一种具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构

本发明属于大变形巷道围岩锚固支护，尤其涉及一种具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构。

背景技术：

1、锚杆/锚索支护是采矿、水利、隧道及其他岩土工程中，高效且广泛使用的主动支护构件。随着我国经济的飞速发展，工程规模及矿产资源开采深度不断增加，面临的围岩大变形支护难题也愈加凸显。巷道围岩大变形可以分为两个主要阶段，一是掌子面开挖卸载应力调整过程中的围岩变形快速增加阶段，二是应力调整稳定后围岩蠕变变形，变形持续增长阶段。对于高应力大变形巷道的支护主要采用锚杆和锚索的联合支护，锚杆由于其安装方便、杆体延伸率大(20％以上)，一般紧跟掌子面安装，可以有效及时控制浅层围岩的离层和剪切错动变形。然而，受其锚固范围和有效锚固长度的限制，不能到达更为稳定的深部岩体，因而无法有效解决破裂范围较大的巷道大变形问题。与此同时，在软弱破碎围岩支护领域，传统的预应力锚索也存在一定的缺陷，由于锚索属于柔性支护结构，抗拉但不抗剪，无法有效控制浅层围岩的剪切错动变形，当侧向剪切应力超过锚索的抗剪强度极限，易造成锚索被剪断，而此时锚索的抗拉强度并未得到充分利用。此外，由于钢绞线的延伸率较低，因而锚索的极限变形量无法满足大变形围岩的控制要求，在实际工程中一般需滞后掌子面一段距离待应力调整变形快速增长阶段结束后进行安装，造成支护工程量较大。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构，以解决上述问题，能够兼具锚杆和锚索各自的优点，适用于软岩及大变形巷道的支护，保证现场生产环境的安全可靠。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供了一种具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构，包括：锚头、锚杆、锚索、锚固剂和预警装置，所述锚杆设置有内部空腔，所述锚杆包括固定段、主体段和限位段，所述主体段的一端与所述固定段固定连接，另一端与所述限位段固定连接，所述固定段用于与所述锚头能够拆卸地固定连接；所述锚索的第一端伸入所述主体段内靠近所述固定段的一端，所述锚索的第二端从所述限位段伸出所述锚杆，所述限位段能够限制所述锚索的第一端从所述限位段脱离所述锚杆；所述锚固剂用于填充于所述锚杆的内部空腔中以将所述锚索锚固于所述锚杆内，且所述锚索与所述锚固剂之间有锚固粘结力，所述锚索受到的拉力大于所述初始阻力时，所述锚索与所述锚杆内的锚固剂发生剪切滑移以吸收围岩变形能，达到泄压和实现大变形的效果，在所述锚索滑移的过程中所述锚杆能够对所述锚索提供恒定的阻力，所述锚固剂也起到剪切恒阻的作用；所述预警装置用于提供所述锚杆和所述锚索的失效破坏预警。

4、优选的，还包括锥形锁扣和多个环形卡扣，所述锥形锁扣与所述锚索的第一端固定连接，所述限位段为锥形段，所述锥形段用于限制所述锥形锁扣脱离所述锚杆，所述环形卡扣与所述主体段的内壁固定连接，且各所述环形卡扣在所述主体段的长度方向上均匀设置，所述锥形锁扣在所述锚索的牵引下在所述主体段内滑动时能够挤压所述环形卡扣使所述主体段膨胀。

5、优选的，所述锥形锁扣的小头端与所述锚索第一端固定连接，所述锥形锁扣小头端的直径小于等于所述环形卡扣的内径，所述锥形锁扣的大头端的直径大于所述环形卡扣的内径，且小于等于所述主体段的内径。

6、优选的，还包括多个环向肋环，所述主体段的外表面喷涂有聚四氟乙烯涂层，所述环向肋环固定套设在所述主体段的外侧，且各所述环向肋环在所述主体段的长度方向上均匀设置，所述环向肋环的外径小于钻孔的孔径。

7、优选的，一个所述环向肋环与一个所述环形卡扣对应设置，所述环向肋环和所述环形卡扣的横截面均为直角三角形，所述环向肋环的斜边面朝向所述锥形段，所述环形卡扣的斜边面朝向所述固定段。

8、优选的，所述锚头包括螺母和托盘，所述固定段为螺纹段，所述托盘用于与围岩接触，所述托盘的中部设置有锚孔，所述螺纹段用于穿过所述锚孔与所述螺母螺纹固定连接。

9、优选的，所述预警装置包括定压垫片，所述定压垫片的中部设置有通孔，所述通孔用于使所述固定段穿过，且所述定压垫片用于设置于所述螺母与所述托盘之间，所述定压垫片的极限承载力大于所述锚索在所述锚杆中滑移时的恒定阻力。

10、优选的，所述通孔的直径与所述锚孔的直径相同，所述定压垫片的外径小于所述托盘的外径，且所述定压垫片的外径大于所述螺母的外径。

11、优选的，所述预警装置还包括预警线，所述预警线包括依次一体连接的第一预警段、第二预警段和第三预警段，所述第一预警段远离所述第二预警段的一端用于与所述锥形锁扣固定连接。

