间的动态互补多级协调让压及适时吸能释能防冲功效。具有高强阻力、规模吸能、多级让压、结构协调、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，是一种行之有效的大变形让压支护形式。

Description

一种抗倾斜让压大变形锚固装置及使用方法

技术领域

本发明涉及岩土锚固技术领域，具体涉及一种适用于深部煤矿和金属矿山巷道、深埋隧道及水利水电工程等地下岩石工程支护的抗倾斜让压大变形锚固装置及使用方法。

背景技术

在巷道、隧道、隧洞等地下岩石工程支护领域中，锚杆是一种控制围岩变形破坏的有效支护技术手段。通过群锚效应可将一些分散的岩块联系到一起，通过对锚杆施加预应力改善围岩的应力状态和改变锚固区围岩的力学性质，提高破裂或破碎围岩的抗拉和抗剪强度。普通锚杆受力特点是锚杆变形须与围岩体的变形相协调，因围岩变形使锚杆处于受拉的应力状态，当锚杆的变形量超过其允许值时，锚杆则会被拉断而失效。

随着矿山开采深度及采矿强度的加大，公路、铁路隧道及水利水电等地下工程的大规模建设，所面临的工程与地质条件越来越复杂，围岩经常表现出大变形特性。当围岩变形量较大，且超过锚杆所能够承受的弹性极限变形时，将导致锚杆发生破断失效，进而造成地下工程冒顶、片帮等灾害事故的发生。这种情况下要求所使用的锚杆在围岩发生大变形时具备大变形能力而不发生破断，以适应特殊条件下地下工程围岩大变形的要求。因此，具有“大变形”特性的让压锚杆应运而生，并在矿山、隧道（洞）等工程中应用，让压锚杆或让压装置的不足之处就随之暴露出来。第一，现有让压锚杆主要采用特殊材料或进行特殊热轧处理方式来提高其延伸率，造成可延长锚杆材料的成本过高而无法大规模推广应用；锚杆伸长后引起其截面尺寸大幅度减小，即锚杆的直径由粗变细，造成锚杆的承载力下降，此时虽然锚杆的延伸率提高但其承载力降低了且易受拉破断。第二，常采用特殊让压装置来实现普通锚杆的让压效果，但目前所设计的锚杆让压装置基本为单一让压，所能产生的让压变形量较小，仅能适用于围岩变形的局部阶段而不是围岩变形的全过程，锚杆仍大量破断，根本无法使用围岩大变形的需要；同时功能也较为单一，没有考虑吸收围岩变形破坏释放的变吸能，支护效果较差，且不适用于冲击地压巷道、深部高应力巷道支护等。第三，由于锚杆安装后受施工工艺与围岩不均匀变形的影响，往往锚杆在钻孔内的位置方式便宜，造成锚杆因承受偏心荷载而破断失效，造成普通让压锚杆尚未充分发挥其让压作用而破断失效；同时也没有考虑因锚杆受力变形造成预应力损伤的弥补问题，支护效果往往不佳。因此，亟需探索一种新型、简便、安全、可靠、经济的锚杆抗倾斜让压大变形锚固装置及使用方法，具有分级让压、吸能释能特性，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地下工程围岩稳定的目的。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中让压锚固装置或让压锚杆的让压变形量小、支护阻力易松弛、吸能释能不足、锚杆易偏心受力破坏的缺陷，提供一种高强阻力、规模吸能、多级让压、结构协调、经济适用的抗倾斜让压大变形锚固装置及使用方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种抗倾斜让压大变形锚固装置，包括深入锚杆钻孔中的锚杆和固定锚杆的锚固剂，所述的锚杆包括依次连接的锚杆螺纹段、锚杆中空段和锚杆实芯段，所述的锚杆中空段位于钻孔内的锚杆实芯段中部，锚杆中空段上设有限制锚杆实芯段变形的环形挤压套；所述的锚杆螺纹段位于钻孔外露段，钻孔外露段的锚杆上设有抗倾斜装置，所述的抗倾斜装置包括依次设在钻孔外露段上设有异型托盘、让压弹簧、移动式滑块、防滑丝螺母和锁紧压头，所述的异型托盘内开有限位式滑槽，限位式滑槽内设有摩擦止移块，异型托盘一端面紧帖于钻孔孔口的围岩壁上，另一端面与移动式滑块的一端面相对，相对两端面之间设有构成让压的让压弹簧，所述的移动式滑块的外圆周上均布有多个自调节连杆体，多个自调节连杆体的一端与移动式滑块铰接，另一端通过铰接头与位于限位式滑槽内的摩擦止移块铰接在一起，多个自调节连杆体的水平夹角随支护阻力让压力的大小发生变化；所述的防滑丝螺母紧靠在移动式滑块的另一端面上，调节让压弹簧的伸缩变形量，锁紧压头锁紧防滑丝螺母，防止滑动。

