CN202718693U - 一种用于锚杆或锚索支护的环式让压减震装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了由约束环与弹性体等组成的一种用于锚杆或锚索支护的环式让压减震装置。锚杆体或锚索一端通过锚固剂与围岩固定连接为一个整体，所述锚杆体或锚索另一端通过螺母依次分别与碟形托盘、环式让压减震装置固定连接。具有结构简单，使用方便，成本低，材料来源广泛，使支护体能够适应一定的围岩变形的特点，对高应力大变形的软岩巷道以及承受冲击荷载的巷道进行支护时，不因拉应力过大而产生屈服甚至破断。通过所提供的变形空间，提高了锚杆或锚索的安全性能，避免了锚杆或锚索轴向应力过大被拉断及有害变形的出现，围岩变形得到有效控制，提高支护的整体稳定性。广泛用于冶金，煤矿，水利，铁路，国防等行业的地下工程。

Description

一种用于锚杆或锚索支护的环式让压减震装置

技术领域

本实用新型涉及对工程岩体进行支护的装置，具体涉及由约束环与弹性体等组成的一种用于锚杆或锚索支护的环式让压减震装置。

背景技术

随着矿山建设的发展，锚杆（索）支护作为一种经济有效的支护形式已经得到了广泛应用。但由于地下岩体条件的复杂性，特别是在深部软岩巷道和承受冲击荷载条件下，由于围岩变形和冲击荷载的影响，使锚杆杆体产生过大的拉应力和变形，并过早进入屈服状态甚至断裂，极大的影响了锚杆工作的安全性。采用强力支护有时并不能达到巷道围岩稳定的目的，反而由于强力支护的成本过高而造成材料的浪费。根据新的支护理论，允许围岩产生一定的变形，释放部分变形能成为支护系统在此条件下应具有的功能。因此进一步研究上述条件下的锚杆（索）支护特征，成为当前巷道围岩支护领域的重要内容之一。

围岩的稳定，是围岩与支护共同作用所控制的，因此，要在充分发挥围岩自身的强度与自身承载力的基础上，选择合理类型的支护，才能实现对围岩变形的有效控制。对于具有大变形及承受冲击荷载的巷道围岩，一方面，允许围岩有适度的变形位移，以释放支护初期围岩过大的变形能量，调整和减小围岩对支护体压力，又不因过大的位移而导致围岩的失稳破坏。

另一方面，随着开采深度的不断增大，冲击地压和采动压力对锚杆或锚索支护体造成的破坏已引起采矿工作者的高度重视。冲击地压和采动压力可在瞬间产生很高的动压力，一旦作用在锚杆或锚索支护体上就会产生破坏断裂，岩爆的发生就是这种现象。让压减震技术的应用可满足具有大变形及受冲击荷载巷道的支护要求。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单，使用方便，成本低，材料來源广泛，能够适应一定的围岩变形的一种用于锚杆或锚索支护的环式让压减震装置。

为了克服现有技术的不足，本实用新型的技术方案是这样解决的：一种用于锚杆或锚索支护的环式让压减震装置由约束环、弹性体及环形垫片组成。所述锚杆体或锚索一端通过锚固剂与围岩固定连接为一个整体，本实用新型的特殊之处在于所述锚杆体或锚索另一端通过螺母依次分别与碟形托盘、环式让压减震装置固定连接。

所述约束环为金属材料制成，其高度35 mm～45mm，内径根据实际让压距离的大小选择，壁厚为3 mm～5mm。

所述弹性体为特制工程塑料或橡胶，其高度为30 mm～40mm，内径与锚杆体直径相等，外径与约束环内径相等；

所述环形垫片为金属材料或刚性材质制成，其厚度3 mm～5mm，内径与锚杆体直径相等，外径与约束环内径相等。

本实用新型与现有技术相比，具有结构简单，使用方便，成本低，材料來源广泛，使支护体能够适应一定的围岩变形的特点，对高应力大变形的软岩巷道以及承受冲击荷载的巷道进行支护时，使得围岩变形得到有效控制的同时，保证锚杆或锚索杆体不因拉应力过大而及早屈服甚至破断。通过所提供的变形空间，满足了大变形及受冲击荷载作用下的巷道支护要求，不仅提高了锚杆或锚索的安全性能，避免了锚杆或锚索轴向应力过大被拉断的问题；而且避免了有害变形的出现，使得围岩变形得到有效控制，同时提高了支护系统的整体稳定性。广泛用于冶金，煤矿，水利，铁路，国防，地铁，公路等行业的地下工程。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1约束环的俯视结构示意图；

图3为图2的1-1剖视主视结构示意图；

图4为图1在轴向压力作用下的荷载变形曲线图；

图5为图1另一组在轴向压力作用下的荷载变形曲线图；

图6为图1 约束环壁厚为3mm的变形曲线图；

图7为图1约束环壁厚为4.5mm的重复荷载作用下的恢复力曲线图。

具体实施方式

附图为本实用新型的实施例。

下面结合附图对发明内容作进一步详细说明：

参照图1、图2、图3所示，一种用于锚杆或锚索支护的环式让压减震装置由约束环、弹性体、环形垫片组成，所述锚杆体或锚索4一端通过锚固剂5与围岩6固定连接为一个整体，所述锚杆体或锚索4另一端通过螺母8依次分别与碟形托盘7、一环形垫片3、约束环1、弹性体2、另一环形垫片9固定连接。

