一种大变形定量让压锚杆装置及其使用方法与流程

本发明涉及一种大变形定量让压锚杆装置及其使用方法，适用于矿山巷道、隧道、边坡、基坑等工程的稳定控制，属于岩土锚固技术。

背景技术：

随着矿山开采深度的不断增加，公路、铁路、水利水电等隧道工程的大规模建设，面临的地质条件越来越复杂，深部巷道和深埋隧道常出现大变形失稳破坏的现象(冒顶、片帮、底鼓等灾害频发)。当围岩变形量超过锚杆所能够承受的弹性极限变形范围时，会导致锚杆受拉发生大变形而破断失效，进而造成地下工程失稳事故的发生。这就要求锚杆具有受力产生大变形而自身不易破坏的特性，以适应深部巷道、隧道围岩大变形的要求。

让压锚杆在深部大变形巷道的支护中应用十分广泛，出现了不同类型的让压锚杆，按其工作原理可分为杆体可延伸式锚杆、结构元件滑动可延伸式锚杆。当可延伸式让压锚杆的设计形式不合理时，会造成锚杆过度让压而造成支护失效，进而导致巷道失稳破坏；结构元件滑动可延伸式锚杆，可提供相对稳定可靠的支护阻力，受结构元件设计的影响造成其普遍适用性不强；当使用结构复杂的结构元件时，对于不需要较大支护力的巷道而言会提高支护成本；当使用结构简单的结构元件时，则不能提高足够的支护力与让压变形量，导致巷道支护效果差，存在失稳的潜在风险。

技术实现要素：

技术问题：为了解决目前让压锚杆让压量不够而造成支护效果差或过度让压而导致支护失效的不足，本发明提供一种结构稳定、安全可靠的大变形定量让压锚杆装置。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种大变形定量让压锚杆装置，包括锚杆、锚固端头、缓冲橡胶垫、第二垫板、一组摩擦转动环、第一垫板、塑料套筒、金属压盘和预紧螺母，在摩擦转动环内沿周边均匀设置有n个凹槽，n为大于3的正整数；在缓冲橡胶垫、第二垫板、摩擦转动环、第一垫板、塑料套筒的底端面和金属压盘上均设置有套设锚杆的套孔，在金属压盘上设置有泄流孔，在第二垫板、第一垫板上设置有对应的螺栓孔；

所述锚固端头固定在锚杆的前端，且在锚固端头上设置有止退翼；

环绕锚杆外壁均匀间隔设置有n条相互平行的螺旋凸齿带，所有螺旋凸齿带的前端(螺旋凸齿带靠近锚固端头的一端)在一个同心圆上，该同心圆与锚杆的横截面平行，螺旋凸齿带从前端向后端的方向延伸，螺旋角由0°逐渐增加；

所述缓冲橡胶垫、第二垫板、第一垫板和塑料套筒的外径与扩大孔内径相适配，金属压盘的外径与塑料套筒的内径相适配；穿过螺栓孔的固定螺栓两端分别与第二垫板和第一垫板固定，将摩擦转动环挤压固定在第二垫板和第一垫板之间，所有摩擦转动环的凹槽重合，形成摩擦转动环工装；

所述锚杆安装至锚杆孔内后，在锚杆上依次套设缓冲橡胶垫、摩擦转动环工装和塑料套筒，塑料套筒的底部贴合摩擦转动环工装，在塑料套筒内填充塑性流体，预紧螺母旋紧在锚杆上将金属压盘压紧塑性流体；

初始安装完成时，n条螺旋凸齿带的前端一一对应地插入到全部或部分摩擦转动环的n个凹槽内，在第二垫板和第一垫板的对应位置设置有避让螺旋凸齿带的缺口。

本案中，使用固定螺栓预先将摩擦转动环挤压固定在第二垫板和第一垫板之间，调节固定螺栓可调节第二垫板和第一垫板对摩擦转动环的挤压力，以保持预定的摩擦力，使得摩擦转动环上的凹槽对螺旋凸齿带的挤压所传递的锚杆轴向荷载达到对巷道支护的要求。

