CN109057842A - 剪拉转化柔性让压抗剪锚杆及其施工支护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种剪拉转化柔性让压抗剪锚杆，包括螺母、托盘、减摩垫片、调心球垫、螺纹钢杆体以及若干段剪拉转化柔性让压组合结构。所述剪拉转化柔性让压组合结构由两端的螺纹段和锁具、中间的钢绞线和钢制护管组成，其中螺纹段、锁具和钢制护管是一体化成型的钢制结构，所述钢制结构两端的螺纹段分别与螺纹钢杆体通过螺纹连接；所述钢绞线位于钢制护管中间，钢绞线通过锁具与钢制护管锁紧，而钢制护管通过两端的螺纹段与螺纹钢杆体相连；所述钢绞线处于弯曲松弛状态。通过杆体的剪拉转化柔性让压组合结构，可以实现“高预紧力、柔性让压、剪拉转化”功能，有效解决现有锚杆存在的“抗剪强度低、杆体极易被剪断”的材料缺陷问题。

Description

剪拉转化柔性让压抗剪锚杆及其施工支护方法

技术领域

本发明属于矿山支护工程抗剪锚杆支护技术领域，具体涉及一种剪拉转化柔性让压抗剪锚杆及其施工支护方法。

背景技术

锚杆的加固作用主要体现在对沿锚杆轴向和切向的岩层变形或移动限制，即锚杆会产生对岩层碎胀变形的轴向抗拉作用和对岩层剪切错动的切向抗剪作用。当前普遍采用的锚杆为螺纹钢锚杆，无论是低强度螺纹钢锚杆，还是高强度螺纹钢锚杆，锚杆的抗剪强度均远低于其抗拉强度，抗剪强度约为抗拉强度的0.6倍左右，有的甚至更低。然而，对于岩层而言，岩层结构面的剪切破坏或者岩体本身的剪切破坏是岩层破坏的一种重要形式。因此，在矿山支护工程中，很多锚杆在没有起到较大抗拉作用前已经发生了剪切破断，进而导致了锚杆支护失效。因此，当前所采用的锚杆普遍存在“抗拉强度高、抗剪强度低、杆体极易被剪断”等技术难题，如何有效抑制锚杆的剪切破坏并充分发挥锚杆的抗拉作用，成为解决当前锚杆材料力学性能缺陷的关键问题。

发明内容

本发明提供一种剪拉转化柔性让压抗剪锚杆及其施工支护方法，旨在通过剪拉转化柔性让压组合结构将岩层对岩层的剪切作用力转化为对锚杆的拉拔作用力，有效解决现有锚杆存在的锚杆“抗拉强度高、抗剪强度低、杆体极易被剪断”等技术难题，从而充分发挥锚杆的抗拉能力。

为解决上述技术问题，本发明提供一种剪拉转化柔性让压抗剪锚杆，包括锚杆附件、剪拉转化柔性让压组合结构、第一螺纹钢杆体和第二螺纹钢杆体；锚杆附件设置在第二螺纹钢杆体的后端部；

剪拉转化柔性让压组合结构包括钢制护管和设置在钢制护管内的钢绞线，钢制护管的前后两端内壁均设置有内螺纹段，第一螺纹钢杆体的后端外圆和第二螺纹钢杆体的前端外圆均设置有外螺纹段，第一螺纹钢杆体后端的外螺纹段伸入并螺纹连接到钢制护管前端的内螺纹段，第二螺纹钢杆体前端的外螺纹段伸入并螺纹连接到钢制护管后端的内螺纹段；

