煤矿巷道用缓冲围岩变形的锚杆组件及其支护方法与流程

本发明属于矿用安全生产支护技术领域，具体涉及一种煤矿巷道用缓冲围岩变形的锚杆组件及其支护方法。

背景技术

近些年来，随着煤层开采深度的逐渐增加，地质条件越来越复杂，巷道围岩也常常表现出高应力、大变形等特点，而现有的常规锚杆抗冲击性能有限，在强冲击作用下难以对围岩起到支护作用，一旦巷道围岩的变形能超过锚杆所能承受的范围，将会因为支护设备的失效而产生事故，从而对采矿安全造成严重威胁，给企业造成严重损失。在实际的工程中，锚杆常见的破坏形式主要有锚杆在滑动面处或者节理面处的剪切破坏、岩土体破坏以及锚杆的抗拉承载力不足而引起的破坏。锚杆失效的主要原因是：锚杆被拉断破坏、钢筋与灌浆体的结合面粘结破坏、灌浆体与岩土体的结合面粘结破坏以及灌浆体的破坏。常规锚杆钢筋自身的延伸率低，不能够产生大变形。当巷道发生岩爆或者遇到冲击荷载时，常规锚杆因本身无法产生大变形而不能够与围岩协调变形，这往往导致锚杆被拉断或者钢筋被拉出。总之，常规锚杆因为无法适应围岩大变形和无法吸收冲击荷载的能量而容易失效，从而导致整个支护体系失效，危及工人的安全生产。另外，目前矿井使用的锚固托盘，包括平板形托盘、铸铁托盘、第二盘体等，冲击载荷作用下易发生突然变形卸载或断裂的技术问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种煤矿巷道用缓冲围岩变形的锚杆组件及其支护方法，其具有不易发生变形卸载或断裂、适应变形能力强、抗冲击能力强、能够持续让压、结构简单、加工方便、性能安全可靠、安装施工工艺简单等优点，可降低矿山深部冲击地压巷道的支护成本，提高矿山生产工作的安全系数，克服现有技术的缺陷，保证深部巷道围岩锚杆支护系统的有效性和安全性，提高对矿山深部冲击地压巷道围岩锚杆支护系统理论的深入研究水平，确保矿山巷道支护安全可靠。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：煤矿巷道用缓冲围岩变形的锚杆组件，包括缓冲锚杆体结构和缓冲托盘结构，缓冲锚杆体结构包括一个外套筒、一个圆锥形连接件、上锚杆、下锚杆，外套筒的外圆周为圆柱形结构，外套筒的内孔呈上端口粗、下端口细的圆锥形结构，圆锥形连接件的外形呈上端粗、下端细的圆锥形结构，外套筒的内孔锥度与圆锥形连接件外圆周锥度相同，圆锥形连接件伸入到外套筒内且两者过盈配合，圆锥形连接件的上端和下端均开设有上螺纹槽和下螺纹槽，上锚杆的下端伸入并螺纹连接在上螺纹槽内，下锚杆的上端伸入并螺纹连接在下螺纹槽内；

缓冲托盘结构包括第一盘体、圆锥形缓冲筒、第二盘体和预紧螺母，第一盘体与第二盘体平行设置，圆锥形缓冲筒呈上细下粗的圆锥筒结构，圆锥形缓冲筒上端与第一盘体下表面固定连接，圆锥形缓冲筒下端与第二盘体上表面固定连接，第一盘体上开设有第一圆孔，第二盘体上开设有第二圆孔，下锚杆下端之上而下依次穿过第一圆孔、圆锥形缓冲筒和第二圆孔，预紧螺母螺纹连接在下锚杆的下端部并与第二盘体底部顶压配合。

第二盘体的中部向下冲压形成向下凸出的缓冲壳，缓冲壳沿垂直方向的中心线与圆锥形缓冲筒的中心线重合，第二圆孔开设在缓冲壳底部。

第一盘体和第二盘体均由长、宽均为160mm，厚为15mm的钢板制成，第一圆孔、圆锥形缓冲筒上端口和第二圆孔的直径均相等，圆锥形缓冲筒下端口的直径与缓冲壳上端口的直径一致。

外套筒的外圆周表面设置有若干个定位筋条，每个定位筋条的上端均固定连接在外套筒的外圆周表面，每个定位筋条的下端沿外套筒的径向方向向外张开倾斜设置，所有定位筋条沿圆周方向均匀布置。

