CN86201097U - 胀楔式岩石锚杆 - Google Patents

Abstract

胀楔式岩石锚杆属于矿井及其它地下岩体工程中“地层控制与支护”技术领域。胀楔式岩石锚杆的头部由圆柱三棱锥台(1)、三块互不牵连的楔片(2)、垫片(4)与杆体(3)的前端组成三叶胀楔式锚固结构；杆体由分段接杆组成，各段之间由螺纹套管连接。各连接部件一律为锯齿形螺纹连接；锚杆的尾部特征是采用凹球面垫板和异形螺母配合使用，并铣扁杆体的尾端。

该锚杆用于矿井及其它地下岩体工程支护。

Description

胀楔式岩石锚杆属于矿井及其它岩体工程中“地层控制及支护”技术领域。是一种可用于深层支护的机械式高强度岩石锚杆。

目前仍广泛使用的机械式锚杆是胀壳式岩石锚杆。它的头部为胀壳式锚固结构，通常由一个圆锥形螺母（或带楔形尾翼的圆锥螺母）与两瓣或四瓣胀壳组成，各瓣胀壳之间从上端或下端用弹簧板条或一个推进圈连接起来，胀壳式岩石锚杆的杆体为两头或一头带螺纹的圆钢杆件，锚杆的尾部有垫板与螺帽或制成大于杆体直径的固定六角形尾端。

锚杆的性能主要取决于它的锚固结构。目前使用的胀壳式锚固结构中，各瓣胀壳与锥形螺母之间的接触面积小或接触不良，受力与扩张性能不好，锚固力低，受力过程中锚头的滑移量大，故一般只用作承受较低载荷的短锚杆。

本实用新型的目的是为了克服上述胀壳式岩石锚杆的缺点而设计的。

本实用新型－－胀楔式岩石锚杆的头部设计为三叶胀楔式锚固结构，如图（1）所示的上半部分。该结构由圆柱三棱锥台（1）（以下简称锥台）、三块互不牵连、各自独立的楔片（2）、杆体（3）的前端和垫片（4）组成。胀楔式岩石锚杆的尾部采用凹球面垫板（5）与异形螺母（6）配合使用，以保证锚杆对围岩表面有良好的支托性能。杆体的尾端被铣扁，以便安装时旋转杆体之用。胀楔式岩石锚杆的杆体可由分段接杆组成，各段杆件均由螺纹套管连接。分段接杆使锚杆的长度不受工程断面大小的限制，便于在工程的不同位置使用不同长度的锚杆，也便于实现长锚杆的机械化作业安装。

为了适应高强度的技术要求，胀楔式岩石锚杆各连接部件一律采用锯齿形螺纹连接。

三叶胀楔式锚固结构各有关参数与技术性能同它所加固的岩石的性质要满足下列关系式：

0＜tgα＜ (f₂-f₁)/(1+f₁+f₂) …………………………（1）

P≤ (3(f₁+tgα))/(1-f₁tgα) · (S)/(n) ·δ_R……………………（2）

式中：f₁－楔片（2）与锥台（1）接触面间的摩擦系数；

f₂－－楔片（2）与钻孔壁岩石之间的摩擦系数；

α－－锥台（1）与楔片（2）各自的斜面角（度）；

P－－设计要求的锚固力（kg）；

S－－一块楔片与孔壁岩石的有效接触面积（cm²）；

n－－安全系数，取1.5～2；

δ_R－岩石抵抗楔片挤压的最大稳定法向应力（kg／cm²），由实验确定。

算式（1）代表实现正常锚固的必要条件，满足这一条件，楔片与钻孔壁之间不产生轴向的相对移动，锚杆的极限锚固力与安装予紧力无关。

算式（2）用以确定该三叶胀楔式锚固结构所在岩层中保持稳定工作状态可以达到的锚固能力，是实现正常锚固的充分条件。

为了实现正常锚固，需要合适的钻孔直径。实际孔径比锚固结构的最小安装直径大2～3毫米为宜。

胀楔式岩石锚杆有如下的性能特征：

1.用于加固较低强度的岩石，由实验得出锚杆的极限锚固力与岩石材料的单轴抗压强度之间为近似线性关系，如图（2）所示。该线性关系可由下式表示：

Pultm＝180R＋2500…………………………（3）

式中：Pultm－－极限锚固力（kg）；

R－－岩石材料的单轴抗压强度（kg／cm²）。

2.对中等强度岩石，测定单轴抗压强度及保持稳定状态的最大法向应力δ_R，由算式（2）确定该锚杆可以提供稳定工作状态下的最大锚固力Pmax（t）列入表1。

岩石	R(kg/cm2)	δR(kg/cm2)	Pmax(t)
					n=2.0	n=1.5
			白色大理岩	575			3345	41.7	55.6
灰色大理岩	760	5892			73.5	98.0

