CN112065481B - 一种抗剪切锚杆及防止顶板剪切错动的支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗剪切锚杆及防止顶板剪切错动的支护方法，所述的锚杆杆体从孔口端到孔底端依次为：用于安装锁紧螺母的细牙螺纹段、变径光杆段和粗牙螺纹段，粗螺纹段的杆尾也就是孔底端呈45°的斜面；在变径段和粗螺纹段的杆体周圈上均匀加工有圆形通孔，通孔的中心线与杆体中心线平行。当岩层剪切错动时，通孔被压实，可释放掉部分剪切应力，起到横向方向让压、抗剪切的目的。同时支护顶板过程中，抗剪切锚杆向下部岩层倾斜5‑10°，将锚杆轴向力分解为垂直岩层方向的力和平行岩层方向的力，垂直岩层方向的力可对岩层施加挤压作用，提高岩层下滑的摩擦阻力；平行岩层方向的力可为岩层提供向上的拉力，降低岩层向下滑动的下行力。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域。
背景技术
近年来，东部煤炭资源逐渐枯竭，为保障煤炭企业的可持续发展，部分复杂条件煤层开采逐渐提上日程，包括倾斜煤层开采、极深煤层开采等方面。倾斜煤层开采过程中面临诸多难题，在采场范围内，具体难题有倾斜煤层工作面液压支架的防倾倒措施、采煤机的防滑设计、刮板输送机的可靠性分析等方面，在巷道稳定性方面，在回采巷道设计时，为保障顶板的完整性，巷道顶板经常设计为倾斜状态(图1)，当受采动影响时，倾斜巷道顶板很容易发生滑动变形，导致倾斜煤层开采过程中巷道支护问题凸显，本发明主要目的是为了解决倾斜煤层中的回采巷道支护问题。
锚固支护是现在巷道支护的主要方式，随着现场条件的逐渐复杂化，对应开发出多种锚杆形式，具体有全螺纹锚杆、高强锚杆、玻璃钢锚杆等支护构件，虽然现有的锚杆轴向强度较高，轴向承载能力较大，但其横向抗剪能力相对较弱。同时，现在的锚固支护中均施加较大的预应力，在高预应力下，当岩层发生滑动时，锚杆更容易发生剪切破坏，这将严重威胁煤矿安全生产。
发明内容
基于倾斜煤层回采巷道顶板剪切错动的应力环境,针对倾斜煤层开采中巷道顶板锚杆容易剪断现象，本发明设计出一种抗剪切锚杆，在保障轴向承载能力的前提下，这种锚杆的抗剪切强度较普通高强锚杆的抗剪切强度明显提高，同时提出一种防止顶板剪切错动的支护方法，为倾斜煤层开采巷道支护提供保障。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
一种抗剪切锚杆，它包括锚杆本体，其特征在于，所述的锚杆本体的杆体从孔口端到孔底端依次为：用于安装锁紧螺母的细牙螺纹段、变径光杆段和粗牙螺纹段，粗螺纹段的杆尾也就是孔底端呈45°的斜面；在变径段和粗螺纹段的杆体周圈上均匀加工有圆形通孔，通孔的中心线与杆体中心线平行；
要求细牙螺纹段、变径光杆段和粗牙螺纹段的公称直径、螺纹间距以及螺纹高度应满足三者的屈服强度相等。
进一步：
所述的细螺纹段去除螺纹高度后直径为18-22mm、长度150-250mm、屈服强度为600MPa，螺纹螺距3-5mm，螺纹高度1-2mm；
所述的变径段光杆直径由18-22mm变为22-26mm、长度200-300mm、屈服强度为600MPa；
所述的粗螺纹段去除螺纹高度后直径为22-26mm、屈服强度为600MPa，螺纹螺距30-50mm，螺纹高度2-3mm，粗螺纹段除去斜面段长度为2000-2400mm、加工成45°斜面的杆尾长度为30-50mm。也就是说，粗螺纹段长边长度为2030-2450mm，短边长度为2000-2400mm
所述的圆形通孔的直径为2mm，圆形通孔的中心线与锚杆杆体中心线间距为10-12mm。
利用本发明抗剪切锚杆防止顶板剪切错动的支护方法，包含巷道顶板支护、巷道上帮支护、巷道下帮支护三部分，其中
第一，对巷道顶板支护
巷道顶板支护采用抗剪切锚杆支护、高强锚索梁支护来实现；其中：
抗剪切锚杆支护时，抗剪切锚杆与顶板岩层垂直方向呈5-10°夹角，向岩层下部方向倾斜；
