一种局部内置围岩自锁固托盘及使用方法

本发明涉及矿业工程围岩支护，具体是涉及一种局部内置围岩自锁固托盘及使用方法。

背景技术：

1、锚索支护技术广泛应用于巷道围岩控制、边坡加固等，是实现围岩等工程稳定的关键手段，锚索强度高、刚度大、锚固范围广、运输方便、使用快捷，锚固效果好。

2、传统锚固安装方法中的锚具与托盘是相互独立的，锚索通过锚具使工作阻力传递给托盘，托盘再使该力传递给围岩从而起到锚固作用，可见锚索锚固性能的实现受到锚具的限制，必须有效联合使用才能实现锚固效果，传统的安装方法容易出现如下问题：（1）锚索工作阻力传递过程容易出现锚具与托盘受力不协调，导致锚具损坏或者托盘损坏，当围岩不协调变形时锚具与托盘连接处锚索受到强大的剪切力，容易使得锚索异常剪切破断；（2）对于较大的锚索托盘，较小的锚具造成托盘受力极其不均衡，或者说锚具不能很好的传递锚索的工作阻力给托盘，此时一般的方法是增加比大托盘要小1倍左右的1~3片小托盘垫片，这样会影响安装效率且叠加的托盘之间是独立的，抗剪切能力弱，锚索通过托盘的区域受到异常剪切力，降低锚索的极限性能，叠加的托盘越多，外凸围岩部分越明显，显著降低巷道空间的使用断面，影响设备移动；（3）锚索倾斜布置时，尽管目前有万向锚具，但是在长时间的受力不协调作用下依旧会导致锚具和托盘异常受力失效；（4）锚具在外界长期腐蚀环境下及外置锚具在机械外力作用下锚具容易损坏，锚具的损坏诱发支护系统失效，从而引发严重安全事故；（5）围岩表面不平整会加剧托盘与锚具应力集中且受力极不平衡而失效，支护效果远达不到设计要求。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，一种局部内置围岩自锁固托盘，包括局部扩孔钻头、局部内置围岩自锁固托盘、套管和磨平齿；

2、所述局部扩孔钻头为多级变径钻头，分别为第一阶无齿圆盘、第二阶有齿圆台和第三阶有齿圆台，所述第一阶无齿圆盘上布置有磨平齿用孔，所述局部扩孔钻头内部设置有钻杆通道孔，所述钻杆通道孔为正多边形，且与钻杆的截面形状一致；

3、所述局部内置围岩自锁固托盘为多级变径托盘，分别是托盘第一阶外置部分、托盘第二阶内置圆台和托盘第三阶内置圆台；

4、所述局部内置围岩自锁固托盘的锚索通道孔中心轴线与局部内置围岩自锁固托盘的下底面夹角为45°~90°；

5、所述局部内置围岩自锁固托盘的第二阶内置圆台和第三阶内置圆台与所述局部扩孔钻头形成的扩孔区无缝紧实对接。

6、作为本发明的进一步方案，所述局部扩孔钻头的第一阶无齿圆盘厚度为1cm~3cm，；所述围岩表面完整时，所述第一阶无齿圆盘的半径 r1取值为3cm~10cm，所述围岩表面不完整导致局部内置围岩自锁固托盘与围岩接触异常影响锚固效果时，所述第一阶无齿圆盘的半径 r1取值等于所述局部内置围岩自锁固托盘第一阶外置部分的宽度的一半 r1。

7、作为本发明的进一步方案，所述局部扩孔钻头的第二阶有齿圆台的高度 h2为1cm~5cm，所述第二阶有齿圆台侧面与上底面夹角 β2为45°~90°，所述第二阶有齿圆台下底面半径 r22为3cm~10cm，第二阶有齿圆台上底面半径 r2为3cm~10cm，且 r2< r22。

8、作为本发明的进一步方案，所述局部扩孔钻头的第三阶有齿圆台的高度 h3为1cm~5cm，所述第三阶有齿圆台侧面与上底面夹角 β3为45°~90°，所述第三阶有齿圆台下底面半径 r33为3cm~9cm，所述第三阶有齿圆台上底面半径 r3为1cm~7cm，且 r3< r33。

9、作为本发明的进一步方案，所述局部内置围岩自锁固托盘的托盘第一阶外置部分的厚度 h1为1cm~4cm，所述托盘第一阶外置部分的形状为正方形或者圆形，所述托盘第一阶外置部分的宽度的一半 r1为10cm~30cm。

10、作为本发明的进一步方案，所述的局部内置围岩自锁固托盘的托盘第二阶内置圆台的高度 h2为1cm~5cm，所述托盘第二阶圆台侧面与上底面夹角 α2为45°~90°，所述托盘第二阶圆台下底面半径 r22为3cm~10cm，所述第二阶圆台上底面半径 r2为3cm~10cm，且 r2< r22。

11、作为本发明的进一步方案，所述局部内置围岩自锁固托盘的托盘第三阶圆台的高度 h3为1cm~5cm，所述第三阶圆台侧面与上底面夹角 α3为45°~90°，所述第三阶圆台下底面半径 r33为3cm~9cm，所述第三阶圆台上底面半径 r3为1cm~7cm，且 r3< r33；所述的 h2= h2， h3= h3， r3= r3<  r33=  r33≤  r2=  r2<  r22=  r22< r1， α3= β3， α2= β2。

12、一种局部内置围岩自锁固托盘使用方法，具体步骤包括：

13、步骤一、选用局部内置围岩自锁固托盘型号：

14、所述锚索钻孔与围岩的层面夹角为 φ，托盘锚索通道孔中心轴线与下底面的夹角为 α0，| α0- φ|的最小值为0°，最大值为2°；

15、所述托盘第一阶圆盘上设置有锚索倾倒用卧槽，单位长度的所述锚索倾倒用卧槽的体积空间与单位长度条件下的锚索的体积基本相等为宜；

16、步骤二、确定套管的长度，所述套管的长度等于最后一节钻杆的长度减去最后一节钻杆设计需要钻进的深度且减去第一阶无齿圆盘的厚度；

17、步骤三、在锚索钻孔钻进到最后一节钻杆时，连接最后一节钻杆的同时，依次在最后一节钻杆上套上所述的局部扩孔钻头和套管；

18、步骤四、钻进到指定深度后，即第一阶无齿圆盘紧贴围岩表面时，继续转动直到磨平齿磨平不平整的围岩表面停钻；

19、步骤五、最后安装选定的所述局部内置围岩自锁固托盘、锚索及夹片，并将其张拉到设计预紧力。

20、本发明的有益效果是：（1）从根本上变革了传统锚具必须和托盘相结合才能实现锚固的目的，实现了不需要单独的锚具，托盘局部内置于围岩，托盘自身即可实现高强度自锁固，所以不受锚具的限制；（2）通过局部扩孔钻头实现了锚索钻孔-微扩孔一体化的功能，具备效率高的特点；（3）通过局部扩孔钻头实现了围岩表面磨平的功能，从而使托盘与围岩表面贴合的更紧实，锚固性能显著提升；（4）通过托盘局部内置多级变径的方式实现了托盘锚固性能显著提升且与围岩融为一体的功能；（5）当锚索倾斜布置时，托盘的锚索孔通道与锚索布置的倾角一致，避免了锚索倾斜布置时托盘与锚索之间有很大的剪切力；（6）在液压支架移动区，托盘有锚索倾倒用卧槽，支架移动与托盘锚固、外露锚索之间无任何影响，实现了高稳定性锚固，适应性强，锚索钻孔与扩孔一体化成形的功能，具备方便快捷的特点，具有十分广泛且重要的推广应用价值。