CN111119961B

CN111119961B - 一种锚杆高预应力施加装置及使用方法

Info

Publication number: CN111119961B
Application number: CN201911275793.7A
Authority: CN
Inventors: 尹升华; 严荣富; 吴爱祥; 刘伽伟; 陈勋; 陈顺满; 王雷鸣
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2039-12-12
Also published as: CN111119961A

Abstract

本发明提供一种锚杆高预应力施加装置及使用方法，属于围岩支护技术领域。该装置包括液压油高压注油系统、锚杆拉拔系统、高扭矩施加系统、液压油泄压系统，液压油高压注油系统、锚杆拉拔系统、高扭矩施加系统、液压油泄压系统安装在基座上。基座采用高强度钢材料制成。该装置通过高油压作用，既能对锚杆施加高预应力，又可对锚杆螺母施加高扭矩预紧，重构围岩受力状态，将开挖后的二向应力改变为三向应力，达到提高围岩性能、改善松散结构、强化弱层的目的，实现井下复杂松散破碎围岩的快速加固，增强软破岩体抵抗变形的能力。

Description

一种锚杆高预应力施加装置及使用方法

技术领域

本发明涉及围岩支护技术领域，特别是指一种锚杆高预应力施加装置及使用方法。

背景技术

锚杆支护是井下巷道、路桥隧道、及地下岩体工程等使用最为广泛的一种支护方式，常用的有管缝锚杆、注浆锚杆、树脂锚杆等。锚杆支护技术也由早期的被动支护，逐步发展到现在丰富的支护体系，包括全长锚固支护、长锚杆支护、高预应力主动支护等。支护作用也由早期的悬吊作用，发展成具备组合梁、组合拱以及减跨等支护作用。目前，应用最为广泛的为树脂锚杆支护，主要是利用树脂的胶结作用将锚杆固定在钻孔中底部，并在锚杆外露一端增加螺母和垫板，通过一定扭矩使锚杆形成一定预应力，使复杂松软破碎围岩转化为高强度的围岩应力拱，提高围岩的应力强度，改善围岩结构，达到支护围岩的目的，保障巷道的长期稳定性。

因此，要想提高锚杆支护体系内围岩的综合承载和抵抗变形的能力，必须对锚杆拉拔力、预紧力等提出很高的要求，即在锚杆支护初期就形成较强的锚固力(预紧力)。但是，现有的锚杆施工和安装技术，锚杆依然发挥的是被动支护作用，由于无法实现高预应力，锚杆的主动支护作用难以实现，具体存在的问题如下：(1)锚杆安装过程中，预紧力的实现常采用支护工人进行手动预紧，对锚杆的预应力施加情况较为随意，且人工使用扳手达到的扭矩范围为100N·M～200N·M；(2)虽然有锚杆钻机可以进行锚杆安装及预紧，但是钻机扭矩较低，最高为150N·M，不足以提供足够的预紧扭矩，造成锚杆预应力不足，围岩强度提升有限；(3)现有高预应力施加设备在锚杆中应用较少，多在锚索支护中使用，且设备笨重、体型大、施工复杂，不适宜锚杆的快速安装预紧；(4)单纯依靠提高扭矩增加预应力时，扭矩与预应力的关系受施工情况影响较大；(5)单独采用高拉拔力达到与预应力施加时，螺母拧紧难度大，预紧力小，易发生预应力衰减。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种锚杆高预应力施加装置及使用方法，该装置可以快速且同时施加高预应力及高扭矩的锚杆预应力，并根据巷道围岩对围压的需求给出相应的液压、扭矩和预应力的对应关系，指导预应力锚杆施工，最后形成锚杆预应力施加装置。

