CN111794792B - 一种新型可控变形弹性释能抗冲击锚杆及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型可控变形弹性释能抗冲击锚杆及其使用方法，其中抗冲击锚杆包括锚杆体，以及安装在锚杆体上的紧固螺母和托盘，所述紧固螺母与托盘之间还设有可控变形释能环，所述可控变形释能环包括沿轴向布置且套设在锚杆体上的第一圆环和第二圆环，第一圆环和第二圆环通过双圆弧变径环连接为一体，第一圆环沿轴向的投影位于第二圆环沿轴向投影的范围内。本发明在围岩破坏产生大量变形的情况下，利用双圆弧变径环引导可控变形释能环翻折变形，替代锚杆杆体的变形量，并且可控变形释能环轴向长度缩短，确保锚杆体的安全，使锚杆体在大变形的条件下持续提供足够的支护力，从而解决围岩瞬间破坏和锚杆瞬间破断的支护技术难题，保证了生产安全。

Description

一种新型可控变形弹性释能抗冲击锚杆及其使用方法

技术领域

本发明涉及巷道支护技术领域，尤其涉及到一种新型可控变形弹性释能抗冲击锚杆及其使用方法，用以解决在冲击地压、动压巷道或者强矿压条件下巷道锚杆瞬间破断的技术难题。

背景技术

近些年来随着煤矿资源的枯竭，深部开采已成为煤炭开采的主战场。深部巷道在整个寿命周期内受冲击、震动（波）等强矿压动力现象的时有发生。

产生强矿压动力现象的原因是巷道围岩应力增大，大量弹性能量聚集其中，当围岩破坏突然失去强度时，碎块中的弹性能量会转化为动能从原位中飞出，同时，在震动冲击下瞬间破断的锚杆断头也应弹性能转化为动能会从原位飞出，从而对机电设备或人员产生极大伤害。锚杆破断后如不及时补打锚杆维护，将诱发巷道整体变形，增加巷道维护难度，但维护时，动压现象持续，危险性非常大。总之，动压条件下锚杆瞬间破断现象不仅增加了巷道支护成本高，并严重威胁煤矿安全生产。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种新型可控变形弹性释能抗冲击锚杆及其使用方法，有效解决了冲击地压条件下锚杆瞬间破断的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种新型可控变形弹性释能抗冲击锚杆，包括锚杆体，以及安装在锚杆体上的紧固螺母和托盘，所述紧固螺母与托盘之间还设有可控变形释能环，所述可控变形释能环包括沿轴向布置且套设在锚杆体上的第一圆环和第二圆环，第一圆环和第二圆环通过双圆弧变径环连接为一体，第一圆环沿轴向的投影位于第二圆环沿轴向投影的范围内。

本方案通过在锚杆体上设置可控变形释能环，在围岩外胀对锚杆体产生轴向拉力时，第一圆环向第二圆环内部移动，由于双圆弧变径环的设置，使第二圆环上与第一圆环相连的一端向内翻折，并且翻折的长度随第一圆环的移动而增大，从而利用第二圆环的变形代替了锚杆体的变形，第二圆环的翻折过程吸收围岩释放能，避免锚杆瞬间破断。

作为优化，第一圆环和第二圆环同轴设置。本优化方案通过将第一圆环和第二圆环同轴设置，使第二圆环翻折的一端受力更加均匀，从而提高了可控变形释能环的吸能能力。

作为优化，第一圆环的外壁与第二圆环内壁之间的径向距离为第二圆环壁厚的1.2~2.5倍。本优化方案第一圆环与第二圆环间距的设置，既保证了第二圆环翻折时可以吸收足够大的围岩释能，又避免了由于第二圆环的变形阻碍第一圆环与第二圆环的相对移动。

作为优化，所述双圆弧变径环包括上圆弧变径环和下圆弧变径环，上圆弧变径环和下圆弧变径环的圆心分别位于双圆弧变径环环壁的两侧，上圆弧变径环的上端与第二圆环连接，上圆弧变径环的下端与下圆弧变径环的上端连接，下圆弧变径环的下端与第一圆环连接。本优化方案的双圆弧变径环利用上圆弧变径环的圆弧对第二圆环的向内翻折进行引导，利用下圆弧变径环的圆弧对第一圆环的移动进行引导，并且在第一圆环沿轴向移动时，第一圆环与下圆弧之间发生弯曲变形，从而避免了第一圆环与第二圆环发生剪切断裂。