外套筒的上端外圆部螺纹连接有将圆锥形连接件上端顶压接触的顶盖，外套筒的内孔下端口的内径、顶盖的内径、上锚杆的外径和下锚杆的外径的尺寸相一致。

煤矿巷道用缓冲围岩变形的锚杆组件的支护方法，包括以下步骤：

（1）制作上锚杆、下锚杆、外套筒、圆锥形连接件、第一盘体和第二盘体；

（2）将圆锥形缓冲筒上端与第一盘体下表面焊接，圆锥形缓冲筒下端与第二盘体上表面焊接，这样就使第一盘体、圆锥形缓冲筒和第二盘体焊接为一体；

（3）将圆锥形连接件装入到外套筒内，使外套筒内壁与圆锥形连接件的外圆周过盈配合；

（4）将上锚杆的下端伸入并螺纹连接在上螺纹槽内，将下锚杆的上端伸入并螺纹连接在下螺纹槽内；

（5）由上锚杆上端套上顶盖，将顶盖螺纹连接到外套筒上端部；

（6）在需要加固的巷道围岩处钻锚固孔，使用锚杆机将上锚杆和下锚杆打入到锚固孔内，注入锚固剂，定位筋条与锚固剂紧密结合使外套筒固定牢靠，最后在露出巷道围岩的下锚杆下端部安装上步骤（2）中制作好的一体结构的第一盘体、圆锥形缓冲筒和第二盘体，拧上预紧螺母，使预紧螺母压紧缓冲壳底部，第一盘体与巷道围岩顶压接触，锚固作业完成；

（7）在锚固支护过程中，巷道发生岩爆或者遇到冲击荷载的情况下，巷道围岩会产生较大变形，上锚杆和下锚杆受到较大的拉力，由于圆锥形连接件上下端分别连接了上锚杆和下锚杆，因此圆锥形连接件在该拉力的作用下会沿着外套筒的圆锥形内孔滑动，致使外套筒轴裂变形被破坏并吸收围岩产生的冲击动能，同时，圆锥形缓冲筒为主要吸能部件，圆锥形缓冲筒通过其内部的圆锥形空心结构使圆锥形缓冲筒轴裂让位破坏产生大变形来吸收和消耗大量冲击能量,能够自适应深部高应力地下工程围岩大变形条件，从而减弱深部围岩冲击地压所造成的伤害，实现高冲击倾向围岩的有效支护。

步骤（1）中上锚杆和下锚杆的长度均为1100m，在上锚杆下端、下锚杆的上下端均加工外螺纹；

步骤（1）中圆锥形连接件采用一个高度为98mm、圆面直径为36mm的圆钢通过拔模加工成为一个与外套筒的内孔相契合的圆锥体结构，然后在圆锥形连接件的上端面和下端面分别加工上螺纹槽和下螺纹槽；

步骤（1）中外套筒采用高度为100mm、圆面直径为36mm的圆钢经过拔模，在内部形成一个圆锥形结构的内孔，外套筒的内孔上端口直径为32mm，粗、外套筒的内孔下端口细的圆锥形结构的直径与上锚杆的外径相一致；

步骤（1）中截取呈正方形的第一盘体和第二盘体，在第一盘体的中心处钻出第一圆孔，在第二盘体的中心处向下冲压一个缓冲壳，在缓冲壳上底部钻出第二圆孔。

步骤（6）中拧动预紧螺母的具体方法为，将第一盘体推到下锚杆的锚固端部并紧贴围岩,使圆锥形缓冲筒的撕裂预紧段的较小端正对围岩，然后将预紧螺母与下锚杆端部螺纹连接,旋拧预紧螺母,预紧螺母压紧缓冲壳，完成初始安装。然后进行预紧安装，继续旋拧预紧螺母,对吸能锚固托盘组件施加预紧力,根据实际要求，达到下锚杆所需求的预紧力时，停止旋拧预紧螺母,完成吸能锚固托盘组件的预紧安装,投入使用。

采用上述技术方案，本发明采用缓冲锚杆体结构和缓冲托盘结构双重缓冲围岩变形的结构。具有降压缓冲效果好、缓冲冲击荷载力度大、安全可靠性强的优势。

本发明中缓冲托盘结构降压缓冲的工作原理如下：本发明的目的就是在巷道发生岩爆或者遇到冲击荷载的情况下,通过圆锥形缓冲筒轴裂让位,实现降压缓冲，本发明具备持续稳定的降压缓冲能力,可有效防止第一盘体冲击断裂和突然变形失效,与高强度锚杆配合能够实现高冲击倾向围岩的有效支护，在不改变高强度锚杆杆体强度和结构的前提下,能够实现围岩大变形、冲击大变形的降压缓冲，最大程度的利用自身结构优势吸收和消耗大量的冲击能量,保证了高强度锚杆体和第一盘体不至于在承受冲击时轻易损坏,使得整个锚杆支护系统能够承受更大的冲击力,自适应围岩的变形以达到锚杆系统有效支护的目的，完成对围岩的多重安全支护。

