CN111456784A - 恒阻锚索结构和锚固方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种恒阻锚索结构和锚固方法，应用于岩体支护，锚索结构包括套筒、索体、锚具、恒阻体和预紧力施加装置，套筒包括第一套筒段和第二套筒段，第二套筒段内壁沿轴向分布有多个环状凸起；索体活动端位于第一套筒段内，固定端伸出套筒且能够固定于岩体内；锚具固定于索体外壁且位于套筒内；恒阻体位于套筒内且套设于锁具外，预紧力施加装置安装于套筒上，用于给恒阻体施加预紧力，使恒阻体抵在环状凸上，从而对围岩提供反向拉力，实现对围岩的控制，保证围岩大变形时不易产生破坏性事故。

Description

恒阻锚索结构和锚固方法

技术领域

本发明涉及锚固技术领域，具体而言，涉及一种恒阻锚索结构和锚固方法。

背景技术

自20世纪50年代后期起，我国开始在矿山巷道中使用锚固技术，锚固技术具有支护成本低、制造工序简单，支护效果稳定等诸多优点，在岩体支护中得到了广泛的采用和迅速发展。

煤矿巷道顶板支护大多采用锚索进行，传统的锚索索体采用预应力钢绞线，一端固定于顶板岩壁，另一端通过锚固剂锚固在稳定岩层中，提供径向及切向约束，提高岩层水平承载能力，达到整治巷道顶板变形及顶板冒落的目的。

但随着我国采矿深度的不断增加，锚索的长度及预紧力的大小也不断增加，在这种要求下，锚索在施工过程中因施加预紧力而外露索尾较长，如图1所示，严重影响了端头支架推移过程，并且容易造成设备损毁。同时，常规锚索采用张拉式机器施加预紧力，该过程可控性较小，易引发安全事故。

需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种恒阻锚索结构和锚固方法，解决现有锚索结构的一种或多种问题。

根据本发明的一个方面，提供一种恒阻锚索结构，应用于岩体支护，包括：

套筒，呈贯通的筒状结构，包括相互连接的第一套筒段和第二套筒段，所述第二套筒段内壁沿轴向分布有多个朝向所述套筒轴心的环状凸起；

索体，包括固定端和活动端，所述活动端位于所述套筒内，所述固定端伸出所述套筒且能够固定于所述岩体内；

锚具，固定于所述索体外壁且位于所述套筒内；

恒阻体，位于所述第二套筒段内，所述恒阻体呈贯通的筒状结构且套设于所述锁具外，所述恒阻体靠近所述索体固定端的内径小于所述锚具靠近所述索体活动端的外径，所述恒阻体的最大外径大于所述环状凸起的内径；

预紧力施加装置，安装于所述第一套筒段上，用于通过所述套筒给所述恒阻体施加预紧力，以使所述恒阻体抵在所述环状凸起朝向所述索体活动端的一侧，且使所述锁具抵在所述恒阻体内壁。

在本申请一种示例性实施例中，所述恒阻体包括锥形筒段，所述锥形筒段外壁锥面的直径沿所述索体活动端向固定端的方向逐渐收缩，所述锥面的最大外径为所述恒阻体的最大外径。

在本申请一种示例性实施例中，所述多个环状凸起沿所述套筒轴向等间隔分布。

在本申请一种示例性实施例中，所述多个环状凸起的内径相等。

在本申请一种示例性实施例中，所述锚具为夹片式锚具，所述夹片式锚具位于所述恒阻体的锥形筒段内。

在本申请一种示例性实施例中，所述夹片式锚具包括多个楔形夹片，所述多个楔形夹片围绕呈筒状并夹持于所述索体外壁，所述恒阻体锥形筒段的内壁形状与所述夹片式锚具外壁形状配合。