所述的移动式滑块外缘周上均布的自调节连杆体为3-6个，均为卡扣式结构。

所述的锚杆中空段外径接近于锚杆钻孔的内径。

所述的环形挤压套为圆筒形结构，附着在锚杆中空段上的一面为光滑面、其外壁为凹凸结构的粗糙面，起伏度为5~10°，凹凸的宽度和高度均为3~5 mm。

本发明的一种抗倾斜让压大变形锚固装置的使用方法，包括如下步骤：

a. 在围岩预先标定的位置处施工锚杆钻孔，向锚杆钻孔内依次送入锚杆实芯段、套装有环形挤压套的锚杆中空段、锚杆螺纹段，用锚固剂对锚杆实芯段和锚杆螺纹段进行全长锚固；环形挤压套与围岩、锚固剂间具有握裹力，避免锚杆中空段因环形挤压套的挤压或剪切作用而发生破坏；

b. 在钻孔外露段的锚杆上依次套装异型托盘、让压弹簧、移动式滑块、防滑丝螺母和锁紧压头，将移动式滑块上的多个自调节连杆体分别经铰接头与异型托盘中限位式滑槽的摩擦止移块铰接在一起，通过预紧锚杆螺纹段上的防滑丝螺母提供支护阻力或沿螺纹升角逆向退锚进行让压；防滑丝螺母预紧方式施加支护阻力时，因防滑丝螺母压紧移动式滑块使得多个自调节连杆体向外张开，水平夹角增大，所产生的支撑力通过异型托盘向围岩分散式传递支护阻力，从而防止因应力集中造成围岩的破坏；

c.用锁紧压头对所施加的支护阻力进行锁定，以防止因应力松弛而影响锚杆的支护效果；通过防滑丝螺母预紧挤压让压弹簧挤压异型托盘对围岩施加预应力，预应力大小根据实际地质信息确定，预紧力所提供的支护阻力一方面均匀地在锚杆内部传播及缓慢地向围岩传递，以避免因所施加的支护阻力过于集中或瞬时性施加造成围岩破坏及锚杆螺纹段和锚杆实芯段材料的破损；另一方面能吸收巷道变形破坏所释放的变形，根据锚杆螺纹段和锚杆实芯段的受力状态进行实时调整，有效防止锚杆体因承受过大的荷载或吸收过多的能量而发生断裂破坏；

d.当围岩变形破坏时，自调节连杆体在异型托盘上的限位式滑槽内滑动，使得自调节连杆体因压缩而向内收紧，释放应力实现让压；

当自调节连杆体收缩达到极限后，围岩变形破坏多余的变形能、锚杆损失的预应力及持续让压由让压弹簧来弥补，实现多个自调节连杆体与让压弹簧之间的动态互补让压效应。

根据围岩变形情况，增加超预紧防滑丝螺母施加的支护阻力，能保证在自调节连杆体中产生较高的初始支撑力，弥补因后期锚杆受力变形而产生应力松弛时造成的预应力损失。

所述的锚杆螺纹段螺纹的升角、牙型、尺寸和几何参数根据围岩变形量对锚杆施加的支护阻力进行调整，以与围岩的变形压力相协调。

对所述的锚杆中空段采用热轧工艺进行处理，在原有基础上提高锚杆中空段的延伸率1~2倍。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明能够适用于深部煤矿和金属矿山巷道、深埋隧道及水利水电工程等岩石地下工程，是一种分级让压、吸能释能特性的大变形让压支护新形式。可使自调节连杆体张开向围岩分散式传递支护阻力，可避免围岩因应力集中而破坏和提供的高支护阻力可弥补因锚杆应力松弛索造成的预应力损失；当围岩变形破坏时，自调节连杆体会收缩变形而释放能量实现让压。让压弹簧可吸收围岩变形破坏释放的变形能、降低锚杆损失的预应力及持续变形让压，锚杆中空段可产生较大的变形而不破坏，实现吸能和大变形让压功能，进而可实现自调节连杆体-让压弹簧-锚杆中空段之间的动态互补多级协调让压及适时吸能释能防冲功效。具有高强阻力、规模吸能、多级让压、结构协调、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，是一种行之有效的大变形让压支护形式。其结构简单，操作方便，能实现高强阻力、规模吸能、多级让压，使用效果好，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明的自调节连杆体连接局部结构示意图。