本发明中缓冲锚杆体结构的降压缓冲的工作原理如下：通过圆锥形连接件沿着外套筒的圆锥形内孔滑动致使外套筒轴裂大变形破坏，吸收围岩产生的冲击能量，同时可以使围岩产生较大变形，减小深部围岩冲击地压所造成的危害。外套筒与圆锥形连接件的配合能够以吸收冲击动能来实现高冲击倾向围岩的有效支护，最大程度的利用自身结构优势吸收和消耗大量的冲击能量，保证了上锚杆和下锚杆不至于在承受冲击时轻易损坏，使得整个锚杆装置能够承受更大的冲击力，自适应围岩的变形以达到锚杆有效支护的目的，完成对围岩的多重安全支护。

本发明中的外套筒构件外表面设置有一圈定位筋条，用于增大摩擦阻力，防止此外套筒构件从锚固孔中脱落，增强锚固效果。

本发明中的顶盖起到限定圆锥形连接件轴向移动，并螺纹连接与外套筒为一体，使圆锥形连接件在轴向移动时可通过顶盖带动外套筒产生轴裂破坏。

本发明结构简单实用、新颖独特，具有不易发生变形卸载或断裂、适应变形能力强、能够持续缓冲让压、安装方便等优点,降低了矿山深部冲击地压巷道的支护成本,提高了矿山生产工作的安全系数,克服了现有技术的缺陷，保证深部巷道围岩锚杆组件支护系统的有效性和安全性，提高对矿山深部冲击地压巷道围岩锚杆支护系统理论的深入研究水平，确保矿山巷道支护安全可靠。

附图说明

图1为本发明下锚杆与缓冲托盘结构之间连接的立体结构图；

图2为缓冲托盘结构的轴向方向剖视图；

图3为缓冲锚杆体结构的外形立体结构图；

图4为缓冲锚杆体结构局部的轴向剖面图；

图5为本发明的外套筒的立体结构图。

具体实施方式

如图1-图5所示，本发明的煤矿巷道用缓冲围岩变形的锚杆组件，包括缓冲锚杆体结构和缓冲托盘结构，缓冲锚杆体结构包括一个外套筒1、一个圆锥形连接件2、上锚杆3、下锚杆4，外套筒1的外圆周为圆柱形结构，外套筒1的内孔呈上端口粗、下端口细的圆锥形结构，圆锥形连接件2的外形呈上端粗、下端细的圆锥形结构，外套筒1的内孔锥度与圆锥形连接件2外圆周锥度相同，圆锥形连接件2伸入到外套筒1内且两者过盈配合，圆锥形连接件2的上端和下端均开设有上螺纹槽和下螺纹槽，上锚杆3的下端伸入并螺纹连接在上螺纹槽内，下锚杆4的上端伸入并螺纹连接在下螺纹槽内；

缓冲托盘结构包括第一盘体5、圆锥形缓冲筒6、第二盘体7和预紧螺母8，第一盘体5与第二盘体7平行设置，圆锥形缓冲筒6呈上细下粗的圆锥筒结构，圆锥形缓冲筒6上端与第一盘体5下表面固定连接，圆锥形缓冲筒6下端与第二盘体7上表面固定连接，第一盘体5上开设有第一圆孔，第二盘体7上开设有第二圆孔，下锚杆4下端之上而下依次穿过第一圆孔、圆锥形缓冲筒6和第二圆孔，预紧螺母8螺纹连接在下锚杆4的下端部并与第二盘体7底部顶压配合。

第二盘体7的中部向下冲压形成向下凸出的缓冲壳9，缓冲壳9也可起到一定的缓冲降压作用，缓冲壳9沿垂直方向的中心线与圆锥形缓冲筒6的中心线重合，第二圆孔开设在缓冲壳9底部。

第一盘体5和第二盘体7均由长、宽均为160mm，厚为15mm的钢板制成，第一圆孔、圆锥形缓冲筒6上端口和第二圆孔的直径均相等，圆锥形缓冲筒6下端口的直径与缓冲壳9上端口的直径一致。

