用于锚固破碎顶板煤体的叉形锚杆及其安装方法与流程

本发明属于煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种用于锚固破碎顶板煤体的叉形锚杆及其安装方法。

背景技术：

厚煤层一般采用沿底掘煤巷的方式布置回采巷道，顶板为较厚的煤体。因此，在采动应力、构造应力计围岩膨胀作用下，顶煤往往较为破碎，呈现非连续特征。破碎后的煤块与煤块之间以摩擦力形式互相咬合，其顶板强度取决于摩擦力，顶板变形由水平应力挤压与顶板破碎扩容共同影响。锚杆失效主要是由于锚杆锚固段与围岩体之间部分或者全部失去力学联系，使得锚杆与所支护岩体脱离，从而不能正常发挥锚固作用，在端头锚固失效时，锚杆也就失去了对围岩的加固和支护作用。针对软弱煤巷，锚杆失效概率更大，锚固剂与围岩体结构面破坏是其主要失效形式。本发明为加固松软破碎顶板煤体，防止出现冒顶事故，通过对现有锚杆的结构改造，来提高锚杆锚固效果，增强锚固性能，进而提高矿井生产安全技术水平。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种提升锚杆的可靠性、提高锚固效果、增强锚固松软破碎顶板煤体性能的用于锚固破碎顶板煤体的叉形锚杆及其安装方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：用于锚固破碎顶板煤体的叉形锚杆，包括锚杆本体、驱动杆、第一分叉杆和第二分叉杆、定位销、托盘和螺母，锚杆本体为中空结构且上端封堵下端敞口，锚杆本体中部左侧和右侧分别开设有一条关于锚杆本体中心线对称的长孔，长孔的长度方向平行于锚杆本体中心线，螺母螺纹连接在锚杆本体下端外圆，托盘套在锚杆本体下端外部并位于螺母上，驱动杆由锚杆本体下端向上插设在锚杆本体内，驱动杆上端位于两条长孔之间，驱动杆下端与锚杆本体下端齐平，定位销位于托盘上方并沿锚杆本体径向方向设置，定位销穿过锚杆本体和驱动杆，驱动杆上端、第一分叉杆下端和第二分叉杆下端通过一根销轴铰接，第一分叉杆上端和第二分叉杆上端分别穿过一条长孔向上倾斜设置，第一分叉杆和第二分叉杆之间设置有自锁定位机构。

自锁定位机构包括水平设置的套筒和导杆，第一分叉杆右侧固定设置有第一连接耳，第二分叉杆右侧固定设置有第二连接耳，导杆插设在套筒内并与套筒内壁之间具有间隙，导杆右端伸出套筒，套筒下部左侧固定设置有与第一连接耳铰接的第三连接耳，导杆下部右侧固定设置有与第二连接耳铰接的第四连接耳，套筒上套设有左右两端分别与第二连接耳和第四连接耳顶压配合的第一压缩弹簧，导杆左侧上部开设有顶部敞口的定位槽，套筒右端下部沿轴线方向开设有长槽孔，第四连接耳左侧伸入到长槽孔内与第一压缩弹簧顶压接触，套筒右端上部沿径向方向固定连接有一个套管，套管上端固定连接有堵板，套管内设置有第二压缩弹簧和位于第二压缩弹簧下方的定位柱，第二压缩弹簧上端和下端分别与堵板和定位柱顶压配合，定位柱下端与导杆顶部顶压接触。

驱动杆上端沿轴线方向开设有安装槽孔，第一分叉杆上端和第二分叉杆上端均为尖锐结构，第一分叉杆下端和第二分叉杆下端部均为扁平结构，第一分叉杆下端的扁平结构向右折弯以及第二分叉杆下端的扁平结构向左折弯后伸入到安装槽孔内通过所述的销轴与驱动杆上端铰接。

