破碎围岩扩大型端头锚固多级让压恒阻大变形锚杆及方法技术

本发明专利技术公开的一种破碎围岩扩大型端头锚固多级让压恒阻大变形锚杆及方法，属于地下工程支护领域。装置由三级金属摩擦套筒、端头扩大型杆体、环形止浆塞、橡胶套管组成，三级金属摩擦套筒内壁设有凸起且内外径及长度分三级逐级递减，端部一级摩擦套筒外壁设有增阻摩擦齿，通过后续注浆，实现机械锚固与注浆锚固结合，提高锚固强度。扩大端头置于三级金属摩擦套筒内部，通过挤压摩擦套筒内壁，提供恒定阻力，通过设置环形止浆塞及橡胶套管，使得端头扩大型杆体可自由滑移来实现大变形让压，同时提高杆体抗剪性能。该装置具备增强锚固、多级恒阻让压的特点，满足深部破碎围岩大变形巷道支护要求，且结构简单，性能稳定。性能稳定。性能稳定。

【技术实现步骤摘要】
破碎围岩扩大型端头锚固多级让压恒阻大变形锚杆及方法


[0001]本专利技术涉及一种破碎围岩扩大型端头锚固多级让压恒阻大变形锚杆及方法，属于地下工程的支护设备


技术介绍

[0002]随着对矿产资源需求的急剧增加和开采强度的不断增大，浅部资源日益减少，千米级矿产资源开采已成为常态。随着开采深度的增加，面临的工程地质条件更加复杂，深部巷道围岩结构也愈加复杂。由于深部围压内赋存的高地应力与围岩体低强度间的突出矛盾，开挖过程中工程作用与环境条件的影响及矿产资源开采过程中形成的采动应力，使得深部巷道围岩破碎，易发生大变形破坏，对安全高效生产造成巨大挑战，是深部矿产资源开采亟需解决的热点与难点问题。
[0003]锚杆是一种广泛高效应用于地下工程支护领域的支护形式，为解决破碎围岩大变形的支护难题，就要求锚杆不仅能提供恒定的支护力，而且且能产生较大的伸长变形以满足破碎围岩大变形的要求，传统锚杆是螺纹钢筋制成，采用端部注浆或全长注浆，其延伸率较低，在应用于深部破碎围岩巷道时，其延伸长度往往不足，易被拉断。因此，出现了一些恒阻大变形锚杆，如在专利号为CN102094662B中将带有柱形摩擦体的杆体置于内壁装有摩擦齿的摩擦套筒内部，利用摩擦套筒滑移及摩擦齿与柱形摩擦体摩擦实现恒阻大变形功能，但摩擦套筒易受岩体挤压变形而无法滑移，功能失效，难以实现大变形目的。在专利号CN211258669U中在镂空让压套筒侧壁上设置半球形凸起，利用镂空让压套筒滑移及半球形凸起与岩体摩擦实现恒阻大变形功能，但因其套筒为镂空且仅设有半球形凸起不利于有效实现恒阻和大变形的双重目的。在专利号CN2112867603U中，在恒阻套筒内设置空心注浆杆体，外露于套筒的杆体部位及套筒设有恒阻锯齿，利用恒阻套筒的滑移来实现恒阻大变形工能，但因恒阻套筒外壁仅设有锯齿，无法实现恒阻功能。总之，现有的传统锚杆延伸率低，不能满足破碎大变形围岩的要求；现有的恒阻大变形锚杆效果不佳，难以推广。因此，亟需研制一种适用于破碎围岩的具有稳定恒阻大变形功效的锚杆，以满足深部破碎围岩巷道的支护需求。