外套筒1的外圆周表面设置有若干个定位筋条10，每个定位筋条10的上端均固定连接在外套筒1的外圆周表面，每个定位筋条10的下端沿外套筒1的径向方向向外张开倾斜设置，所有定位筋条10沿圆周方向均匀布置。

外套筒1的上端外圆部螺纹连接有将圆锥形连接件2上端顶压接触的顶盖11，外套筒1的内孔下端口的内径、顶盖11的内径、上锚杆3的外径和下锚杆4的外径的尺寸相一致。

煤矿巷道用缓冲围岩变形的锚杆组件的支护方法，包括以下步骤：

（1）制作上锚杆3、下锚杆4、外套筒1、圆锥形连接件2、第一盘体5和第二盘体7；

（2）将圆锥形缓冲筒6上端与第一盘体5下表面焊接，圆锥形缓冲筒6下端与第二盘体7上表面焊接，这样就使第一盘体5、圆锥形缓冲筒6和第二盘体7焊接为一体；

（3）将圆锥形连接件2装入到外套筒1内，使外套筒1内壁与圆锥形连接件2的外圆周过盈配合；

（4）将上锚杆3的下端伸入并螺纹连接在上螺纹槽内，将下锚杆4的上端伸入并螺纹连接在下螺纹槽内；

（5）由上锚杆3上端套上顶盖11，将顶盖11螺纹连接到外套筒1上端部；

（6）在需要加固的巷道围岩处钻锚固孔，使用锚杆机将上锚杆3和下锚杆4打入到锚固孔内，注入锚固剂，定位筋条10与锚固剂紧密结合使外套筒1固定牢靠，最后在露出巷道围岩的下锚杆4下端部安装上步骤（2）中制作好的一体结构的第一盘体5、圆锥形缓冲筒6和第二盘体7，拧上预紧螺母8，使预紧螺母8压紧缓冲壳9底部，第一盘体5与巷道围岩顶压接触，锚固作业完成；

（7）在锚固支护过程中，巷道发生岩爆或者遇到冲击荷载的情况下，巷道围岩会产生较大变形，上锚杆3和下锚杆4受到较大的拉力，由于圆锥形连接件2上下端分别连接了上锚杆3和下锚杆4，因此圆锥形连接件2在该拉力的作用下会沿着外套筒1的圆锥形内孔滑动，致使外套筒1轴裂变形被破坏并吸收围岩产生的冲击动能，同时，圆锥形缓冲筒6为主要吸能部件，圆锥形缓冲筒6通过其内部的圆锥形空心结构使圆锥形缓冲筒6轴裂让位破坏产生大变形来吸收和消耗大量冲击能量,能够自适应深部高应力地下工程围岩大变形条件，从而减弱深部围岩冲击地压所造成的伤害，实现高冲击倾向围岩的有效支护。

步骤（1）中上锚杆3和下锚杆4的长度均为1100m，在上锚杆3下端、下锚杆4的上下端均加工外螺纹；

步骤（1）中圆锥形连接件2采用一个高度为98mm、圆面直径为36mm的圆钢通过拔模加工成为一个与外套筒1的内孔相契合的圆锥体结构，然后在圆锥形连接件2的上端面和下端面分别加工上螺纹槽和下螺纹槽；

步骤（1）中外套筒1采用高度为100mm、圆面直径为36mm的圆钢经过拔模，在内部形成一个圆锥形结构的内孔，外套筒1的内孔上端口直径为32mm，粗、外套筒1的内孔下端口细的圆锥形结构的直径与上锚杆3的外径相一致；

步骤（1）中截取呈正方形的第一盘体5和第二盘体7，在第一盘体5的中心处钻出第一圆孔，在第二盘体7的中心处向下冲压一个缓冲壳9，在缓冲壳9上底部钻出第二圆孔。

步骤（6）中拧动预紧螺母8的具体方法为，将第一盘体5推到下锚杆4的锚固端部并紧贴围岩,使圆锥形缓冲筒6的撕裂预紧段的较小端正对围岩，然后将预紧螺母8与下锚杆4端部螺纹连接,旋拧预紧螺母8,预紧螺母8压紧缓冲壳9，完成初始安装。然后进行预紧安装，继续旋拧预紧螺母8,对吸能锚固托盘组件施加预紧力,根据实际要求，达到下锚杆4所需求的预紧力时，停止旋拧预紧螺母8,完成吸能锚固托盘组件的预紧安装,投入使用。

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。