本发明涉及巷道支护中的锚杆技术领域，具体而言，涉及一种让压锚杆装置。
背景技术：
对于具有高地应力和围岩变形量大特点的难支护巷道，支护结构不仅需要高强支撑力，也需要有让压支护的特点。
目前尽管已经有多种让压锚杆，但是，这些锚杆或多或少存在些不足。
例如：利用恒阻装置产生的弹性变形的让压锚杆，支护力略有不足，难以抵抗动压影响下围岩的大变形。
利用多级插销剪切破坏过程产生的作用力来抵抗围岩变形，尽管支护力得到了提高，但是由于多级插销中存在空隙，难以对围岩变形实现稳定支护。
综上，现有让压锚杆技术主要存在支护不稳定以及强度不高的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种让压锚杆，该让压锚杆利用本发明设计出的所述锚杆的杆体、套管和卡位环中的钢珠所组成的机械装置，具有锚杆的让压支护功能。当锚杆的杆体轴力没有达到设定让压极限值，锚杆的杆体与套管被卡位环中的钢珠卡住，两者不发生错动，此阶段让压锚杆与常规锚杆对巷道围岩的支护功能相同。当让压锚杆中的轴力达到设定让压极限值(一般为锚杆的杆体极限强度的80％左右)时，卡位环中的钢珠沿套管内侧锚杆轴向切割管壁发生塑性剪切滑移，开启让压支护功能。由于金属材料的塑性流动极限是相对稳定的，所以此时锚杆的让压支护阻力也将保持稳定。该让压锚杆的最大让压滑移长度是两个止滑套间的距离，所以让压行程可以调节。当两个止滑套相抵靠时，该锚杆将恢复常规锚杆的功能。
因此，该让压锚杆具有高稳阻让压支护特性，能够适应难支护巷道围岩大变形和动压作用。具体为：在巷道围岩小变形阶段，锚杆能提供及时和稳定的支护阻力，维护围岩稳定性；在围岩受动压作用或产生大变形时，该锚杆具有高稳阻让压支护的机械性能，可维护围岩支护的稳定性，避免发生锚杆断裂等支护失效的现象。另外，还可以通过调整套管的长度改变让压支护的距离，提高该让压锚杆的适用范围。
本发明的实施例是这样实现的：
杆体；
套设在杆体外的套管，套管的一端设有托盘；
以及卡位环，卡位环用于套管与杆体的卡合。
该让压锚杆包括相对固定在钻孔内的杆体、套设在杆体外的套管以及嵌入在套管与杆体之间的卡位环。
通过卡位环中的钢珠卡合杆体与套管，使杆体与套管联合在一起。在该锚杆安装之初，当锚杆轴力没有达到让压极限力之前，其支护机理与常规锚杆相同；当锚杆轴力达到让压极限阻力时，该锚杆将开启让压功能，也即卡位环中的钢珠会沿着套管内壁的锚杆轴向滑动，其机理是：固定在杆体上的第二止滑套挤压钢珠，使钢珠切割套管内壁的力达到其塑性强度极限，形成塑性流动滑移，使该锚杆处于让压支护状态；当第二止滑套与第一止滑套抵合时，该锚杆又与常规锚杆相同。因此，该锚杆具有高稳阻让压支护功能，能维护巷道大变形和动压时的围岩稳定性。
在本发明的一种实施例中：
卡位环包括若干钢珠和可镶嵌钢珠的钢珠套，并且是钢珠套内的钢珠在杆体与套管之间起卡合作用。
在本发明的一种实施例中：
钢珠套的强度极限和屈服极限大于杆体的强度极限和屈服极限；
杆体的强度极限和屈服极限大于套管的强度极限和屈服极限。
在本发明的一种实施例中：
杆体及套管均由金属材料制成。
在本发明的一种实施例中：
托盘的外露口处形成过渡斜面，用于初始安装锚杆时嵌入卡位环。
在本发明的一种实施例中：
套管与托盘联合成一体或一体成型。
在本发明的一种实施例中：
套管远离托盘一端的内壁上设有第一止滑套；
杆体靠近托盘一端的外壁上设有第二止滑套，该止滑套为螺母，通过杆体外端的螺纹安装在杆体上，并在锚杆安装时可通过拧紧螺母挤压卡位环中的钢珠而使锚杆获得初始锚固力；
第一止滑套用于在卡位环中的钢珠沿套管内壁发生塑性剪切(切割管壁)流动后与第二止滑套抵靠，以防止让压锚杆的杆体与套管分离；