图3为本发明的移动式滑块侧面结构示意图。

图中：1-锁紧压头，2-防滑丝螺母，3-自调节连杆体，4-异型托盘，5-围岩，6-锚杆螺纹段，7-移动式滑块，8-让压弹簧，9-限位式滑槽，10-铰接头，11-摩擦止移块，12-环形挤压套，13-锚杆中空段，14-锚杆实芯段，15-锚固剂，16-锚杆钻孔。

具体实施方式

下面结合附图对发明的一个实施例作进一步的说明：

如图1所示，本发明的一种抗倾斜让压大变形锚固装置，主要包括送入锚杆钻孔16中的锚杆和固定锚杆的锚固剂15，所述的锚杆包括依次连接的锚杆螺纹段6、锚杆中空段13和锚杆实芯段14，所述的锚杆中空段13位于钻孔内的锚杆实芯段14中部，锚杆中空段13上设有限制锚杆实芯段14变形的环形挤压套12，以限制锚杆实芯段14的变形；所述的锚杆中空段13外径大于锚杆实芯段14的外径，接近于锚杆钻孔16的内径。所述的环形挤压套12为圆筒形结构，附着在锚杆中空段13上的一面为光滑面、其外壁为凹凸结构的粗糙面，起伏度为5~10°，凹凸的宽度和高度均为3~5 mm。所述的锚杆螺纹段6位于钻孔外露段，钻孔外露段的锚杆上设有抗倾斜装置，所述的抗倾斜装置包括依次设在钻孔外露段上的异型托盘4、让压弹簧8、移动式滑块7、防滑丝螺母2和锁紧压头1，所述的移动式滑块7外缘周上均布的自调节连杆体3为3-6个，均为卡扣式结构。所述的异型托盘4内开有限位式滑槽9，限位式滑槽9内设有摩擦止移块11，异型托盘4一端面紧帖于钻孔孔口的围岩壁上，另一端面与移动式滑块7的一端面相对，相对两之间设有构成让压的让压弹簧8，所述的移动式滑块7的外圆周上均布有多个自调节连杆体3，多个自调节连杆体3的一端与移动式滑块7铰接，另一端通过铰接头10与位于限位式滑槽9内的摩擦止移块11铰接在一起，自调节连杆体3随支护阻力和让压力在限位式滑槽9内滑动，多个自调节连杆体3的水平夹角随支护阻力让压力的大小发生变化；所述的防滑丝螺母2紧靠在移动式滑块7的另一端面上，调节让压弹簧8的伸缩变形量，锁紧压头1锁紧防滑丝螺母2，防止滑动。由于锚杆中空段13的外径大于锚杆实芯段14的外径，与围岩5间的摩阻力较大，提高了锚杆的支护效果；又由于锚杆中空段13为空芯结构，能大量吸收因围岩变形破坏所释放的变形能，产生较大的拉伸变形而不破断，完成大变形让压，实现自调节连杆体3-让压弹簧8-锚杆中空段13之间的动态互补多级协调让压及实时吸能释能防冲功效。

本发明的抗倾斜让压大变形锚固装置的使用方法，具体步骤如下：

a. 在围岩5预先标定的位置处施工锚杆钻孔16，向锚杆钻孔16内依次送入锚杆实芯段14、套装有环形挤压套12的锚杆中空段13、锚杆螺纹段6，用锚固剂15对锚杆实芯段14和锚杆螺纹段6进行全长锚固；环形挤压套12与围岩5、锚固剂15间具有握裹力，避免锚杆中空段13因环形挤压套12的挤压或剪切作用而发生破坏；所述锚杆螺纹段6螺纹的升角、牙型、尺寸和几何参数可根据围岩变形量对锚杆施加的支护阻力进行调整，以与围岩的变形压力相协调。对所述的锚杆中空段13采用热轧工艺进行处理，在原有基础上增加锚杆中空段13的延伸率1~2倍。

