CN113027500B - 一种外涨摩擦式恒阻吸能锚索及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型外涨摩擦式恒阻吸能锚索及其使用方法，新型外涨摩擦式恒阻吸能锚索包括钢绞线、锥形锁具和托盘，锥形锁具与托盘之间设有外涨式弹性环，外涨式弹性环包括第三环体、第二环体，以及自第二环体朝向托盘所在侧延伸的第一环体，第二环体的内侧面为与锥形锁具接触连接的支撑斜面。本发明确保锥形锁具与外涨式弹性环同轴，解决偏载问题；在动力载荷作用下，托盘推动外涨式弹性环向锥形锁具移动，锥形锁具圆柱段外侧面与外涨式弹性环第二环体开始接触，在锥形锁具挤涨力的作用下，外涨式弹性环与锥形锁具保持恒定摩擦阻力，在恒定力作用下锥形锁具与外涨式弹性环发生错动，替代钢绞线一部分的变形量，从而吸收围岩外胀的释放能。

Description

一种外涨摩擦式恒阻吸能锚索及其使用方法

技术领域

本发明涉及巷道锚固技术领域，尤其涉及到一种外涨摩擦式恒阻吸能锚索及其使用方法。

背景技术

近些年来随着煤矿资源的逐步枯竭，煤矿开采向地质条件复杂、大埋深方向迈进，目前形势下巷道支护面临两大难题：动压条件下锚索瞬间破断和软岩条件下高强锚索拉伸破断问题。

动压情况下锚索瞬间破断和在软岩支护中储能拉伸破断现象在煤矿很常见，为解决该类问题在锚索中增加让压管构件，而在实际工作过程中让压管构件存在较多问题：让压管与锁具不同轴容易发生偏载效应，增加让压管反而降低锚索支护效率；动压瞬间能量释放或者软岩围岩胀力过大让压管构件受力突变后存在压溃现象，锚索受力迅速下降。通过现场使用验证，传统让压构件难以解决动压情况下锚索瞬间破断和在软岩支护中储能拉伸破断的问题。所以研制一种新型吸能锚索，对于动压和软岩巷道支护从安全、经济角度上来讲是非常有意义的。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种外涨摩擦式恒阻吸能锚索，解决了在强矿压、冲击地压发生时锚索瞬间破断问题；解决了软岩大变形巷道等条件下，巷道围岩蠕变大变形，锚索支护体大量蓄能，易发生拉伸破断，同时也解决了巷道同断面锚索受力不均等，支护系统不耦合条件下局部拉伸破断等相关的技术难题。

本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种外涨摩擦式恒阻吸能锚索，包括钢绞线，以及安装在钢绞线上的锥形锁具和托盘，其特征在于：锥形锁具与托盘之间设有与锥形锁具同轴的外涨式弹性环，所述外涨式弹性环包括第二环体，以及自第二环体朝向托盘所在侧延伸的第一环体，第二环体的内侧面为与锥形锁具接触连接的支撑斜面。

本方案通过锥形锁具与外涨式弹性环支撑斜面的斜面连接，在围岩外涨致使钢绞线受拉时，利用支撑斜面的导向，使外涨式弹性环与锥形锁具发生相对位移，利用外涨式弹性环的外涨变形和摩擦阻力实现吸能，避免锚索断裂，外涨式弹性环与锥形锁具同轴设置，避免出现偏载效应。

作为优化，所述锥形锁具朝向托盘的一端侧面为与支撑斜面适配的锥形斜面，且锥形斜面朝向托盘一端的外径小于另一端的外径，第一环体的侧壁为锥形，且第一环体朝向托盘一端的内径大于第一环体另一端的内径，锥形锁具的锥形斜面大径端的外径大于第一环体大径端的内径。本优化方案通过锥形斜面与支撑斜面的配合，可实现小位移下锚索迅速增阻，施加预紧力方便，同时避免影响锚索初期支护效率；锥形斜面大径端的外径大于第一环体大径端的内径，在外涨式弹性环与锥形锁具发生相对位移至锥形斜面大径端与支撑斜面小径端相对时，第一环体外涨变形，实现锥形锁具与外涨式弹性环之间的摩擦移动，即锚索受力达到初始让压点后，锥形斜面大径端与外涨式弹性环第一环体内壁接触，保持恒定摩擦阻力，在恒定力作用下锥形锁具锥形斜面大径端与外涨式弹性环第一环体发生位移变形，从而替代钢绞线发生一定的变形量，吸收围岩外胀的释放能，确保锚索支护效率，有效防止巷道大变形环境下高强锚索被拉伸破断。

