CN111810207B - 一种钻锚一体化锚固装置和方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种钻锚一体化锚固装置和方法，涉及锚杆支护领域，包括锚杆，锚杆一端沿轴向依次连接有锚固杆、连接盘和钻头，锚固杆外部同轴套设有多个锚固盘，锚固盘沿轴向间隔布置连接锚固杆，锚杆上套设有橡胶圈，用于配合锚杆封堵钻头加工的钻孔，通过将锚杆、锚固结构和钻头布置为一体化结构，利用端部的钻头实现钻孔的同时，也达到了将锚固结构和锚杆放置的过程，配合橡胶圈对锚固结构、钻头所处的钻孔位置进行封堵，填充锚固剂后形成锚固结构，提高了钻孔和锚固过程的效率。

Description

一种钻锚一体化锚固装置和方法

技术领域

本公开涉及锚杆支护领域，特别涉及一种钻锚一体化锚固装置和方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

锚杆是一种锚固在岩体内部的杆状体。采用锚杆支护巷道，就是当巷道掘进后向围岩中钻眼，然后将锚杆安设在锚杆眼内，对巷道围岩进行人工加固。锚杆具有很多优点：节约坑木和钢材，降低支护成本；掘进断面小，巷道的变形小；维修费用低；工作安全轻便，可以减轻体力劳动，有利于一次成巷施工和加快掘进速度；使用范围广，适应性强。

锚杆支护原理主要是：悬吊作用，组合梁作用，围岩补强作用，挤压联结作用，挤压加固拱作用。以上所述锚杆的五种作用，通常不是单独存在，而是互相联系、互相补充、共同作用的。锚杆的类型多种多样：按锚固原理来分，有端头锚固、全长锚固和两者并用型；按锚杆组成材料来分，有金属锚杆、木锚杆、钢筋或钢丝绳砂浆锚杆和树脂锚杆等。

发明人发现，目前树脂锚杆实际使用时需先打孔，打完孔后由人工向孔内安装锚固剂，然后通过锚杆钻机带动锚杆杆体旋转搅拌药卷实现锚固。由于树脂药卷多、顶板成孔差、机具扭矩不高等因素影响，锚杆安装时容易失效，同时工序多，操作复杂，造成工人操作比较困难，锚固质量较难控制，耗时较多，影响隧道掘进效率。当支护围岩岩体质量较差时，常常会遇到塌孔问题，需要花费大量时间进行清孔操作或甚至重新打孔，造成支护时间极大增加，支护质量极大下降，支护成本极大提高，严重时甚至对工人的生命安全造成威胁。

发明内容

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种钻锚一体化锚固装置和方法，通过将锚杆、锚固结构和钻头布置为一体化结构，利用端部的钻头实现钻孔的同时，也达到了将锚固结构和锚杆放置的过程，配合橡胶圈对锚固结构、钻头所处的钻孔位置进行封堵，填充锚固剂后形成锚固结构，提高了钻孔和锚固过程的效率。

本公开的第一目的是提供一种钻锚一体化锚固装置，采用以下技术方案：

包括锚杆，锚杆一端沿轴向依次连接有锚固杆、连接盘和钻头，锚固杆外部同轴套设有多个锚固盘，锚固盘沿轴向间隔布置连接锚固杆，锚杆上套设有橡胶圈，用于配合锚杆封堵钻头加工的钻孔。

进一步地，所述锚杆连接锚固杆的位置为变径段，沿锚杆到锚固杆方向上，变径段的直径逐渐增大。

进一步地，所述变径段连接锚固杆的位置形成阶梯轴段，阶梯轴段的大直径段对接锚固杆，阶梯轴段形成的轴肩用于隔离橡胶圈与锚固杆。

进一步地，所述钻头一端对接连接盘，钻头和连接盘的直径相等，且大于锚固盘和锚杆的直径。

进一步地，所述锚固盘沿锚固杆轴向均匀间隔布置，锚固盘的直径大于锚杆的直径。

进一步地，所述橡胶圈上设有注浆嘴通孔，用于配合注浆管输出端的注浆嘴，使得注浆嘴向橡胶圈和钻孔形成的空腔内注浆。

进一步地，所述锚杆远离锚固杆的一端设有对接结构，用于对接外部设备。

本公开的第二目的是提供一种锚固方法，利用如上所述的钻锚一体化锚固装置，包括以下步骤：

依据围岩上标记的需要进行锚杆加固的位置布置钻锚一体化锚固装置；

将锚杆端部与外部锚杆钻机配合，驱动钻锚一体化锚固装置绕轴线自转，利用钻头对标记位置进行钻孔，直至到达目标深度；

调整橡胶圈位置，使其滑动至锚杆与锚固杆的对接位置，配合锚杆封堵钻孔；

向钻孔的封堵区域注浆填充，注浆完成待锚固剂凝固完成锚固。

进一步地，依据标记位置调整锚杆角度，在钻孔过程中，沿锚杆轴线方向施加推进压力。

进一步地，在锚杆与外部锚杆钻机解除配合后，锚杆远离锚固杆的一端通过连接件与外部其他设备配合。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