卡位环中的钢珠沿套管的内壁发生塑性剪切(切割管壁)滑移时的锚杆的杆体轴力(让压阻力)是由套管的材料强度以及杆体与套管之间的间隙、钢珠的直径、钢珠的排列(包括钢珠个数)所决定的；一般把其轴力(让压阻力)设定在锚杆的杆体强度的80％左右。
在本发明的一种实施例中：
第一止滑套及第二止滑套均由金属材料制成。
本发明的技术方案至少具有如下有益效果：
本发明提供的让压锚杆利用锚杆的杆体、套管和卡位环组成的机械系统具有让压支护的功能，能用于支护巷道大变形和动压的复杂变形状态，高效维护其围岩变形控制的稳定性。具体的，在该锚杆安装初期，锚杆的杆体与套管被卡位卡中的钢珠卡死，因此这阶段具有常规锚杆同样的功能；该锚杆随围岩变形，轴力会不断增加，当其轴力增加到设定的让压阻力时，其卡位钢珠沿套管内壁锚杆轴向切割管壁而滑移，锚杆进入让压支护状态；当第二止滑套与第一止滑套发生抵合时，该锚杆又恢复常规锚杆功能。由于金属材料的塑性极限强度是较为稳定的，所以钢珠抗压切割管壁的塑性极限阻力是较为稳定的，我们可设定其让压阻力为锚杆极限强度的80％左右，则该锚杆可提供稳定的高让压支护阻力，适应大变形和动压巷道围岩稳定性控制。另外，还可以调整套管的长度，适应让压支护的范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中让压锚杆的结构示意图；
图2为本发明实施例中杆体的结构示意图；
图3为图1中ⅳ处的放大示意图；
图4为本发明实施例中锚固段的结构示意图。
图标：200-让压锚杆；210-杆体；220-套管；221-托盘；222-第一止滑套；212-第二止滑套；300-巷道围岩；310-锚固段；230-卡位环；231-钢珠套；232-钢珠。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施方式的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
本发明提供了一种让压锚杆200，该让压锚杆200利用本发明设计的锚杆的杆体210、套管220和卡位环230组成的机械装置具有的让压支护功能，适用于支护大变形和动压巷道围岩300的复杂变形状态，控制围岩变形的稳定性和防治围岩发生冲击矿压。
请参考图1及图2，图1及图2示出了实施例中提供的让压锚杆200的具体结构。
从图1及图2中可以看出，该让压锚杆200包括杆体210、套管220以及卡位环230。
其中，套设在杆体210外的套管220，并且套管220的一端设有托盘221。
进一步地，在本实施例中，请参照图3并结合图及图2，卡位环230包括钢珠套231和钢珠232，钢珠套231中钢珠232用于套管220与杆体210的卡合。即通过这种卡合使套管220与杆体210联合成一个整体。
在该锚杆安装好后，随巷道围岩300变形，锚杆的杆体210内的轴力会逐步增大，杆体210、钢珠232和套管220三者之间的接触挤压力也随之增大，但在没有达到接触破坏极限之前，三者位置相对固定，不会发生错动，此时该锚杆的支护特性与常规锚杆相同，随着围岩变形进一步增大，锚杆轴力达到设定的让压阻力极限值时，钢珠232挤压切割管壁，杆体210与套管220发生相对错动，使让压锚杆200进入让压支护状态；当第二止滑套212随着让压滑移抵合到第一止滑套222时，该锚杆又与常规锚杆支护功能相同。
