专利名称：位移释放式锚头装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种巷道围岩支护的位移释放式锚头装置。
背景技术：
巷道支护主要是对围岩提供一定的支护阻力，或者是加固围岩使在围岩浅部形成 加固层，其本质作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形 与破坏，在锚固区内形成刚度较大的次生承载结构，以控制围岩塑性区的发展，阻止锚固区 外岩层产生离层，同时改善围岩深部的应力分布状态。最终目的是减少围岩位移，保持围岩 稳定。巷道支护可采用两种途径①加大支护结构的刚度，提高支护阻力，以减少围岩变形。 ②支护系统本身有一定的可伸缩性，以适应围岩变形。采用第二种支护系统，会产生相对较 大的围岩变形量，但只要能将巷道的变形量控制在满足生产需要所允许的范围内，此时，所 需的支护阻力和刚度都比第一种方案小，达到既经济、又合理的目的。西德、苏联，美国在上世纪50年代已有可拉伸锚杆技术，中国于70年代开始发展， 可按工作原理将它们归纳为杆体可伸长和结构元件滑动可伸长两大类。典型的杆体可伸长锚杆有德国蒂森型及前苏联的杆体弯曲波浪型。蒂森型锚杆的 两端为普通碳索钢中间焊接一段可拉伸的奥氏体钢，依靠延伸率大的奥氏体钢来达到锚杆 受力后杆体自身拉伸。锚杆的极限拉伸量可达517mm，最大工作阻力为200KN，但其采用铬 一镍合金钢制造，因而价格昂贵，故生产实际中较少使用。前苏联研制的杆体弯曲可伸长锚杆是用普通碳索钢做成波浪形，当杆体所受拉应 力达到一定值后则波浪形段杆体开始拉直，从而为锚杆提供了一定的工作阻力和一定的伸长量。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种结构经过改进、力学性能 好、实用性强、使用方便的位移释放式锚头装置。为实现上述目的，本发明位移释放式锚头装置，包括锚杆杆体、套装并固定在其上 的中空应力释放装置，该中空应力释放装置的表面上均勻分布设置有若干个应力释放孔， 并且中空应力释放装置轴向的抗压强度要小于锚杆杆体的轴向抗压强度。进一步，所述中空应力释放装置包括若干组相互扣合设置的应力释放盘，该应力 释放盘包括碗状圆盘体，该圆盘体的边沿向外延伸有环形边沿，两个应力释放盘通过环形 边沿相互抵靠扣合为一组组件；圆盘体的中心部设置有用于套装在所述锚杆杆体上的安装 孔，圆盘体上均布设置有4个第一应力释放孔，相邻的两个第一应力释放孔之间设置有第 二应力释放孔。进一步，所述第一应力释放孔由一个矩形孔和分别设置在其短边上、并以该短边 作为直径的两个半圆孔组成；所述第二应力释放孔为圆孔。进一步，所述锚杆杆体上从上至下设置有止浆塞、上压板、下托板和固定螺母，所述中空应力释放装置设置在该上压板和下托板之间，止浆塞密封上压板的安装孔与锚杆杆 体之间的间隙，固定螺母通过螺纹结构固定安装在锚杆杆体上，以限定安装在锚杆杆体上 的各个部件的位置。 进一步，所述应力释放盘的材料为低碳钢。 本发明位移释放式锚头装置，是基于巷道变形时，通过压瘪应力释放盘，为锚杆的 变形提供更大的空间，较好地控制变形，其前提是应力释放盘的组合强度要低于锚杆的抗 拉强度；通过对应力释放盘进行单轴压缩试验，发现其压缩过程是可逆的，也就是说，应力 释放盘可重复利用2-3次并保证其强度没有太大的降低，大大降低了支护成本；通过优化 应力释放盘设计方案，均使其达到柔性破坏，不会产生任何裂纹和撕裂火花，可方便地在高 瓦斯矿井进行应用。