本案中，设计螺旋凸齿带的螺旋角从前端向后端方向由0°逐渐增加，随着螺旋凸齿带的伸进，螺旋凸齿带收到摩擦转动环上的凹槽逐渐增大的支撑力的作用，同时可传递给锚杆较大的预应力以限制围岩进一步变形；锚杆的伸入量可反映因巷道变形所释放的围岩应力。

本案中，缓冲橡胶垫因含有较高生胶粘度以减少橡胶缓冲垫的压缩变形；优选的，在缓冲橡胶垫的材质中加入中等补强剂，可赋予缓冲橡胶垫更为良好的弹性和动态性能。

优选的，还包括安装在扩大孔口部的托盘，所述塑料套筒的口部设置有外凸，外凸与托盘相接触的表面设置有相配合的凹凸结构。

优选的，所述塑料套筒的内壁上设置有表征金属压盘相对移动量的刻度线，用以观察锚杆的伸入量，观测缓冲橡胶垫变形和锚杆弹性变形量的误差影响。

优选的，所述螺旋凸齿带的前端设置有倒角或避让弯曲结构。

优选的，所述止退翼为倒钩状结构；所述止退翼可通过焊接的方式固定在锚固端头，将锚杆推进锚杆孔时，锚杆孔内壁围岩会挤压止退翼贴紧锚杆使锚固端头到达预定锚固位置，止退翼形成的倒钩状结构可防止锚杆扭转滑脱。

优选的，所述摩擦转动环为钢制圆环片，单片摩擦转动环的厚度为5～15mm，n个凹槽均匀设置在摩擦转动环内沿周边；本案采用多个摩擦转动环叠加放置的方式，可使凹槽与螺旋凸齿带错位匹配，防止因凹槽过长而出现螺旋凸齿带提前卡死的情况。

一种大变形定量让压锚杆装置的使用方法，包括如下步骤：

s1、在围岩上施工孔径与锚杆直径匹配的锚杆孔，在锚杆孔的孔口段施工孔径与缓冲橡胶垫、第二垫板、第一垫板和塑料套筒直径匹配的扩大孔；

s2、将锚杆安装在锚杆孔内，并通过锚杆前端的锚固端头锚固；

s3、使用固定螺栓穿过螺栓孔以固定第二垫板和第一垫板，将摩擦转动环挤压固定在第二垫板和第一垫板之间，所有摩擦转动环的凹槽重合，形成摩擦转动环工装；在第二垫板和第一垫板的对应位置设置有避让螺旋凸齿带的缺口；

s4、将缓冲橡胶垫套在锚杆上，安装在扩大孔内，减少瞬时荷载的变化对锚杆的破坏；

s5、先将摩擦转动环工装套在锚杆上，再按照螺旋凸齿带的走向旋入扩大孔内至其与缓冲橡胶垫贴合；此时，n条螺旋凸齿带的前端一一对应地插入到全部或部分摩擦转动环的n个凹槽内；

s6、先将托盘安装在扩大孔的口部，再将塑料套筒套在锚杆上，向扩大孔内推入塑料套筒至其底部与摩擦转动环工装贴合；此时，塑料套筒口部的外凸与托盘相接触的表面凹凸结构相配合；

s7、在塑料套筒内注入塑性流体，采用带有泄流孔的金属压盘将塑料套筒密封，将预紧螺母安装锚杆上，对金属压盘施加预紧力，提供锚固初期的支护力；预紧螺母提供的预紧力接近或约等于塑性流体的屈服强度而不至使塑性流体能够经泄流孔流出；当锚杆的轴向拉应力大于塑性流体极限强度后，锚杆带动金属压盘向扩大孔内移动，螺旋凸齿带随之移动并开始挤压摩擦转动环，由于与摩擦转动环接触部分的螺旋凸齿带的螺旋角逐渐增加，螺旋凸齿带向摩擦转动环传递逐渐增大的轴向荷载，摩擦转动环产生让压变形的同时可提供稳定可靠的支护力；通过锚杆的伸入量可确定巷道需要的支护力。