需要说明的是，该让压锚杆200包括托盘221，托盘221设置在套管220的端部并且与钻孔底部的围岩贴合，在围岩发生变形时，其变形所带来的外力会施加到托盘221上，并使得该让压锚杆200的套管220在托盘221的带动下，具备沿让压锚杆200的轴线移动的趋势。并且在设置托盘221时，托盘221与套管220可以采用一体成型的制造方式。
另外，在本实施例中，为了提高该让压锚杆200的整体性能，提高支护的稳定性以及强度，故该让压锚杆200的结构部件均采用金属材料制造。尤其是杆体210、套管220以及钢珠套231均由金属材料制成。
进一步地，在本实施例中，钢珠232的强度极限和屈服极限大于杆体210的强度极限和屈服极限，杆体210的强度极限和屈服极限大于套管220的强度极限和屈服极限。由此，在杆体210、钢珠232以及套管220之中，套管220的强度极限以及屈服极限均为最小，所以，在该锚杆让压阶段是钢珠232挤压切割套管220，使套管220内壁发生局部塑性切剪破坏，该锚杆具有高稳阻让压功能。
在使用的过程中，为防止让压锚杆200脱落，在套管220和杆体210相对套管220远离托盘221一端的内壁上设有第一止滑套222，杆体210靠近托盘221一端的外壁上设有第二止滑套212，第一止滑套222用于在让压支护行程结束时与第二止滑套212相抵靠，以起到在让压支护结束时，避免让压锚杆200中的杆体210与套管220相分离。并且第一止滑套222及第二止滑套212均由金属材料制成。
请参照图4并结合图1-3，该让压锚杆200的工作原理是：
安装:打孔、插入锚杆、锚固上稳阻套管220、装卡位环230、装上第二止滑套212—拧紧、挤压钢珠232—具有初变形初期，锚杆与稳阻套管220被卡位钢珠232卡孔，随变形锚杆轴力增加，与常规锚杆功能相同。
大变形动压阶段，杆体210轴力增加至80％左右的杆体210强度，钢珠232挤压力使稳阻套管220挤压处发塑性屈服变形，钢珠232剪切滑移流动，开启让压支护。
第二止滑套212与第一止滑索抵靠，让压支护结束，锚杆又与常规锚杆功能相同。
为了实现本实例能够快速的对围岩起到主动支护的作用，要求第二止滑套212是螺母结构，而杆体210外端有与之相配的螺纹，当让压锚杆200安装入钻孔后，随锚固段310形成，及时拧紧螺母，挤压卡位环230，使锚杆具有初锚力。
随着围岩变形的增加，杆体210、钢珠232和套管220之间的相互接触挤压力越来越大，由于钢珠232的屈服强度大于杆体210和套管220，而三者之间套管220各种强度最小，所以套管220的内壁在与钢珠232的接触处会首先发生塑性屈服，产生塑性剪切流动。这时，杆体210与套管220之间产生沿轴向的相对移动，机理与锚杆在稳定轴力下的伸长变形相对应，形成让压支护。
具体的，当围岩发生小变形或者有变形的趋势时，杆体210中的轴力较小，传递到三者之间的接触力也小，不足以使得套管220内壁接触处产生塑性流动。随着围岩进一步变形，接触力不断增大，当达到塑性极限后，套管220内壁与钢珠232接触处开始发生塑性剪切流动，即开始让压支护。金属材料在发生塑性剪切流动后，强度高且稳定，不会发生突然失效的现象，可以实现高稳阻让压支护的效果。套管220的长度即为让压支护的长度，根据不同矿区、不同巷道围岩300变形的不同要求，可以调整让压支护的长度，具有较强的适应性。
综上，本发明在控制巷道围岩300大变形和动压中，利用金属材料塑性剪切流动特性，设计出锚杆的杆体210、卡位环230和套管220组成的机械系统，能够实现让压支护，同时保持高稳定阻力，让压支护相当长的距离，对于维护巷道围岩300大变形、防止巷道变形能量突然释放造成的冲击矿压、炸帮等事故有积极作用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。