所述约束环为金属材料制成，其高度35 mm～45mm，内径根据实际让压距离的大小选择，壁厚3 mm～5mm。

所述弹性体为特制工程塑料或橡胶，其高度为30 mm～40mm，内径与锚杆体直径相等，外径与约束环内径相等；

所述环形垫片为金属材料或刚性材质制成，其厚度3 mm～5mm，内径与锚杆体直径相等，外径与约束环内径相等。

所述锚固剂为快硬水泥卷或环氧树脂卷。

所述弹性体2置于约束环1内，两个环形垫片3、9置于约束环1两端，由此组成让压装置的整体结构。约束环1两端分别与螺母8和碟形托盘7相接，碟形托盘7与围岩相接形成统一的整体。

在正常工作状态下，其变形机理如下所述：

当围岩产生形变时，围岩变形压力首先作用于碟形托盘，碟形托盘向围岩扩容的方向移动，并且推动约束环1及约束环1内的弹性体2共同朝着围岩扩容方向移动。由于螺母8起到阻挡的作用，限制了碟形托盘7及约束环1内两个环形垫片3、9和弹性体2的滑移过程，此时，螺母8与碟形托盘7之间的压力便作用在约束环1内两端的两个环形垫片3、9上，并通过两个环形垫片3、9最终把围岩压力作用在弹性体2上。弹性体2在外力作用下产生变形，从而达到了让压减震的目的。由于约束环1的约束作用，其变形并不是任意发展，而是根据约束环1壁厚及高度的不同，把变形控制在一定的所需范围之内。由此达到控制围岩变形量的目的，并实现了围岩与支护的变形协调，控制了围岩有害变形的产生，避免了锚杆或锚索杆体因围岩变形压力过大而被拉断的问题，从而实现了巷道围岩稳定的目的。在围岩产生形变时，只有释放一部分变形能量，才能及时减小由于围岩变形作用在锚杆或锚索杆体过大的应力，从而减少或避免了锚杆或锚索杆体因应力过大而及早进入屈服阶段甚至破坏的问题，使其工作在允许的荷载范围之内。

本装置的荷载与变形特性：

一、装置让压特性分析

对于装置，一旦弹性体2材料确定后，其主要受力特性取决于约束环1壁厚及高度的大小。本装置包含两个主要的参数：

1）让压点，即装置的起始让压荷载。让压点的大小应确保锚杆或锚索在工作过程中所承受的荷载总小于杆体的屈服强度或工作在弹性范围内，以保证锚杆或锚索杆体不发生屈服破坏。

2）最大让压距离，即装置所允许的最大变形。本装置的最大让压距离取决于约束环1的高度，可根据实际要求进行设计选取。

下面分别就三组约束环壁厚不同的装置的受力特性加以阐述。

图4、5、6分别所示约束环壁厚为4.5mm、3.8mm、3mm的本装置荷载作用下的变形曲线。在试验起始时，先施加20KN预紧力。如图4、5、6所示，两条曲线分别代表约束环1高度不同的装置的变形曲线。其中一条为约束环1高为35mm的装置变形曲线；另一条为约束环1高度为45mm的装置的变形曲线。

图4所示为一组约束环壁厚为4.5mm的本装置荷载作用下的变形曲线。在20～160KN的荷载范围内，变形与荷载成比例增加，当加载到160KN时，达到比例极限。在此阶段，装置的变形量为0～2mm。在工程实际中，锚杆或锚索杆体的延伸率为1%左右，一般锚杆的长度为2～3m，其允许的延伸量即为2～3mm。因此，在此弹性变形阶段，装置的变形量确保了锚杆杆体不发生变形，避免了杆体因拉应力过大而及早屈服。当荷载超过160KN时，装置开始产生塑性变形。在此阶段，荷载增加变的很小，装置的变形量迅速加大。在此塑性屈服阶段，装置产生的变形主要是适应围岩变形。由于装置释放围岩的部分变形，从而减小了围岩变形作用在锚杆或锚索的荷载，使得锚杆或锚索杆体继续工作在允许的荷载范围之内。

图5所示为一组约束环壁厚为3.8mm的本装置荷载作用下的变形曲线。在20～90KN的荷载范围内，约束环产生弹性变形。在此阶段，随着轴向压力增加，装置的变形量相应成比例增加，在达到比例极限时，变形量为2mm，同样，此弹性变形阶段，装置的变形确保了锚杆杆体不发生形变，避免了锚杆或锚索杆体的应力增大。当轴向压力达到90KN时，约束环变形达到弹性极限。此后，随着轴向压力的小幅增加，约束环发生屈服产生较大的变形，在此屈服阶段，约束环外扩明显，变形量显著增加，同时，装置轴向变形也急剧增加，与围岩达到变形协调。确保了支护系统的整体稳定性。在此组约束环壁厚一定的试验下，当压力达到160KN时，变形材料形变量为11mm。