（1）通过依次布置锚杆、锚固段和钻头，形成钻锚一体化的锚固装置，利用端部的钻头能够加工钻孔，并且在钻孔完成钻孔任务后不需拔出钻杆即可充当锚杆完成锚固任务，省去大量中间步骤，在钻孔的同时，将锚固段和锚杆引入钻孔内部，避免钻孔塌孔，提高工作效率；

（2）对于软弱、裂隙围岩进行加固时，单向钻孔和插入锚杆同时进行，并且将钻头和锚固段留存在钻孔内部，配合锚固剂形成锚固结构；避免了传统钻孔方式在钻孔形成后拔出钻头导致的钻孔塌孔的问题，并且，直接带入锚固端避免了传动方式锚固段难以在孔内与预留结构对接的问题，提高了布置锚杆的效率；

（3）利用的钻锚一体化锚固装置一端进行钻孔，并配合钻孔形成锚固结构，另一端能够与外部锚杆钻机可拆卸配合，在锚固端形成锚固状态后，配合端与锚固钻机解除配合，利用连接件与外部其他设备配合，不会纯在多余的杆件，节省了隧道内空间，同时还能够避免对其他工程设备的干扰，锚固装置与外界设备配合后，能够共同形成整体的锚杆支护结构，对巷道围岩实现稳定加固。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1、2中橡胶圈的正视示意图；

图2为本公开实施例1、2中橡胶圈的侧视剖面示意图；

图3为本公开实施例1、2中锚固装置各元件的连接关系示意图；

图4为本公开实施例1、2中锚固装置的整体结构示意图；

图5为本公开实施例1、2中橡胶圈与锚杆的配合断面图；

图6为本公开实施例1、2中锚固装置与钻孔的配合示意图。

图中，1封堵橡胶圈，2锚杆通孔，3注浆嘴通孔，4单向阀，5钻锚一体化锚杆，6旋转接头，7外螺纹，8橡胶圈扩展区，9橡胶圈套接区，10阻挡环，11鱼肋盘，12连接盘，13钻头，14自由端，15封堵区，16锚固区，17钻进区，18注浆装置，19注浆管，20注浆嘴，21锚固剂，22围岩。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

实施例1

本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图6所示，提出了钻锚一体化锚固装置。

主要包括依次连接的锚杆、锚固杆、连接盘12和钻头13，还包括套设在锚杆上的封堵橡胶圈1，锚杆、锚固杆、连接盘、钻头和封堵橡胶共同形成钻锚一体化锚杆5；

如图4所示，沿锚杆轴向，锚固装置上形成自由端14、封堵区15、锚固区16和钻进区17；

锚杆远离锚固杆的一端为自由端，自由端上设有对接结构，能够与外部设备对接，在外部设备驱动下转动，或与外部设备连接形成巷道支护；

所述锚杆连接锚固杆的位置为变径段，沿锚杆到锚固杆方向上，变径段的直径逐渐增大；

所述变径段连接锚固杆的位置形成阶梯轴段，阶梯轴段的大直径段对接锚固杆，阶梯轴段形成的轴肩用于隔离橡胶圈与锚固杆；

在本实施例中，变径段形成橡胶圈扩展区8，阶梯轴段形成橡胶圈套接区9和阻挡环10；

锚固杆外部同轴套设有多个锚固盘，锚固盘沿轴向间隔布置连接锚固杆，所述锚固盘沿锚固杆轴向均匀间隔布置，锚固盘的直径大于锚杆的直径；

所述的锚固盘作为鱼肋盘11，配合锚固杆形成锚固区；所述钻头配合连接盘形成钻进区。

具体的，对于橡胶圈，封堵橡胶圈采用高弹性橡胶材质，允许封堵橡胶圈发生一定程度的径向扩展，在外力推送下可以通过橡胶圈扩展区8扩展直径从而与孔壁围岩挤压接触，完成封堵橡胶圈与孔壁围岩之间的密封；

橡胶圈的内圈为配合锚杆的锚杆通孔2，所述的锚杆通孔直径大于锚杆杆体直径，小于橡胶圈套接区直径，当封堵橡胶圈在外力作用下向前推进时，锚杆通孔可以通过橡胶圈扩展区扩展直径然后牢固套接在橡胶圈套接区，完成封堵橡胶圈与锚杆之间的密封。