高强锚索梁支护时，高强锚索与顶板岩层垂直方向呈5-10°夹角，向岩层下部方向倾斜；
第二：对巷道上帮进行支护
倾斜顶板巷道中，定义巷帮高度较大的一侧为巷道上帮，巷道上帮支护通过高强锚杆来实现，支护时，上隅角高强锚杆向顶板方向上挑10-15°，下隅角高强锚杆向底板方向下扎10-15°；
第三：对巷道下帮支护
倾斜顶板巷道中，定义巷帮高度较小的一侧为巷道下帮，巷道下帮支护通过高强锚杆来实现，支护时，下隅角锚杆向底板方向下扎10-15°。
本发明的工作原理和技术效果是：
本发明为了防止倾斜煤岩层中的巷道顶板锚杆剪切错动破坏，对锚杆进行，改进过程中主要注重轴向强度的提高。近年来，随着开采条件的复杂化，开发出多种锚杆结构形式，锚杆的轴向承载能力得到极大提高，但其横向抗剪能力一直被忽视，导致大多数锚杆的抗剪强度相对较弱。同时，现在的锚固支护中均施加较大的预应力，在高预应力下，当岩层发生滑动时，锚杆更容易发生剪切破坏。
针对倾斜煤层开采中巷道顶板锚杆容易剪断现象，本发明设计出一种高强度抗剪切锚杆，该锚杆的圆周设计有小孔，当岩层剪切错动时，小孔被压实，可释放掉部分剪切应力，起到横向方向让压、抗剪切的目的。同时，该抗剪切锚杆的直径较普通高强锚杆大，这样可有效保障锚杆的轴向承载能力不降低。
在使用抗剪切锚杆支护顶板过程中，抗剪切锚杆向下部岩层倾斜5-10°。基于力的分解原理，将抗剪切锚杆轴向力分解为垂直岩层方向的力和平行岩层方向的力，垂直岩层方向的力可对岩层施加挤压作用，提高岩层下滑的摩擦阻力；平行岩层方向的力可为岩层提供向上的拉力，降低岩层向下滑动的下行力。同时，抗剪切锚杆倾向岩层下部的角度不宜过大，若向下的倾角较大，垂直岩层方向的分力将明显减小，这将降低锚杆的轴向加固效果。
附图说明
图1为本发明一种防止顶板剪切错动的支护方法的主视结构图；
图2为本发明一种防止顶板剪切错动的支护方法的俯视结构图；
图3为本发明抗剪切锚杆本体的结构示意图；
图4为图3中A-A向剖视图；
图5为图3中B-B向剖视图；
图6为本发明一种防止顶板剪切错动的支护方法上帮支护的结构示意图；
图7为本发明一种防止顶板剪切错动的支护方法下帮支护的结构示意图；
图8为本发明抗剪切锚杆的轴向力分解示意图。
其中，1、抗剪切锚杆杆体；101、细牙螺纹段；102、变径段；103、粗牙螺纹段；104、杆尾段；2、顶板；3、底板；4、W钢带；5、高强锚索；6、U29钢梁；7、高强锚杆；8、巷道岩体，9-通孔,10-巷道上帮，11-巷道下帮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1-8所示，本发明实施例提供的抗剪切锚杆的杆体1按照使用方法从孔口端到孔底端依次为：细牙螺纹段101、变径段102、粗牙螺纹段103，粗牙螺纹段103的杆尾段104为45°的斜面，变径段102为光杆；在变径段102和粗牙螺纹段103的杆体周圈上均匀加工有图4所示的圆形通孔9，通孔9的中心线与抗剪切锚杆的杆体1中心线平行；从图3中看出：通孔9一端从变径段102伸出，另一段从粗牙螺纹段103的杆尾段104斜面伸出。
上述实施例中，抗剪切锚杆的杆体1材质为带有粗牙螺纹的HRB600螺纹钢，加工时，将螺纹钢靠近孔口的一段加工成带有细牙螺纹的细螺纹段101用于安装锁紧螺母，细螺纹段101除去螺纹高度后直径为18-22mm、长度150-250mm、屈服强度为600MPa，螺纹螺距3-5mm，螺纹高度1-2mm，紧挨着细螺纹段101的螺纹钢加工成光杆的变径段102，变径段102直径由18-22mm变为22-26mm、长度200-300mm、屈服强度为600MPa；变径段102之后的螺纹钢段作为粗牙螺纹段103，粗牙螺纹段103尾部切成45°的斜面，粗牙螺纹段103除去螺纹高度后的直径为22-26mm、不包括斜面长的长度为2000-2400mm、屈服强度为600MPa，螺纹螺距30-50mm，螺纹高度2-3mm，粗牙螺纹段103的杆尾段104直径为22-26mm、长度30-50mm、屈服强度为600MPa，螺纹螺距30-50mm，螺纹高度2-3mm。
