一种锚杆托盘及其使用方法与流程

本发明涉及巷道、隧道支护技术领域，特别是指一种锚杆托盘及其使用方法。

背景技术：

喷锚网支护已成为国内外地下矿山巷道、公路铁路隧道最常用的支护方式之一，喷锚网作用机理是将不稳定的表面岩体与巷道深部的稳定性岩体通过锚杆杆体联接在一起，达到一个喷锚网与围岩共同作用的联合支护整体。其中喷射混凝土和钢网形成一个围岩表面的坚硬壳体，通过锚杆一端约束该壳体、另一端与稳固围岩相连，形成一个巷道表面内部1-2m范围内的高承压圈，利用该高承压圈的承载能力，实现维护巷道稳定的目的(见图1)。由此可见，由锚杆及其托盘对喷射混凝土及钢网实施有效的约束，对于维护巷道的稳定具有至关重要的作用。反之，如果不能够很好的采用锚杆及托盘对喷射混凝土层及钢网实施有效约束和施压，由于喷射混凝土可以承受较大压应力，但不能承受较大拉应力或者剪应力的特性，喷射混凝土层在无约束的情况下，就会产生内挤、开裂，最终导致巷道失稳(图2)。

但从目前喷锚网施工工艺来看，存在如下问题：

(1)地应力相对较低的矿山采用单层喷锚网支护时，掘进巷道出渣后，先实施锚杆+钢网支护，而后再喷射混凝土(先喷射混凝土再施工锚网，则必须要再次喷浆以覆盖钢网，增加了施工循环)，这样的话锚杆托盘就不能够有效约束喷射混凝土及钢网层，虽然钢网及喷射混凝土可以形成坚硬壳体，但锚杆及其锚杆托盘不能将该壳体与深部围岩紧密相连，喷锚网联合支护体的作用也就得不到充分发挥；

(2)部分地应力比较高的矿山采用双层喷锚网支护方式，即先挂网并安装锚杆，而后喷浆覆盖锚杆及钢网，再进行第二次挂网并安装锚杆，再进行喷浆的掘进工艺。该种施工顺序的问题在于，由于二次支护的锚杆托盘(一般为150mm×150mm×10mm的托盘，或者200mm×200mm×12mm的托盘)表面阻隔了一次、二次支护喷射混凝土之间的接触，托盘处二次支护的喷射混凝土不能牢固的粘附于一次支护的喷射混凝土表面，形成一个支护薄弱区。地应力逐步显现时，一次支护锚杆托盘表面上，二次支护施工的喷射混凝土因未受到约束，先发生变形破坏，并逐步引起周围的喷射混凝土开裂失稳和该锚杆的失效，最终导致巷道的总体变形破坏和失稳；

(3)对于采用上述双层喷锚网的高应力矿山，如前所述同样的原理，第一次锚杆托盘无法压住第一次的喷射混凝土，第二次喷浆混凝土也无法受到锚杆托盘的约束，因此对于喷网形成的这个坚硬壳体无法利用两次支护的锚杆及其托盘最大限度约束，大幅度折减了双层喷锚网的支护效果。但不按照上述工序施工，就必须要实施第三次喷浆(因为钢网必须要采用喷射混凝土覆盖才能发挥作用)；

(4)传统的锚杆托盘采用螺母将其固定于锚杆上，由于螺母的承载能力有限，常在井下看到螺母在高地应力作用下从锚杆杆体脱落，锚杆托盘没有了螺母的约束，其托盘对喷射混凝土施加的约束载荷随之变为零，支护效果就大打折扣了；

(5)井下喷锚网施工中，如果不采取专门的措施，很容易造成喷射混凝土厚度不均的问题。从矿山生产实际来看，该问题也没有得到很好的解决。因此，如何既能够发挥锚杆托盘约束喷射混凝土及钢网层，又可以达到施工便捷、高效，成为一个支护技术难题。

技术实现要素：

本发明针对地下矿山巷道、公路铁路交通隧道和水利水电隧道等工程在喷锚网施工中，由于前述原因出现的混凝土层开裂、混凝土喷层厚度不一致等导致的巷道失稳问题，提供一种锚杆托盘及其使用方法。