钢制护管前后两端内壁分别固定设置有一个锁具，钢绞线的两端通过锁具与钢制护管锁紧，钢绞线处于弯曲松弛状态。

内螺纹段和外螺纹段的螺纹连接长度应大于40mm，以保证第一螺纹钢杆体、第二螺纹钢杆体和钢制护管之间的连接处具有足够的承载能力。

钢绞线穿入锁具的长度应大于50mm，以保证钢绞线张紧时能够被锁具锁紧而且留有富余长度；锁具包括锚环和锁片，锚环和钢制护管一体化成型，锚环的内孔呈圆锥形结构，锁片设置有三片，三片锁片位于锚环的内孔内，三片锁片的外形与锚环的内孔均呈圆锥形结构，三片锁片的内孔为圆柱形，钢绞线穿设在三片锁片的内孔内；钢绞线在张紧时伸展长度为20～30mm，此伸展长度可以根据施工生产需要进行调整。

锚杆附件包括均套设在第二螺纹钢杆体后端部的螺母、托盘、减摩垫片和调心球垫，托盘中部向后凸出形成碗状结构，碗状结构的中心处开设有套到第二螺纹钢杆体上的穿孔，调心球垫设置在穿孔的边缘处，螺母通过减摩垫片与调心球垫压接配合。

剪拉转化柔性让压组合结构、第一螺纹钢杆体和第二螺纹钢杆体的位置及数目由锚杆在岩层中容易发生剪切破断的位置及数目决定。

剪拉转化柔性让压抗剪锚杆的施工支护方法，其施工步骤如下：

（1）依据锚杆所要加固围岩的应力条件以及剪切错动岩层、碎胀变形岩层的岩层结构条件，确定螺母、托盘、减摩垫片、调心球垫、第一螺纹钢杆体、第二螺纹钢杆体以及剪拉转化柔性让压组合结构的设计参数，并按设计参数进行生产加工；

（2）将第一螺纹钢杆体、第二螺纹钢杆体以及剪拉转化柔性让压组合结构按照设计结构组装起来；组装时，应将剪拉转化柔性让压组合结构置于剪切错动岩层段；

（3按照锚杆眼的位置、间排距及角度，采用锚杆钻机打设锚杆眼，锚杆眼直径应大于第一螺纹钢杆体和第二螺纹钢杆体直径10～12mm，并且大于剪拉转化柔性让压组合结构的最大外径4～6mm；

（4）锚杆眼打设完毕后，采用第一螺纹钢杆体前端将树脂药卷送入锚杆眼底，并采用钻机配合搅拌器带动第一螺纹钢杆体搅拌树脂药卷，待树脂药卷凝固后，依次安装托盘、调心球垫、减摩垫片和螺母，并采用钻机多螺母施加预紧扭矩，进而完成锚杆安装。

在支护过程中，通过钻机旋紧螺母使得钢制护管具有较高的张拉预紧力，同时在剪切错动岩层段的岩层剪切作用下，钢制护管可以提供较高的抗剪能力，而当钢制护管发生剪切破断后，在钢制护管中间的处于松弛状态的钢绞线开始发生弯曲和拉伸延展，对岩层的剪切作用力起到柔性让压作用；当钢绞线在岩层的剪切作用下被张紧时，钢绞线对岩层起到轴向抗拉作用，即相当于将切向抗剪作用转化为了轴向抗拉作用。

在支护过程中，所采用的螺母为加厚螺母，所采用的托盘为拱形托盘，所采用的减摩垫片能够减少安装扭矩转化为预紧力时的摩擦损耗，所采用的调心球垫使其自身与托盘和螺母能够密实接触，避免局部接触产生应力集中而造成锚杆尾部破断。

采用上述技术方案，钢制护管具有一定的抗拉强度和抗剪强度，在锚杆安装时通过扭紧螺母，钢制护管可以提供较高的张拉预紧力；当锚杆支护的岩层发生剪切错动时，所钢制护管可以提供较高的抗剪能力。

螺母为加厚螺母，托盘为拱形托盘，减摩垫片能够减少安装扭矩转化为预紧力时的摩擦损耗，调心球垫能够保证其自身与托盘和螺母密实接触，避免局部接触产生应力集中而造成锚杆尾部破断。