可以理解的是，在橡胶圈外圈与钻孔孔壁围岩之间形成密封，和橡胶圈内圈与锚杆变径段之间形成密封后，则形成了橡胶圈配合锚杆对钻孔盲孔端的封堵，从而形成注浆空腔；

所述的阻挡环可以对封堵橡胶圈进行制动，防止封堵橡胶圈在外力作用下过度向前，确保封堵橡胶圈正好套接在橡胶圈套接区。

进一步地，所述橡胶圈上设有注浆嘴通孔3，用于配合注浆管输出端的注浆嘴，使得注浆嘴向橡胶圈和钻孔形成的空腔内注浆；

所述的注浆嘴通孔3直径略小于注浆嘴直径，从而确保注浆嘴可以较为牢固的插接在封堵橡胶圈上。

可以理解的是，为了保证注浆过程的有效控制，注浆嘴中设置有水压传感器，可以监测注浆压力，当锚固剂浆液注满后水压传感器压力值升高但是注浆量不再增加，即代表注浆任务结束，拔出注浆嘴完成注浆。

需要特别指出的是，橡胶圈上的注浆嘴通孔3配合有橡胶盖，橡胶盖一侧固定在橡胶圈上，并与注浆嘴通孔形成单向阀4结构，正常状态下正好盖住注浆嘴通孔，当插入注浆嘴时单向阀顺势被顶开，当拔出注浆嘴时单向阀顺势落下，即可完成锚固剂浆液的注入并防止浆液渗漏。

在工作时，所述注浆嘴20可以插接在注浆嘴通孔3中，此时单向阀4顺势被桶开，注浆装置18可以进行注浆，当注浆嘴20中水压传感器监测到注浆完成后即可通过拖拽注浆管19将注浆嘴20拔出，此时单向阀4在锚固剂压力下自动闭合完成密封。

对于所述的对接结构，包括旋转接头6和外螺纹7，所述的旋转接头为六边形盲孔，可以与锚杆钻机的转动轴插接，为锚杆提供旋转动力；

所述的外螺纹与锚杆的托盘和螺母相配套，当锚杆钻进围岩并通过注浆完成锚固任务后，即可安装托盘拧紧螺母完成锚杆的布设；

当锚固剂凝固后即可将托盘和螺母等配件安装在外螺纹7上，完成钻锚一体化锚杆5的布设。

利用的钻锚一体化锚固装置一端进行钻孔，并配合钻孔形成锚固结构，另一端能够与外部锚杆钻机可拆卸配合，在锚固端形成锚固状态后，配合端与锚固钻机解除配合，利用连接件与外部其他设备配合，不会纯在多余的杆件；

节省了隧道内空间，同时还能够避免对其他工程设备的干扰，锚固装置与外界设备配合后，能够共同形成整体的锚杆支护结构，对巷道围岩实现稳定加固。

优选的，所述的鱼肋盘直径大于阻挡环且小于连接盘，能够在钻孔的过程中，使得锚固杆配合鱼肋盘顺利进入钻孔内，避免与孔壁的干涉，一系列鱼肋盘均布在阻挡环与连接盘之间构成锚固区，当锚固剂浆液注入后，可以与浆液凝固成一体，增加锚杆锚固强度；

所述的连接盘与钻头直径大于锚杆任何一处横截面直径，能够保证开设的钻孔直径足够大，使得后续的结构能够顺利进入到钻孔内；

钻头采用螺旋形状，确保钻头掘进过程中坠落的渣石均可以通过连接盘与孔壁围岩的缝隙排出而不会对锚杆造成损伤。

当然，可以理解的是，所述旋转接头6、外螺纹7、橡胶圈扩展区8、橡胶圈套接区9、阻挡环10、鱼肋盘11、连接盘12为一体化铸造成型，为高强度钢材质；所述钻头13与连接盘12焊接固定，为高硬度、高耐磨、高强度合金材质。

通过依次布置锚杆、锚固段和钻头，形成钻锚一体化的锚固装置，利用端部的钻头能够加工钻孔，并且在钻孔完成钻孔任务后不需拔出钻杆即可充当锚杆完成锚固任务，省去大量中间步骤，在钻孔的同时，将锚固段和锚杆引入钻孔内部，避免钻孔塌孔，提高工作效率。

实施例2

本公开的另一典型实施方式中，如图1-图6所示，提出了一种锚固方法，利用如实施例1所述的钻锚一体化锚固装置。

包括以下步骤：

依据围岩上标记的需要进行锚杆加固的位置布置钻锚一体化锚固装置；

将锚杆端部与外部锚杆钻机配合，驱动钻锚一体化锚固装置绕轴线自转，利用钻头对标记位置进行钻孔，直至到达目标深度；

调整橡胶圈位置，使其滑动至锚杆与锚固杆的对接位置，配合锚杆封堵钻孔；

向钻孔的封堵区域注浆填充，注浆完成待锚固剂凝固完成锚固。

在实际工作时，利用端部的钻头能够加工钻孔，并且在钻孔完成钻孔任务后不需拔出钻杆即可充当锚杆完成锚固任务，省去大量中间步骤，在钻孔的同时，将锚固段和锚杆引入钻孔内部，避免钻孔塌孔，提高工作效率。