实施例中，圆形通孔9有20-24个，直径为2mm，圆形通孔9的中心线距离杆体1中心线10-12mm。
利用实施例的锚杆防止顶板剪切错动的支护方法、包括以下具体步骤：
S1.对巷道顶板2支护
巷道顶板支护采用抗剪切锚杆本体1和高强锚索5支护来实现，利用抗剪切锚杆本体1支护时，将抗剪切锚杆本体1穿过托盘、穿过W钢带4、钢筋网等支护构件安装在顶板2表面，使抗剪切锚杆本体1与顶板2、巷道岩体8垂直方向呈5-10°夹角固定，向巷道岩体8下部方向倾斜，多个抗剪切锚杆本体1间排距均为0.8-1.0m，支护过程中抗剪切锚杆本体1施加预应力400kN，每根抗剪切锚杆本体1对应一个尺寸为150×150×15mm的托盘，每排抗剪切锚杆本体1对应一条宽为300mm、厚度为5mm的W钢带4，W钢带4较巷道宽度小200-300mm(图1、图2)。在使用抗剪切锚杆本体1支护顶板2的过程中，抗剪切锚杆本体1向下部岩层倾斜5-10°，基于力的分解原理，将抗剪切锚杆本体1轴向力分解为垂直岩层方向的力和平行岩层方向的力，如图8所示，垂直岩层方向的力可对岩层施加挤压作用，提高岩层下滑的摩擦阻力；平行岩层方向的力可为岩层提供向上的拉力，降低岩层向下滑动的下行力，同时，抗剪切锚杆本体1倾向岩层下部的角度不宜过大，若向下的倾角较大，垂直岩层方向的分力将明显减小，这将降低锚杆的轴向加固效果。
利用高强锚索5支护时，将高强锚索5穿过U29钢梁6、钢筋网等支护构件安装在巷道表面，使高强锚索5与顶板2、巷道岩体8垂直方向呈5-10°夹角固定，向巷道岩体8下部方向倾斜，高强锚索5直径17.8-21.6mm，长度6.3-8.3m，屈服强度为1860MPa，高强锚索5排距为1.6-2.0m，一根U29钢梁6对应三根高强锚索5，中间的高强锚索5布置在巷道宽度的中间位置，两侧的高强锚索5与中间高强锚索5的间距取1.6-2.0m，U29钢梁6两端比两侧高强锚索5高出0.2-0.3m。
S2.对巷道上帮10支护(见图6)
倾斜顶板巷道中，定义巷帮高度较大的一侧为巷道上帮，巷道上帮支护通过高强锚杆7来实现，高强锚杆7的直径为20-22mm，长度2.6-2.8m，屈服强度为600MPa，支护过程中，将高强锚杆7穿过托盘、钢筋网等支护构件安装在巷道上帮10表面，高强锚杆7间排距均为0.8-1.0m，上隅角高强锚杆7向顶板2方向上挑10-15°，下隅角高强锚杆7向底板3方向下扎10-15°，支护过程中，每根高强锚杆7对应一个尺寸为150×150×15mm的托盘，一排高强锚杆7对应一条宽为300mm、厚度为5mm的W钢带4；
S3.对巷道下帮11支护(见图7)
倾斜顶板巷道中，定义巷帮高度较小的一侧为巷道下帮，巷道下帮支护通过高强锚杆7来实现，支护过程中，将高强锚杆7穿过托盘、钢筋网等支护构件安装在巷道下帮11表面，高强锚杆7间排距均为0.8-1.0m，下隅角高强锚杆7向底板3方向下扎10-15°，支护过程中，每根高强锚杆7对应一个尺寸为150×150×15mm的托盘，一排高强锚杆7对应一条宽为300mm、厚度为5mm的W钢带4。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种抗剪切锚杆，它包括锚杆本体，其特征在于，所述的锚杆本体的杆体从孔口端到孔底端依次为：用于安装锁紧螺母的细牙螺纹段、变径光杆段和粗牙螺纹段，粗牙螺纹段的杆尾也就是孔底端呈45°的斜面；在变径光杆段和粗牙螺纹段的杆体周圈上均匀加工有圆形通孔，通孔的中心线与杆体中心线平行；
要求细牙螺纹段、变径光杆段和粗牙螺纹段的公称直径、螺纹间距以及螺纹高度应满足三者的屈服强度相等；
所述的细牙螺纹段去除螺纹高度后直径为18-22mm，细牙螺纹段长度150-250mm，屈服强度为600MPa，螺纹螺距3-5mm，螺纹高度1-2mm；
所述的变径段光杆直径由18-22mm变为22-26mm，长度200-300mm，屈服强度为600MPa；
