一种锚索多段扩孔树脂锚固体性能增强装置及工作方法

1.本发明属于煤矿巷道支护技术领域，具体涉及一种锚索多段扩孔树脂锚固体性能增强装置及工作方法。


背景技术：

2.锚索树脂锚固支护作为煤矿井下巷道、岩土工程隧道及深部高应力金属矿山支护的主要形式，在国内外已经得到广泛应用，尤其是对软弱围岩体来说，常规锚索的锚固性能一般较差，此围岩环境下的大部分常规锚索锚固支护难以满足高应力、围岩软弱破碎、容易离层等工况下的锚索锚固支护要求，因此，常通过围岩注浆、增加锚固长度、增大钻孔直径和钻孔底部扩孔等方法来提高软弱围岩体的锚固效果。其中，钻孔底部多段扩孔法是增强锚索锚固力最经济有效的方法之一，该方法已在煤矿井下现场和岩土工程隧道、边坡、基坑支护等得到大面积推广应用，而锚固系统的锚固性能对支护效果起着关键作用，由于搅拌树脂锚固剂是锚杆锚固工程中重要的一道工序，树脂锚固剂的搅拌效果与锚固性能息息相关。
3.但目前针对锚索扩孔锚固仍然采用传统树脂锚固方式，即使用普通锚索直接对树脂锚固剂药卷进行搅拌锚固或在搅拌端头加装搅拌头对树脂锚固剂药卷进行搅拌的方式，此类方式无法对树脂锚固剂进行充分有效破碎和均匀搅拌，尤其是在软弱围岩的多段扩孔区域，锚固效果更为不好。因此，研发锚索多段扩孔树脂锚固体性能增强装置，并提出一种针对软弱围岩的锚索多段扩孔锚固体性能增强技术，对提升软弱围岩体锚索扩孔锚固质量具有重要的工程和社会意义。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中的不足之处，本发明提供一种锚索多段扩孔树脂锚固体性能增强装置及工作方法, 其可避免由于多段扩孔区域空间突然变大或孔内岩层发生离层产生明显不规则裂缝而使得部分树脂锚固剂堆积未搅拌反应和锚固长度内锚固药体不密实与孔壁黏结性弱等而造成的有效锚固长度和锚索锚固力减少的问题，可有效保证树脂锚固剂带压均匀密实充填满整个扩孔区域和孔壁明显裂缝处，并封堵树脂锚固剂向下外流，最大程度保证设计锚固长度内锚固药体均匀密实并且使锚索、锚固孔、环形锚固药体居中，极大的提升了锚索多段扩孔树脂锚固效果。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种锚索多段扩孔树脂锚固体性能增强装置，包括伸入安装到锚固孔内的锚索本体，锚索本体自上而下依次间隔设有截齿破碎搅拌件、扩散导升搅拌件和渐变径螺杆封堵件, 截齿破碎搅拌件设在锚索本体上端部并位于锚固孔的孔底附近，扩散导升搅拌件数量与锚固孔内的扩孔段数量保持一致，扩散导升搅拌件位于锚固孔的锚索多段扩孔区域及其下方区域，渐变径螺杆封堵件位于锚固孔的孔口处；截齿破碎搅拌件与渐变径螺杆封堵件之间的距离为设计锚固长度，由具体支护参数要求决定，一般为120-150cm。
6.截齿破碎搅拌件包括套装并黏结在锚索本体上端头外部并第一套管，第一套管外圆设有二级螺旋搅拌叶片，第一套管上端口设有运移过渡球面盖，运移过渡球面盖上端固定设有与第一套管同中心线的搅拌杆，搅拌杆外圆设有右旋运移螺旋叶片，搅拌杆上端沿圆周方向设有四翼截齿破碎刀，搅拌杆上端同轴向固定设有渐变径螺纹结构。