b. 在钻孔外露段的锚杆上依次套装异型托盘4、让压弹簧8、移动式滑块7、防滑丝螺母2和锁紧压头1，将移动式滑块7上的多个自调节连杆体3分别经铰接头10与异型托盘4中限位式滑槽9的摩擦止移块11铰接在一起，通过预紧锚杆螺纹段6上的防滑丝螺母2提供支护阻力或沿螺纹升角逆向退锚进行让压；防滑丝螺母2预紧方式施加支护阻力（预应力）时，因防滑丝螺母2压紧移动式滑块7使得多个自调节连杆体3向外张开，水平夹角增大，所产生的支撑力通过异型托盘4向围岩5分散式传递支护阻力，从而防止因应力集中造成围岩5的破坏；所述的让压弹簧8根据围岩变形量采用不同型号的刚度和变形特性差异性较大的弹簧。

c.用锁紧压头1对所施加的支护阻力进行锁定，以防止因应力松弛而影响锚杆的支护效果；通过防滑丝螺母2预紧挤压让压弹簧8挤压异型托盘4对围岩5施加预应力，预应力大小根据实际地质信息确定，预紧力所提供的支护阻力一方面均匀地在锚杆内部传播及缓慢地向围岩5传递，以避免因所施加的支护阻力过于集中或瞬时性施加造成围岩5破坏及锚杆螺纹段6和锚杆实芯段14材料的破损；另一方面能吸收巷道变形破坏所释放的变形，根据锚杆螺纹段6和锚杆实芯段14的受力状态进行实时调整，有效防止锚杆体因承受过大的荷载或吸收过多的能量而发生断裂破坏；根据围岩变形情况，通过超预紧防滑丝螺母2施加支护阻力，能保证在自调节连杆体3中产生较高的初始支撑力，弥补因后期锚杆受力变形而产生应力松弛时造成的预应力损失。

d. 所述的自调节连杆体3为卡扣式结构，其规格参数可根据围岩变形情况进行调整；可动态纠正锚杆螺纹段6位置的偏离状态，防止锚杆螺纹段6承受偏心荷载而破断失效。采用防滑丝螺母2预紧方式施加支护阻力（预紧力）时，因防滑丝螺母2压紧移动式滑块7使得自调节连杆体3向外张开，可使其产生一定的支撑力，通过异型托盘4向围岩5分散式传递支护阻力，防止因应力集中造成围岩5破坏；同时也可适度超预紧防滑丝螺母2施加较高的支护阻力，这样可保证在自调节连杆体3中产生较高的初始支撑力，则可弥补因后期锚杆受力变形而产生应力松弛时造成的预应力损失。

当围岩变形破坏时，自调节连杆体3在异型托盘4上的限位式滑槽9内滑动，使得自调节连杆体3因压缩而向内收紧，释放应力实现让压；

当自调节连杆体3收缩达到极限后，围岩变形破坏多余的变形能、锚杆损失的预应力及持续让压由让压弹簧8来弥补，实现多个自调节连杆体3与让压弹簧8之间的动态互补让压效应。

Claims (8)

1.一种抗倾斜让压大变形锚固装置，包括深入锚杆钻孔（16）中的锚杆和固定锚杆的锚固剂（15），其特征在于：所述的锚杆包括依次连接的锚杆螺纹段（6）、锚杆中空段（13）和锚杆实芯段（14），锚杆中空段（13）上设有限制锚杆实芯段（14）变形的环形挤压套（12）；所述的锚杆螺纹段（6）位于钻孔外露段，钻孔外露段的锚杆上设有抗倾斜装置，所述的抗倾斜装置包括依次设在钻孔外露段上的异型托盘（4）、让压弹簧（8）、移动式滑块（7）、防滑丝螺母（2）和锁紧压头（1），所述的异型托盘（4）内开有限位式滑槽（9），限位式滑槽（9）内设有摩擦止移块（11），异型托盘（4）一端面紧帖于钻孔孔口的围岩壁上，另一端面与移动式滑块（7）的一端面相对，相对两端面之间设有构成让压的让压弹簧（8），所述的移动式滑块（7）的外圆周上均布有多个自调节连杆体（3），多个自调节连杆体（3）的一端与移动式滑块（7）铰接，另一端通过铰接头（10）与位于限位式滑槽（9）内的摩擦止移块（11）铰接在一起，多个自调节连杆体（3）的水平夹角随支护阻力让压力的大小发生变化；所述的防滑丝螺母（2）紧靠在移动式滑块（7）的另一端面上，调节让压弹簧（8）的伸缩变形量，锁紧压头（1）锁紧防滑丝螺母（2），防止滑动。