在本申请一种示例性实施例中，所述第一套筒段外壁具有外螺纹，所述预紧力施加装置为螺母，所述螺母外径大于所述岩体的孔径。

在本申请一种示例性实施例中，所述螺母外壁具有沿所述螺母径向向外延伸的延伸部，所述延伸部上设置有安装孔。

在本申请一种示例性实施例中，所述锚索结构还包括：垫片，所述垫片具有通孔，所述垫片套设于所述第一套筒段，且所述垫片用于垫衬在所述螺母与所述岩体外壁之间。

根据本申请的另一个方面，还提供一种锚固方法，采用上述恒阻锚索结构，包括：

在岩体上钻孔；

将所述套筒放入所述孔内，且使所述第二套筒段朝向所述岩体内；

将所述索体穿过所述恒阻体，并在所述索体上安装所述锚具，使所述恒阻体套设于所述锚具外；

将所述索体伸入所述套筒内，使所述活动端位于所述第一套筒段内，并使所述固定端伸出所述第二套筒段，通过锚固树脂将所述索体的固定端固定于岩体内壁；

将所述预紧力施加装置安装于所述第一套筒段上，向所述套筒施加预紧力，使所述恒阻体抵在所述环状凸起朝向所述索体活动端的一侧，且使所述锁具抵在所述恒阻体内壁。

本发明的恒阻锚索结构将索体活动端设置于套筒内，且在套筒内壁设置环状凸起，对固定在索体上的恒阻体起阻挡作用，使整个锚索结构对围岩提供反向拉力，实现对围岩的控制，保证围岩大变形时不易产生破坏性事故。本申请锚索结构安装完成后，索体活动端不会外露，不会影响巷道内各种设备移动及液压支架等设备支护顶板。同时，通过套筒、恒阻体向索体施加预紧力，过程可控，具有较高的安全性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的锚索结构示意图；

图2为本实施方式中锚索结构示意图；

图3为本实施方式中套筒、恒阻体、索体组合的结构示意图；

图4为本实施方式中套筒的结构示意图；

图5为本实施方式中楔形夹片的结构示意图；

图6为本实施方式中夹片式锚具径向截面示意图；

图7为本实施方式中夹片式锚具的立体结构示意图；

图8为本实施方式中锚具、恒阻体、索体组合的结构示意图；

图9为本实施方式中螺母的轴向截面示意图；

图10为本实施方式中螺母的径向截面示意图；

图11为本实施方式中垫片的结构示意图；

图12为本实施方式中套筒与螺母和垫片的安装结构示意图；

图13为传统结构中套筒和垫片的安装结构示意图；

图14为本实施方式中锚固方法的流程示意图。

图中：1、套筒；2、索体；3、锚具；4、恒阻体；5、螺母；6、垫片；7、岩体；8、锚固树脂；11、第一套筒段；12、第二套筒段；121、环状凸起；21、活动端；22、固定端；31、楔形夹片；51、延伸部；52、安装孔。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

本发明实施方式中提供了一种恒阻锚索结构，参考图2和图3，该锚索结构包括套筒1、索体2、锚具3、恒阻体4、预紧力施加装置。套筒1呈贯通的筒状结构，包括相互连接的第一套筒段11和第二套筒段12，第二套筒段12内壁沿轴向分布有多个朝向套筒1轴心的环状凸起121。索体2包括固定端22和活动端21，活动端21位于套筒1内，固定端22伸出套筒1且能够固定于岩体内。锚具3固定于索体2外壁且位于套筒1内。恒阻体4位于套筒1内，恒阻体4呈贯通的筒状结构且套设于锁具外，恒阻体4靠近索体固定端22的内径小于锚具3靠近索体活动端21的外径，恒阻体4的最大外径大于环状凸起121的内径。预紧力施加装置安装于第一套筒段11上，用于通过套筒1给恒阻体4施加预紧力，以使恒阻体4抵在环状凸起121朝向索体活动端21的一侧，且使锚具3抵在恒阻体4朝向索体活动端21的一侧。

使用该锚索结构时，通过预紧力施加装置对套筒1施加预紧力，使套筒1给恒阻体4提供向左的预紧力，由于恒阻体4最大外径小于环状凸起121内径，恒阻体4被卡在第二套筒段12的环状凸起121处，恒阻体4会抵在环状凸起121左侧(即环状凸起121朝向索体活动端21的一侧)；恒阻体4进一步给锚具3提供向左的预紧力，由于恒阻体4右侧内经(即恒阻体4靠近索体固定端22的内径)小于锚具3左侧外径(锚具3靠近索体活动端21的外径)，锚具3被卡在恒阻体4左侧，且抵在恒阻体4左侧(即恒阻体4朝向索体活动端21的一侧)，从而将预紧力传递至索体2且完成张拉。

支护阶段，由于岩体变形，索体2会受到岩石向右的拉力，该拉力会进一步传递至恒阻体4与套筒1所接触的环状凸起121处，环状凸起121对恒阻体4起阻挡作用，整个锚索结构对围岩提供反向拉力，实现对围岩的控制。当遇到岩体变形较大，围岩积聚较大能量，恒阻体4所受的向右的拉力过大时，恒阻体4在拉力的作用下挤压变形通过当前环状凸起121并向右移动至下一个环状凸起121，位移过程中，围岩积攒的能量得到了释放，恒阻体4再次被卡在环状凸起121处，锚索结构继续控制围岩，起到支护效果。若围岩能量释放的不充分，则恒阻体4继续向右侧下一个环状凸起121处移动，直至能量释放充分。该恒阻原理保证围岩大变形时不易产生破坏性事故。