该新型锚杆托盘包括套管、下压板和上压板，其中，套管由一个钢管及其一端焊接的四个钢爪组成，套管套在锚杆上，下压板、上压板与锚杆头通过丝扣连接。

钢管采用q235钢材或其他强度能够满足要求的非金属材料加工，钢管内直径为锚杆直径的1.2-1.4倍，壁厚2-3mm，钢管高度与喷射混凝土厚度一致。

钢爪是采用q235钢筋或其他强度能够满足要求的非金属材料加工而成的钢棒，钢筋直径为φ2-4mm，每个钢爪长度为钢筋网网孔尺寸的0.6-0.8倍；四个钢爪的一端焊接于钢管的一端，四个钢爪组成的平面与钢管轴线相互垂直，相邻钢爪之间呈90°均匀分布。

下压板为中心开孔的长方体钢板，长为150-200mm，宽为40-60mm，厚度为10-12mm，中心孔为内丝扣，中心孔直径与锚杆直径相同。

上压板由一个中心开孔的长方体钢板和两个内含加筋条的三角形钢板组成，三角形钢板焊接于长方体钢板中心孔两侧，长方体钢板长为150-200mm，宽为40-60mm，厚度为10-12mm，中心孔为内丝扣，中心孔直径与锚杆直径相同。

该锚杆托盘的使用方法，包括步骤如下：

s1：锚杆插入锚杆孔内并固定好后，挂上钢网，再将套管插入锚杆杆体露出孔外的一端，套管上的钢爪一端朝向岩面；

s2：将下压板安装到外露的锚杆一端并旋紧，使其下套筒的钢爪将钢筋网紧紧压在岩面上；

s3：将上压板拧在该锚杆上，三角形的加筋板作为卡扳手的附着点，将上压板拧紧，并使上、下压板长轴轴线相互垂直。

本发明有效改善了传统喷锚网支护工艺中先安装锚网，则托盘不能压紧喷射混凝土，大幅度降低了喷锚网的支护效果，如果先喷射混凝土，则钢网在喷射混凝土之外，不能起到钢筋混凝土相互加固的作用，而先喷浆再安装锚网，而后再次喷浆的施工顺序，虽然兼顾了锚杆托盘在喷射混凝土之外，以及钢网在喷射混凝土之内的优点，但使施工工艺过于复杂的问题。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1、新型锚杆托盘为下压板、上压板的双条形托盘结构，下压板、上压板中心孔均为内丝扣，可视为双螺母结构，无需传统采用螺母固定锚杆托盘方式；

2、新型锚杆托盘的使用，解决了传统单层喷锚网支护在不实施分两次喷射混凝土支护工艺的前提下无法将锚杆托盘置于喷射混凝土外部，同时兼顾将钢网置于喷射混凝土内部的施工工艺；也解决了传统双层喷锚网支护第一、第二次安装的锚杆托盘均在喷射混凝土内层的问题，大幅度提高了两层锚杆及锚杆托盘对于各层喷射混凝土及钢网的约束作用，大幅度改善了喷锚网的支护效果；

3、新型锚杆托盘采用长条状，长条结构托盘对混凝土的局部隔离作用不会过于集中，上、下层喷射混凝土能够较好的接触粘合，大幅度降低了传统方形托盘导致喷射混凝土局部产生强度弱化区，最终导致支护体产生多米诺骨牌式由点及面破坏失稳的问题；

4、具有加筋的锚杆托盘大幅度提高了托盘的抗压能力和抗变形能力，钢网及喷射混凝土形成的坚硬壳体能够得到更大、更好的约束，使锚杆及钢网与喷射混凝土形成的联合支护体能够对围岩起到最大限度的支护作用，有效提高了巷道的稳定性；

5、采用带钢爪的套管，既能有效压紧钢网使其紧贴岩面，也起到了指示喷射混凝土厚度的作用。

附图说明

图1为本发明背景技术中“壳体”理论中喷射混凝土支护机理受力图；

图2为本发明背景技术中锚杆未随喷射混凝土移动现象图；

图3为本发明套管正视图；

图4为本发明图3中套管a-a剖面的剖面图；

图5为本发明下压板正视图；

图6为本发明图5中下压板剖面图，其中，(a)为b-b剖面，(b)为c-c剖面；

图7为本发明上压板正视图；

图8为本发明图7中上压板剖面图，其中，(a)为d-d剖面，(b)为e-e剖面；

图9为本发明托盘正视图；

图10为本发明图9中托盘剖面图，其中，(a)为f-f剖面，(b)为g-g剖面。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种锚杆托盘及其使用方法。