作为优化，上圆弧变径环下端对应半径大于或等于下圆弧变径环上端对应半径。本优化方案的设置，使上圆弧变径环与下圆弧变径环之间的过渡更加平滑，减小应力集中。

作为优化，可控变形释能环为两件，且两可控变形释能环的第一圆环相对设置，或者两可控变形释能环的第二圆环相对设置。本优化方案通过设置两件可控变形释能环，提高了吸能的能力，进一步提高了防锚杆体瞬间断裂的效果，将两可控变形释能环的第一圆环相对设置，或者两可控变形释能环的第二圆环相对设置，可以利用两可控变形释能环直接接触实现传力，无需增加其他传力结构，从而简化了安装结构。

本方案还提供一种新型可控变形弹性释能抗冲击锚杆的使用方法，包括如下方面：

1、安装时，将锚杆体固定在锚固孔中，并在锚杆体上依次安装托盘、可控变形释能环和紧固螺母；

2、围岩发生碎胀时，托盘受围岩向外的胀力，并将围岩胀力传至可控变形释能环，形成对可控变形释能环的轴向压力，利用双圆弧变径环的双圆弧引导作用，使第一圆环向第二圆环内移动，同时，第二圆环与双圆弧变径环连接的一端向内翻折，用释能环的变形替代锚杆体的变形量，吸收围岩外胀的释放能，避免锚杆体瞬间破断；

3、利用第二圆环的轴向长度控制吸收围岩外胀释放能的大小，第二圆环的轴向长度越大，其向内翻折的变形量越大，吸收的释放能越大。

本发明的有益效果为：在围岩破坏产生大量变形的情况下，利用双圆弧变径环引导可控变形释能环翻折变形，替代锚杆杆体的变形量，并且可控变形释能环轴向长度缩短，确保锚杆体的安全，使锚杆体在大变形的条件下持续提供足够的支护力，从而解决围岩瞬间破坏和锚杆瞬间破断的支护技术难题，保证了生产安全。

附图说明

图1为本发明可控变形释能环变形前结构示意图；

图2为本发明可控变形释能环变形后结构示意图；

图3为实施例一结构示意图；

图4为实施例二结构示意图；

图5为实施例三结构示意图；

图6为实施例四结构示意图；

图7为现有技术中采用让压环方案的锚杆体受力与围岩形变关系图；

图8为本发明采用可控变形释能环方案的锚杆体受力与围岩形变关系图；

图中所示：

1、第二圆环，2、双圆弧变径环，3、第一圆环，4、锚杆体，5、紧固螺母，6、可控变形释能环，7、托盘。

具体实施方式

在现有技术上中，为了减小围岩胀力对锚杆的影响，通常采用让压环进行缓冲，但是让压环的变形较大，利用的弯板的形式，无法进行吸能，并且在让压环受力形变前后，对于锚杆体会出现力的突变，因此对锚杆体的损伤严重。其锚杆受力如图7所示。

本申请利用变形弹性释能环的翻折变形进行释能，在可控变形释能环变形的过程中，锚杆体受力不变，如图8中折线中的水平段所示，解决了强矿压动力显现巷道在围岩破碎时释放其聚集的弹性能问题。为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过四个具体实施方式，对本方案进行阐述。

实施例一

如图3所示一种新型可控变形弹性释能抗冲击锚杆，包括锚杆体4，以及安装在锚杆体上的紧固螺母5和托盘7，所述紧固螺母5与托盘7之间还设有可控变形释能环6。本实施例的可控变形释能环也适用于锚索，在采用锚索锚固时，同样将可控变形释能环设置在紧固螺母5与托盘7之间。

可控变形释能环包括沿轴向布置且套设在锚杆体上的第一圆环3和第二圆环1，第一圆环3和第二圆环1通过双圆弧变径环2连接为一体，第一圆环的外径小于第二圆环的内径，且第一圆环沿轴向的投影位于第二圆环沿轴向投影的范围内。 为保证受力均匀，本实施例的第一圆环和第二圆环同轴设置，且第一圆环的外壁与第二圆环内壁之间的径向距离为第二圆环壁厚的1.2~2.5倍。

双圆弧变径环沿周向闭合，对第二圆环的翻折变形起到引导作用，具体的，双圆弧变径环包括上圆弧变径环和下圆弧变径环，上圆弧变径环和下圆弧变径环的圆心分别位于双圆弧变径环环壁的两侧，上圆弧变径环的上端与第二圆环连接，上圆弧变径环的下端与下圆弧变径环的上端连接，下圆弧变径环的下端与第一圆环连接，上圆弧变径环下端对应半径大于或等于下圆弧变径环上端对应半径，且上圆弧变径环和下圆弧变径环的环壁厚度相同。

本实施例新型可控变形弹性释能抗冲击锚杆的使用方法，包括如下方面：

1、安装时，将锚杆体固定在锚固孔中，并使用锚固剂将锚杆体的内端固定，在锚杆体上依次安装托盘、可控变形释能环和紧固螺母，可控变形释能环的第一圆环顶至托盘，第二圆环顶至紧固螺母；