作为优化，第二环体远离第一环体的一端固设有远离托盘延伸的第三环体，所述锥形锁具的外侧壁包括所述锥形斜面形成的锥形段，以及自锥形段远离托盘延伸的圆柱段，圆柱段的外径与锥形斜面的大径端直径相等，且圆柱段的外径与第三环体的内孔适配。本优化方案通过设置第三环体，一方面，圆柱段可延伸至第三环体内，进一步确保锥形锁具与外涨式弹性环同轴，受力效果好，解决偏载问题；另一方面，在锚索受力达到初始让压点后，增大了锥形锁具与外涨式弹性环第一环体内壁的接触面积，提高了摩擦力，从而提高了吸能效果。

作为优化，第一环体、第二环体和第三环体为沿轴向依次设置的一体件。本优化方案将第一环体、第二环体和第三环体设置为一体件，更容易控制和计算各部分变形量。

作为优化，第二环体的壁厚变化为，自与第三环体连接的一端沿轴向递增，然后沿轴向递减至与第一环体的壁厚一致。锥形锁具与外涨式弹性环接触后，随着锚索受力逐渐增加，轴向受力和径向受力均增加，而随着锥形斜面与支撑斜面之间的夹角增大，轴向向下的分力逐渐向径向力转变，有效防止轴向力突然增大而导致的外涨让压环“压溃”现象，通过增加厚度解决径向力对外涨弹性环的塑性破坏，保持力的平稳过度。

圆柱段与锥形段之间通过第一圆弧过渡连接，第二环体与第三环体之间通过第二圆弧过渡连接，第一圆弧与第二圆弧的半径相等，且锥形斜面的斜长等于支撑斜面的斜面长度。本优化方案采用第一圆弧的弧面与支撑斜面接触，锚索受力初期，由于锥形锁具圆弧面与外涨式弹性环第二环体部分斜面连接，随位移下降接触角度逐渐增大，实现小位移锚索受力迅速增加，初期小变形小于锚索弹性变形，增加外涨式弹性环不降低锚索初期支护效率。

作为优化，第一环体的壁厚一致，第一环体的侧壁与锚索轴向夹角为3°~5°。本优化方案的设置，将第一环体设置为侧壁等厚的变径等厚恒阻环，在达到钢绞线非比例延伸力后，可提供稳定的摩擦阻力，与轴向有3°～5°的夹角，可解决变径等厚恒阻环材料在摩擦发生塑性变形产生的力的积累，保持恒定摩擦阻力。

作为优化，钢绞线上还套设有与托盘适配的球形垫圈，球形垫圈上开设有与外涨式弹性环朝向托盘的一端适配的环形凹槽。本优化方案通过设置球形垫圈，便于安装时对外涨式弹性环找正，使其轴向与钢绞线一致，通过设置环形凹槽，对外涨式弹性环朝向托盘的一端进行径向限位，保证了外涨吸能的可靠性。

本方案还提供一种外涨摩擦式恒阻吸能锚索的使用方法，包括如下方面：

1、安装时，将钢绞线固定在锚固孔中，并在钢绞线上依次安装托盘、球形垫圈、外涨式弹性环和锥形锁具；

2、锥形锁具伸至第三环体中，确保锥形锁具与外涨式弹性环同轴，受力效果好，避免发生偏载问题；

3、锥形锁具过渡圆弧面与第二环体的支撑斜面接触，随位移下降接触角度逐渐增大，在达到钢绞线初始屈服力前，实现小位移下锚索迅速增阻，施加预紧力方便；

4、通过钢绞线非比例延伸力、材质弹性模量设计斜面长度，控制初始吸能让压点；

5、锚索受力达到初始让压点后，在动力载荷作用下，托盘推动外涨式弹性环向锥形锁具移动，锥形锁具圆柱段外侧面与外涨式弹性环第二环体、第一环体开始接触，在锥形锁具挤涨力的作用下，外涨式弹性环与锥形锁具保持恒定摩擦阻力，在恒定力作用下锥形锁具圆柱段与外涨式弹性环变径环第二环体、第一环体开始发生错动，替代钢绞线一部分的变形量，从而吸收围岩外胀的释放能，有效防止锚索拉伸破断；

6、当瞬间动力载荷发生时，锥形锁具与外涨式弹性环瞬间发生摩擦位移，瞬间吸收动能，避免钢绞线在瞬间动压条件下的破断；

7、利用锥形锁具与外涨式弹性环之间恒定摩擦阻力变形来吸收围岩外胀释放能和瞬间动能，外涨式弹性环变径等厚部分中轴向长度越大，与锥形锁具之间的摩擦变形量越大，吸收的释放能越大。