计算中取一块楔片同钻孔壁的有效接触面积S＝28cm²，n为安全系数。表中数据表明，胀楔式岩石锚杆在中等强度的岩石中有着巨大潜在的锚固能力。

3.矿山现场的试验：为了实际的应用，在节理岩体中试验，岩层的强度系数分别为6～11，10～14，12～14，试验拉力18.3吨，试验结果呈现出如图（3）所示的共同规律。反复加载三次，拉力T（t）与位移D（mm）的关系分别为图（3）中的曲线（1）、（2）、（3）。锚杆尾端位移D的最大值小于一般矿山坑道围岩失稳的移动量；曲线（2）与（3）很相近，说明在该试验载荷下，锚杆的作用是稳定的；曲线（1）含有大部分不可逆的位移，表明胀楔式岩石锚杆的拉力－－位移特性可以通过安装过程获得一定的控制。

本实用新型与胀壳式岩石锚杆相比，其优点是锚固力高、位移量小、对较低强度岩石的适应性能好、锚杆长度不受工程断面的限制，并便于机械化作业安装，适宜于支护节理岩体中掘进的大断面坑道、硐室和在受采矿过程扰动影响剧烈的条件下应用。

对附图的说明：

图（1）为胀楔式岩石锚杆。

1－－圆柱三棱锥台；

2－－楔片；

3－－杆体；

4－－垫片；

5－－凹球面垫板；

6－－异形螺母。

图（2）为三叶胀楔式锚固结构的极限锚固力－－岩石强度特性曲线。

图（3）为胀楔式岩石锚杆的拉力－－位移特性曲线。

其中：

曲线（1）－－第一次拉拨试验曲线；

曲线（2）－－第二次拉拨试验曲线；

曲线（3）－－第三次拉拨试验曲线。

实施例：适用于较低至中等强度岩石条件的胀楔式岩石锚杆，要求锚杆正常工作的锚固能力达到15～20吨，楔片（2）与锥台（1）的最大静摩擦系数f₁为0.18，楔片（2）与钻孔壁之间（钢对岩石）的最小静摩擦系数f₂为0.3。由算式（1）得tgα＝0.114，锥台（1）的锥面与楔片（2）的斜面各自的斜度为1：8.77，取1：9，依孔径尺寸，锚固结构的最小安装直径应为56～57mm，确定杆体直径26mm。由几何关系确定锥台（1）与楔片（2）的相应尺寸，设计成如图（1）上半部分所示的三叶胀楔式锚固结构：锥台（1）的三个锥面同横截面的交线为互成60°的交角，锥台（1）的三条棱边为同一个圆柱体的部分圆柱面，三块互不牵连的楔片（2）以120°圆心角由锥台（1）的棱边分隔着与锥台（1）的三个斜面作平面接触，楔片（2）的外表面为圆弧锯齿面，圆弧的曲率半径同锚杆孔的半径相匹配，垫片（4）套在杆体（3）上，位于锥台（1）的下方，支托着三块楔片（2），使之保持在相同的轴向位置上。锚固结构及杆体（3）均选用45号钢制造。

Claims (6)

1、一种具有杆体和锚固结构的胀楔式岩石锚杆，其特征在于锚杆的锚固结构为三叶胀楔式锚固结构，它由一个圆柱三棱锥台(1)、三块楔片(2)、一个垫片(4)与杆体(3)的前端组成。

2、根据权利要求1所说的胀楔式岩石锚杆，其特征在于三叶胀楔式锚固结构中的垫片（4）设在圆柱三棱锥台（1）的下方，支托着互不牵连、各自独立的楔片（2）。

3、根据权利要求1或2所说的胀楔式岩石锚杆，其特征在于楔片（2）与圆柱三棱锥台（1）以平面相接触，圆柱三棱锥台的三条棱边为同一个圆柱体的部分圆柱面。

4、根据权利要求1所说的胀楔式岩石锚杆，其特征在于杆体的尾部有一个凹球面垫板（5）同一个异形螺母（6）配合使用。

5、根据权利要求1所说的胀楔式岩石锚杆，其特征在于锚杆的杆体（3）可由分段接杆组成，各段接杆之间由螺纹套管连接，选用锯齿形螺纹，并铣扁杆体的尾端。

6、根据权利要求1或4所说的胀楔式岩石锚杆，其特征在于三叶胀楔式锚固结构的主要参数与性能由下列关系式所决定：

0＜tgα＜ (f₂-f₁)/(1+f₁+f₂) ……………………………（1）

P≤ (3(f₁+tgα))/(1-f₁tgα) · (S)/(n) ·δ_R………………………（2）

式中：f₁－楔片（2）与锥台（1）接触面间的摩擦系数；

α－锥台（1）与楔片（2）各自的斜面角（度）；

P－设计要求的锚固力（kg）；

S－一一块楔片与孔壁岩石的有效接触面积（cm²）；

n－安全系数，取1.5～2；

δ_R－岩石抵抗楔片挤压的最大稳定法向应力（kg／cm²），

由实验确定。

f₂－楔片（2）与钻孔壁岩石之间的摩擦系数。

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