技术实现思路

[0004]技术问题：针对现有技术的不足之处，提供一种破碎围岩扩大型端头锚固多级让压恒阻大变形锚杆及方法，不仅具有恒阻和大变形让压的工作性能，还具有注浆加固破碎围岩体的效果，以改善破碎围岩的力学性能，提高其锚固强度。
[0005]技术方案：为实现上述目的，本专利技术的破碎围岩扩大型端头锚固多级让压恒阻大变形锚杆，包括直径三级渐变的三级金属摩擦套筒以及设置在三级金属摩擦套筒内的端头扩大型杆体，端头扩大型杆体包括金属杆，金属杆的端头部设有扩大端头，金属杆的端头部的扩大端头设置在三级金属摩擦套筒内，其中三级金属摩擦套筒为可塑性大的低碳钢构成，三级金属摩擦套筒为内壁间隔设有多个凸起的柱状空腔体，柱状空腔体从端部到尾部
分为Ⅰ级套筒段、Ⅱ级套筒段、Ⅲ级套筒段，Ⅰ级套筒段、Ⅱ级套筒段、Ⅲ级套筒段的内直径与长度从端部到尾部逐级递减，三级金属摩擦套筒的端部开口并设有密封塞，尾部开有圆孔，金属杆的尾部通过圆孔延伸出来并设有固定用的托盘与螺母，三级金属摩擦套筒的尾部外侧套有与开在破碎围岩上的锚孔尺寸匹配的止浆塞，止浆塞上开有连接孔，连接孔内设有注浆导管。
[0006]进一步，扩大端头设置在Ⅰ级套筒段端部内，扩大端头与金属杆均为高碳钢材质，强度高于三级金属摩擦套筒的材料强度，扩大端头与金属杆端部焊接固定，扩大端头的最粗处直径略大于三级金属摩擦套筒的Ⅰ级套筒段内径，金属杆被圆孔分为套筒段内部分以及从圆孔至尾部的的套筒段外部分，其中套筒段外部分套有橡胶套管，所述端头扩大型杆体尾部伸出锚孔，穿过安装于破碎围岩上的托盘与螺母固定连接。
[0007]进一步，三级金属摩擦套筒的Ⅰ级套筒段部位外径略小于锚孔的直径，Ⅰ级套筒段外壁沿圆周间隔设有多个凹槽，各断面均匀布置6～8个凹槽，每个凹槽内均设有通过转轴活动连接的增阻摩擦齿，增阻摩擦齿底部与凹槽之间设有弹簧；扩大端头滑移时，通过与三级金属摩擦套筒内壁凸起的摩擦及与三级金属摩擦套筒中的Ⅰ级套筒段、Ⅱ级套筒段、Ⅲ级套筒段部分的挤压产生的阻力逐级递增，且小于端头扩大型杆体的拉断荷载。
[0008]进一步，所述增阻摩擦齿底部两侧设有与凹槽匹配的金属翼板，通过金属翼板卡设在凹槽内，所述增阻摩擦齿齿尖指向锚孔孔外，所述弹簧始终处于压缩状态，往锚孔内推入三级金属摩擦套筒时，所述增阻摩擦齿向凹槽内缩进，使得三级金属摩擦套筒顺利推入锚孔底部，当三级金属摩擦套筒产生向锚孔外侧拉拽力时，增阻摩擦齿受弹簧的压力竖起嵌入锚孔孔壁产生阻力。
[0009]进一步，所述密封塞的直径匹配三级金属摩擦套筒中的Ⅰ级套筒段内径，所述环形止浆塞的外径匹配锚孔直径，内径等于三级金属摩擦套筒中的Ⅲ级套筒段外径，所述圆孔的直径小于三级金属摩擦套筒中的Ⅲ级套筒段内径，与端头扩大型杆体的金属杆的直径匹配，所述连接孔的直径等于所述注浆导管的直径。
[0010]一种碎围岩扩大型端头锚固多级让压恒阻大变形锚杆的工作方法，其步骤为：
[0011]将破碎围岩扩大型端头锚固多级让压恒阻大变形锚杆安装入破碎围岩上的锚孔内；
[0012]通过注浆导管和环形止浆塞对三级金属摩擦套筒与锚孔之间的空间进行分段式隔离注浆，水泥浆液渗入破碎围岩的裂隙中，以提高锚孔周围的破碎围岩的力学性能；
[0013]通过端头扩大型杆体的尾部在破碎围岩上安装托盘和紧固螺母从而使端头扩大型杆体产生向锚孔外的拉力，三级金属摩擦套筒受到端头扩大型杆体的拉力，此时水泥浆液尚未凝固，通过弹簧使增阻摩擦齿齿尖嵌入破碎围岩内，转轴及金属翼板使得增阻摩擦齿卡设在凹槽内部防止脱离；三级金属摩擦套筒通过增阻摩擦齿及水泥浆液与破碎围岩固定在一起，实现机械锚固与注浆锚固相结合的效果，增强锚固能力；
[0014]当破碎围岩变形时，挤压托盘，端头扩大型杆体受拉滑移，扩大端头与三级金属摩擦套筒的Ⅰ级套筒段内壁紧密挤压摩擦接触，通过扩大端头的滑移与三级金属摩擦套筒内壁凸起产生的摩擦及三级金属摩擦套筒产生的塑性变形，为锚杆提供恒定的阻力；当破碎围岩变形继续增大时，扩大端头会滑移到三级金属摩擦套筒的Ⅱ级套筒段，筒壁内径进一步减小为锚固装置提供更大工作阻力，以控制围岩变形；最终，当扩大端头滑移至三级金属