该装置包括液压油高压注油系统、锚杆拉拔系统、高扭矩施加系统和液压油泄压系统，高压注油系统、锚杆拉拔系统、高扭矩施加系统和液压油泄压系统安装在基座上，其中，高压注油系统包括液压油入口和高压油槽，锚杆拉拔系统包括锚杆应力拉拔套筒和锚杆应力传动套筒，高扭矩施加系统包括锚杆预紧螺母、液压扭矩自行扳手、扭矩转盘和旋转液压臂，液压油泄压系统包括液压油出口和泄压油槽；锚杆应力传动套筒内嵌在基座里，用来传递高压液压油所产生的推动力，将推动力传递给锚杆应力拉拔套筒，在推动力的作用下拉拔锚杆产生预应力。锚杆应力传动套筒上方接触锚杆应力拉拔套筒，锚杆应力拉拔套筒内放置树脂锚杆，树脂锚杆下部插入锚杆预紧螺母中，锚杆预紧螺母外部设置扭矩转盘，扭矩转盘外部设置油腔，油腔外部连接高压油槽和泄压油槽，基座一侧开口设置液压油入口和液压油出口。

其中，扭矩转盘上均匀布置液压扭矩自行扳手，液压扭矩自行扳手连接锚杆预紧螺母。

扭矩转盘上均匀插入八支旋转液压臂，旋转液压臂能够伸缩。

扭矩转盘内为六边形，用以匹配锚杆预紧螺母。

基座由高强度钢材料制成，密封性好。

该装置整体为上窄下宽的圆环型柱体。

使用该装置的方法，包括步骤如下：

S1：通过液压油入口持续将高油压注入锚杆应力传动套筒中，锚杆应力传动套筒的横截面上受到液压油的高压强作用，产生向上的推力；

S2：推力推动锚杆应力拉拔套筒，使锚杆产生一定的预应力，即产生拉拔作用；

S3：液压油继续沿导油通道流入高压油槽，高压油推动旋转液压臂，产生高扭矩，高扭矩作用在锚杆预紧螺母上，起到高扭矩扳手的作用，实现螺母的拧紧和锁止；

S4：液压油随旋转液压片转动并流至泄压油槽，并经导油通道流至液压油出口，形成回流。

上述油腔、旋转液压臂和扭矩转盘组成了液压扭矩系统，其中高压油通过导油通道到高压油槽后，进入油腔，并产生作用力推动旋转液压臂发生转动，并产生扭矩达到螺母预紧的作用。

扭矩转盘由插入的8支可伸缩的旋转液压臂构成受力驱动装置。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，该装置结合现场施工经验，进行了改善，施工更加方便、效率更高，预应力显著提高，围岩强度改善效果明显。通过该装置的研发和应用，可以有效提高井下巷道的支护强度，保证巷道的长期稳定，为矿山企业节约巷道支护和维护成本。

附图说明

图1为本发明的锚杆高预应力施加装置结构示意图；

图2为本发明的锚杆高预应力施加装置俯视图；

图3为本发明实施例中装置油压-拉拔力-扭矩工作关系。

其中：1-锚杆应力拉拔套筒，2-树脂锚杆，3-锚杆应力传动套筒，4-基座，5-锚杆预紧螺母，6-液压油入口，7-液压油出口，8-液压扭矩自行扳手，9-油腔，10-高压油槽，11-扭矩转盘，12-旋转液压臂，13-泄压油槽。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图进行详细描述。

本发明提供一种锚杆高预应力施加装置及使用方法。

如图1和图2所示，该装置包括高压注油系统、锚杆拉拔系统、高扭矩施加系统和液压油泄压系统，高压注油系统、锚杆拉拔系统、高扭矩施加系统和液压油泄压系统安装在基座4上，其中，高压注油系统包括液压油入口6和高压油槽10，锚杆拉拔系统包括锚杆应力拉拔套筒1和锚杆应力传动套筒3，高扭矩施加系统包括锚杆预紧螺母5、液压扭矩自行扳手8、扭矩转盘11和旋转液压臂12，液压油泄压系统包括液压油出口7和泄压油槽13；锚杆应力传动套筒3内嵌在基座4里，锚杆应力传动套筒3上方接触锚杆应力拉拔套筒1，锚杆应力拉拔套筒1内放置树脂锚杆2，树脂锚杆2下部插入锚杆预紧螺母5中，锚杆预紧螺母5外部设置扭矩转盘11，扭矩转盘11外部设置油腔9，油腔9外部连接高压油槽10和泄压油槽13，基座4一侧开口设置液压油入口6和液压油出口7。

