专利名称：一种自动调心让压锚杆的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及到矿山巷道、隧道工程支护用的一种配套有调心组件的让压锚杆，特别适用于高应力巷道围岩支护后期发生缓慢变形，支护材料延展性差而引起的支护失效的情况以及顶底板与两帮夹角处的锚杆支护、巷道表面凸凹不平的围岩支护。
背景技术：
托板是锚杆实施有效支护的重要配套组合构件之一，是使预应力实现有效扩散的支护设计的关键。通过托板的护表面积，可实现将围岩变形载荷直接作用于托板，由托板将载荷传递到锚杆轴线上，从而控制了巷道围岩变形的程度。在目前所使用的与锚杆配套的托盘几乎是以未变形之前的围岩表面为依托，进行设计开发的。随着深部开采的进行，复杂地质条件迫使以现有的锚杆支护材料来进行围岩支护，效果越来越差，片帮、冒顶现象时有发生，严重影响了深部煤矿开采。针对上述出现的情况，究其根源是未考虑到支护后期巷道围岩发生缓慢变形而引起的支护失效情况以及如何利用已有的支护设备来控制已经变形的围岩进一步恶化问题，是目前有待解决的难题。为此，从巷道破坏过程来看，巷道支护采用的支护材料以及支护配套设施、支护工艺应该趋向于地应力的转移和释放，特别是近年来锚杆以其自身的优点得到了国内外煤矿开采的首选。目前使用的预应力锚杆支护体系仅从锚杆杆体材料方面、力学特性进行了综合分析，现使用的杆体一度达到了大吨位强力预期效果，但从现场施工支护中得出预应力锚杆在围岩支护中还存在以下问题(1)巷道围岩支护不是一蹴而就的问题，具有明显的时间效应，面对高地应力的复杂地质环境，而一味的追求大强度、大刚度支护材料来实现围岩支护是无济于事，也是不太现实的；应使其顺其自然，将围岩中的高应力能以变性能、膨胀能的形式部分释放出来，降低应力集中程度，有利于锚杆支护；围岩变形具有时间效应，支护初期围岩变形小，而后期锚杆支护预应力大幅度减小，围岩大量变形，围岩变形无法控制；
(2)由于施工现场围岩表面凸凹不平，锚杆托盘不能与围岩表面平齐，致使锚杆杆体弯曲，承受较大偏载，造成了锚杆张拉和锁定过程中的预应力损失，托盘偏载受力大，托盘上的载荷不能均匀分布，致使托盘被拉穿损坏，严重影响锚杆支护效果；(3)针对顶底板与两帮夹角处的锚杆支护，预紧力较低，不能满足不同锚杆安装角度的使用要求；(4)托盘承载力较低，渐进让压不明显，压力大时缓冲效果差，托盘易损坏，与高强力锚索不匹配；(5)只适用于锚杆与围岩表面垂直的支护，对顶底板与两帮夹角处的锚杆支护以及巷道流变后的表面凸凹不平的围岩支护不适用。(6)对于围岩变形引起的锚杆体与锚杆托盘不垂直而引起的附加偏心载荷不能很好的解决，从而导致锚杆预紧力施加困难或丧失，引起锚杆剪断失效。
实用新型内容本实用新型针对上述围岩支护中出现的问题，提供一种自动调心让压锚杆。其技术解决方案是一种自动调心让压锚杆，包括半球形托盘、碟形磨合垫片、球心滚子、紧固螺母和锚杆；上述半球形托盘为空心式，半球形托盘的周边设置有用于与巷道壁面接触的环状平底面，半球形托盘的壁厚从边缘向中央逐渐增大，在半球形托盘的正中央设置有球形凹槽，球心滚子置于球形凹槽内，与半球形托盘组成球面配合副一，球心滚子设置有柱形轴心孔；上述碟形磨合垫片位于半球形托盘正中央的外侧，碟形磨合垫片与半球形托盘组成球面配合副二 ；锚杆的自由端依次穿经球心滚子、碟形磨合垫片后通过紧固螺母进行锁紧。上述碟形磨合垫片的壁厚从边缘向中央逐渐增大。上述球心滚子涂覆有润滑油层。上述半球形托盘的外壁面为光滑面。本实用新型具有以下有益技术效果1、在外形设计上，与传统锚杆托盘不同，半球形托盘的厚度由边缘到中央逐渐增力口，在半球形托盘变形的同时，强度逐渐增加，即承载力逐渐加大，既吸收了部分围岩应力又能“抵抗”围岩的变形，让压效果明显，避免了托盘中央被高预应力拉穿现象的发生。