摩擦套筒的Ⅲ级套筒段尾部的圆孔时，圆孔限制端头扩大型杆体滑动，锚固装置完成恒阻大变形让压过程，若破碎围岩变形进一步增大，端头扩大型杆体的金属杆体开始拉伸变形以控制破碎围岩的进一步变形。
[0015]有益效果：本装置具备增强锚固、恒阻、大变形、多级让压及抗剪的特点；其中三级金属摩擦套筒为内外径从端部到尾部分三级逐级递减的柱状空腔体，端部Ⅰ级套筒段外壁设有增阻摩擦齿，以实现机械锚固效果，注浆结束后，可立即施加预紧力。通过增阻摩擦齿和注入水泥浆液，可实现机械锚固和注浆锚固相结合的效果，使得三级金属摩擦套筒牢固地固定于锚孔底部，有效提高锚固强度，改善破碎围岩力学性能，提高破碎围岩的可锚性。三级金属摩擦套筒尾部设有环本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种破碎围岩扩大型端头锚固多级让压恒阻大变形锚杆，其特征在于：包括直径三级渐变的三级金属摩擦套筒(9)以及设置在三级金属摩擦套筒(9)内的端头扩大型杆体(6)，端头扩大型杆体(6)包括金属杆，金属杆的端头部设有扩大端头(7)，金属杆的端头部的扩大端头(7)设置在三级金属摩擦套筒(9)内，其中三级金属摩擦套筒(9)为可塑性大的低碳钢构成，三级金属摩擦套筒(9)为内壁间隔设有多个凸起(21)的柱状空腔体，柱状空腔体从端部到尾部分为Ⅰ级套筒段、Ⅱ级套筒段、Ⅲ级套筒段，Ⅰ级套筒段、Ⅱ级套筒段、Ⅲ级套筒段的内直径与长度从端部到尾部逐级递减，三级金属摩擦套筒(9)的端部开口并设有密封塞(12)，尾部开有圆孔(11)，金属杆的尾部通过圆孔(11)延伸出来并设有固定用的托盘(4)与螺母(5)，三级金属摩擦套筒(9)的尾部外侧套有与开在破碎围岩(1)上的锚孔(3)尺寸匹配的止浆塞(13)，止浆塞(13)上开有连接孔(20)，连接孔(20)内设有注浆导管(14)。2.根据权利要求1所述的破碎围岩扩大型端头锚固多级让压恒阻大变形锚杆，其特征在于：扩大端头(7)设置在Ⅰ级套筒段端部内，扩大端头(7)与金属杆均为高碳钢材质，强度高于三级金属摩擦套筒(9)的材料强度，扩大端头(7)与金属杆端部焊接固定，扩大端头(7)的最粗处直径略大于三级金属摩擦套筒(9)的Ⅰ级套筒段内径，金属杆被圆孔(11)分为套筒段内部分以及从圆孔(11)至尾部的的套筒段外部分，其中套筒段外部分套有橡胶套管(8)，所述端头扩大型杆体(6)尾部伸出锚孔(3)，穿过安装于破碎围岩(1)上的托盘(4)与螺母(5)固定连接。3.根据权利要求1或2所述的破碎围岩扩大型端头锚固多级让压恒阻大变形锚杆，其特征在于：三级金属摩擦套筒(9)的Ⅰ级套筒段部位外径略小于锚孔(3)的直径，Ⅰ级套筒段外壁沿圆周间隔设有多个凹槽(19)，各断面均匀布置6～8个凹槽(19)，每个凹槽(19)内均设有通过转轴(18)活动连接的增阻摩擦齿(10)，增阻摩擦齿(10)底部与凹槽(19)之间设有弹簧(17)；扩大端头(7)滑移时，通过与三级金属摩擦套筒(9)内壁凸起(21)的摩擦及与三级金属摩擦套筒(9)中的Ⅰ级套筒段、Ⅱ级套筒段、Ⅲ级套筒段部分的挤压产生的阻力逐级递增，且小于端头扩大型杆体(6)的拉断荷载。4.根据权利要求3所述的破碎围岩扩大型端头锚固多级让压恒阻大变形锚杆，其特征在于：所述增阻摩擦齿(10)底部两侧设有与凹槽(19)匹配的金属翼板(16)，通过金属翼板(16)卡设在凹槽(19)内，所述增阻摩擦齿(10)齿尖指向锚孔(3)孔外，所述弹簧(17)始终处于压缩状态，往锚孔(3)内推入三级金属摩擦套筒...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆彬，邵棒棒，周跃进，黄炳香，浦海，袁永，刘辉，蔚立元，姚强岭，张照允，申世豹，姚若尧，吴疆宇，路皓然，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
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