CN112392526A - 锚杆组件及锚杆预紧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及支护技术领域，尤其涉及锚杆组件及锚杆预紧装置，锚杆组件包括锚杆和支护附件，支护附件包括托盘结构、弹性件和锁具，托盘结构、弹性件与锁具沿锚杆轴向依次套设于锚杆外侧，弹性件的一端与托盘结构抵接，另一端与锁具抵接。在锚杆张拉时，张拉千斤顶与锚杆连接，提供张拉力，锚杆受拉伸力沿轴向伸长，同时围岩体受到与拉伸力相等的压缩力产生压缩形变，在锚杆锁定时，锁具将锚杆锁止，此时弹性件变形迅速恢复，使围岩体的保持张拉过程中产生的压缩形变，减少围岩体因张拉至锁定状态变化而产生形变恢复，进而减小围岩体的形变损失，减少锚杆的自由段的变形量，提高锚杆轴向力，从而使锚杆预紧力提高25％～40％。
Description
技术领域
本发明涉及支护技术领域，尤其涉及锚杆组件及锚杆预紧装置。
背景技术
锚杆支护是我国煤矿巷道主要支护形式，是煤矿高产高效生产必不可少的关键技术之一。随着煤矿开采深度增加，困难巷道越来越多，高强度、高预应力、强力支护技术在煤矿中的使用非常广泛，合理的锚杆预紧力可以增加岩体的围压，有利于保持巷道围岩的稳定，因此锚杆预紧力大小是锚杆支护的主要参数，也是锚杆材料能否发挥作用的重要指标。张拉锁紧锚杆是提高锚杆预紧力有效手段之一。
锚杆张拉时，张拉千斤顶提供张拉力，等于千斤顶的有效作用面积和油压压力的乘积；锚杆预紧力，通常指锚杆张拉锁定后，锚杆端部载荷，等于锚杆的弹性变形量和锚杆刚度的乘积，可以使用锚杆测力计测试。锚杆张拉锁定后，二者有较大偏差。锚杆端部载荷是锚杆和围岩体相互作用的结果，是一个与矿山压力、围岩体特性、锚杆工作特性、锚杆与锁具相互作用等因素密切相关的变量。在刚性试验台，进行不同长度锚杆预紧力测试，此时预紧力损失主要是钢绞线应力松弛、锁具和锚杆相互作用引起的。
锚杆张拉过程中，涉及的因素较多，从围岩体内部向外边分别为锚固段锚杆，自由段锚杆，围岩体、刚带加托盘(托盘+刚护板)、锚具(包括锚环和夹片)，张拉和锁定时，系统比较复杂，有弹性变形、滑移接触对和直压接触对。张拉过程，主要是锚固段锚杆、自由段锚杆拉伸变形，孔口附近围岩体和支护附件(托盘+钢护板)压缩变形；同时包括：锚杆和孔壁滑移接触，夹片和锚杆滑移接触等。锁定和张拉过程基本相同，锁定时，锚杆拉伸变形变小，压缩变形部分恢复。
发明内容
本发明提供一种锚杆组件及锚杆预紧装置，用以解决现有技术中张拉锁紧锚杆产生锚杆预紧力是容易产生预紧力损失，难以产生预期的预紧效果的缺陷，实现减少锚杆的自由段的变形量，提高锚杆轴向力，预紧力提高25％～40％之间的效果。
本发明提供一种锚杆组件，包括锚杆和支护附件，所述支护附件包括托盘结构、弹性件和锁具，所述托盘结构、所述弹性件与所述锁具沿所述锚杆轴向依次套设于所述锚杆外侧，所述弹性件的一端与所述托盘结构抵接，另一端与所述锁具抵接。
根据本发明提供的一种锚杆组件，所述弹性件为环形弹簧垫片。
根据本发明提供的一种锚杆组件，所述托盘结构包括托盘和球垫，所述托盘一端抵接岩壁，另一端与所述球垫的圆弧面嵌合，所述弹性件与所述球垫的平面抵接。
根据本发明提供的一种锚杆组件，所述锁具包括锁环和锁片，所述锁环上设有锥形孔，所述锥形孔的孔径沿远离所述弹性件的方向逐渐增大，所述锁片设置于所述锥形孔的孔壁与所述锚杆的外壁之间。
本发明还提供一种锚杆预紧装置，包括张拉千斤顶和如上所述的锚杆组件，所述张拉千斤顶包括张拉组件和顶推组件，所述张拉组件与所述锚杆连接，所述顶推组件与所述锁具连接。