12、优选的，所述锚杆、所述锚索通过所述锚固剂在工厂预制组装。

13、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

14、本发明提供了一种具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构，通过将部分锚索用锚固剂固定在锚杆内将锚杆和锚索结合使用，能够同时兼具锚杆和锚索各自的优点，既能通过锚杆有效控制浅层围岩的剪切错动变形，充分发挥锚索的抗拉极限而不被剪切断裂；另外，在围岩发生变形时锚杆首先发生弹性变形，能利用锚杆材料自身的弹性伸长适应围岩初期变形，该过程中，锚杆工作阻力处于线弹性增阻阶段。随着围岩的持续变形，作用于锚杆和锚索的拉力逐渐增大，达到初始工作阻力后，锚索在锚杆内与锚固剂发生剪切滑移，锚杆锚索结构进入分级让压恒阻阶段，让压变形不断吸收围岩变形能量，确保大变形围岩的稳定和安全。围岩变形持续增大，超过锚索的滑移范围后，锚索的第一端被限制在限位段，通过锚索的第一端挤压限位段造成限位段的整体膨胀，进入第二次增阻阶段；从而在适应变形的同时通过增阻在让压充分后给围岩施加高强度支护从而限制围岩过度变形，实现让抗相互结合的支护理念；另外，预警装置能够提供失效破坏预警，保证现场生产环境的安全可靠。

技术特征：

1.一种具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构，其特征在于：还包括锥形锁扣(11)和多个环形卡扣(10)，所述锥形锁扣(11)与所述锚索(13)的第一端固定连接，所述限位段(7)为锥形段，所述锥形段用于限制所述锥形锁扣(11)脱离所述锚杆(4)，所述环形卡扣(10)与所述主体段(6)的内壁固定连接，且各所述环形卡扣(10)在所述主体段(6)的长度方向上均匀设置，所述锥形锁扣(11)在所述锚索(13)的牵引下在所述主体段(6)内滑动时能够挤压所述环形卡扣(10)使所述主体段(6)膨胀。

3.根据权利要求2所述的具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构，其特征在于：所述锥形锁扣(11)的小头端与所述锚索(13)第一端固定连接，所述锥形锁扣(11)小头端的直径小于等于所述环形卡扣(10)的内径，所述锥形锁扣(11)的大头端的直径大于所述环形卡扣(10)的内径，且小于等于所述主体段(6)的内径。

4.根据权利要求2所述的具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构，其特征在于：还包括多个环向肋环(12)，所述主体段(6)的外表面喷涂有聚四氟乙烯涂层，所述环向肋环(12)固定套设在所述主体段(6)的外侧，且各所述环向肋环(12)在所述主体段(6)的长度方向上均匀设置，所述环向肋环(12)的外径小于钻孔的孔径。

5.根据权利要求4所述的具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构，其特征在于：一个所述环向肋环(12)与一个所述环形卡扣(10)对应设置，所述环向肋环(12)和所述环形卡扣(10)的横截面均为直角三角形，所述环向肋环(12)的斜边面朝向所述锥形段，所述环形卡扣(10)的斜边面朝向所述固定段(5)。

6.根据权利要求2所述的具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构，其特征在于：所述锚头(17)包括螺母(1)和托盘(3)，所述固定段(5)为螺纹段，所述托盘(3)用于与围岩接触，所述托盘(3)的中部设置有锚孔，所述螺纹段用于穿过所述锚孔与所述螺母(1)螺纹固定连接。

7.根据权利要求6所述的具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构，其特征在于：所述预警装置(9)包括定压垫片(2)，所述定压垫片(2)的中部设置有通孔，所述通孔用于使所述固定段(5)穿过，且所述定压垫片(2)用于设置于所述螺母(1)与所述托盘(3)之间，所述定压垫片(2)的极限承载力大于所述锚索(13)在所述锚杆(4)中滑移时的恒定阻力。

8.根据权利要求7所述的具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构，其特征在于：所述通孔的直径与所述锚孔的直径相同，所述定压垫片(2)的外径小于所述托盘(3)的外径，且所述定压垫片(2)的外径大于所述螺母(1)的外径。

9.根据权利要求8所述的具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构，其特征在于：所述预警装置(9)还包括预警线，所述预警线包括依次一体连接的第一预警段(14)、第二预警段(15)和第三预警段(16)，所述第一预警段(14)远离所述第二预警段(15)的一端用于与所述锥形锁扣(11)固定连接。

10.根据权利要求1所述的具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构，其特征在于：所述锚杆(4)、所述锚索(13)通过所述锚固剂(8)在工厂预制组装。

技术总结
本发明公开了一种具有多次补偿作用的恒阻大变形复合锚杆索支护结构，涉及大变形巷道围岩锚固支护技术领域，包括：锚头、锚杆、锚索、锚固剂和预警装置，锚杆包括固定段、主体段和限位段，固定段用于与锚头连接；锚索的第一端伸入主体段内靠近固定段的一端，限位段能够限制锚索的第一端从限位段脱离锚杆；锚固剂用于将锚索与锚杆连接，锚索与锚固剂之间设置有初始阻力，锚索受到的拉力大于初始阻力时，锚索与锚杆内的锚固剂发生剪切滑移以吸收围岩变形能，锚索在锚杆内滑移的过程中能够使锚杆膨胀；预警装置用于提供锚杆和锚索的失效破坏预警，能够兼具锚杆和锚索各自的优点，适用于软岩及大变形巷道的支护，保证现场生产环境的安全可靠。

技术研发人员：薛飞,林鍾钦,汪宗文,李建志,张博超,李克,王天佐,胡高建
受保护的技术使用者：绍兴文理学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15