该锚杆托盘包括套管、下压板和上压板，其中，套管由一个钢管及其一端焊接的四个钢爪组成，套管套在锚杆上，下压板、上压板与锚杆头通过丝扣连接。

钢管采用q235钢材加工，钢管内直径为锚杆的1.2-1.4倍，壁厚2-3mm，高度与喷射混凝土厚度一致。

如图3和图4所示，钢爪是采用q235钢筋加工而成的钢棒，钢筋直径为φ2-4mm，钢爪长度为钢筋网网孔尺寸的0.6-0.8倍；四个钢爪的一端焊接于钢管的一端，钢爪所在平面与钢管轴线相互垂直，相邻钢爪之间呈90°均匀分布。钢管的直径稍大于锚杆的直径，四个钢爪焊接于钢管一端，各钢爪相互垂直，保持在一个平面，该平面与钢管轴线相互垂直。其中钢爪用来压住钢网，使其紧贴岩面；钢管高度与喷射混凝土厚度相等，其作用之一是指示喷射混凝土的厚度，第二个作用是由于锚杆托盘与钢网之间有该套管的间隔作用，即使采用先挂网后喷浆的施工顺序，锚杆托盘也可以压在喷射混凝土的外表面，并通过锚杆、锚杆托盘，最大限度提高喷射混凝土层的承载能力，并通过喷锚网形成的联合支护抗力，提高巷道的稳定性。

如图5和图6所示，下压板为中心开孔的长方体钢板，长为150-200mm，宽为40-60mm，厚度为10-12mm，中心孔为内丝扣，与锚杆头的外丝扣相互匹配，通过该孔可以将下压板旋紧到锚杆端头。中心孔直径与锚杆直径相同。下压板既可以承担锚杆托盘的功能，也可以代替传统的锚杆螺母功能，改善传统锚杆螺母承载力不足的问题；下压板通过套管及套管上布置的四个钢爪，将其预紧力通过套管传递至钢网，可以最大限度使钢网紧贴于岩体表面；套管高度的指示作用，也可以方便喷浆人员控制喷浆的厚度，又便于质量检查人员检查喷浆厚度；由于套管的隔离作用，即使在先挂网后喷浆的施工工序下，也可以将锚杆托盘置于喷射混凝土层的外表面，大大提高了喷锚网的支护效果；此外，由于下压板是长条状结构，喷浆过程中喷射混凝土很容易进入锚杆托盘下部，二次喷浆时，二次喷浆的混凝土也可以和一次喷浆的混凝土能够最大限度的粘合在一起，由于是长条状托盘结构，不会出现局部区域上下层混凝土隔离面积较大导致的支护弱区。

如图7与如图8所示，上压板由一个中心开孔的长方体钢板和两个内含加筋条的三角形钢板组成，三角形钢板焊接于长方体钢板中心孔两侧，长方体钢板长为150-200mm，宽为40-60mm，厚度为10-12mm，主要承担锚杆托盘的作用；中心孔为内丝扣，中心孔直径与锚杆直径相同。

上压板主要承担锚杆托盘的作用，同时因为是长条结构，喷射混凝土时，其下部就更容易将混凝土喷射密实，相比方形托盘，长条结构托盘对混凝土的局部隔离作用不会显得过于集中，也就不易出现由于传统方形托盘对混凝土的间隔作用，导致一次、二次支护的混凝土之间粘结力低，容易出现方形托盘上的混凝土容易掉落，最终引起多米诺骨牌式的混凝土开裂和支护体失稳的问题；上压板的中心孔布置于上压板平面的最中心，该孔加工为内丝扣，与锚杆的外丝扣相互匹配，通过该孔可以将上压板旋紧到锚杆端头；加筋条为两个三角形的钢板，三角形钢板平面与上压板钢板平面相互垂直，每个三角形的一个直角边分别焊接于上压板钢板上部平面长轴方向中心线上，两个三角形的另两个直角边相对而立，中间所留的空隙大于锚杆的直径，该空隙中心轴线与上压板钢板中心孔轴线一致。上压板既可以发挥锚杆托盘的作用，约束其下的湿喷混凝土钢网，也起到压紧下压板的作用,还充当了锚杆螺母的功能。下压板和上压板还起到了类似双螺母的锚杆与托盘联接结构，大大提高了传统锚杆的螺母承载力不足的问题；上压板通过焊接三角形钢板，弥补了长条状结构抗弯曲能力不足的问题，三角形结构的加筋与条形锚杆托盘在均布载荷条件下的弯矩图像一致，可以大幅度提高了锚杆托盘的承载能力；两个三角形之间形成的空隙，作为锚杆端头的预留空间，以适应不同条件下锚杆端头出露深浅不一条件下的现场实际需求。