本发明提供的锚杆组件，锚杆锚固在围岩体内后，伸出围岩体外的部分依次穿过托盘结构、弹性件和锁具，托盘结构抵在岩壁上，弹性件的两端分别与托盘结构和锁具抵接。通过在托盘结构和锁具之间增加一个弹性件，在锚杆张拉时，张拉千斤顶与锚杆连接，提供张拉力，锚杆受拉伸力沿轴向伸长，同时围岩体受到与拉伸力相等的压缩力产生压缩形变，弹性件在锚杆张拉过程中也产生压缩形变；在锚杆锁定时，张拉千斤顶卸载不再提供张拉力，锁具将锚杆锁止，此时弹性件变形迅速恢复，抵消围岩体的部分形变恢复力，使围岩体的保持张拉过程中产生的压缩形变，减少围岩体因张拉至锁定状态变化而产生形变恢复，进而减小围岩体的形变损失，减少锚杆的自由段的变形量，提高锚杆轴向力，从而使锚杆预紧力提高25％～40％。通过锁具锁紧，保证锚杆在使用过程不丢载，提高锚杆支护效果。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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是本发明提供的锚杆预紧装置的结构示意图；
图2是本发明提供的锚杆预紧装置的锚杆预紧原理示意图；
图3是本发明提供的锚杆预紧力试验台的结构示意图；
附图标记：
1：锚杆；
2：支护附件；21：托盘结构；22：弹性件；23：锁具；211：托盘；212：球垫；231：锁环；232：锁片；
3：张拉千斤顶；
01：左端锁具；02：活动托盘；03：千斤顶第一部；04：第一压力传感器；05：千斤顶第二部；06：圆筒；07：数据接收仪；08：测试弹性件；09：测试锁具；010：第二压力传感器；011：测试张拉千斤顶；012：测试锚杆；013：台架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
如图1所示，本发明实施例提供的锚杆组件，包括锚杆1和支护附件2，支护附件2包括托盘结构21、弹性件22和锁具23，托盘结构21、弹性件22与锁具23沿锚杆1轴向依次套设于锚杆1外侧，弹性件22的一端与托盘结构21抵接，另一端与锁具23抵接。
本发明实施例的锚杆组件，锚杆1锚固在围岩体内后，伸出围岩体外的部分依次穿过托盘结构21、弹性件22和锁具23，托盘结构21抵在岩壁上，弹性件22的两端分别与托盘结构21和锁具23抵接。通过在托盘结构21和锁具23之间增加一个弹性件22，在锚杆1张拉时，张拉千斤顶3与锚杆1连接，提供张拉力，锚杆1受拉伸力沿轴向伸长，同时围岩体受到与拉伸力相等的压缩力产生压缩形变，弹性件22在锚杆1张拉过程中也产生压缩形变；在锚杆1锁定时，张拉千斤顶3卸载不再提供张拉力，锁具23将锚杆1锁止，此时弹性件22变形迅速恢复，抵消围岩体的部分形变恢复力，使围岩体的保持张拉过程中产生的压缩形变，减少围岩体因张拉至锁定状态变化而产生形变恢复，进而减小围岩体的形变损失，减少锚杆1的自由段的变形量，提高锚杆1轴向力，从而使锚杆1预紧力提高25％～40％。通过锁具23锁紧，保证锚杆1在使用过程不丢载，提高锚杆1支护效果。
根据锚杆1的张拉锁定过程的结构和载荷特性，近似简化为弹簧模型，其结构示意如图2所示，图2中K1为锚杆1、锚固剂和围岩体三者构成锚固段的简化刚度，锚固段并不是一个完全弹性模量，对于分析锚杆1预紧力来说，可简化为弹性变形。K2为锚杆1的自由段刚度，K3为围岩体的接触刚度，它不仅与围岩体的性质有关，还与支护附件2的护表面积密切相关，对于同样的围岩体钢护板接触面积大，其接触刚度大。K3近似简化为线弹性，K4为支护附件2主要是托盘211刚度，锚杆1张拉时弹簧K1、K2分别为拉伸变形X1、X2，弹簧K3对应压缩变形X3，弹簧K4对应压缩变形X4，
由上述可知，锚杆1张拉时，张拉力主要作用两部分，一部分转换为锚杆1的伸长，另外一部分为围岩体的压缩。锁定过程中是上述四个弹簧的部分恢复过程，弹簧K2、K3恢复变形对锚杆1预紧力的大小起到重要作用，弹簧K2锁定的拉伸变形大小是锚杆1预紧力核心因素，锚杆1的杆体决定弹簧K2的大小，在锚杆1支护中选定支护方案后，K2的大小基本不变。改变K3可以改变锚杆1预紧力大小。改变K3就可以提高锚杆1预紧力的大小。