7.渐变径螺纹结构底部中心与四翼截齿破碎刀中心通过焊接为一个整体，此整体中心焊接在搅拌杆上端头；渐变径螺纹结构外形为上小下大的右螺旋螺纹结构，四翼截齿破碎刀为同平面圆周阵列等角度（间隔90度）设置有4个工作臂的旋割刀具，并且每个工作臂上均焊接有3个等间距v形切割截齿；右旋运移螺旋叶片高度为25mm、直径为20mm；运移过渡球面盖为半径为9.5mm球体的上半部分；二级螺旋搅拌叶片为从第一套管底端开始右螺旋缠绕焊接在第一套管外圆表面的矩形螺纹结构，二级螺旋搅拌叶片的厚度和宽度均为1.5mm；第一套管高度为20mm、外圆直径为28mm、内部空腔直径为18mm。
8.扩散导升搅拌件包括套装并黏结在锚索本体外部的第二套管，第二套管外圆由上至下依次焊接设置一级左旋搅拌涡轮、圆盘涡轮、二级左旋搅拌涡轮及左旋渐变径螺纹结构。
9.第二套管上下两端通透，高度为50mm，外圆直径为29mm，内孔直径为18mm；一级左旋搅拌涡轮为同平面圆周阵列等角度（间隔90度）分别设置的4个左螺旋搅拌叶片；圆盘涡轮为同平面圆周阵列等角度（间隔60度）分别设置的6个矩形叶片，矩形叶片均竖向设置；二级左旋搅拌涡轮与一级左旋搅拌涡轮结构及尺寸相同；左旋渐变径螺纹结构为从第二套管底端开始左螺旋直径由小到大缠绕焊接在第二套管外表面的矩形螺纹结构，矩形螺纹结构厚度为1.5mm，矩形螺纹结构宽度为1.5mm-5.5mm。
10.渐变径螺杆封堵件包括套装并黏结在锚索本体外部的第三套管，第三套管高度为40mm、外圆直径为22mm、中心孔直径为18mm，第三套管外圆自上而下焊接有直径由小到大焊接左旋渐变径矩形螺纹结构，左旋渐变径矩形螺纹结构的厚度为1.5mm、宽度为1.5mm-6mm，左旋渐变径矩形螺纹结构下端的最大直径与锚固孔的孔径相等。
11.一种锚索多段扩孔树脂锚固体性能增强装置的工作方法，包括以下步骤：（1）在煤矿巷道或岩土工程隧道中按照锚索小孔径多段扩孔支护技术参数钻打扩孔锚固孔；（2）按照设计锚固长度和扩孔区域个数分别将渐变径螺杆封堵件和若干个扩散导升搅拌件依次套入锚索本体上的预定位置并黏结固定，再将截齿破碎搅拌件套装并黏结在锚索本体上端头；（3）用截齿破碎搅拌件顶部的渐变径螺纹结构刺入树脂锚固剂底端，并轻微旋转构件，使渐变径螺纹结构刚好钻入树脂锚固剂内；（4）将树脂锚固剂送至锚固孔的孔口内，启动锚杆钻机，使用合理动力搅拌参数驱动锚索本体进行顺时针搅拌钻进运动，在锚索本体的传动作用下，截齿破碎搅拌件、扩散导升搅拌件和渐变径螺杆封堵件开始同步随着锚索本体顺时针搅拌钻进；（5）随着锚索本体的旋转钻进，树脂锚固剂被截齿破碎搅拌件充分搅拌破碎，扩散导升搅拌件逐步进入扩孔区域，通过扩散导升搅拌件的一级左旋搅拌涡轮和二级左旋搅拌涡轮的导升扩散搅拌作用与圆盘涡轮产生的离心搅拌作用对扩孔区域内的树脂锚固剂进行多级扩散搅拌；待树脂锚固剂运移至扩散导升搅拌件底端的左旋渐变径螺纹结构处，树
脂锚固剂再次在左旋螺纹结构的作用下向上方导升运移，最大程度保证扩孔区域内充满均匀反应的树脂锚固剂并与孔壁黏结牢固；（6）当锚杆钻机将树脂锚固剂缓慢推送至锚固孔孔底后，树脂锚固剂经渐变径螺杆封堵件的左旋渐变径矩形螺纹结构持续封堵导升树脂锚固剂，最大程度阻止树脂锚固剂向下外流，进而保证实际锚固长度内均匀致密充满反应完全的树脂锚固剂，至此完成锚固；（7）安装锚索托盘、锁具并进行预紧，完成锚索锚固工作。
12.采用上述技术方案，本发明的有益效果如下：1、本发明原理可靠、结构简单、易于制备，可广泛应用于巷道锚索扩孔锚固工程，工程价值显著。