在装置设计阶段，综合考虑应力要求、现场试验和材质性能等因素，确定合理的液压油油压、锚杆预应力、螺母扭矩三者之间的对应关系，制定高预应力施加装置的油压-预应力-扭矩对应标准。同时，根据以上对应关系配备适合的轻型电子液压泵，确定锚杆推动装置液压作用面积、旋转液压臂的尺寸度和受力面积、装置其它部位具体尺寸等各项参数，最后进行装置各部件的定制和组装。

本发明装置树脂锚杆应力拉拔套筒1为可拆卸式，筒内具有螺纹，在安装过程中需将锚杆套入筒内拧紧至最深处，直至拉拔套筒与传动套筒相接触。拉拔套筒可设计多个长度类型供施工时选取，其设计原则为根据锚杆露出垫板长度和拧紧程度需求，保证套筒与锚杆螺纹接触面积内产生的摩擦力大于需要施加的锚杆预应力，不宜发生相对滑动或滑丝现象，其接触长度不应小于3cm。锚杆应力传动套筒3主要起到受力和传力的作用，在底端受到液压油的应力后向上运动推动锚杆应力拉拔套筒1对锚杆产生拉拔作用。锚杆应力传动套筒3行程限制为8cm，因此，当锚杆拉伸到8cm后还存在继续拉伸潜力时，应进行卸载后重新注入油压进行二次预应力拉伸，直至达到预设预应力值后不再产生显著变形，或扭矩扳手不再转动时可停止。

液压扭矩系统主要由高压油槽10、油腔9、旋转液压臂12、扭矩转盘11和泄压油槽13等组成。其中高压油通过导油通道到高压油槽10后，进入油腔9，并产生作用力推动旋转液压臂12发生转动，转动力矩和油压成正比，扭矩转盘11紧扣锚杆螺母，并产生扭矩达到螺母预紧的作用，转动过程中液压油同步进入泄压油槽13经导油通道回流至电子液压泵中进行重复泵压。随着拉拔应力不再产生明显拉伸且扭矩扳手无法继续扭转螺母时，即达到设定扭矩值或预应力值。

本装置主要有两个作功系统构成，一是锚杆拉拔系统、一是高扭矩施加系统，两套做功系统都是在液压油作用下产生的驱动力。

锚杆拉拔系统做功是通过油压作用在圆环状拉拔套杆上。圆环状拉拔套杆内径为20mm、外径为30mm，受力面积1570mm²，其产生的锚杆拉拔力F为：

F＝1.57·P(KN)

其中：P——液压油油压，MPa。

高扭矩施加系统做功是通过油腔内高压油槽和卸油槽间产生的油压差作用在分布于扭矩转盘的旋转液压臂上，施加扭矩M为：

M＝P·(s_h·L_h-s_l·L_l)·n/2(N·m)