2、半球形托盘的边缘为平底表面，能将作用于围岩表面的集中预紧力转移到围岩周边均匀分布，扩大锚杆作用范围；围岩变形载荷通过托盘传递到锚杆增大工作阻力，控制围岩变形。3、能够实现半球形托盘随后期围岩变形任意角度的转动调整；碟形磨合垫片、球心滚子都围绕半球形托盘组成球面配合副，穿过锚杆杆体的球心滚子不能随意转动，而半球形托盘可绕滚子和碟形磨合垫片自动转动调整。4、与其他现有调心手段不同；其他现有设计的调心手段为调心半球托置于凹槽内，在锚杆杆体受力较大时，调心半球托很容易卡死在凹槽内，失去了调心作用。本发明中的调心滚子置于托盘内，不承受力作用，预应力是通过螺母、碟形磨合垫片传递到托盘再扩散到周边围岩，足以保护调心组件，大大降低了损坏的可能性。本发明的托盘为强力支护构件，承载能力大，为节约造价成本，回采完的巷道，支护装置可以回收以便再次使用。5、在托盘转动倾斜时，碟形磨合垫片与托盘组成的球面配合副可将锚杆上的预紧力均匀分布到周边，消除偏心载荷。
图1是本实用新型一种实施方式的结构原理示意图，示出了其剖面结构。图2示出了图1方式的紧固螺母。图3是图1的I部放大图。图4示出了图1方式的碟形磨合片。图中1.锚杆，2.紧固螺母，3.碟形磨合垫片，4.半球形托盘，5.球心滚子。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但应当理解本实用新型的保护范围并不局限于实例所述内容。一种自动调心让压锚杆，包括半球形托盘4、碟形磨合垫片3、球心滚子5、紧固螺母2和锚杆I。上述半球形托盘为空心式，半球形托盘的周边设置有用于与巷道壁面接触的环状平底面，半球形托盘的壁厚从边缘向中央逐渐增大，在半球形托盘的正中央设置有球形凹槽，球心滚子置于球形凹槽内，并与半球形托盘组成球面配合副一，球心滚子设置有柱形轴心孔。上述碟形磨合垫片位于半球形托盘正中央的外侧，碟形磨合垫片与半球形托盘组成球面配合副二。上述锚杆的自由端穿经球心滚子、碟形磨合垫片后通过紧固螺母进行锁紧。优选地，上述碟形磨合垫片的壁厚从边缘向中央逐渐增大。优选地，上述球心滚子涂覆有润滑油层。优选地，上述半球形托盘的外壁面为光滑面。本实用新型的使用过程可大致如下在巷道表面任何情况下进行支护，打完锚孔，安装完锚杆后，铺钢筋网，在安装钢带(梁)后，最后进行半球形托盘的安装。安装半球形托盘时，将锚杆的自由端由球心滚子处的柱形轴心孔穿入，半球形托盘与巷道表面贴紧接触，通过转动半球形托盘使其与围岩表面贴紧，再安装碟形磨合垫片，张拉后通过紧固螺母锁紧。当后期围岩塑性流变时，围岩表面发生倾斜或破碎状态，围岩载荷迫使半球形托盘绕穿入锚杆的球心滚子自动调整与围岩紧密贴紧，在自动调整的同时，碟形磨合垫片均能与半球形托盘的外壁面成球形铰接，在铰接点处完成力的传递，继续起到支护作用。本实用新型能够达到围岩支护中“抗”中有“让”，“让”中有“抗”的双重支护效果。首先，半球形托盘和碟形磨合垫片的独特设计解决了锚杆支护中的“让压”问题；半球形托盘和碟形磨合垫片均为球形设计，由边缘到中心，厚度逐渐加大，刚度和强度也逐渐增大，自然而然地就提高了二者的强度和刚度，围岩载荷达到一定值时，刚度、强度小的部位发生微小变形，而二者的抵抗力是逐步增加的，载荷通过托盘、碟形磨合垫片的微小变化转化了围岩中的高应力；另外，托盘的护表面积有利于将集中力转移、扩到周边，降低了应力集中程度，进而抑制了破坏的发生，起到了 “让压效果”。其次，半球形托盘和碟形磨合垫片的独特设计也解决了围岩变形后的托盘自动调整功能；半球形托盘中央处有一球形凹槽，带柱形轴心孔的球心滚子恰好地与球形凹槽匹配铰接为球面配合副，即上述的与半球形托盘组成球面配合副一，当穿入锚杆杆体的球心滚子固定时，半球形托盘可绕该滚子随意转动，再加上半球形托盘与碟形磨合垫片组成的球面配合副二，又为能使半球形托盘转动提供了便利。这样因围岩变形导致的锚杆托板与变形后的围岩通过球面配合副一、二重新自动调整为紧密接触，压紧后的托板将施加的预紧力通过碟形磨合垫片扩散到锚杆杆体上，也避免了对于围岩变形引起的锚杆体与托盘不垂直而引起的附加偏心载荷将锚杆剪断的危险，保证了高预应力对围岩变形的控制，降低应力集中程度，从而有效地控制了围岩变形。本实用新型的巧妙设计之处在于半球形托盘和碟形磨合垫片的独特设计，解决了锚杆支护中的“让压”问题。碟形磨合垫片、球心滚子都围绕半球形托盘组成了球面配合畐IJ，使托盘转动灵活自如，解决了偏心载荷的存在、后期变形的有效控制以及对锚杆的本身做了保护。本实用新型的工作机理大致是1、围岩载荷通过托盘、碟形磨合垫片以及螺母完成力的传递，当围岩载荷较大超过了一定值时，托盘和碟形磨合垫片边缘部位有可能发生缓慢变形，形成一定的让压空间，但变形后的托盘、碟形磨合垫片的强度、刚度均有一定的提升，当载荷继续增大时，具有更大强度和刚度的托盘中央部位的抵抗力足以承受，另外，托盘的护表面积有利于将集中力转移、扩到到周边，降低了应力集中程度，进而抑制了破坏的发生。2、半球形托盘为一半球形外壳构造，中央处有一球形凹槽,球心滚子恰好与球形凹槽匹配铰接，半球形托盘可绕球心滚子在任意方向随意转动(锚杆的拉力通过碟形垫片传递到托盘上，球心滚子不承受力，只起到转轴的作用)，实现了托盘可在任意角度的安装支护，另外，半球形托盘与碟形磨合垫片也组成了球面配合副，以便托盘转动到任意角度位置时，碟形磨合垫片均能与半球形托盘外壁紧密接触，防止预紧力损失。当围岩变形后，围岩载荷迫使托盘围绕球心滚子也发生转动。而半球形托盘与碟形磨合垫片组成的球面配合副的巧妙设置，可以使转动后的托盘与碟形磨合垫片始终紧密接触，载荷通过球形托盘聚集到碟形磨合垫片、螺母，进而作用于杆体上，消除了偏心附加载荷，保证了预紧力的施加。上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。
权利要求1.一种自动调心让压锚杆，其特征在于包括半球形托盘、碟形磨合垫片、球心滚子、紧固螺母和锚杆；上述半球形托盘为空心式，半球形托盘的周边设置有用于与巷道壁面接触的环状平底面，半球形托盘的壁厚从边缘向中央逐渐增大，在半球形托盘的正中央设置有球形凹槽，球心滚子置于球形凹槽内，与半球形托盘组成球面配合副一，球心滚子设置有柱形轴心孔；上述碟形磨合垫片位于半球形托盘正中央的外侧，碟形磨合垫片与半球形托盘组成球面配合副二 ；锚杆的自由端依次穿经球心滚子、碟形磨合垫片后通过紧固螺母进行锁紧。
2.根据权利要求1所述的一种自动调心让压锚杆，其特征在于上述碟形磨合垫片的壁厚从边缘向中央逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的一种自动调心让压锚杆，其特征在于上述球心滚子涂覆有润滑油层。
4.根据权利要求1所述的一种自动调心让压锚杆，其特征在于上述半球形托盘的外壁面为光滑面。
专利摘要本实用新型公开了一种自动调心让压锚杆，特征是包括半球形托盘、碟形磨合垫片、球心滚子、紧固螺母和锚杆；半球形托盘为空心式，周边设置有用于与巷道壁面接触的环状平底面，其壁厚从边缘向中央逐渐增大，在其正中央设置有球形凹槽，球心滚子置于球形凹槽内，与半球形托盘组成球面配合副一，球心滚子设置有柱形轴心孔；碟形磨合垫片位于半球形托盘正中央的外侧，碟形磨合垫片与半球形托盘组成球面配合副二；锚杆的自由端依次穿经球心滚子、碟形磨合垫片后通过紧固螺母进行锁紧。本实用新型不仅能有效解决围岩变形过程中造成的托盘对锚杆剪切破坏问题，还能解决锚杆支护中的“让压”问题，防止锚杆被冲击拉断或剪断，有利于对锚杆自身的保护。
文档编号E21D21/00GK202900295SQ20122055294
公开日2013年4月24日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者马志涛, 高东川, 王永萍, 梁赛江, 王凯, 李瑞瑞 申请人:山东科技大学