本发明的有益效果为：采用外涨摩擦恒阻结构代替传统让压构件，将锥形锁具与外涨式弹性环通过套环连接在一起，确保锥形锁具与外涨式弹性环同轴，受力效果好，解决偏载问题；采用圆弧面与外涨式弹性环增阻不等厚环支撑斜面连接，可实现小位移下锚索迅速增阻，施加预紧力方便，同时不影响锚索初期支护效率；设计初始吸能让压点为钢绞线非比例延伸力，锚索受力达到初始让压点后，在动力载荷作用下，托盘推动外涨式弹性环向锥形锁具移动，锥形锁具圆柱段外侧面与外涨式弹性环第二环体、第一环体开始接触，在锥形锁具挤涨力的作用下，外涨式弹性环与锥形锁具保持恒定摩擦阻力，在恒定力作用下锥形锁具圆柱段与外涨式弹性环第二环体、第一环体开始发生错动，替代钢绞线一部分的变形量，从而吸收围岩外胀的释放能，确保锚索支护效率，有效防止巷道大变形环境下钢绞线拉伸破断；同时当瞬间动力载荷发生时，锥形锁具与外涨式弹性环瞬间发生摩擦位移相应，瞬间吸收动能，避免钢绞线在瞬间动压条件下的破断，在保证巷道支护安全的同时，降低巷道支护综合成本。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明锥形锁具结构示意图；

图3为本发明锥形锁具俯视图；

图4为本发明外涨式弹性环结构示意图；

图5为本发明外涨式弹性环的俯视图；

图中所示：

1、钢绞线，2、锥形锁具，3、外涨式弹性环，4、球形垫圈，5、托盘，6、锚环，7、夹片，8、第三环体， 9、第二环体，10、第一环体。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

如图1所示一种外涨摩擦式恒阻吸能锚索，包括钢绞线1，以及安装在钢绞线上的锥形锁具2和托盘5，托盘承载力大于或等于锚索破断力，锥形锁具与托盘之间设有与锥形锁具同轴的外涨式弹性环3，钢绞线上还套设有与托盘适配的球形垫圈4，球形垫圈上开设有与外涨式弹性环朝向托盘的一端适配的环形凹槽。钢绞线1采用强度级别≥1820MPa，适用钢绞线公称半径21.6mm、21.8mm、28.6mm。球形垫圈4的最大外径≥60mm、孔径为25~30mm、高度≥18mm，凹槽槽深≥2mm。

外涨式弹性环包括沿轴向依次设置第一环体10、第二环体9和第三环体8，外涨式弹性环的最大外径小于或等于70mm，第三环体8、第二环体9和第一环体10的轴向长度之比为1:3:5。第二环体与第三环体之间通过第二圆弧过渡连接，第一环体10、第二环体9和第三环体8为一体件，第一环体10自第二环体朝向托盘所在侧延伸，第三环体8自第二环体远离第一环体的一端远离托盘延伸。

第一环体为壁厚一致的变径等厚恒阻环，第一环体的侧壁为锥形，且第一环体朝向托盘一端的内径大于第一环体另一端的内径，第一环体的侧壁与锚索轴向夹角为3°~5°。变径等厚恒阻环部分越长，吸收的释放能越大，本实施例变径等厚恒阻环的轴向长度小于或等于50mm。达到钢绞线初始屈服点后，等厚主要是提供稳定的摩擦阻力，变径等厚恒阻环与轴向有3°～5°，重点解决变径等厚恒阻环材料在摩擦发生塑性变形产生的力的积累，保持恒定摩擦阻力。

第二环体为壁厚变化的增阻不等厚环，第二环体的壁厚变化为，自与第三环体连接的一端沿轴向递增，然后沿轴向递减至与第一环体的壁厚一致，即从与第三环体连接位置开始增厚，达到增阻不等厚环部分后厚度开始变薄，直至与第一环体侧壁厚度相同为止，套环、增阻不等厚环的最大厚度和变径等厚恒阻环厚度比为1:3:2。第二环体的内侧面为与锥形锁具接触连接的支撑斜面。锥形锁具与外涨弹性环接触后，随着锚索受力逐渐增加，轴向受力和径向受力均增加，而随着弧面与斜面之间的夹角增大，轴向向下的分力逐渐向径向力转变，有效防止轴向力突然增大而导致的外涨让压环“压溃”现象，通过增加厚度解决径向力对外涨弹性环的塑性破坏，保持力的平稳过渡。