图1为应力释放盘主视图；图2为应力释放盘俯视图；图3为本发明结构示意图；图4-1为SRP-I应力释放盘结构示意图；图4-2为SRP-2应力释放盘结构示意图；图4-3为SRP-3应力释放盘结构示意图；图4-4为SRP-4应力释放盘结构示意图；图4-5为SRP-5应力释放盘结构示意图；图4-6为SRP-6应力释放盘结构示意图；图4-7为SRP-7应力释放盘结构示意图；图4-8为SRP-8应力释放盘结构示意图；图4-9为SRP-9应力释放盘结构示意图；图5-1为SRP-I应力释放盘压缩后实物图；图5-2为SRP-2应力释放盘压缩后实物图；图5-3为SRP-3应力释放盘压缩后实物图；图5-4为SRP-4应力释放盘压缩后实物图；图5-5为SRP-5应力释放盘压缩后实物图；图5-6为SRP-6应力释放盘压缩后实物图；图5-7为SRP-7应力释放盘压缩后实物图；图5-8为SRP-8应力释放盘压缩后实物图；图5-9为SRP-9应力释放盘压缩后实物图；图6-1为SRP-I单组应力释放盘单轴压缩负荷-时间曲线图6-2为SRP-2单组应力释放盘单轴压缩负荷-时间曲线图6-3为SRP-3单组应力释放盘单轴压缩负荷-时间曲线图6-4为SRP-4单组应力释放盘单轴压缩负荷-时间曲线图6-5为SRP-5单组应力释放盘单轴压缩负荷-时间曲线图6-6为SRP-6单组应力释放盘单轴压缩负荷-时间曲线
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图6-7为SRP-7单组应力释放盘单轴压缩负荷-时间曲线；图6-8为SRP-8单组应力释放盘单轴压缩负荷-时间曲线；图6-9为SRP-9单组应力释放盘单轴压缩负荷-时间曲线；图7为SRP-9的三组应力释放盘单轴压缩负荷-时间曲线。
具体实施例方式如图1至图3所示，本发明位移释放式锚头装置，包括锚杆杆体1、套装并固定在其 上的中空应力释放装置，锚杆杆体1上从上至下设置有止浆塞5、上压板3、下托板4和固定 螺母6，中空应力释放装置设置在该上压板3和下托板4之间，止浆塞5密封上压板3的安 装孔与锚杆杆体1之间的间隙，防止围岩7流入。固定螺母6通过螺纹结构固定安装在锚 杆杆体1上，以限定安装在锚杆杆体1上的各个部件的位置。中空应力释放装置包括若干组相互扣合设置的中空应力释放盘2，应力释放盘2 包括碗状圆盘体11，圆盘体11的边沿向外延伸有环形边沿12，两个应力释放盘通过环形边 沿12相互抵靠扣合为一组组件；圆盘体11的中心部设置有用于套装在锚杆杆体1上的安 装孔8，本实施例中，圆盘体11上均布设置有4第一应力释放孔10，相邻的两个第一应力释 放孔10之间设置有第二应力释放孔9，各个应力释放孔均围绕中空应力释放装置的轴向均 勻分布，第一应力释放孔10由一个矩形孔和分别设置在其短边上、并以该短边作为直径的 两个半圆孔组成；第二应力释放孔9为圆孔。应力释放盘2的材料为低碳钢，其轴向的抗压 强度要小于锚杆杆体1的轴向抗压强度。本发明位移释放式锚头装置中，中空应力释放装置包括两个碗状应力释放盘2，两 个盘对扣扣合，其形成的中空空间便是提供给锚杆拉伸时压缩，其前提是应力释放盘组件 的单轴抗压强度低于锚杆的抗拉强度，这样，在巷道变形时，可首先将压力传至应力释放盘 处，通过压瘪它，达到为锚杆变形提供空间的目的，以达到延长锚杆被拉坏的时间。具体设 置应力释放盘的组数，可根据现场地质条件、前期的监测资料或理论计算。基于上述设计思路，首先需要满足的是，该应力释放盘在受压时，能最大可能地压 缩，将其中空部分全部利用；其次，压瘪应力释放盘最好不要出现裂纹，因为对于高瓦斯矿 井，任何金属撕裂产生的火花均是致命的；最后，组合后的应力释放盘负荷峰值应控制在 60-80KN范围内，即提前于锚杆产生破坏；通过开展双碗对扣的应力释放盘单轴压缩试验， 并比较了几种不同形式的应力释放盘压缩性能，确定了下述设计方案。通过对的不同设计外型、不同尺寸的应力释放盘对扣单轴压缩试验，可明显看出 设计的进一步优化。