2、围岩发生碎胀时，托盘受围岩向外的胀力，并将围岩胀力传至可控变形释能环，形成对可控变形释能环的轴向压力，利用双圆弧变径环的双圆弧引导作用，使第一圆环向第二圆环内移动，同时，第二圆环与双圆弧变径环连接的一端向内翻折，用释能环的变形替代锚杆体的变形量，吸收围岩外胀的释放能，避免锚杆体瞬间破断和围岩瞬间破坏，保证了生产安全；

3、利用第二圆环的轴向长度控制吸收围岩外胀释放能的大小，第二圆环的轴向长度越大，其向内翻折的变形量越大，吸收的释放能越大。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，可控变形释能环为两件，两可控变形释能环的安装方式是第一圆环相对设置，或者两可控变形释能环的第二圆环相对设置，为了增大紧固螺母、托盘与可控变形释能环的接触面积，本实施例采用将两可控变形释能环的第一圆环相对设置。

实施例三

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例的可控变形释能环包括依次设置的第一圆环、第二圆环和第三圆环，第一圆环、第二圆环和第三圆环的直径依次增大，第二圆环沿轴向的投影位于第三圆环沿轴向投影的范围内，第一圆环与第二圆环，以及第二圆环和第三圆环分别通过双圆弧变径环连为一体，从而在围岩外胀时，通过两级翻折变形吸收围岩释放能，进一步加强了对锚杆体的保护，避免锚杆体瞬间破断。

实施例四

本实施例与实施例一的区别在于，托盘上朝向可控变形释能环的侧面固设有球冠板，球冠板上设有穿设锚杆体的通过孔，通过孔上安装有球面垫圈，球面垫圈的弧面与通孔孔壁配合，另一面与可控变形释能环接触，通过设置球面垫圈，方便安装可控变形释能环时找正，保证轴向受力。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (6)

1.一种新型可控变形弹性释能抗冲击锚杆，包括锚杆体（4），以及安装在锚杆体上的紧固螺母（5）和托盘（7），其特征在于：所述紧固螺母（5）与托盘（7）之间还设有可控变形释能环（6），所述可控变形释能环包括沿轴向布置且套设在锚杆体上的第一圆环（3）和第二圆环（1），第一圆环（3）和第二圆环（1）通过双圆弧变径环（2）连接为一体，第一圆环沿轴向的投影位于第二圆环沿轴向投影的范围内，围岩发生碎胀时，利用双圆弧变径环的双圆弧引导作用，使第一圆环向第二圆环内移动；

所述双圆弧变径环包括上圆弧变径环和下圆弧变径环，上圆弧变径环和下圆弧变径环的圆心分别位于双圆弧变径环环壁的两侧，上圆弧变径环的上端与第二圆环连接，上圆弧变径环的下端与下圆弧变径环的上端连接，下圆弧变径环的下端与第一圆环连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型可控变形弹性释能抗冲击锚杆，其特征在于：第一圆环和第二圆环同轴设置。

3.根据权利要求2所述的一种新型可控变形弹性释能抗冲击锚杆，其特征在于：第一圆环的外壁与第二圆环内壁之间的径向距离为第二圆环壁厚的1.2~2.5倍。

4.根据权利要求1所述的一种新型可控变形弹性释能抗冲击锚杆，其特征在于：上圆弧变径环下端对应半径大于或等于下圆弧变径环上端对应半径。

5.根据权利要求1所述的一种新型可控变形弹性释能抗冲击锚杆，其特征在于：可控变形释能环为两件，且两可控变形释能环的第一圆环相对设置，或者两可控变形释能环的第二圆环相对设置。

6.一种权利要求1~5任一项所述新型可控变形弹性释能抗冲击锚杆的使用方法，其特征在于，包括如下方面：

（1）安装时，将锚杆体固定在锚固孔中，并在锚杆体上依次安装托盘、可控变形释能环和紧固螺母；

（2）围岩发生碎胀时，托盘受围岩向外的胀力，并将围岩胀力传至可控变形释能环，形成对可控变形释能环的轴向压力，利用双圆弧变径环的作用，使第一圆环向第二圆环内移动，同时，第二圆环与双圆弧变径环连接的一端向内翻折，用释能环的变形替代锚杆体的变形量，吸收围岩外胀的释放能，避免锚杆体瞬间破断；

（3）利用第二圆环的轴向长度控制吸收围岩外胀释放能的大小，第二圆环的轴向长度越大，其向内翻折的变形量越大，吸收的释放能越大。

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