本发明具有以下有益效果：本发明通过在第一螺纹钢杆体和第二螺纹钢杆体之间增加剪拉转化柔性让压组合结构，可以有效解决现有锚杆存在的锚杆“抗拉强度高、抗剪强度低、杆体极易被剪断”等技术难题，具体体现在以下方面：第一，该结构的钢制护管具有一定的抗拉强度和抗剪强度，在锚杆安装时可以施加较大预紧力，并提供较高的抗拉能力和抗剪能力；第二，当岩层的剪切作用力超过钢制护管的抗剪强度而发生破断后，在钢制护管中间的处于松弛状态的钢绞线开始发生弯曲和拉伸延展，因此松弛钢绞线可以对岩层的剪切作用起到柔性让压作用；第三，当钢绞线在岩层剪切作用下被张紧时，钢绞线开始对岩层起到轴向抗拉作用，即相当于将切向抗剪作用转化为了轴向抗拉作用。总之，通过增加剪拉转化柔性让压组合结构，可以实现锚杆的“高预紧力、柔性让压、剪拉转化”功能，有效解决现有锚杆存在的“抗剪强度低、杆体极易被剪断”的材料缺陷问题，并为充分发挥锚杆的抗拉能力提供保障。。

附图说明

图1为本发明剪拉转化柔性让压抗剪锚杆锚固结构断面图；

图2为本发明剪拉转化柔性让压组合结构剖面图；

图3为本发明钢绞线的锁具结构的立体图；

图4为图3的俯视图。

图1-4中：1为螺母，2为托盘，3为减摩垫片，4为调心球垫，5为第一螺纹钢杆体，6为剪拉转化柔性让压组合结构，7为内螺纹段，8为锁具，9为钢绞线，10为钢制护管，11为锚环，12为锁片，13为剪切错动岩层，14为碎胀变形岩层，15为锚杆眼，16为树脂药卷，17为第二螺纹钢杆体。

具体实施方式

如图1-图4所示，本发明的剪拉转化柔性让压抗剪锚杆，包括锚杆附件、剪拉转化柔性让压组合结构6、第一螺纹钢杆体5和第二螺纹钢杆体17；锚杆附件设置在第二螺纹钢杆体17的后端部；

剪拉转化柔性让压组合结构6包括钢制护管10和设置在钢制护管10内的钢绞线9，钢制护管10的前后两端内壁均设置有内螺纹段7，第一螺纹钢杆体5的后端外圆和第二螺纹钢杆体17的前端外圆均设置有外螺纹段，第一螺纹钢杆体5后端的外螺纹段伸入并螺纹连接到钢制护管10前端的内螺纹段7，第二螺纹钢杆体17前端的外螺纹段伸入并螺纹连接到钢制护管10后端的内螺纹段7；

钢制护管10前后两端内壁分别固定设置有一个锁具8，钢绞线9的两端通过锁具8与钢制护管10锁紧，钢绞线9处于弯曲松弛状态。

内螺纹段7和外螺纹段的螺纹连接长度应大于40mm，以保证第一螺纹钢杆体5、第二螺纹钢杆体17和钢制护管10之间的连接处具有足够的承载能力。

钢绞线9穿入锁具8的长度应大于50mm，以保证钢绞线9张紧时能够被锁具8锁紧而且留有富余长度；锁具8包括锚环11和锁片12，锚环11和钢制护管10一体化成型，锚环11的内孔呈圆锥形结构，锁片12设置有三片，三片锁片12位于锚环11的内孔内，三片锁片12的外形与锚环11的内孔均呈圆锥形结构，三片锁片12的内孔为圆柱形，钢绞线9穿设在三片锁片12的内孔内；钢绞线9在张紧时伸展长度为20～30mm，此伸展长度可以根据施工生产需要进行调整。

锚杆附件包括均套设在第二螺纹钢杆体17后端部的螺母1、托盘2、减摩垫片3和调心球垫4，托盘2中部向后凸出形成碗状结构，碗状结构的中心处开设有套到第二螺纹钢杆体17上的穿孔，调心球垫4设置在穿孔的边缘处，螺母1通过减摩垫片3与调心球垫4压接配合。