图6所示为一组约束环壁厚为3mm的本装置荷载作用下的变形曲线。在20～60KN的荷载范围内，变形与荷载成比例增加，当加载到60KN时，达到比例极限。在此阶段，装置的变形量为0～1mm。在此弹性变形阶段，装置的变形量确保了锚杆杆体不发生变形，避免了杆体因拉应力过大而及早屈服。当荷载超过60KN时，装置开始产生塑性变形。在此阶段，随着荷载的增加，装置的变形量迅速加大。在此塑性屈服阶段，装置产生的变形主要是适应围岩变形。由于装置释放围岩的部分变形，从而减小了围岩变形作用在锚杆或锚索的荷载，使得锚杆或锚索杆体继续工作在允许的荷载范围之内。

通过三组试验的对比，可以看出，对于壁厚相同的约束环，在相同的荷载作用下，约束环高度大的，产生的形变相对较大。因此，对于不同设计强度的锚杆或锚索支护，以及适应不同的围岩变形量，可以根据约束环的壁厚及高度来确定实际所需的装置尺寸。同时可以得出如下结论：

1）不同壁厚的约束环，其装置让压点不同，随着壁厚的增加，让压点也相应增加。

2）约束环壁厚相同而高度不同，其装置的最大让压距离不同，在相同条件下，约束环高度大的，其装置最大让压距离较大。

二、本装置减震特性分析

由于普通锚杆或锚索不完全具备让压减震功能，导致锚杆或锚索支护系统在冲击地压和采动压力作用下，锚杆或锚索杆体因瞬间应力超过其极限强度而被拉断。当锚杆或锚索支护系统通过设置让压减震装置，使得锚杆或锚索在达到屈服强度前，能够保持较高的支护应力并主动让压。在外部冲击荷载作用下，巷道围岩发生变形与破坏，具有让压减震装置的锚杆或锚索支护系统，能够允许围岩产生一定的形变，使得冲击荷载的大部分能量被瞬间消散。从而减小了冲击荷载作用在锚杆或锚索杆体上的轴向拉力，保证了锚杆或锚索杆体工作在允许的荷载范围之内而不发生屈服甚至破断。

如图7所示为约束环壁厚为4.5mm的本装置在重复荷载作用下的恢复力曲线。从图4中可知，装置在本组条件下，约束环的弹性极限为160KN。所以在进行加载时，每次荷载均加到160KN。从图7中可以看到，在对装置进行加载后卸载，通过10次以上重复加卸载的作用，每次卸载后弹性材料的变形均能恢复到起始状态，说明本装置在弹性范围内，能很好的适应冲击荷载作用下的变形。使得支护系统在冲击荷载作用下，产生主动让压减震的同时，适应围岩应力重分布，更好的实现共同承载的作用。不仅避免锚杆或锚索因应力过大而破断的问题，同时也更加有利于巷道围岩的整体稳定。

上述试验研究表明，对于高应力大变形及受冲击荷载作用的巷道，由于围岩的变形性质，普通锚杆或锚索难以达到良好的支护效果，但采用具有让压减震装置的锚杆或锚索支护，便可以实现在允许围岩产生一定形变的情况下，支护系统仍能工作在允许的荷载范围内。这样，既确保了围岩变形得到有效控制，又避免了锚杆或锚索因承受过大的拉应力而破断。不仅提高了锚杆或锚索支护的安全性，同时也确保了巷道围岩的稳定。

    通过上述分析可以看出，本实用新型让压减震装置，较好得解决了高应力大变形及冲击荷载作用下巷道围岩支护中锚杆或锚索的破断问题，并使得围岩变形得到有效控制。必将会使得锚杆或锚索支护得到更加广泛的应用。

Claims (4)

1.一种用于锚杆或锚索支护的环式让压减震装置，该让压减震装置由锚杆体或锚索、锚固剂、碟形托盘、约束环、螺母、环形垫片等组成，所述锚杆体或锚索（4）一端通过锚固剂（5）与围岩（6）固定连接为一个整体，其特征在于所述锚杆体或锚索（4）另一端通过螺母（8）依次分别与碟形托盘（7）、一环形垫片（3）、约束环（1）、弹性体（2）、另一环形垫片（9）固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于锚杆或锚索支护的环式让压减震装置，其特征在于所述约束环为金属材料制成，其高度35 mm～45mm，内径根据实际让压距离的大小选择，壁厚3 mm～5mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于锚杆或锚索支护的环式让压减震装置，其特征在于所述弹性体为特制工程塑料或橡胶，其高度为30 mm～40mm，内径与锚杆体直径相等，外径与约束环内径相等。

4.根据权利要求1所述的一种用于锚杆或锚索支护的环式让压减震装置，其特征在于所述环形垫片为金属材料或刚性材质制成，其厚度3 mm～5mm，内径与锚杆体直径相等，外径与约束环内径相等。

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