锚杆本体外部沿轴线方向设置有螺旋凸棱条。

第一分叉杆和第二分叉杆的外表面沿长度方向均匀设置有若干排倒刺组，每排倒刺组均沿分叉杆的圆周方向均匀设置，相邻两排倒刺组之间的距离为25mm，每排倒刺组中的每根倒刺的长度为10mm，每排倒刺组中的相邻两根倒刺的距离为5mm，每根倒刺的上端均与分叉杆的外表面固定连接，每根倒刺均与分叉杆中心线的夹角均为15°。

所述叉形锚杆的安装方法，包括以下步骤，

（1）、使用钻机在巷道围岩向上钻孔，钻孔成型后，在钻孔内注入锚固剂；

（2）、然后将锚杆本体插入钻孔中，锚杆本体下端与锚杆钻机的动力输出端连接，锚杆钻机驱动锚杆本体旋转，锚杆本体搅拌锚固剂至凝固达到额定扭矩；

（3）、将第一分叉杆和第二分叉杆合拢后自下而上插入到锚杆钻机内，在第一压缩弹簧的作用下，第一分叉杆上部左侧和第二分叉杆上部右侧分别与锚杆本体内壁顶压接触，向上推动驱动杆，第一分叉杆上端和第二分叉杆上端分别穿过左侧的长孔和右侧的长孔后继续向上移动，在锚杆本体的长孔上端边沿的限定下，第一分叉杆和第二分叉杆以销轴为中心轴，第一分叉杆上端和第二分叉杆分别向左和向右叉开，与第一分叉杆连接的套筒向左移动，与第二分叉杆连接的导杆向右移动，当导杆上部的定位槽向右露出套筒后与定位柱上下对应时，在第二压缩弹簧的作用下，定位柱下部被压入到定位槽内，从而将导杆与套筒轴向方向定位，这样就将第一分叉杆和第二分叉杆定位，此时锚杆本体与驱动杆径向的锚固孔对齐；

（4）、将锚杆本体与驱动杆之间的锚固孔内插入定位销，使锚杆本体与驱动杆连接为一体，最终形成所述的叉形锚杆；

（5）、将托盘套到锚杆本体上，拧上螺母压紧托盘，使托盘与巷道围岩紧密压接配合。

采用上述技术方案，将第一分叉杆和第二分叉杆合拢到锚杆本体内时，第四连接耳被压到套筒右端下部的长槽孔内，这样就与第一压缩弹簧顶压接触，在第一压缩弹簧的作用下，向上推动驱动杆的过程中，第一分叉杆上部左侧和第二分叉杆上部右侧始终与锚杆本体内壁顶压接触，当第一分叉杆和第二分叉杆的上端被推到两个长孔处时，第一压缩弹簧的弹力将第一分叉杆的上端向左穿过左侧的长孔，将第二分叉杆的上端向左穿过右侧的长孔，第一分叉杆和第二分叉杆就分别沿着长孔继续向上并张开，第四连接耳脱离顶压配合的第一压缩弹簧，第一压缩弹簧右端就与套管顶压接触，在锚杆本体的长孔上端边沿的限定下，即使没有第一压缩弹簧的作用，第一分叉杆和第二分叉杆也会继续向左上和右上叉开，直到第一分叉杆和第二分叉杆均与锚杆本体呈约45°的夹角时，导杆上部的定位槽与定位柱上下对应，在第二压缩弹簧的作用下，定位柱被压入到定位槽内，导杆与套筒轴向方向定位，这样可使第一分叉杆和第二分叉杆保持稳定，，即使煤体内部对第一分叉杆和第二分叉杆产生各个方向的应力，第一分叉杆和第二分叉杆均保持稳定性，这样可充分增强锚固效果。

由于第一分叉杆和第二分叉杆在以销轴为中心线的转动过程中分别拉动套筒向左移动和导杆向右移动，套筒向左移动和导杆向右移动的方形具有一定的弧度，为了避免套筒和导杆之间产生应力，套筒和导杆之间专门设置足够的间隙。