13.2、本发明可设计并确保有效锚固长度，在锚索本体、锚固孔、树脂锚固剂药卷“三径匹配”的前提下，通过调整截齿破碎搅拌件与渐变径螺杆封堵件之间的长度可实现不同的设计锚固长度。
14.3、本发明可有效提高软弱围岩环境下的扩孔锚固效果，由于扩孔区域空间有多段并变大且多卷树脂锚固剂药卷间的端头接触部位自由无约束，在锚索搅拌推进作用下，树脂锚固剂药卷易发生弯折和重叠，尤其易在多段扩孔区域和孔壁裂缝处堆集，因此本发明以其独有的结构特性使得多段扩孔区域充满均匀搅拌反应的树脂锚固剂，不仅提高了有效锚固长度，而且提高了锚索锚固力。
15.4、截齿破碎搅拌件将树脂锚固剂进行破碎并搅拌，并向下运移树脂锚固剂；扩散导升搅拌件根据锚固孔内扩孔段的多少设置，一级左旋搅拌涡轮、圆盘涡轮、二级左旋搅拌涡轮及左旋渐变径螺纹结构的旋转使得树脂锚固剂向扩孔段的孔壁扩散，提高扩孔段的锚固效果；渐变径螺杆封堵件可有效持续封堵树脂锚固剂向下外流，最大程度保证设计锚固长度内锚固药体均匀密实。
16.5、本发明可有效提高锚索锚固力及其峰值强度的承载时间，有效控制了软弱围岩体的变形，极大地确保了巷道或隧道内的人员和设备安全。
附图说明
17.图1是本发明的整体结构示意图；图2是截齿破碎搅拌件的放大图；图3是扩散导升搅拌件的放大图；图4是渐变径螺杆封堵件的放大图。
18.图中附图标记分别为，1-锚索本体，2-截齿破碎搅拌件，3-扩散导升搅拌件，4-渐变径螺杆封堵件，5-渐变径螺纹结构，6-四翼截齿破碎刀，7-右旋运移螺旋叶片，8-运移过渡球面盖，9-二级螺旋搅拌叶片，10-第一套管，11-一级左旋搅拌涡轮，12-圆盘涡轮，13-二级左旋搅拌涡轮，14-左旋渐变径螺纹结构，15-左旋渐变径矩形螺纹结构，16-第二套管，17-第三套管，18-搅拌杆。
具体实施方式
19.如图1-图4所示，本发明的一种锚索多段扩孔树脂锚固体性能增强装置，包括伸入安装到锚固孔内的锚索本体1，锚索本体1自上而下依次间隔设有截齿破碎搅拌件2、扩散导
升搅拌件3和渐变径螺杆封堵件4, 截齿破碎搅拌件2设在锚索本体1上端部并位于锚固孔的孔底附近，扩散导升搅拌件3数量与锚固孔内的扩孔段数量保持一致，扩散导升搅拌件3位于锚固孔的锚索多段扩孔区域及其下方区域，渐变径螺杆封堵件4位于锚固孔的孔口处；截齿破碎搅拌件2与渐变径螺杆封堵件4之间的距离为设计锚固长度，由具体支护参数要求决定，一般为120-150cm。
20.截齿破碎搅拌件2包括套装并黏结在锚索本体1上端头外部并第一套管10，第一套管10外圆设有二级螺旋搅拌叶片9，第一套管10上端口设有运移过渡球面盖8，运移过渡球面盖8上端固定设有与第一套管10同中心线的搅拌杆18，搅拌杆18外圆设有右旋运移螺旋叶片7，搅拌杆18上端沿圆周方向设有四翼截齿破碎刀6，搅拌杆18上端同轴向固定设有渐变径螺纹结构5。
21.渐变径螺纹结构5底部中心与四翼截齿破碎刀6中心通过焊接为一个整体，此整体中心焊接在搅拌杆18上端头；渐变径螺纹结构5外形为上小下大的右螺旋螺纹结构，四翼截齿破碎刀6为同平面圆周阵列等角度（间隔90度）设置有4个工作臂的旋割刀具，并且每个工作臂上均焊接有3个等间距v形切割截齿；右旋运移螺旋叶片7高度为25mm、直径为20mm；运移过渡球面盖8为半径为9.5mm球体的上半部分；二级螺旋搅拌叶片9为从第一套管10底端开始右螺旋缠绕焊接在第一套管10外圆表面的矩形螺纹结构，二级螺旋搅拌叶片9的厚度和宽度均为1.5mm；第一套管10高度为20mm、外圆直径为28mm、内部空腔直径为18mm。