2.根据权利要求1所述的一种抗倾斜让压大变形锚固装置，其特征在于：所述的移动式滑块（7）外缘周上均布的自调节连杆体（3）为3-6个，均为卡扣式结构。

3.根据权利要求1所述的一种抗倾斜让压大变形锚固装置，其特征在于：所述的锚杆中空段（13）外径大于锚杆实芯段（14）的外径，锚杆中空段（13）外径接近于锚杆钻孔（16）的内径。

4.根据权利要求1所述的一种抗倾斜让压大变形锚固装置，其特征在于：所述的环形挤压套（12）为圆筒形结构，附着在锚杆中空段（13）上的一面为光滑面、其外壁为凹凸结构的粗糙面，起伏度为5~10°，凹凸的宽度和高度均为3~5 mm。

5.根据权利要求1-4任意一项所述一种抗倾斜让压大变形锚固装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

a. 在围岩（5）预先标定的位置处施工锚杆钻孔（16），向锚杆钻孔（16）内依次送入锚杆实芯段（14）、套装有环形挤压套（12）的锚杆中空段（13）、锚杆螺纹段（6），用锚固剂（15）对锚杆实芯段（14）和锚杆螺纹段（6）进行全长锚固；环形挤压套（12）与围岩（5）、锚固剂（15）间具有握裹力，避免锚杆中空段（13）因环形挤压套（12）的挤压或剪切作用而发生破坏；

b. 在钻孔外露段的锚杆上依次套装异型托盘（4）、让压弹簧（8）、移动式滑块（7）、防滑丝螺母（2）和锁紧压头（1），将移动式滑块（7）上的多个自调节连杆体（3）分别经铰接头（10）与异型托盘（4）中限位式滑槽（9）的摩擦止移块（11）铰接在一起，通过预紧锚杆螺纹段（6）上的防滑丝螺母（2）提供支护阻力或沿螺纹升角逆向退锚进行让压；防滑丝螺母（2）预紧方式施加支护阻力时，因防滑丝螺母（2）压紧移动式滑块（7）使得多个自调节连杆体（3）向外张开，水平夹角增大，所产生的支撑力通过异型托盘（4）向围岩（5）分散式传递支护阻力，从而防止因应力集中造成围岩（5）的破坏；

c.用锁紧压头（1）对所施加的支护阻力进行锁定，以防止因应力松弛而影响锚杆的支护效果；通过防滑丝螺母（2）预紧挤压让压弹簧（8）挤压异型托盘（4）对围岩（5）施加预应力，预应力大小根据实际地质信息确定，预紧力所提供的支护阻力一方面均匀地在锚杆内部传播及缓慢地向围岩（5）传递，以避免因所施加的支护阻力过于集中或瞬时性施加造成围岩（5）破坏及锚杆螺纹段（6）和锚杆实芯段（14）材料的破损；另一方面能吸收巷道变形破坏所释放的变形，根据锚杆螺纹段（6）和锚杆实芯段（14）的受力状态进行实时调整，有效防止锚杆体因承受过大的荷载或吸收过多的能量而发生断裂破坏；

d.当围岩变形破坏时，自调节连杆体（3）在异型托盘（4）上的限位式滑槽（9）内滑动，使得自调节连杆体（3）因压缩而向内收紧，释放应力实现让压；

当自调节连杆体（3）收缩达到极限后，围岩变形破坏多余的变形能、锚杆损失的预应力及持续让压由让压弹簧（8）来弥补，实现多个自调节连杆体（3）与让压弹簧（8）之间的动态互补让压效应。

6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于：根据围岩变形情况，增加超预紧防滑丝螺母（2）施加的支护阻力，能保证在自调节连杆体（3）中产生较高的初始支撑力，弥补因后期锚杆受力变形而产生应力松弛时造成的预应力损失。

7.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于：所述的锚杆螺纹段（6）螺纹的升角、牙型、尺寸和几何参数根据围岩变形量对锚杆施加的支护阻力进行调整，以与围岩的变形压力相协调。

8.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于：对所述的锚杆中空段（13）采用热轧工艺进行处理，在原有基础上提高锚杆中空段（13）的延伸率1~2倍。

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