一种用于提高树脂锚杆安装预紧力的连接装置及施工方法与流程

本发明涉及矿山支护，尤其涉及一种用于提高树脂锚杆安装预紧力的连接装置及施工方法。

背景技术：

1、地下采矿是在地下岩体中开挖一系列井巷工程通达矿体将矿石采出并运输到地表的过程。井巷工程开挖以后，原岩应力平衡状态遭到破坏，围岩中应力场重新分布出现应力集中和卸荷。二次应力场是岩体变形破坏和岩石灾变发生的重要力源，如何保持井巷畅通和围岩的稳定性是安全高效作业的关键。当开挖的井巷达到一定的暴露空间时，必须及时支护围岩，以防冒顶边帮等灾害事故发生。随着岩土力学理论和工程经验的不断丰富，支护方式由最初的木支护、砌碹支护、型钢支护发展到锚杆支护以及复合支护，且支护技术体系日益完善成熟。锚杆支护技术因其成本低、工艺简单、操作方便和加固效果好及支护效率高等优点在岩石工程特别是矿山领域应用非常广泛。

2、树脂锚杆支护是树脂锚固剂配以各种材质(螺纹钢、圆钢、玻璃钢等)杆体的锚杆与围岩通过粘结锚固作用(全长、加长或端头锚固)进行岩土体加固的技术，由树脂锚固剂、锚杆杆体、托盘、垫圈和螺母组成，树脂锚杆因固化时间短而能够迅速有效地控制围岩变形。目前，矿山井巷工程中普遍采用端头或加长锚固方式进行围岩支护，其作业流程为：首先采用锚杆机具朝巷道围岩中施工一定深度和孔径的锚杆钻孔，之后手动塞入1～3卷与孔径匹配的树脂锚固剂，然后借助锚杆机具安装一定长度和直径的锚杆杆体并将锚固剂顶推入钻孔孔底后再进行旋转搅拌，经过一定时间待锚固剂凝固后再安装托盘、垫圈和螺母，最后借助扭矩扳手拧紧螺母施加预紧力。工程中，为了简化工艺，井下工人通常借助风动凿岩机或者锚杆钻机辅以锚杆安装连接器将组装有托盘、垫圈和螺母的锚杆一边顶推锚固剂送入孔内进行安装一边进行旋转搅拌直至托盘接触围岩面为止。显然，这种安装方式下锚杆的预紧力矩很难达到100n·m以上，原因是：一、锚杆端部螺纹长度如果不够，旋转作用下螺母很快旋转到螺纹根部，导致锚固剂凝固后无法再旋转紧固；二、锚杆安装没有按照“先推再旋”的顺序，且将锚杆顶推至围岩面时没等待锚固剂完全凝固时就撤掉机具，在材料自重及托盘、金属网挤压反弹作用下锚杆会脱锚向外运动而降低甚至丧失预紧力；三、风动凿岩机和普通锚杆钻机等施工机具额定扭矩不足；四、没安装垫圈，或者螺母螺纹摩擦系数大、锚杆杆径小、螺母和垫圈之间摩擦系数大，导致预紧力和预紧力矩的转换系数较小。近年来，煤矿领域应用了基于减速器原理降低转速来提高扭矩的锚杆扭矩倍增器和实现搅拌、安装一体化的扭矩螺母来提高锚杆扭矩力，但这两种工艺操作比较复杂，尤其是扭矩螺母的打开力矩阈值难以确定。此外，金属非金属矿山目前尚缺乏相应的锚杆支护技术规范，支护工艺和设备均较落后，井下锚杆预紧力基本为零，难以发挥锚杆主动支护作用，以致凿岩爆破、地下水浸泡、风化等扰动下被动支护难以有效控制围岩变形，局部冒顶和片帮等事故频发。此外，现有树脂锚杆安装采用内嵌六角形凹槽的锚杆安装连接器进行钻机机具和螺母的连接来实现螺母的旋转，每一种螺母型号需要匹配专门的安装连接器，且因磨损极易出现旋转打滑失效或者“卡死”难以拆卸现象。因此，基于现有矿山普遍采用的气动锚杆钻机和树脂锚杆支护技术，亟待发明一种能够实现操作方便和应用范围广泛且能提高树脂锚杆安装预紧力的连接装置及施工方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于提高树脂锚杆安装预紧力的连接装置及施工方法，旨在解决现有基于锚杆安装连接器安装树脂锚杆时存在的锚杆预紧力严重不足和锚杆安装连接器适应范围差、易磨损失效的问题。