剪拉转化柔性让压组合结构6、第一螺纹钢杆体5和第二螺纹钢杆体17的位置及数目由锚杆在岩层中容易发生剪切破断的位置及数目决定。

本发明的剪拉转化柔性让压抗剪锚杆的施工支护方法，其施工步骤如下：

（1）依据锚杆所要加固围岩的应力条件以及剪切错动岩层13、碎胀变形岩层14的岩层结构条件，确定螺母1、托盘2、减摩垫片3、调心球垫4、第一螺纹钢杆体5、第二螺纹钢杆体17以及剪拉转化柔性让压组合结构6的设计参数，并按设计参数进行生产加工；

（2）将第一螺纹钢杆体5、第二螺纹钢杆体17以及剪拉转化柔性让压组合结构6按照设计结构组装起来；组装时，应将剪拉转化柔性让压组合结构6置于剪切错动岩层13段；

（3按照锚杆眼15的位置、间排距及角度，采用锚杆钻机打设锚杆眼15，锚杆眼15直径应大于第一螺纹钢杆体5和第二螺纹钢杆体17直径10～12mm，并且大于剪拉转化柔性让压组合结构6的最大外径4～6mm；

（4）锚杆眼15打设完毕后，采用第一螺纹钢杆体5前端将树脂药卷16送入锚杆眼15底，并采用钻机配合搅拌器带动第一螺纹钢杆体5搅拌树脂药卷16，待树脂药卷16凝固后，依次安装托盘2、调心球垫4、减摩垫片3和螺母1，并采用钻机旋紧螺母1施加预紧扭矩，进而完成锚杆安装。

在支护过程中，通过钻机旋紧螺母1使得钢制护管10具有较高的张拉预紧力，同时在剪切错动岩层段13的岩层剪切作用下，钢制护管10可以提供较高的抗剪能力，而当钢制护管10发生剪切破断后，在钢制护管10中间的处于松弛状态的钢绞线9开始发生弯曲和拉伸延展，对岩层的剪切作用力起到柔性让压作用；当钢绞线9在岩层的剪切作用下被张紧时，钢绞线9对岩层起到轴向抗拉作用，即相当于将切向抗剪作用转化为了轴向抗拉作用。

在支护过程中，所采用的螺母1为加厚螺母，所采用的托盘2为拱形托盘，所采用的减摩垫片3能够减少安装扭矩转化为预紧力时的摩擦损耗，所采用的调心球垫4使其自身与托盘2和螺母1能够密实接触，避免局部接触产生应力集中而造成锚杆尾部破断。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.剪拉转化柔性让压抗剪锚杆，其特征在于：包括锚杆附件、剪拉转化柔性让压组合结构、第一螺纹钢杆体和第二螺纹钢杆体；锚杆附件设置在第二螺纹钢杆体的后端部；

剪拉转化柔性让压组合结构包括钢制护管和设置在钢制护管内的钢绞线，钢制护管的前后两端内壁均设置有内螺纹段，第一螺纹钢杆体的后端外圆和第二螺纹钢杆体的前端外圆均设置有外螺纹段，第一螺纹钢杆体后端的外螺纹段伸入并螺纹连接到钢制护管前端的内螺纹段，第二螺纹钢杆体前端的外螺纹段伸入并螺纹连接到钢制护管后端的内螺纹段；

钢制护管前后两端内壁分别固定设置有一个锁具，钢绞线的两端通过锁具与钢制护管锁紧，钢绞线处于弯曲松弛状态。

2.如权利要求1所述的剪拉转化柔性让压抗剪锚杆，其特征在于：内螺纹段和外螺纹段的螺纹连接长度应大于40mm，以保证第一螺纹钢杆体、第二螺纹钢杆体和钢制护管之间的连接处具有足够的承载能力。