在如图3所示的锚杆预紧力试验台上分别进行2m和1.6m自由段的锚杆预紧力测试，锚杆预紧力试验台依次通过左端锁具01、活动托盘02、千斤顶第一部03、千斤顶第二部05、圆筒06、测试弹性件08、测试锁具09、测试张拉千斤顶011和台架013来固定安装测试锚杆012，并通过第一压力传感器04、第二压力传感器010和数据接收仪07对预紧力试验过程进行检测记录，初始张拉力分别为100kN和130kN，进行有环形弹簧垫片和无环形弹簧垫片总计4次锚杆预紧力对比测试，实验数据结果如下表所示，锚杆1预紧力提高25％～40％：
根据本发明提供的一个实施例，弹性件22为环形弹簧垫片。本实施例中，弹性件22采用圆环形弹簧垫片，圆环形弹簧垫片可套设于锚杆1上，保证良好的受力与力传递。
根据本发明提供的一个实施例，托盘结构21包括托盘211和球垫212，托盘211一端抵接岩壁，另一端与球垫212的圆弧面嵌合，弹性件22与球垫212的平面抵接。本实施例中，锚杆1沿其轴向依次穿过托盘211、球垫212和环形弹簧垫片。托盘211为拱形，扣设于围岩体的岩壁上，拱形的弧面最高点位置设置弧形凹孔，以配合球垫212安装，球垫212的一侧为圆弧面，另一侧为平面，圆弧面嵌入托盘211的弧形凹孔中，环形弹簧垫片的一端与平面抵接进行力传递。
根据本发明提供的一个实施例，锁具23包括锁环231和锁片232，锁环231上设有锥形孔，锥形孔的孔径沿远离弹性件22的方向逐渐增大，锁片232设置于锥形孔的孔壁与锚杆1的外壁之间。本实施例中，锁环231是环形结构，其中间的通孔为锥形孔，锁片232设置为多片，其外壁弧度尺寸与锁环231的锥形孔的锥度配合、内壁弧度尺寸与锚杆1的外径尺寸配合，锁片232设置在锁环231的锥形孔内壁与锚杆1的杆体之间。锚杆1张拉过程中，张拉千斤顶3顶推锁环231，锁环231向弹性件22传递顶推压力，锁定过程中，锁片232移动嵌入锥形孔与锚杆1之间，使锚杆1与锁环231之间的相对位置固定，保证锚杆1在使用过程不丢载，提高锚杆1支护效果
本发明实施例还提供了锚杆预紧装置，包括张拉千斤顶3和如上述实施例的锚杆组件，张拉千斤顶3包括张拉组件和顶推组件，张拉组件与锚杆1连接，顶推组件与锁具23连接。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种锚杆组件，其特征在于：包括锚杆和支护附件，所述支护附件包括托盘结构、弹性件和锁具，所述托盘结构、所述弹性件与所述锁具沿所述锚杆轴向依次套设于所述锚杆外侧，所述弹性件的一端与所述托盘结构抵接，另一端与所述锁具抵接。
2.根据权利要求1所述的锚杆组件，其特征在于：所述弹性件为环形弹簧垫片。
3.根据权利要求1所述的锚杆组件，其特征在于：所述托盘结构包括托盘和球垫，所述托盘一端抵接岩壁，另一端与所述球垫的圆弧面嵌合，所述弹性件与所述球垫的平面抵接。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的锚杆组件，其特征在于：所述锁具包括锁环和锁片，所述锁环上设有锥形孔，所述锥形孔的孔径沿远离所述弹性件的方向逐渐增大，所述锁片设置于所述锥形孔的孔壁与所述锚杆的外壁之间。
5.一种锚杆预紧装置，其特征在于：包括张拉千斤顶和如权利要求4所述的锚杆组件，所述张拉千斤顶包括张拉组件和顶推组件，所述张拉组件与所述锚杆连接，所述顶推组件与所述锁具连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210223 |
|
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