有益效果：本发明提供的大变形定量让压锚杆装置及其使用方法，根据围岩变形机理和锚杆的支护特征，通过控制螺旋凸齿带的螺旋角变化曲线控制传递到锚杆的锚杆轴向荷载，实现该装置让压变形的同时提供逐渐增强的支护力；位于扩大孔底部的缓冲橡胶可避免瞬时荷载过大对锚杆的破坏，同时可避免螺旋凸齿带伸入量过大造成的过度让压而导致支护失效，锚固端头的止退翼固定锚固端的同时可防止锚杆扭转，防止螺旋凸齿带在摩擦转动环中只转动不伸进，利用塑性流体受到金属压盘压力大于塑性流体极限值时开始流动，否则就保持即时性状并停止流动的特点，保证恒定的预紧力，防止因支护力减小而造成围岩变形加剧，锚杆孔内第一、二垫板的直径与锚杆孔内径匹配，防止了锚杆孔内受剪破坏；整个锚固装置可通过控制螺旋凸齿带的螺旋角变化曲线调节让压量，可通过锚杆的伸入量来确定巷道稳定需要的支护力。

附图说明

图1为本发明中锚杆孔的结构示意图；

图2为本发明中扩大孔的结构示意图；

图3为本发明的锚杆安装示意图；

图4为本发明的总体安装结构示意图；

图5为本发明的设置螺旋凸齿带位置的锚杆截面的结构示意图；

图6为本发明的摩擦转动环截面的结构示意图；

图7为本发明的第一、二垫板示意图。

图中：1-围岩，2-锚杆孔，3-扩大孔，4-锚杆，5-止退翼，6-锚固端头，7-螺旋凸齿带，8-预紧螺母，9-金属压盘，10-泄流孔，11-塑料套筒，12-塑性流体，13-第一垫板，14-第二垫板，15-摩擦转动环，16-固定螺栓，17-缓冲橡胶垫，18-托盘，19-螺栓孔。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步的说明：

一种大变形定量让压锚杆装置，包括锚杆4、锚固端头6、缓冲橡胶垫17、第二垫板14、一组摩擦转动环15、第一垫板13、塑料套筒11、金属压盘9、预紧螺母8和托盘18，在摩擦转动环15内沿周边均匀设置有n个凹槽，n为大于3的正整数；在缓冲橡胶垫17、第二垫板14、摩擦转动环15、第一垫板13、塑料套筒11的底端面和金属压盘9上均设置有套设锚杆4的套孔，在金属压盘9上设置有泄流孔10，在第二垫板14、第一垫板13上设置有对应的螺栓孔19。

所述锚固端头6固定在锚杆4的前端，且在锚固端头6上设置有倒钩状结构的止退翼5。

环绕锚杆4外壁均匀间隔设置有n条相互平行的螺旋凸齿带7，所有螺旋凸齿带7的前端螺旋凸齿带7靠近锚固端头6的一端在一个同心圆上，该同心圆与锚杆4的横截面平行，螺旋凸齿带7从前端向后端的方向延伸，螺旋角由0°逐渐增加；工作时，随着锚杆4的伸入，螺旋角逐渐增加的螺旋凸齿带7会受到摩擦转动环15上凹槽提供的逐渐增大的支撑力的作用，螺旋凸齿带7可传递给锚杆4较大的预应力以限制围岩进一步变形。

所述缓冲橡胶垫17、第二垫板14、第一垫板13和塑料套筒11的外径与扩大孔3内径相适配，金属压盘9的外径与塑料套筒11的内径相适配；穿过螺栓孔19的固定螺栓16两端分别与第二垫板14和第一垫板13固定，将摩擦转动环15挤压固定在第二垫板14和第一垫板13之间，所有摩擦转动环15的凹槽重合，形成摩擦转动环工装。

所述锚杆4安装至锚杆孔2内后，在锚杆4上依次套设缓冲橡胶垫17、摩擦转动环工装和塑料套筒11，塑料套筒11的底部贴合摩擦转动环工装，在塑料套筒11内填充塑性流体12，预紧螺母8旋紧在锚杆4上将金属压盘9压紧塑性流体12。