3.如权利要求2所述的剪拉转化柔性让压抗剪锚杆，其特征在于：钢绞线穿入锁具的长度应大于50mm，以保证钢绞线张紧时能够被锁具锁紧而且留有富余长度；锁具包括锚环和锁片，锚环和钢制护管一体化成型，锚环的内孔呈圆锥形结构，锁片设置有三片，三片锁片位于锚环的内孔内，三片锁片的外形与锚环的内孔均呈圆锥形结构，三片锁片的内孔为圆柱形，钢绞线穿设在三片锁片的内孔内；钢绞线在张紧时伸展长度为20～30mm，此伸展长度可以根据施工生产需要进行调整。

4.如权利要求3所述的剪拉转化柔性让压抗剪锚杆，其特征在于：锚杆附件包括均套设在第二螺纹钢杆体后端部的螺母、托盘、减摩垫片和调心球垫，托盘中部向后凸出形成碗状结构，碗状结构的中心处开设有套到第二螺纹钢杆体上的穿孔，调心球垫设置在穿孔的边缘处，螺母通过减摩垫片与调心球垫压接配合。

5.如权利要求4所述的剪拉转化柔性让压抗剪锚杆，其特征在于：剪拉转化柔性让压组合结构、第一螺纹钢杆体和第二螺纹钢杆体的位置及数目由锚杆在岩层中容易发生剪切破断的位置及数目决定。

6.如权利要求5所述的剪拉转化柔性让压抗剪锚杆的施工支护方法，其特征在于，其施工步骤如下：

（1）依据锚杆所要加固围岩的应力条件以及剪切错动岩层、碎胀变形岩层的岩层结构条件，确定螺母、托盘、减摩垫片、调心球垫、第一螺纹钢杆体、第二螺纹钢杆体以及剪拉转化柔性让压组合结构的设计参数，并按设计参数进行生产加工；

（2）将第一螺纹钢杆体、第二螺纹钢杆体以及剪拉转化柔性让压组合结构按照设计结构组装起来；组装时，应将剪拉转化柔性让压组合结构置于剪切错动岩层段；

（3按照锚杆眼的位置、间排距及角度，采用锚杆钻机打设锚杆眼，锚杆眼直径应大于第一螺纹钢杆体和第二螺纹钢杆体直径10～12mm，并且大于剪拉转化柔性让压组合结构的最大外径4～6mm；

（4）锚杆眼打设完毕后，采用第一螺纹钢杆体前端将树脂药卷送入锚杆眼底，并采用钻机配合搅拌器带动第一螺纹钢杆体搅拌树脂药卷，待树脂药卷凝固后，依次安装托盘、调心球垫、减摩垫片和螺母，并采用钻机多螺母施加预紧扭矩，进而完成锚杆安装。

7.如权利要求6所述的剪拉转化柔性让压抗剪锚杆的施工支护方法，其特征在于：在支护过程中，通过钻机旋紧螺母使得钢制护管具有较高的张拉预紧力，同时在剪切错动岩层段的岩层剪切作用下，钢制护管可以提供较高的抗剪能力，而当钢制护管发生剪切破断后，在钢制护管中间的处于松弛状态的钢绞线开始发生弯曲和拉伸延展，对岩层的剪切作用力起到柔性让压作用；当钢绞线在岩层的剪切作用下被张紧时，钢绞线对岩层起到轴向抗拉作用，即相当于将切向抗剪作用转化为了轴向抗拉作用。

8.如权利要求6所述的剪拉转化柔性让压抗剪锚杆的施工支护方法，其特征在于：在支护过程中，所采用的螺母为加厚螺母，所采用的托盘为拱形托盘，所采用的减摩垫片能够减少安装扭矩转化为预紧力时的摩擦损耗，所采用的调心球垫使其自身与托盘和螺母能够密实接触，避免局部接触产生应力集中而造成锚杆尾部破断。