22.扩散导升搅拌件3包括套装并黏结在锚索本体1外部的第二套管16，第二套管16外圆由上至下依次焊接设置一级左旋搅拌涡轮11、圆盘涡轮12、二级左旋搅拌涡轮13及左旋渐变径螺纹结构14。
23.第二套管16上下两端通透，高度为50mm，外圆直径为29mm，内孔直径为18mm；一级左旋搅拌涡轮11为同平面圆周阵列等角度（间隔90度）分别设置的4个左螺旋搅拌叶片；圆盘涡轮12为同平面圆周阵列等角度（间隔60度）分别设置的6个矩形叶片，矩形叶片均竖向设置；二级左旋搅拌涡轮13与一级左旋搅拌涡轮11结构及尺寸相同；左旋渐变径螺纹结构14为从第二套管16底端开始左螺旋直径由小到大缠绕焊接在第二套管16外表面的矩形螺纹结构，矩形螺纹结构厚度为1.5mm，矩形螺纹结构宽度为1.5mm-5.5mm。
24.渐变径螺杆封堵件4包括套装并黏结在锚索本体1外部的第三套管17，第三套管17高度为40mm、外圆直径为22mm、中心孔直径为18mm，第三套管17外圆自上而下焊接有直径由小到大焊接左旋渐变径矩形螺纹结构15，左旋渐变径矩形螺纹结构15的厚度为1.5mm、宽度为1.5mm-6mm，左旋渐变径矩形螺纹结构15下端的最大直径与锚固孔的孔径相等。
25.一种锚索多段扩孔树脂锚固体性能增强装置的工作方法，包括以下步骤：（1）在煤矿巷道或岩土工程隧道中按照锚索小孔径多段扩孔支护技术参数钻打扩孔锚固孔；（2）按照设计锚固长度和扩孔区域个数分别将渐变径螺杆封堵件4和若干个扩散导升搅拌件3依次套入锚索本体1上的预定位置并黏结固定，再将截齿破碎搅拌件2套装并黏结在锚索本体1上端头；（3）用截齿破碎搅拌件2顶部的渐变径螺纹结构5刺入树脂锚固剂底端，并轻微旋转构件，使渐变径螺纹结构5刚好钻入树脂锚固剂内；（4）将树脂锚固剂送至锚固孔的孔口内，启动锚杆钻机，使用合理动力搅拌参数驱
动锚索本体1进行顺时针搅拌钻进运动，在锚索本体1的传动作用下，截齿破碎搅拌件2、扩散导升搅拌件3和渐变径螺杆封堵件4开始同步随着锚索本体1顺时针搅拌钻进；（5）随着锚索本体1的旋转钻进，树脂锚固剂被截齿破碎搅拌件2充分搅拌破碎，扩散导升搅拌件3逐步进入扩孔区域，通过扩散导升搅拌件3的一级左旋搅拌涡轮11和二级左旋搅拌涡轮13的导升扩散搅拌作用与圆盘涡轮12产生的离心搅拌作用对扩孔区域内的树脂锚固剂进行多级扩散搅拌；待树脂锚固剂运移至扩散导升搅拌件3底端的左旋渐变径螺纹结构14处，树脂锚固剂再次在左旋螺纹结构的作用下向上方导升运移，最大程度保证扩孔区域内充满均匀反应的树脂锚固剂并与孔壁黏结牢固；（6）当锚杆钻机将树脂锚固剂缓慢推送至锚固孔孔底后，树脂锚固剂经渐变径螺杆封堵件4的左旋渐变径矩形螺纹结构15持续封堵导升树脂锚固剂，最大程度阻止树脂锚固剂向下外流，进而保证实际锚固长度内均匀致密充满反应完全的树脂锚固剂，至此完成锚固；（7）安装锚索托盘、锁具并进行预紧，完成锚索锚固工作。
26.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。