在整个锚固阶段，该锚索结构可以始终给岩体变形提供一个恒定的阻力，保证了锚固效果。本申请中，环状凸起121的尺寸(如内径、厚度等)决定了其对恒阻体4的阻力大小，通过预先设计可以计算其能够提供的恒定阻力，提高锚固效果。需要说明的是，环状凸起121对恒阻体4造成的阻力应当远大于预紧力，否则恒阻体4无法稳定在环状凸起121处，进而无法给索体2提供预紧力。

由于本申请利用恒阻体4将套筒1与索体2连接起来，索体2距套筒1左边端部具有一定距离，在锚索安装完成后，索体活动端21不会外露，不会影响巷道内各种设备移动及液压支架等设备支护顶板。同时，通过套筒1、恒阻体4向索体2施加预紧力，过程可控，具有较高的安全性。

下面对本发明实施方式的恒阻锚索结构进行详细说明：

参考图2-图4，在本实施例中，套筒1为直筒结构，其径向截面可以为圆形或其他形状。第一套筒段11内壁光滑，保证恒阻体4顺利达到第二套筒段12。第二套筒段12内壁沿轴向分布有多个朝向套筒1轴心的环状凸起121。具体的，第二套筒段12的内壁可以为如图3所示的波浪形，也可以为锯齿形等，只要能在内壁形成环状凸起121即可。本实施例中，各环状凸起121沿套筒1轴向等间隔分布，由此使得恒阻体4受到的阻力恒定，且各环状凸起121的内径相等，使恒阻体4每次位移相等，进而能够给岩体7提供充足稳定的反向拉力。第二套筒段12的外壁可以加工为与内壁吻合的形状，也可以加工为光滑表面，本申请不对此进行具体限定。

如图3所示，恒阻体4包括锥形筒段，锥形筒段外壁锥面的直径沿索体活动端21向固定端22的方向逐渐收缩，锥面的最大外径为恒阻体4的最大外径，由此，在预紧力作用下，恒阻体4的锥面外径最大处(即图3中最左侧)会抵在环状凸起121上。图中锥形筒段右端还延伸出一段直筒段，直筒段的外径等于锥面的最小直径，不会影响恒阻体4向右移动。

假设恒阻体4的最大外径为d₀，第一套筒段11内径为d₁，第二套筒段12最大的内径为d₂，环状凸起121内径为d₃。为了使恒阻体4能够放置在套筒1内且能被环状凸起121阻挡，需满足，d₀＜d₁，d₀＜d₂且d₀＞d₃。其中，d₁和d₂可以相等也可以不等。

图5-图8中示出了本实施例中锚具的一种结构示意图，锚具3采用夹片式锚具，夹片式锚具位于恒阻体4的锥形筒段内。具体的，夹片式锚具可以由多个如图5所示的楔形夹片31组合而成，套管径向切面上，各楔形夹片31呈弧形，多个楔形夹片31围绕呈锥筒状并夹持于索体2外壁，以实现360度全方位对索体2进行锁紧。如图7所示，多个楔形夹片31组合成的整体外壁呈锥面，且直径由索体活动端21向固定端22方向逐渐减小，恒阻体4锥形筒段的内壁形状为与楔形夹片31整体外壁形状配合的锥面。在安装夹片式锁具时，先将索体2穿过恒阻体4，然后需要借助外力将楔形夹片31向恒阻体4内径收缩的方向推动，使楔形夹片31产生较大夹紧力夹持索体2，保证索体2不脱落，如图8所示。楔形夹片31的最大外径需大于恒阻体4最小内径，使得锚具3不会从恒阻体4内脱出。当索体2受围岩传来向右的拉力时，楔形夹片31有向右运动的趋势，楔形夹片31与恒阻体4锥形筒段内壁摩擦力增大，使得恒阻体4也有向右运动的趋势，以此将索体2受力传递至恒阻体4与环状凸起121处。楔形夹片31的数量可以为图6中所示的三个，也可以为其他数量，具体可根据需要进行选择，本申请不对此进行特殊限定。