2、本发明的方案是：

3、本发明公开了一种用于提高树脂锚杆安装预紧力的连接装置，包括外圆筒与内圆筒，所述外圆筒与内圆筒在同一圆心轴线上，所述内圆筒的外底部通过底柱与外圆筒内底部焊接固定，所述内圆筒的顶部与所述外圆筒的顶部通过锻造连接为一体，从而使所述内圆筒与所述外圆筒形成封闭的夹层腔体；所述外圆筒底部外表面的中心设有连接杆，所述连接杆与锚杆钻机相接；所述内圆筒的顶部设有用来固定树脂锚杆螺母的多级卡槽，所述多级卡槽与所述内圆筒的内圆筒腔体之间设有限位圆盘，所述内圆筒腔体与所述夹层腔体内注入液压油，所述内圆筒腔内的液压油上方与所述限位圆盘之间设有活塞；所述内圆筒外壁底部分别设有溢流阀与回液阀。内圆筒的腔体中布置活塞作为锚杆尾端的承载单元，内圆筒中还螺接有防止活塞滑出腔体的限位圆盘。夹层腔体和内圆筒腔体中装有液压油，通过在两圆筒壁上设置的三个阀门的组合作用实现液压油的内循环和活塞的恒阻运动。锚杆安装过程中当锚杆钻机顶推应力未达到溢流阀油压的设定阈值时，抵住锚杆尾端的活塞不发生运动致使螺母缺少旋进行程，显然旋转螺母能够带动锚杆杆体转动继而实现树脂锚固剂的搅拌；当搅拌工序完成后增大锚杆钻机顶推应力至溢流阀油压设定阈值以上时，内圆筒腔体中液压油通过溢流阀释放至夹层腔体中伴随活塞受压产生阻尼运动，为螺母的旋进提供了行程空间，此时锚杆钻机旋转可实现螺母的紧固。锚杆安装完成后，打开回液阀，夹层腔体内液压油回流至内圆筒腔体中直至油压实现平衡，活塞也逐步恢复原位。

4、作为优选的技术方案，所述外圆筒的内径60～90mm,深度20～30cm，所述外圆筒为钢材外圆筒，所述外圆筒的壁厚5～10mm；所述外圆筒的底部外壁上安装有一个具有朝夹层腔体注入液压油与释放液压油功能的注卸液阀。

5、作为优选的技术方案，所述内圆筒腔体的内径24～26mm,所述内圆筒为钢材内圆筒，所述内圆筒的壁厚22～37mm；所述多级卡槽的各级卡槽匹配固定不同型号六角形螺母，所述溢流阀、回流阀的旋转按钮分别被引出安装在外圆筒外壁。溢流阀可以手动设定不同油压阈值。锚杆顶推应力不超过该阈值时活塞不发生运动，否则产生阻尼运动并伴随内圆筒内液压油通过溢流阀溢流到夹层腔体中。回液阀用以控制夹层腔体和内圆筒腔体的连通性，锚杆安装时关闭回液阀，安装完成时打开回液阀使两腔体连通保持油压均衡实现活塞复位。

6、作为优选的技术方案，所述底柱为钢材质底柱，所述底柱直径＜内圆筒内径，所述底柱的高度3～5cm。

7、作为优选的技术方案，所述活塞与内圆筒腔体直径相等，活塞高度10～20mm，所述活塞圆周环向布置o型密封圈。所述活塞圆周环向布置1～2圈o型密封圈，使与内圆筒内壁紧密接触的活塞在运动时不产生漏油。

8、作为优选的技术方案，所述限位圆盘位于内圆筒的多级卡槽底部，通过镶嵌螺钉与内圆筒壁进行固定连接，防止活塞运动时脱离腔体；限位圆盘厚度3～5mm，所述限位圆盘中央开有一直径23～25mm的圆形孔，供锚杆杆体尾部穿过。