SRP-I 见图4-1，采用帽檐式托盘结构，在单轴压缩过程中，随着压缩位移量的增 大，两个应力释放盘帽顶均塌落至盘内部，造成两个应力释放盘的中心圆环对接，见图5-1， 抑制变形的进一步发展，致使压缩量减小，不能达到预设效果，见图6-1。通过减小外边缘宽度，使变形较容易地向应力释放盘边缘扩散，同时在应力释放 盘起拱部位增设不同形状、不同数量、不同大小的孔洞，降低应力释放盘的整体强度，并同 时保证应力释放盘在压瘪的同时，保证不在盘的边缘部位出现撕裂，因为在高瓦斯煤矿，任 何金属撕裂产生的火花均是致命的，于是，有了如下几种应力释放盘的设计方案。SRP-2 见图4-2，将外边缘宽度在原有15mm的基础上，减小10mm，并在外边缘等距离刻4个弧形铣槽(圆弧半径5. 85mm,铣槽底面距离外边缘底面控制在Imm左右)。使应 力释放盘中部圆环的变形可以向4个铣槽处转移，并造成沿铣槽边缘的拉裂，此时，圆环中 部的变形得以向圆环边缘扩散，满足扩大压缩位移量的目的。单轴压缩试验结果显示该应 力释放盘不仅能最大限度的压缩空间，为锚杆拉伸提供释放空间，而且还能节省板材，最大 限度的利用原材料，但采用该设计的应力释放盘在铣槽位置出现拉裂，见附图5-2、图6-2， 故排除；SRP-3 见图4-3，将SRP-2中提到的弧形铣槽增加为8个，尺寸同SRP-2，其结果负 荷和压缩位移量均控制相对较好，见图6-3，但是均出现断裂，见图5-3，断裂时偶尔有撕裂 声响，不适合用于高瓦斯煤矿，故排除；SRP-4 见图4-4，盘起拱部位增加2个孔，孔由一倒三角形加一个半圆组成，三角 形底边宽12mm，底边到圆弧顶点15mm，圆半径2mm，圆最外端距离外边缘21mm，其结果虽未 出现断裂，见图5-4，但第一二峰值均较高，见图6-4，故排除；SRP-5 见图4-5，盘起拱部位增加4个孔，尺寸同SRP-4，因其压缩量较小、负荷峰 值较高，见图5-5、图6-5，故排除；SRP-6 见图4-6，盘起拱部位增加4个孔，孔由一矩形加两个半圆组成，矩形长 12mm,宽8mm，半圆半径6mm，上部半圆距离中心孔外边缘24. 5mm,下部半圆距离外边缘Ilmm 虽未出现断裂，见图5-6，但第一二峰值均较高，见图6-6，故排除；SRP-7 见图4-7，盘起拱部位增加4个孔，孔由一矩形加两个半圆组成，矩形长 14mm,宽12mm，两端分别为两个半圆，半径6mm，上部半圆距离中心孔外边缘24. 5mm,下部半 圆距离外边缘5mm。均出现断裂，见图5-7，负荷和压缩位移量均控制相对较好，见图6_7，断 裂时偶尔有撕裂声响，不适合用于高瓦斯煤矿，故排除；SRP-8 见图4-8，整体设计如SRP-2，另外每个铣槽与起拱处刻一长1cm，深Imm的 连接槽。负荷和压缩位移量均控制相对较好，见图6-8，但是均出现断裂，见图5-8，断裂时 偶尔有撕裂声响，不适合用于高瓦斯煤矿，故排除；SRP-9 见图4-9，整体设计如SRP-7，因SRP-7整体强度仍高，故在镂空孔之间加 设一个直径12mm的圆孔，未出现断裂，见图5-9，同时负荷和压缩位移量均控制最好，见图 6-9，故最终设计采用该方案。通过对SRP-9进行三组碗单轴压缩试验，发现其符合峰值始终在60-80KN区间波 动，见附图7由煤矿巷道支护设计经验可知，砂岩煤矿支护型锚杆抗拉强度一般在60-80KN，第 一、第二负荷峰值均控制在锚杆的抗拉强度范围内，才能保证在达到锚杆抗拉强度之前，压 瘪应力释放盘，同时需达到最大压缩位移量且不能出现断裂，达到最终发生柔性破坏。本发明改进了现有技术中锚杆的锚头部分，采用一种新型锚固头装置，该锚固头 装置为一种应力释放装置，如图3所示，本实施例中的应力释放装置为一位移应力释放装 置，该位移应力释放装置为碗状带外沿的构件，且碗弧处以及碗外延处有固定加工形式，构 件的顶部中间位置开有圆形孔，圆孔孔径应略大于锚杆直径。使用时两个碗状带外沿的构 件为一组，两个构件一正一反碗口相对的扣在一起，也就是构件的外沿部分相接触，然后套 在锚杆的一端。碗状带外沿的构件采用低碳钢等强度韧塑性较好的材料制作，其一组应力 释放装置的抗轴向压力的强度应小于锚杆的抗轴向压力的强度。使用时，要在串碗顶部以