第一分叉杆上端和第二分叉杆上端均为尖锐结构以及每根倒刺的上端均与分叉杆的外表面固定连接，每根倒刺均与分叉杆中心线的夹角均为15°，上述结构可减少向上推动驱动杆的推力，使第一分叉杆上端和第二分叉杆很容易向上插入到煤体中。通过拧紧螺母对锚杆本体、第一分叉杆和第二分叉杆施加预紧力。锚杆本体与煤体间通过树脂锚固剂实现粘结锚固作用，第一分叉杆和第二分叉杆通过表面设置的倒刺与树脂锚固剂和煤体实现机械锚固。

综上所述，本发明的叉形锚杆设计合理，结构紧凑，提高了锚固面积，增大了碎顶板煤体锚固范围，提高了破碎围岩的内摩擦角，改善了整体峰后强度，提高了碎顶板煤体的锚固效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中自锁定位机构的结构示意图；

图3是图2的右视图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的用于锚固破碎顶板煤体的叉形锚杆，包括锚杆本体1、驱动杆2、第一分叉杆3和第二分叉杆4、定位销5、托盘6和螺母7，锚杆本体1为中空结构且上端封堵下端敞口，锚杆本体1中部左侧和右侧分别开设有一条关于锚杆本体1中心线对称的长孔8，长孔8的长度方向平行于锚杆本体1中心线，螺母7螺纹连接在锚杆本体1下端外圆，托盘6套在锚杆本体1下端外部并位于螺母7上，驱动杆2由锚杆本体1下端向上插设在锚杆本体1内，驱动杆2上端位于两条长孔8之间，驱动杆2下端与锚杆本体1下端齐平，定位销5位于托盘6上方并沿锚杆本体1径向方向设置，定位销5穿过锚杆本体1和驱动杆2，驱动杆2上端、第一分叉杆3下端和第二分叉杆4下端通过一根销轴9铰接，第一分叉杆3上端和第二分叉杆4上端分别穿过一条长孔8向上倾斜设置，第一分叉杆3和第二分叉杆4之间设置有自锁定位机构10。

自锁定位机构10包括水平设置的套筒11和导杆12，第一分叉杆3右侧固定设置有第一连接耳13，第二分叉杆4右侧固定设置有第二连接耳14，导杆12插设在套筒11内并与套筒11内壁之间具有间隙15，导杆12右端伸出套筒11，套筒11下部左侧固定设置有与第一连接耳13铰接的第三连接耳16，导杆12下部右侧固定设置有与第二连接耳14铰接的第四连接耳17，套筒11上套设有左右两端分别与第二连接耳14和第四连接耳17顶压配合的第一压缩弹簧18，导杆12左侧上部开设有顶部敞口的定位槽19，套筒11右端下部沿轴线方向开设有长槽孔20，第四连接耳17左侧伸入到长槽孔20内与第一压缩弹簧18顶压接触，套筒11右端上部沿径向方向固定连接有一个套管21，套管21上端固定连接有堵板22，套管21内设置有第二压缩弹簧23和位于第二压缩弹簧23下方的定位柱24，第二压缩弹簧23上端和下端分别与堵板22和定位柱24顶压配合，定位柱24下端与导杆12顶部顶压接触。

驱动杆2上端沿轴线方向开设有安装槽孔27，第一分叉杆3上端和第二分叉杆4上端均为尖锐结构25，第一分叉杆3下端和第二分叉杆4下端部均为扁平结构26，第一分叉杆3下端的扁平结构26向右折弯以及第二分叉杆4下端的扁平结构26向左折弯后伸入到安装槽孔27内通过所述的销轴9与驱动杆2上端铰接。

锚杆本体1外部沿轴线方向设置有螺旋凸棱条28。

第一分叉杆3和第二分叉杆4的外表面沿长度方向均匀设置有若干排倒刺组29，每排倒刺组29均沿分叉杆的圆周方向均匀设置，相邻两排倒刺组29之间的距离为25mm，每排倒刺组29中的每根倒刺的长度为10mm，每排倒刺组29中的相邻两根倒刺的距离为5mm，每根倒刺的上端均与分叉杆的外表面固定连接，每根倒刺均与分叉杆中心线的夹角均为15°。