本实施例中，如图2和图9所示，预紧力施加装置为螺母5，螺母5外径应当大于孔径，保证螺母5能够提供预紧力。第一套筒段11外壁具有与螺母5配合的外螺纹，套筒1在放入岩体7孔内时，使第一套筒段11露出岩壁，将螺母5安装于露出的外螺纹上，通过拧紧螺母5向套筒1施加预紧力，由于岩壁的阻挡，套筒1会受到朝向岩体7外(图中向左)的预紧力，从而使恒阻体4、锁具和索体2受到向左的预紧力，实现索体2张拉。通过螺母5施加预紧力，可以通过拧紧螺纹数计算施加于索体2的预紧力，整个过程安全可控，避免因预紧力过大产生安全事故。同时，螺母5和螺纹式套筒1的结构都具有较强的刚性，保证液压支架或π型梁外接的稳定性。

本实施例中，如图9所示，螺母5外壁还具有沿螺母5径向向外延伸的延伸部51(即大帽螺母5)，延伸部51覆盖在岩壁上，可以增大螺母5与岩壁的接触面积，避免破坏岩壁。延伸部51上还可以设置有安装孔52，安装孔52可以进一步用于连接现场其他附加结构。延伸部51的形状可以为如图10所示的正六边形，也可以为其他形状。

本实施例中，锚索结构还包括垫片6，图2和图11中示出了本实施例垫片6的一种结构，垫片6具有通孔，垫片6套设于第一套筒段11，该垫片6用于垫衬在螺母5与岩体7外壁之间，隔离螺母5与围岩，防止螺母5破坏岩壁。垫片6可以选择较大的尺寸，使其在岩壁上的投影面积大于螺母5在岩壁上的投影，由此可以进一步增大螺母5与岩壁之间的接触面积，使螺母5在向岩壁施加作用力时，岩壁不易被破坏。垫片6的形状可以为如图11所示的正方形，也可以为其他形状。同时，采用本申请的螺母5和垫片6，垫片6受力易破坏点在垫片外侧与螺母接触位置，如图12中黑点所标识位置，由于有螺母的保护在岩体大变形时不容易破坏。而传统垫片结构与套筒焊接在一起，垫片受力易破坏点在垫片内侧焊接位置，如图13所示，该位置容易在岩体大变形时损坏。相比传统焊接垫片，本申请垫片6和螺母5组合能够提供更高的强度，刚性较大，在外接液压支架、π型梁的时候可以保证结构的稳定性。且垫片6可以更换。

本实施方式还提供一种锚固方法，采用上述实施例所述的恒阻锚索结构，参考图14，该锚固方法包括：

步骤S100，在岩体7上钻孔；

步骤S200，将套筒1放入孔内，且使第二套筒段12朝向岩体7内；

步骤S300，将索体2穿过恒阻体4，并在索体2上安装锚具3；

步骤S400，将索体2伸入套筒1内，使活动端21位于第一套筒段11内，并使固定端22伸出第二套筒段12，通过锚固树脂将索体2的固定端22固定于岩体7内壁；

步骤S500，将预紧力施加装置安装于第一套筒段11上，向套筒1施加预紧力，使恒阻体4抵在环状凸起121朝向索体活动端21的一侧，且使锁具抵在恒阻体4朝向索体活动端21的一侧。

具体而言，步骤S100中，可采用钻机根据锚索索体2长度进行钻孔。钻孔结束后，清理孔内杂物。进行钻孔操作，值得注意的是，钻孔需进行二级扩孔操作，以适应套筒1的结构直径。

步骤S200中，在采用恒阻锚索结构时，将第二套筒段12向内伸入孔内，使具有外螺纹的第一套筒段11部分露在岩壁外，便于后续提供预紧力。套筒1外径略小于孔径，使得套筒1不会在孔内发生较大的偏移。

步骤S300中，将索体2穿过筒状恒阻体4，并将楔形夹片31安装在恒阻体4的空腔内，借助外力将多个楔形夹片31向恒阻体4内径收缩方向推动，使楔形夹片31产生较大夹紧力夹持索体2，且使锚具3和恒阻体4之间依靠摩擦力稳定在一起，保证索体2不脱落。

步骤S400，将安装有锚具3和恒阻体4的索体2伸入套筒1内，使恒阻体4的最大外径正好卡在第二套筒段12的第一个凸起处。需要说明的是，此时应保证索体活动端21位于第一套筒段11内，固定端22伸出第二套筒段12，通过锚固树脂8将索体2的固定端22固定于岩体7。需要说明的是，安装恒阻体4和锚具3时，应保证索体2放入套筒1内时活动端21距离第一套筒1左端具有一定距离，确保索体2端部最终不会外露在岩体7外。此时，由于尚未施加预紧力，整个索体2、锚具3、恒阻体4和套筒1结构处于松弛悬空状态。