其中：S_h——高油压处旋转液压臂受力面积，m²；

L_h——高油压处旋转液压臂力臂长度，m；

S_l——低油压处旋转液压臂受力面积，m²；

L_l——低油压处旋转液压臂力臂长度，m；

n——存在液压油差的可旋转臂个数；

按照以上工作原理，本设计装置油压-拉拔力-扭矩工作关系如图3所示。

下面将结合具体实施例进行详细描述。

假设某工程设计要求锚杆预应力为45KN(视矿山巷道围岩破坏和变形情况而定，围岩越松散破碎，需要施加的预应力越强)，则可以通过电动油泵泵入30MPa的液压油。油压作用在中下锚杆应力传动套筒将产生47.1KN(理论值)的推动力，并将拉拔力传递给锚杆拉拔套筒，形成锚杆拉拔力。同时随着高压液压油进入扭转系统，旋转液压臂两侧油压不同而发生运动，方向为高油压向低油压去转动，参考叶轮片反向作用机理，液压扭矩自行扳手也可提供约300N·M的扭矩作用在锚杆配套螺母上，对锚杆螺母进行预紧，同时也可提供一定拉拔力的转换。因此，采用本装置进行预应力施加时，即使考虑施工过程中存在的性能损耗和误差，其综合预应力仍能有效维持在45KN左右，满足设计要求。

本发明使施工更加方便、效率更高，预应力显著提高，围岩强度改善效果明显。通过该装置的研发和应用，可以有效提高井下巷道的支护强度，保证巷道的长期稳定，为矿山企业节约巷道支护和维护成本。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种锚杆高预应力施加装置，其特征在于：包括高压注油系统、锚杆拉拔系统、高扭矩施加系统和液压油泄压系统，高压注油系统、锚杆拉拔系统、高扭矩施加系统和液压油泄压系统安装在基座(4)上，其中，高压注油系统包括液压油入口(6)和高压油槽(10)，锚杆拉拔系统包括锚杆应力拉拔套筒(1)和锚杆应力传动套筒(3)，高扭矩施加系统包括锚杆预紧螺母(5)、液压扭矩自行扳手(8)、扭矩转盘(11)和旋转液压臂(12)，液压油泄压系统包括液压油出口(7)和泄压油槽(13)；锚杆应力传动套筒(3)内嵌在基座(4)里，锚杆应力传动套筒(3)上方接触锚杆应力拉拔套筒(1)，锚杆应力拉拔套筒(1)内放置树脂锚杆(2)，树脂锚杆(2)下部插入锚杆预紧螺母(5)中，锚杆预紧螺母(5)外部设置扭矩转盘(11)，扭矩转盘(11)外部设置油腔(9)，油腔(9)外部连接高压油槽(10)和泄压油槽(13)，基座(4)一侧开口设置液压油入口(6)和液压油出口(7)；

应用该装置的方法，包括步骤如下：

S1：通过液压油入口(6)持续将高油压注入锚杆应力传动套筒(3)中，锚杆应力传动套筒(3)的横截面上受到液压油的高压强作用，产生向上的推力；

S2：推力推动锚杆应力拉拔套筒(1)，使锚杆产生一定的预应力，即产生拉拔作用；

S3：液压油继续沿导油通道流入高压油槽(10)，高压油推动旋转液压臂(12)，产生高扭矩，高扭矩作用在锚杆预紧螺母(5)上，起到高扭矩扳手的作用，实现螺母的拧紧和锁止；

S4：液压油随旋转液压臂转动并流至泄压油槽(13)，并经导油通道流至液压油出口(7)，形成回流。

2.根据权利要求1所述的锚杆高预应力施加装置，其特征在于：所述扭矩转盘(11)上均匀布置液压扭矩自行扳手(8)，液压扭矩自行扳手(8)连接锚杆预紧螺母(5)。

3.根据权利要求1所述的锚杆高预应力施加装置，其特征在于：所述扭矩转盘(11)上均匀插入八支旋转液压臂(12)，旋转液压臂(12)能够伸缩。

4.根据权利要求1所述的锚杆高预应力施加装置，其特征在于：所述扭矩转盘(11)内为六边形，用以匹配锚杆预紧螺母(5)。

5.根据权利要求1所述的锚杆高预应力施加装置，其特征在于：所述基座(4)由高强度钢材料制成。

6.根据权利要求1所述的锚杆高预应力施加装置，其特征在于：该装置整体为上窄下宽的圆环型柱体。