增阻不等厚环的斜面长度设计方法：根据锚索钢绞线非比例延伸力、钢绞线质弹性模量设计斜面长度，恒阻让压初始点为非比例延伸力，要求涨式弹性环增阻不等厚环斜面斜长等于锥形锁具锥形斜面斜长。当锚索受力达到钢绞线非比例延伸力时，锥形锁具与外涨式增阻不等厚环部分之间分离，然后与变径等厚恒阻环部分接触，此时锚索受力保持恒定，同时钢绞线不发生弹塑性变形。

第三环体13为壁厚一致的套环。增阻不等厚环和变径等厚恒阻环的轴向投影位于套环沿轴向投影的范围内。

锥形锁具又名锚具，采用现有技术，其包括锚环6和夹片7，本发明所指锥形锁具为锚环和夹片安装后形成的整体。锥形锁具朝向托盘的一端侧面为与支撑斜面适配的锥形斜面，且锥形斜面朝向托盘一端的外径小于另一端的外径，锥形斜面大径端的外径大于第一环体大径端的内径。具体的，锥形锁具的外侧壁包括所述锥形斜面形成的锥形段，以及自锥形段远离托盘延伸的圆柱段，圆柱段的外径与锥形斜面的大径端直径相等，且圆柱段的外径与第三环体的内孔适配。圆柱段与锥形段之间通过第一圆弧过渡连接，第一圆弧与第二圆弧的半径相等，且锥形斜面的斜长等于支撑斜面的斜面长度。第一圆弧与增阻不等厚环支撑斜面接触，第一圆弧圆弧面最小外径大于增阻不等厚环部分最大外径，第一圆弧圆弧面最小外径与增阻不等厚环部分最大外径之差小于或等于2mm。圆柱段外径大于变径等厚恒阻环大径端内径，圆柱段外径与变径等厚恒阻环大径端内径之差小于或等于3mm，以实现锥形锁具与外涨式弹性环之间的摩擦移动，吸收围岩外胀的释放能或者瞬间释放能。圆柱段外径小于或等于套环内径，且套环内径与圆柱段外径之差小于或等于2mm，现场安装操作时，确保锥形锁具与外涨式弹性环同轴连接在一起，避免受力时发生偏载。

本实施例采用外涨摩擦恒阻结构代替传统让压管构件，首先将锥形锁具与外涨式弹性环通过套环连接在一起，确保锥形锁具与外涨式弹性环同轴，受力效果好，解决偏载问题；然后采用锥形锁具圆弧面与外涨式弹性环增阻不等厚环斜面连接，可实现小位移下锚索迅速增阻，施加预紧力方便，同时不影响锚索初期支护效率；设计初始吸能让压点为钢绞线非比例延伸力；锚索受力达到初始让压点后，锥形锁具外侧面与外涨式弹性环变径等厚恒阻环接触，保持恒定摩擦阻力。在恒定力作用下锥形锁具圆柱段与外涨式弹性环变径等厚恒阻环发生错动，替代钢绞线一定的变形量，从而吸收围岩外胀的释放能，确保锚索支护效率，有效防止巷道大变形环境下钢绞线拉伸破断。同时当瞬间动力载荷发生时，锥形锁具与外涨式弹性环瞬间发生摩擦位移相应，瞬间吸收动能，避免钢绞线在瞬间动压条件下的破断，在保证巷道支护安全的同时，降低巷道支护综合成本。

本实施例一种外涨摩擦式恒阻吸能锚索的使用方法，包括如下方面：

1、安装时，将钢绞线固定在锚固孔中，并在钢绞线上依次安装托盘、球形垫圈、外涨式弹性环和锥形锁具；

2、锥形锁具伸至第三环体中，确保锥形锁具与外涨式弹性环同轴，受力效果好，不发生偏载问题；

3、锥形锁具的锥形斜面与第二环体的支撑斜面接触，随位移下降接触角度逐渐增大，在达到钢绞线初始屈服力前，实现小位移下锚索迅速增阻，方便施加预紧力；

4、通过钢绞线非比例延伸力、材质弹性模量设计斜面长度，控制初始吸能让压点；

5、锚索受力达到初始让压点后，在动力载荷作用下，托盘推动外涨式弹性环向锥形锁具移动，锥形锁具圆柱段外侧面与外涨式弹性环第二环体、第一环体开始接触，在锥形锁具挤涨力的作用下，外涨式弹性环与锥形锁具保持恒定摩擦阻力，在恒定力作用下锥形锁具圆柱段与外涨式弹性环变径环第二环体、第一环体开始发生错动，替代钢绞线一部分的变形量，从而吸收围岩外胀的释放能，有效防止锚索拉伸破断；