下面结合具体实施例予以说明。

实施例1

由于新型锚杆托盘需要根据不同的喷锚网支护参数进行不同的设计，为阐述的方便和准确，下文所述的新型锚杆托盘适用于锚杆直径φ20mm，钢网网孔尺寸150mm×150mm，单次喷射混凝土厚度为60mm的支护参数。新型锚杆托盘的加工要求如下：

(1)新型锚杆托盘由套管、上压板、下压板三部分组成；

(2)套管由一个钢管及下端焊接的四个钢爪组成，钢管内直径φ＝24mm，壁厚2mm，高60mm(与喷射混凝土厚度一致)，采用q235等类似的钢材加工而成；单个钢爪为长66mm，直径φ3mm的钢筋加工而成的一截钢棒，也可以采用如q235钢筋制作。将四个钢爪的一端均焊接于钢管的一端，钢爪所在平面与钢管轴线相互垂直，相邻钢爪之间呈90度均匀分布，如图3、图4所示；

(3)下压板为中心开孔的长方体钢板，可以采用q235钢板制成，其长×宽×厚＝200mm×50mm×12mm，中心孔的内丝扣为φ20mm，与锚杆外丝扣互相匹配，如图5、图6所示；

(4)上压板由中心开孔的长方体钢板，以及在中心孔两侧焊接的两块直角三角形钢板组成，可以采用q235钢板制成。长方体钢板的长×宽×高＝200mm×50mm×12mm，中心孔直径φ＝20mm，为内丝扣；直角三角形钢板采用q235材质，两个直角边边长分别为88mm和40mm。将每个三角形的长直角边分别焊接于上压板钢板上部平面长轴方向中心线的两端(三角形钢板的平面与上压板钢板平面相互垂直)，两个三角形的短直角边相对而立，如图7、图8所示，两直角边中间所留的空隙为24mm，稍大于锚杆的直径，该空隙中心轴线与上压板钢板中心孔轴线一致。上压板钢板中心孔布置于上压板平面中心，该孔加工了内丝扣，与锚杆的外丝扣相互匹配。锚杆上安装上压板，既可以压紧下压板，限制下压板的活动，起到加强锚杆托盘与锚杆之间的预紧力,下压板和上压板还充当了双螺母结构形式，大大提高了传统锚杆螺母承载力不足的问题；上压板也可以发挥锚杆托盘的作用，与下压板共同约束其下的湿喷混凝土钢网；上压板通过焊接三角形钢板，弥补了长条状结构抗弯曲能力不足的问题，大幅度提高了锚杆托盘的承载能力。

采用单层喷锚网支护时，新型锚杆托盘用来实施喷锚网支护的施工工序如下(为叙述方便，下文采用人工安装树脂锚杆支护为代表)：

(1)当掘进工作面出渣完毕，首先在巷道顶板、两帮按照设计的间距、排距打锚杆眼；

(2)将树脂锚固剂送入孔内，而后将树脂锚杆插入并搅拌，确保树脂锚杆牢固锚固于设计的巷道位置，并在孔口预留120mm的长度；采用同样的方法，将拟支护区域其余的树脂锚杆均安装到位；

(3)将钢网挂于前述已安装树脂锚杆的巷道表面，各钢网之间的间距、排距和搭接等严格按照相关设计要求施工，并将新型托盘的套管插入前述树脂锚杆杆体露出孔外的一端，套管上的钢爪一端朝向岩面，用以压紧钢网，而后将下压板安装到外露的锚杆一端并旋紧，使其下的套筒及其钢爪将钢网紧紧压在岩面上；再将上压板拧在该锚杆上，三角形的加筋板还可以作为卡扳手的附着点，最大限度将上压板拧紧，并使上、下压板长轴轴线呈相互垂直，见图9与图10；

(4)进行喷射混凝土作业，并达到预期的设计厚度。

当采用双层喷锚网支护时，新型锚杆托盘安装锚网实施喷锚网支护的施工顺序与上述基本相同，只是再次重复了上述施工工序。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，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。