9、作为优选的技术方案，所述多级卡槽的卡槽级数为2～4级，每级卡槽均为六角形凹槽形，各级卡槽深度5～10mm。

10、作为优选的技术方案，所述连接杆为六角形钻杆，所述连接杆的长度30～50cm，所述连接杆的直径20～25mm，所述连接杆的一端焊接在外圆筒底部中心，所述连接杆的另一端与锚杆钻机卡口相连。

11、本发明还公开了一种提高树脂锚杆安装预紧力的连接装置用于树脂锚杆的施工方法，其特征在于，包括下列步骤：

12、(s1)根据设计的布眼位置钻凿与锚杆杆体适配的锚杆钻孔，钻完后采用风动工具及时进行清孔；

13、(s2)打开回液阀，通过检查内圆筒腔体中的活塞是否在初始位置决定是否需要向连接装置中注入液压油，确保活塞与限位圆盘接触，再关闭回液阀；

14、(s3)根据树脂锚杆支护设计的预紧力大小确定溢流阀的油压阈值，油压阈值按照下式计算：

15、

16、式中，p0为溢流阀油压阈值，f0为锚杆设计预紧力，s表示锚杆杆体横截面面积；

17、(s4)准备锚杆钻机并安装连接装置，然后手动将1～3卷树脂锚固剂塞入钻孔中，随后将杆体、托盘、垫圈与螺母组装为一体并插入钻孔中，杆体头部顶住锚固剂，尾部上的螺母与连接装置通过多级卡槽连接；

18、(s5)打开锚杆钻机，先以小于f0的推力升起钻机将锚杆缓慢顶推入钻孔孔底并进行锚固剂的旋转搅拌，受活塞运动限制螺母无法旋进继而带动杆体旋转，搅拌5～10s后停止旋转并静置30～60s等待锚固剂凝固；

19、(s6)搅拌工序完成后，增大锚杆钻机的推力至f0以上继续旋转螺母，内圆筒腔体内的液压油通过溢流阀释放到夹层腔体中使活塞产生阻尼运动，为螺母旋进提供了行程，通过加大锚杆钻机推力与旋转转速不断紧固螺母直到无法进一步旋紧为止；

20、(s7)拆除机具，打开连接装置的回液阀，夹层腔体内液压油自动回流至内圆筒腔体中实现油压平衡，活塞自动复位到初始位置，安装完成。

21、由于采用了上述技术方案一种用于提高树脂锚杆安装预紧力的连接装置及施工方法，包括外圆筒与内圆筒，所述外圆筒与内圆筒在同一圆心轴线上，所述内圆筒的外底部通过底柱与外圆筒内底部焊接固定，所述内圆筒的顶部与所述外圆筒的顶部通过锻造连接为一体，从而使所述内圆筒与所述外圆筒形成封闭的夹层腔体；所述外圆筒底部外表面的中心设有连接杆，所述连接杆与锚杆钻机相接；所述内圆筒的顶部设有用来固定树脂锚杆螺母的多级卡槽，所述多级卡槽与所述内圆筒的内圆筒腔体之间设有限位圆盘，所述内圆筒腔体与所述夹层腔体内注入液压油，所述内圆筒腔内的液压油上方与所述限位圆盘之间设有活塞；所述内圆筒外壁底部分别设有溢流阀与回液阀。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果：

23、1.连接装置上设置了多级卡槽，能够匹配不同型号的六角形螺母，提高了该连接装置对不同规格树脂锚杆的适用性；

24、2.该连接装置安装的溢流阀能够灵活调整油压阈值，能够满足不同锚杆顶推应力的需要。通过控制活塞的运动实现了树脂锚杆的锚固剂搅拌和螺母旋紧两道工序的依次独立进行，达到了树脂锚杆搅拌和安装一体化作业的目的；

25、3.该装置内外圆筒的结构设计和回液阀、溢流阀的布置实现了液压油的内循环，一次注液可以长期使用，避免了液压油的浪费和反复加油和卸油的繁琐工序。