初始安装完成时，n条螺旋凸齿带7的前端一一对应地插入到全部或部分摩擦转动环15的n个凹槽内，在第二垫板14和第一垫板13的对应位置设置有避让螺旋凸齿带7的缺口；

所述托盘18安装在扩大孔3口部，塑料套筒11的口部设置有外凸，外凸与托盘18相接触的表面设置有相配合的凹凸结构。

一种上述大变形定量让压锚杆装置的使用方法，包括如下步骤：

s1、如图1所示，在围岩1上施工孔径与锚杆4直径匹配的锚杆孔2；如图2所示，在锚杆孔2的孔口段施工孔径与缓冲橡胶垫17、第二垫板14、第一垫板13和塑料套筒11直径匹配的扩大孔3；

s2、如图3所示，将锚杆4安装在锚杆孔2内，并通过锚杆4前端的锚固端头6锚固；

s3、使用固定螺栓16闯过螺栓孔19以固定第二垫板14和第一垫板13，将摩擦转动环15挤压固定在第二垫板14和第一垫板13之间，所有摩擦转动环15的凹槽重合，形成摩擦转动环工装；在第二垫板14和第一垫板13的对应位置设置有避让螺旋凸齿带7的缺口；通过固定螺栓16调节第二垫板14和第一垫板13对摩擦转动环15的挤压力，以保持预定的摩擦力，使得摩擦转动环15的凹槽对螺旋凸齿带7的挤压所述传递的锚杆轴向荷载达到对巷道支护的要求；

s4、将缓冲橡胶垫17套在锚杆4上，安装在扩大孔3内，减少瞬时荷载的变化对锚杆4的破坏；

s5、先将摩擦转动环工装套在锚杆4上，再按照螺旋凸齿带7的走向旋入扩大孔3内至其与缓冲橡胶垫17贴合；此时，n条螺旋凸齿带7的前端一一对应地插入到全部或部分摩擦转动环15的n个凹槽内；

s6、先将托盘18安装在扩大孔3的口部，再将塑料套筒11套在锚杆4上，向扩大孔3内推入塑料套筒11至其底部与摩擦转动环工装贴合；此时，塑料套筒11口部的外凸与托盘18相接触的表面凹凸结构相配合；

s7、在塑料套筒11内注入塑性流体12，采用带有泄流孔10的金属压盘9将塑料套筒11密封，将预紧螺母8安装锚杆4上，对金属压盘9施加预紧力，提供锚固初期的支护力；最终形成如图4所示的结构。

预紧螺母8提供的预紧力接近或约等于塑性流体12的屈服强度而不至使塑性流体12能够经泄流孔10流出；当锚杆4的轴向拉应力大于塑性流体12极限强度后，锚杆4带动金属压盘9向扩大孔3内移动，螺旋凸齿带7随之移动并开始挤压摩擦转动环15，由于与摩擦转动环15接触部分的螺旋凸齿带7的螺旋角逐渐增加，螺旋凸齿带7向摩擦转动环15传递逐渐增大的轴向荷载，摩擦转动环15产生让压变形的同时可提供稳定可靠的支护力；通过锚杆4的伸入量可确定巷道需要的支护力。

如图5所示，为设置螺旋凸齿带7的锚杆4的截面示意图，凸出来的齿轮状即为螺旋凸齿带7，从立面看为围绕锚杆4左旋角度逐渐减缓的齿状结构。

如附图6所示，为摩擦转动环15的截面示意图，其凹槽尺寸与螺旋凸齿带7尺寸相匹配，以提供较好的咬合面。

如附图7所示，为第二垫板14和第一垫板13的截面示意图，两块垫板分别设有位置对应的固定螺栓孔，由六个固定螺栓16穿过螺栓孔19以固定两块垫板并挤压摩擦转动环15。

综上所述，本案根据深部巷道、隧道围岩变形机理和锚杆锚固特征，通过螺旋角逐渐增加的螺旋凸齿带以增大传递到锚杆的轴向荷载，实现该装置让压变形的同时提供逐渐增强的支护力。位于扩大孔底部的缓冲橡胶垫可避免瞬时荷载过大对锚杆的破坏，避免锚杆伸入量过大造成的过度让压而导致支护失效，锚固端头的止退翼固定锚固端的同时可防止锚杆扭转，利用塑性流体受到金属压盘应力大于塑性流体极限值时开始流动，否则就保持即时性状并停止流动的特点，保证恒定的预紧力，锚杆孔内第一、二垫板的直径与扩大孔匹配，防止了扩大孔内受剪破坏。整个锚固装置可通过控制螺旋凸齿带的螺旋角增加速率调节让压量，通过锚杆的伸入量可确定巷道需要的支护力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。