6及串碗的底部都安装托板衬垫用以将围岩的力传递给应力释放装置。使用时，需首先将锚杆安装至使用位置，其安装步骤具体为(1)在锚杆的安装过 程中首先打与安装锚杆适配孔径的钻孔。(2)将锚杆安装完毕(3)在安装应力释放碗之前， 先将一片托板安装于锚杆上(4)将应力释放碗穿过碗中孔分别对扣安装。(3)放好托板，拧 紧螺母加预紧力，完成操作。实际使用过程中，因为每组的应力释放装置其抗压强度要小于 锚杆的抗压强度，在受到轴向压力超过应力释放装置的抗压强度后，应力释放装置会先于 锚杆产生变形，本实例中表现为碗状应力释放装置会被压扁，压扁后就会在轴向释放出一 定的空间，分担锚杆杆体在围岩卸荷回弹量不断增加的过程中所承受的压力。在锚杆与松 动圈3之间产生相应的变形协调。使锚杆能够继续发挥作用，支护与岩体仍然是一个支护 整体，共同作用，使锚杆支护的使用寿命延长，这样巷道的维修周期加长，达到为生产提供 安全保证，提高经济效益的目的。碗状带外沿应力释放装置仅是本发明的一个实施例，其他类似的可以在受到轴向 应力时产生空间释放的结构，例如长方形中空体，球形中空体，弹簧等均可以应用于本发 明中，也是属于本发明的保护范围内。
权利要求
位移释放式锚头装置，其特征在于，该装置包括锚杆杆体、套装并固定在其上的中空应力释放装置，该中空应力释放装置的表面上均匀分布设置有若干个应力释放孔，并且中空应力释放装置轴向的抗压强度要小于锚杆杆体的轴向抗压强度。
2.如权利要求1所述的位移释放式锚头装置，其特征在于，所述中空应力释放装置包 括若干组相互扣合设置的应力释放盘，该应力释放盘包括碗状圆盘体，该圆盘体的边沿向 外延伸有环形边沿，两个应力释放盘通过环形边沿相互抵靠扣合为一组组件；圆盘体的中 心部设置有用于套装在所述锚杆杆体上的安装孔，圆盘体上均布设置有4个第一应力释放 孔，相邻的两个第一应力释放孔之间设置有第二应力释放孔。
3.如权利要求2所述的位移释放式锚头装置，其特征在于，所述第一应力释放孔由一 个矩形孔和分别设置在其短边上、并以该短边作为直径的两个半圆孔组成；所述第二应力 释放孔为圆孔。
4.如权利要求1所述的位移释放式锚头装置，其特征在于，所述锚杆杆体上从上至下 设置有止浆塞、上压板、下托板和固定螺母，所述中空应力释放装置设置在该上压板和下托 板之间，止浆塞密封上压板的安装孔与锚杆杆体之间的间隙，固定螺母通过螺纹结构固定 安装在锚杆杆体上，以限定安装在锚杆杆体上的各个部件的位置。
5.如权利要求2所述的位移释放式锚头装置，其特征在于，所述应力释放盘的材料为 低碳钢。
全文摘要
本发明公开了一种位移释放式锚头装置，包括锚杆杆体、套装并固定在其上的中空应力释放装置，该中空应力释放装置的表面上均匀分布设置有若干个应力释放孔，并且中空应力释放装置轴向的抗压强度要小于锚杆杆体的轴向抗压强度。本发明是基于巷道变形时，通过压瘪应力释放盘，为锚杆的变形提供更大的空间，较好地控制变形，其前提是应力释放盘的组合强度要低于锚杆的抗拉强度；通过对应力释放盘进行单轴压缩试验，发现其压缩过程是可逆的，应力释放盘可重复利用2-3次并保证其强度没有太大的降低，降低了支护成本；通过优化应力释放盘设计方案，均使其达到柔性破坏，不会产生任何裂纹和撕裂火花，可方便地在高瓦斯矿井进行应用。
文档编号E21D21/00GK101943014SQ20101024969
公开日2011年1月12日 申请日期2010年8月10日 优先权日2010年8月10日
发明者乔宝娟, 侯岳峰, 孟达, 李世海, 程名, 范永波, 陆晶晶 申请人:中国科学院力学研究所