6、当瞬间动力载荷发生时，锥形锁具与外涨式弹性环瞬间发生摩擦位移，瞬间吸收动能，避免钢绞线在瞬间动压条件下的破断；

7、利用锥形锁具与外涨式弹性环之间恒定摩擦阻力变形来吸收围岩外胀释放能和瞬间动能，外涨式弹性环变径等厚部分中轴向长度越大，与锥形锁具之间的摩擦变形量越大，吸收的释放能越大。

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 (3)

1.一种外涨摩擦式恒阻吸能锚索，包括钢绞线（1），以及安装在钢绞线上的锥形锁具（2）和托盘（5），其特征在于：锥形锁具与托盘之间设有与锥形锁具同轴的外涨式弹性环（3），所述外涨式弹性环包括第二环体（9），以及自第二环体朝向托盘所在侧延伸的第一环体（10），第二环体的内侧面为与锥形锁具接触连接的支撑斜面；

所述锥形锁具朝向托盘的一端侧面为与支撑斜面适配的锥形斜面，且锥形斜面朝向托盘一端的外径小于另一端的外径，第一环体的侧壁为锥形，且第一环体朝向托盘一端的内径大于第一环体另一端的内径，锥形锁具的锥形斜面大径端的外径大于第一环体大径端的内径；

第二环体远离第一环体的一端固设有远离托盘延伸的第三环体（8），第三环体为壁厚一致的套环，所述锥形锁具的外侧壁包括所述锥形斜面形成的锥形段，以及自锥形段远离托盘延伸的圆柱段，圆柱段的外径与锥形斜面的大径端直径相等，且圆柱段的外径与第三环体的内孔适配；

第一环体（10）、第二环体（9）和第三环体（8）为沿轴向依次设置的一体件；第一环体的壁厚一致，第一环体的侧壁与锚索轴向夹角为3°~5°；第二环体的壁厚变化为，自与第三环体连接的一端沿轴向递增，然后沿轴向递减至与第一环体的壁厚一致；

圆柱段与锥形段之间通过第一圆弧过渡连接，第二环体与第三环体之间通过第二圆弧过渡连接，第一圆弧与第二圆弧的半径相等，且锥形斜面的斜长等于支撑斜面的斜面长度。

2.根据权利要求1所述的一种外涨摩擦式恒阻吸能锚索，其特征在于：钢绞线上还套设有与托盘适配的球形垫圈（4），球形垫圈上开设有与外涨式弹性环朝向托盘的一端适配的环形凹槽。

3.一种权利要求1~2任一项外涨摩擦式恒阻吸能锚索的使用方法，其特征在于，包括如下方面：

（1）安装时，将钢绞线固定在锚固孔中，并在钢绞线上依次安装托盘、球形垫圈、外涨式弹性环和锥形锁具；

（2）锥形锁具伸至第三环体中，确保锥形锁具与外涨式弹性环同轴；

（3）锥形锁具的锥形斜面与第二环体的支撑斜面接触，随位移下降接触角度逐渐增大，在达到钢绞线初始屈服力前，实现小位移下锚索迅速增阻；

（4）通过钢绞线非比例延伸力、材质弹性模量设计斜面长度，控制初始吸能让压点；

（5）锚索受力达到初始让压点后，在动力载荷作用下，托盘推动外涨式弹性环向锥形锁具移动，锥形锁具圆柱段外侧面与外涨式弹性环第二环体、第一环体开始接触，在锥形锁具挤涨力的作用下，外涨式弹性环与锥形锁具保持恒定摩擦阻力，在恒定力作用下锥形锁具圆柱段与外涨式弹性环变径环第二环体、第一环体开始发生错动，替代钢绞线一部分的变形量，从而吸收围岩外胀的释放能；

（6）当瞬间动力载荷发生时，锥形锁具与外涨式弹性环瞬间发生摩擦位移，瞬间吸收动能，避免钢绞线在瞬间动压条件下的破断；

（7）利用锥形锁具与外涨式弹性环之间恒定摩擦阻力变形来吸收围岩外胀释放能和瞬间动能，外涨式弹性环变径等厚部分中轴向长度越大，与锥形锁具之间的摩擦变形量越大，吸收的释放能越大。

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