具体的，在本实施例中，结合实施例1对其锚固过程进行详细描述：

A、确定隧道围岩22需要进行锚杆加固的区域，标记钻孔位置；

B、将封堵橡胶圈1套在钻锚一体化锚杆5自由端14，将锚杆钻机转动轴插入旋转接头6；

C、将钻锚一体化锚杆5架设在标记好的钻孔位置出，调整好角度，启动锚杆钻机带动钻锚一体化锚杆5转动，施加推进压力推动钻锚一体化锚杆5向前钻进，直至到达目标深度；

D、关闭锚杆钻机，将注浆嘴20插入注浆嘴通孔3，使用细棍将封堵橡胶盘1向前推进直至不能推进为止说明封堵橡胶盘1已经套接在橡胶圈套接区9，完成对锚固区16的封堵任务；

E、启动注浆装置18，将锚固剂浆液通过注浆管19和注浆嘴20注入锚固区16，直至水压传感器显示注浆完成，此时通过注浆管19拖拽拔出注浆嘴20，静候几分钟锚固剂21凝固完成锚固任务；

F、在自由端14处安装托盘和螺母，拧动螺母套在外螺纹7上完成钻锚一体化锚杆5布设；

G、重复A-F步骤即可完成对对隧道内围岩的锚杆加固。

需要特别指出的是，对于软弱、裂隙围岩进行加固时，单向钻孔和插入锚杆同时进行，并且将钻头和锚固段留存在钻孔内部，配合锚固剂形成锚固结构；

避免了传统钻孔方式在钻孔形成后拔出钻头导致的钻孔塌孔的问题，并且，直接带入锚固端避免了传动方式锚固段难以在孔内与预留结构对接的问题，提高了布置锚杆的效率。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种钻锚一体化锚固装置，其特征在于，包括锚杆，锚杆一端沿轴向依次连接有锚固杆、连接盘和钻头，锚固杆外部同轴套设有多个锚固盘，锚固盘沿轴向间隔布置连接锚固杆，锚杆上套设有橡胶圈，用于配合锚杆封堵钻头加工的钻孔；所述橡胶圈上设有注浆嘴通孔，用于配合注浆管输出端的注浆嘴，使得注浆嘴向橡胶圈和钻孔形成的空腔内注浆；所述注浆嘴通孔配合有橡胶盖，橡胶盖一侧固定在橡胶圈上，并与注浆嘴通孔形成单向阀结构；所述锚杆连接锚固杆的位置为变径段，沿锚杆到锚固杆方向上，变径段的直径逐渐增大，所述变径段连接锚固杆的位置形成阶梯轴段，阶梯轴段的大直径段对接锚固杆，阶梯轴段形成的轴肩用于隔离橡胶圈与锚固杆；

变径段形成橡胶圈扩展区，阶梯轴段形成橡胶圈套接区和阻挡环，橡胶圈在外力作用下套接在橡胶圈套接区，完成橡胶圈与孔壁围岩之间的密封和橡胶圈与锚杆之间的密封。

2.如权利要求1所述的钻锚一体化锚固装置，其特征在于，所述钻头一端对接连接盘，钻头和连接盘的直径相等，且大于锚固盘和锚杆的直径。

3.如权利要求1所述的钻锚一体化锚固装置，其特征在于，所述锚固盘沿锚固杆轴向均匀间隔布置，锚固盘的直径大于锚杆的直径。

4.如权利要求1所述的钻锚一体化锚固装置，其特征在于，所述锚杆远离锚固杆的一端设有对接结构，用于对接外部设备。

5.一种锚固方法，其特征在于，利用如权利要求1-4任一项所述的钻锚一体化锚固装置，包括以下步骤：

依据围岩上标记的需要进行锚杆加固的位置布置钻锚一体化锚固装置；

将锚杆端部与外部锚杆钻机配合，驱动钻锚一体化锚固装置绕轴线自转，利用钻头对标记位置进行钻孔，直至到达目标深度；

调整橡胶圈位置，使其滑动至锚杆与锚固杆的对接位置，配合锚杆封堵钻孔；

向钻孔的封堵区域注浆填充，注浆完成待锚固剂凝固完成锚固。

6.如权利要求5所述的锚固方法，其特征在于，依据标记位置调整锚杆角度，在钻孔过程中，沿锚杆轴线方向施加推进压力。

7.如权利要求6所述的锚固方法，其特征在于，在锚杆与外部锚杆钻机解除配合后，锚杆远离锚固杆的一端通过连接件与外部其他设备配合。

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