步骤S500，将螺母5安装于第一套筒段11露出岩壁的外螺纹上，通过拧紧螺母5向套筒1施加预紧力，由于岩壁的阻挡，套筒1会受到朝向岩体7外的预紧力，从而使恒阻体4、锁具和索体2受到向左的预紧力，使恒阻体4抵在环状凸起121左侧，且使锁具抵在恒阻体4内壁，进而实现索体2预紧。当螺母5拧紧至预定位置之后，预紧力施加完毕，锚索安装完毕。

需要说明的是，以上步骤的划分仅为了便于理解和描述方便，并非对步骤的限定。例如，实际施工时，在出厂时通常已将恒阻体4、索体2、锚具3、套筒1加工组合完毕，然后统一运输至指定支护位置，再统一送入孔内。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种恒阻锚索结构，应用于岩体支护，其特征在于，包括：

套筒，呈贯通的筒状结构，包括相互连接的第一套筒段和第二套筒段，所述第二套筒段内壁沿轴向分布有多个朝向所述套筒轴心的环状凸起；

索体，包括固定端和活动端，所述活动端位于所述套筒内，所述固定端伸出所述套筒且能够固定于所述岩体内；

锚具，固定于所述索体外壁且位于所述套筒内；

恒阻体，位于所述第二套筒段内，所述恒阻体呈贯通的筒状结构且套设于所述锁具外，所述恒阻体靠近所述索体固定端的内径小于所述锚具靠近所述索体活动端的外径，所述恒阻体的最大外径大于所述环状凸起的内径；

预紧力施加装置，安装于所述第一套筒段上，用于通过所述套筒给所述恒阻体施加预紧力，以使所述恒阻体抵在所述环状凸起朝向所述索体活动端的一侧，且使所述锁具抵在所述恒阻体内壁。

2.根据权利要求1所述的恒阻锚索结构，其特征在于，所述恒阻体包括锥形筒段，所述锥形筒段外壁锥面的直径沿所述索体活动端向固定端的方向逐渐收缩，所述锥面的最大外径为所述恒阻体的最大外径。

3.根据权利要求2所述的恒阻锚索结构，其特征在于，所述多个环状凸起沿所述套筒轴向等间隔分布。

4.根据权利要求2所述的恒阻锚索结构，其特征在于，所述多个环状凸起的内径相等。

5.根据权利要求2所述的恒阻锚索结构，其特征在于，所述锚具为夹片式锚具，所述夹片式锚具位于所述恒阻体的锥形筒段内。

6.根据权利要求5所述的恒阻锚索结构，其特征在于，所述夹片式锚具包括多个楔形夹片，所述多个楔形夹片围绕呈筒状并夹持于所述索体外壁，所述恒阻体锥形筒段的内壁形状与所述夹片式锚具外壁形状配合。

7.根据权利要求1所述的恒阻锚索结构，其特征在于，所述第一套筒段外壁具有外螺纹，所述预紧力施加装置为螺母，所述螺母外径大于所述岩体的孔径。

8.根据权利要求7所述的恒阻锚索结构，其特征在于，所述螺母外壁具有沿所述螺母径向向外延伸的延伸部，所述延伸部上设置有安装孔。

9.根据权利要求7所述的恒阻锚索结构，其特征在于，所述锚索结构还包括：

垫片，所述垫片具有通孔，所述垫片套设于所述第一套筒段，且所述垫片用于垫衬在所述螺母与所述岩体外壁之间。

10.一种锚固方法，采用权利要求1-9中任一项所述的恒阻锚索结构，包括：

在岩体上钻孔；

将所述套筒放入所述孔内，且使所述第二套筒段朝向所述岩体内；

将所述索体穿过所述恒阻体，并在所述索体上安装所述锚具，使所述恒阻体套设于所述锚具外；

将所述索体伸入所述套筒内，使所述活动端位于所述第一套筒段内，并使所述固定端伸出所述第二套筒段，通过锚固树脂将所述索体的固定端固定于岩体内壁；

将所述预紧力施加装置安装于所述第一套筒段上，向所述套筒施加预紧力，使所述恒阻体抵在所述环状凸起朝向所述索体活动端的一侧，且使所述锁具抵在所述恒阻体内壁。

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