所述叉形锚杆的安装方法，包括以下步骤，

（1）、使用钻机在巷道围岩向上钻孔，钻孔成型后，在钻孔内注入锚固剂；

（2）、然后将锚杆本体1插入钻孔中，锚杆本体1下端与锚杆钻机的动力输出端连接，锚杆钻机驱动锚杆本体1旋转，锚杆本体1搅拌锚固剂至凝固达到额定扭矩；

（3）、将第一分叉杆3和第二分叉杆4合拢后自下而上插入到锚杆钻机内，在第一压缩弹簧18的作用下，第一分叉杆3上部左侧和第二分叉杆4上部右侧分别与锚杆本体1内壁顶压接触，向上推动驱动杆2，第一分叉杆3上端和第二分叉杆4上端分别穿过左侧的长孔8和右侧的长孔8后继续向上移动，在锚杆本体1的长孔8上端边沿的限定下，第一分叉杆3和第二分叉杆4以销轴9为中心轴，第一分叉杆3上端和第二分叉杆4分别向左和向右叉开，与第一分叉杆3连接的套筒11向左移动，与第二分叉杆4连接的导杆12向右移动，当导杆12上部的定位槽19向右露出套筒11后与定位柱24上下对应时，在第二压缩弹簧23的作用下，定位柱24下部被压入到定位槽19内，从而将导杆12与套筒11轴向方向定位，这样就将第一分叉杆3和第二分叉杆4定位，此时锚杆本体1与驱动杆2径向的锚固孔对齐；

（4）、将锚杆本体1与驱动杆2之间的锚固孔内插入定位销5，使锚杆本体1与驱动杆2连接为一体，最终形成所述的叉形锚杆；

（5）、将托盘6套到锚杆本体1上，拧上螺母7压紧托盘6，使托盘6与巷道围岩紧密压接配合。

将第一分叉杆3和第二分叉杆4合拢到锚杆本体1内时，第四连接耳17被压到套筒11右端下部的长槽孔20内，这样就与第一压缩弹簧18顶压接触，在第一压缩弹簧18的作用下，向上推动驱动杆2的过程中，第一分叉杆3上部左侧和第二分叉杆4上部右侧始终与锚杆本体1内壁顶压接触，当第一分叉杆3和第二分叉杆4的上端被推到两个长孔8处时，第一压缩弹簧18的弹力将第一分叉杆3的上端向左穿过左侧的长孔8，将第二分叉杆4的上端向左穿过右侧的长孔8，第一分叉杆3和第二分叉杆4就分别沿着长孔8继续向上并张开，第四连接耳17脱离顶压配合的第一压缩弹簧18，第一压缩弹簧18右端就与套管21顶压接触，在锚杆本体1的长孔8上端边沿的限定下，即使没有第一压缩弹簧18的作用，第一分叉杆3和第二分叉杆4也会继续向左上和右上叉开，直到第一分叉杆3和第二分叉杆4均与锚杆本体1呈约45°的夹角时，导杆12上部的定位槽19与定位柱24上下对应，在第二压缩弹簧23的作用下，定位柱24被压入到定位槽19内，导杆12与套筒11轴向方向定位，这样可使第一分叉杆3和第二分叉杆4保持稳定，，即使煤体内部对第一分叉杆3和第二分叉杆4产生各个方向的应力，第一分叉杆3和第二分叉杆4均保持稳定性，这样可充分增强锚固效果。

第一分叉杆3上端和第二分叉杆4上端均为尖锐结构25以及每根倒刺的上端均与分叉杆的外表面固定连接，每根倒刺均与分叉杆中心线的夹角均为15°，上述结构可减少向上推动驱动杆2的推力，使第一分叉杆3上端和第二分叉杆4上端很容易向上插入到煤体中。通过拧紧螺母7对锚杆本体1、第一分叉杆3和第二分叉杆4施加预紧力。锚杆本体1与煤体间通过树脂锚固剂实现粘结锚固作用，第一分叉杆3和第二分叉杆4通过表面设置的倒刺与树脂锚固剂和煤体实现机械锚固。

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。