所述的粗牙螺纹段去除螺纹高度后直径为22-26mm、屈服强度为600MPa，螺纹螺距30-50mm，螺纹高度2-3mm；
所述的圆形通孔的直径为2mm，圆形通孔的中心线与锚杆杆体中心线间距为10-12mm；
抗剪切锚杆支护时，抗剪切锚杆与顶板岩层垂直方向呈5-10°夹角，向岩层下部方向倾斜。
2.如权利要求1所述的抗剪切锚杆，其特征在于，
粗牙螺纹段除去斜面段长度为2000-2400mm、加工成45°斜面的杆尾长度为30-50mm。
3.一种利用权利要求1或2所述的抗剪切锚杆防止顶板剪切错动的支护方法，其特征在于，它包含巷道顶板支护、巷道上帮支护和巷道下帮支护三部分，其中：
第一，对巷道顶板支护
巷道顶板支护采用抗剪切锚杆支护、高强锚索梁支护来实现；其中：
抗剪切锚杆支护时，抗剪切锚杆与顶板岩层垂直方向呈5-10°夹角，向岩层下部方向倾斜；
高强锚索梁支护时，高强锚索与顶板岩层垂直方向呈5-10°夹角，向岩层下部方向倾斜；
第二：对巷道上帮进行支护
倾斜顶板巷道中，定义巷帮高度较大的一侧为巷道上帮，巷道上帮支护通过高强锚杆来实现，支护时，除上隅角高强锚杆向顶板方向上挑10-15°，下隅角高强锚杆向底板方向下扎10-15°外，其余高强锚杆垂直巷道上帮；
第三：对巷道下帮支护
倾斜顶板巷道中，定义巷帮高度较小的一侧为巷道下帮，巷道下帮支护通过高强锚杆来实现，支护时，除下隅角高强锚杆向底板方向下扎10-15°外，其余高强锚杆垂直巷道下帮。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Qinghai Inventor after: Li Xiujie Inventor after: Zheng Xuejun Inventor after: Geng Xuesheng Inventor after: Li Zhishen Inventor after: Wang Tao Inventor after: Ji Yonghu Inventor after: Gao Zhenliang Inventor after: Wang Yong Inventor after: Chen Weilong Inventor before: Zheng Xuejun Inventor before: Gao Zhenliang Inventor before: Li Qinghai Inventor before: Li Zhishen Inventor before: Li Xiujie Inventor before: Wang Tao Inventor before: Ji Yonghu Inventor before: Geng Xuesheng Inventor before: Wang Yong Inventor before: Chen Weilong |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20230321 Address after: 579 qianwangang Road, Huangdao District, Qingdao City, Shandong Province Applicant after: SHANDONG University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Applicant after: Shandong Lilou Coal Industry Co.,Ltd. Address before: 274700 Pan Du Xiang Li Lou Cun, Yuncheng County, Heze City, Shandong Province Applicant before: Shandong Lilou Coal Industry Co.,Ltd. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |