本发明涉及一种锚杆及使用方法，尤其是一种煤矿井下快速掘进中使用的扩孔自转式锚杆及使用方法。
背景技术：
我国煤炭开采以地下开采为主，掘进和回采是地下煤炭开采的重要生产环节，因此采掘协调一直是我国煤炭生产过程中关注的重要问题。近年来，特别是采煤综合自动化、信息化发展以来，采煤工作面推进速度不断加快，但是掘进没有跟上回采的速度，造成采掘矛盾突出，工作面接替紧张，从而影响到煤炭的生产。其中，煤巷是煤矿掘进量最大的巷道，高效综采工作面的快速推进，每年要消耗大量的煤巷，煤巷掘进速度直接影响到采掘接替，因此，提高煤巷掘进速度，对煤炭安全高效生产至关重要。
现有掘进工作面的设备也非常先进，普遍使用掘进机，还有不少现代化矿井正使用连续采煤机和掘锚一体机。对于现代化矿井来说，掘进时的割煤环节已经不是制约推进速度的主要因素，反而锚杆支护，特别是帮部支护严重制约掘进速度。现在帮部支护大都采用树脂锚固技术，但是该技术在某些情况下已经不能满足煤巷快速掘进的要求，原因如下：施工工序复杂，耗时较多；煤体破碎或淋水严重，锚固效果不佳，严重时会失效；煤帮钻长孔时成孔率差，会经常出现塌孔、堵孔的情况。因此需要开发出一种快速作业、摒弃锚固剂又能提高锚固力的锚杆及施工方法。
技术实现要素：
为了克服已有技术中的不足，本发明提供一种支护时间短，避免了塌孔锚固失效、堵孔导致废孔，且加工简单，成本低，操作简单方便的扩孔自转式锚杆及施工方法。
为实现上述技术目的，本发明的扩孔自转式锚杆，其特征在于：它包括杆体、钻头、连接件和紧固装置，所述杆体外侧表面上设有无纵肋螺纹，钻头设在杆体头部，杆体头部通过螺纹与钻头相连接，钻头的螺距与无纵肋螺纹钢的螺距一致，杆体尾部前后分别设有锚固装置和对称楔形体结构的连接部，连接部上设有便于与锚杆钻机连接使用的连接件，连接件与杆体连接的一端为圆柱体内部为倒楔形体切口，与锚杆杆体尾部的对称楔形体结构相匹配，其中杆体与钻头和连接件之间通过螺纹连接为组合结构；所述紧固装置包括托盘和螺母，当杆体钻入煤层后，托盘套入杆体尾部并通过螺母固定。
所述钻头外直径比锚杆杆体直径大3～8mm，所述钻头设有与杆体相连的开口，开口周围设有多个凸起且向中心倾斜的尖刀，尖刀的顶部距钻头中心3mm～5mm，钻头侧面设有用于将钻进产生的粉末排出钻头位置螺旋凹槽，凹槽的宽度为5mm～8mm，凹槽的深度为3mm～5mm。
所述钻头侧面在凹槽间隙处设有多个阻爪，所述阻爪包括槽腔、圆轴、高强阻隔板和强力弹簧，所述槽腔为高强阻隔板转动提供一个空间，槽腔底部一侧通过圆轴与高强阻隔板活动连接，高强阻隔板与槽腔底部之间设有强力弹簧，高强阻隔板利用强力弹簧弹起并通过圆轴可在槽腔里转动。
所述杆体尾部的对称楔形体结构长度为30～100mm，楔形体开口角度为55～75°。
所述杆体长度的1/3～2/3处有焊接到杆体上的环形凸起，环形凸起直径比杆体直径大3～8mm，厚度为2～3mm。
一种扩孔自转式锚杆的使用方法，其包括以下步骤：
a.掘进机进行巷道的开挖之后，在普通钻杆上安装钻头，将普通钻杆安装在锚杆钻机上，普通钻杆和钻头的直径相同但都小于扩孔自转式锚杆的杆体直径2-4mm，布置煤层上的钻孔钻入点，启动锚杆钻机在钻入点钻进，直到钻入普通钻杆的长度达到扩孔自转式锚杆长度的1/3到2/3处时，停止钻入并将普通钻杆和钻头取出；
b.在扩孔自转式锚杆的杆体前部通过螺纹旋入钻头，将钻头放置到钻孔中，钻头的阻爪处于闭合状态，再确保杆体与锚杆钻机连接件保持水平，使得杆体尾部的楔形体正好嵌入到连接件中，将扩孔自转式锚杆通过连接件安装在锚杆钻机上；
c.启动锚杆钻机，借助扩孔自转式锚杆前部的钻头旋转和施工人员的顶推作用，在已有的小钻孔中快速向前推进扩孔自转式锚杆完成扩孔，使得锚杆杆体与煤层之间产生摩擦力，当明显感觉到推进的阻力时，则判断扩孔自转式锚杆到达煤层预设小钻孔的孔底，此时降低锚杆钻机的钻速，利用锚杆前部的钻头将杆体自转到煤体中，由于钻头前部的尖刀处于中部位置，能够使因钻进而产生的粉末通过钻头侧面的螺旋凹槽排离杆体头部，而杆体上的环形凸起挡住向钻孔外运行的钻孔粉末，钻孔粉末充实了杆体与煤体之间的空隙，当锚杆杆体外露长度剩余30～150mm时，关闭锚杆钻机，将连接件与杆体尾部的对称楔形体结构分离，由于锚杆自转的因素，连接件与杆体有力的作用，当连接件与杆体分离时，杆体本应该跟着连接件退出一些距离，此时钻头上的阻爪的强力弹簧弹出，将高强阻隔板撑开并延伸出槽腔以阻隔杆体继续退出，之后在杆体尾部先后套入托盘并安装螺母固定托盘，再使用锚杆钻机旋转螺母对锚杆完成初次预紧，使得锚杆挤压嵌入煤体，增大锚杆与煤体的摩擦力，实现锚杆的全长锚固，以此完成一整套锚杆的安装；
d.锚杆施工1h～2h后，用扳手对螺母进行旋紧完成二次预紧，以防周围锚杆施工时造成该锚杆的预应力松弛；
e.锚杆施工12h～24h后，井下工作人员通过测力扳手检查锚杆的预紧力，如预紧力不能满足要求时再次对锚杆进行预紧，使托盘挤压破碎的煤壁，实现预紧力的维持；
f.重复步骤a～e进行下一根扩孔自转式锚杆的施工。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)简化了煤帮的支护工艺，减少了安装锚杆的支护时间。借助扩孔自转式锚杆前部的钻头旋转，和施工人员的顶推作用，使得锚杆可以顺利地进入煤体，预紧之后完成锚杆的施工，该工艺不需要使用钻机钻长孔，并且无需安放锚固剂，减少了施工时间；由于巷道断面的限制，造成锚杆不容易施工，需通过钻机事先钻出小钻孔，再将扩孔自转式锚杆放入孔中转入煤体，通过锚杆杆体与煤体之间的挤压而产生的摩擦力和嵌固力形成锚杆的锚固力，来维持巷道围岩的稳定性，并且同时避免了由于钻长孔而产生的塌孔和堵孔的问题，大大缩短了支护的时间，满足煤巷快速掘进的要求；(2)锚杆加工简单，成本低，操作简单方便，有较强的推广性和适用性。
附图说明
图1是扩孔自转式锚杆施工过程中的示意图；
图2是扩孔自转式锚杆施工完成后的示意图；
图3是扩孔自转式锚杆钻头整体示意图；
图4是扩孔自转式锚杆杆体尾部主视图；
图5是扩孔自转式锚杆杆体尾部俯视图。
图中：1、杆体；1-1、对称楔形体；1-2、环形凸起；2、钻头；3、连接件；4、托盘；5、螺母；6、锚杆钻机；7、煤层；8、小钻孔；9、螺旋凹槽；10、尖刀；11、阻爪；11-1、槽腔、11-2、圆轴；11-3、高强阻隔板；11-4、强力弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1和图2所示，本发明的扩孔自转式锚杆，包括杆体1、钻头2、连接件3和紧固装置，所述杆体1外侧表面上设有无纵肋螺纹，钻头2设在杆体1头部，杆体1头部通过螺纹与钻头2相连接，钻头2的螺距与无纵肋螺纹钢的螺距一致。
如图3所示，所述钻头2外直径比锚杆杆体1直径大3～8mm，所述钻头2设有与杆体1相连的开口，开口周围设有多个凸起且向中心倾斜的尖刀10，尖刀10的顶部距钻头2中心3mm～5mm，钻头2侧面设有用于将钻进产生的粉末排出钻头位置螺旋凹槽9，凹槽9的宽度为5mm～8mm，凹槽的深度为3mm～5mm。所述钻头2侧面在凹槽9间隙处设有多个阻爪11，所述阻爪11包括槽腔11-1、圆轴11-2、高强阻隔板11-3和强力弹簧11-4，所述槽腔11-1为高强阻隔板11-3转动提供一个空间，槽腔11-1底部一侧通过圆轴11-2与高强阻隔板11-3活动连接，高强阻隔板11-3与槽腔11-1底部之间设有强力弹簧11-4，高强阻隔板11-3利用强力弹簧11-4弹起并通过圆轴11-2可在槽腔11-1里转动。
如图4和图5所示，杆体1尾部前后分别设有锚固装置和对称楔形体结构的连接部，所述杆体1尾部的对称楔形体1-1结构长度为30mm～100mm，楔形体开口角度为55～75°，所述杆体1长度的1/3～2/3处有焊接到杆体1上的环形凸起1-2，环形凸起1-2直径比杆体1直径大3mm～8mm，厚度为2～3mm，连接部上设有便于与锚杆钻机6连接使用的连接件3，连接件3与杆体1连接的一端为圆柱体内部为倒楔形体切口，与锚杆杆体尾部的对称楔形体1-1结构相匹配，其中杆体1与钻头2和连接件3之间通过螺纹连接为组合结构；所述紧固装置包括托盘4和螺母5，当杆体1钻入煤层7后，托盘4套入杆体1尾部并通过螺母5固定。
一种扩孔自转式锚杆的使用方法，其包括以下步骤：
a.掘进机进行巷道的开挖之后，在普通钻杆上安装钻头，将普通钻杆安装在锚杆钻机6上，普通钻杆和钻头的直径相同但都小于扩孔自转式锚杆的杆体1直径2mm-4mm，布置煤层7上的钻孔8钻入点，启动锚杆钻机6在钻入点钻进，直到钻入普通钻杆的长度达到扩孔自转式锚杆长度的1/3到2/3处时，停止钻入并将普通钻杆和钻头取出；
b.在扩孔自转式锚杆的杆体1前部通过螺纹旋入钻头2，将钻头2放置到钻孔中，钻头的阻爪11处于闭合状态，再确保杆体1与锚杆钻机连接件3保持水平，使得杆体1尾部的楔形体正好嵌入到连接件3中，将扩孔自转式锚杆通过连接件3安装在锚杆钻机6上；
c.启动锚杆钻机，借助扩孔自转式锚杆前部的钻头2旋转和施工人员的顶推作用，在已有的小钻孔8中快速向前推进扩孔自转式锚杆完成扩孔，使得锚杆杆体1与煤层7之间产生摩擦力，当明显感觉到推进的阻力时，则判断扩孔自转式锚杆到达煤层7预设小钻孔8的孔底，此时降低锚杆钻机6的钻速，利用锚杆前部的钻头2将杆体1自转到煤体中，由于钻头2前部的尖刀10处于中部位置，能够使因钻进而产生的粉末通过钻头2侧面的螺旋凹槽9排离杆体1头部，而杆体1上的环形凸起1-2挡住向钻孔外运行的钻孔粉末，钻孔粉末充实了杆体1与煤体之间的空隙，当锚杆杆体1外露长度剩余30mm～150mm时，关闭锚杆钻机6，将连接件3与杆体1尾部的对称楔形体1-1结构分离，由于锚杆自转的因素，连接件3与杆体1有力的作用，当连接件3与杆体1分离时，杆体1本应该跟着连接件3退出一些距离，此时钻头2上的阻爪11的强力弹簧11-4弹出，将高强阻隔板11-3撑开并延伸出槽腔11-1以阻隔杆体1继续退出，之后在杆体1尾部先后套入托盘4并安装螺母5固定托盘4，再使用锚杆钻机6旋转螺母对锚杆完成初次预紧，使得锚杆挤压嵌入煤体，增大锚杆与煤体的摩擦力，实现锚杆的全长锚固，以此完成一整套锚杆的安装；
d.锚杆施工1h～2h后，用扳手对螺母5进行旋紧完成二次预紧，以防周围锚杆施工时造成该锚杆的预应力松弛；
e.锚杆施工12～24h后，井下工作人员通过测力扳手检查锚杆的预紧力，如预紧力不能满足要求时再次对锚杆进行预紧，使托盘4挤压破碎的煤壁，实现预紧力的维持；
f.重复步骤a～e进行下一根扩孔自转式锚杆的施工。