专利名称：胀套式锚杆的制作方法
技术领域：
本实用新型属于矿山及隧道工程支护用的机械膨胀摩擦式锚杆。
目前国内外在矿山及隧道工程支护中普遍采用树脂或水泥锚固剂锚杆，这类锚杆的锚固力是靠药卷的粘结力将杆体固结在钻孔内，固结力的大小与药卷的搅拌时间(或泡水时间)密切相关，施工质量难以准确掌握，有效率仅为60～75％，从而存在不安全隐患。
现有技术公开的各种机械膨胀摩擦式锚杆尚存在下面不足之处1)在松软的岩体或煤体中锚固力小，一般为3～4吨，达不到支护要求。因这类锚杆结构是在锚杆杆体端头另装一块锥体块，如三棱台或锥锚或锥柄，锥体块由于加工工艺限制，无法制得过长，故锚固后锥体块与膨胀体、膨胀体与钻孔壁接触长度短，往往是点接触，不能满足一般煤矿巷道围岩硬度系数f为1～7的锚固力要求。
2)延伸率小，对巷道围岩的适应性差。如果巷道围岩位移量大，则锚杆的轴向力就会增加很快，使锚杆过早地从其薄弱环节破坏。如最常见的破坏形式是杆体外端螺纹处被拉断或托板被破坏。
3)结构及制作工艺复杂，成本高。如锚杆端头装的锥体块与锚杆的杆体不是整体，用螺纹联接；锥体块加工工艺复杂，不能作得太长；上锥台面常出现凸边，在使用中易发生楔片或胀管或胀筒无法胀开，从而锚固力达不到施工质量要求。
4)安装工艺复杂，安装施工锚固力不易保证。因锚杆杆体与锥体块用螺纹联接，安装使用增加一个薄弱环节，安装时必须在孔外端旋转杆体，旋转杆体后，多片楔片易搞乱，尤其当孔径较大时，分离的多片楔片最易转到一侧，无法实现锚固等敝病。
从以上可见，现有技术机械膨胀摩擦式锚杆，由于结构上存在问题，制作工艺复杂，锚固的胀固体与孔壁的接触面小，锚固力和延伸率小，安装不便，施工质量难以保证，不能满足煤矿回采巷道的锚固要求。
本实用新型发明的目的，为了克服现有锚杆的不足之处，提出一种新型的胀套式锚杆，从结构上实现锚固力大、延伸量长、制作简单、安装方便、施工质量易保证的机构摩擦自锁的胀套式锚杆，适用煤矿回采巷道的锚固要求。
本实用新型胀套式锚杆的技术方案如下
图1为本实用新型胀套式锚杆结构示意图；图2为本实用新型胀套式锚杆c－c剖面图；图3为本实用新型胀套式锚杆受力关系示意图；图4、图5为本实用新型胀套式锚杆预应力垫片主、俯视图；图6为本实用新型胀套式锚杆实施例锚杆力学特性曲线图。
以下结合附图和实施例详细描述胀套式锚杆组成、结构特征及工作原理。
本实用新型胀套式锚杆如
图1、2所示，由杆体(1)、胀套(2)、导向片(3)、捆丝(4)、卡圈(5)、弹簧(6)、挡圈(7)、托板(8)、预应力垫片(9)、螺母(10)等组成，其结构特征是1.杆体(1)为整根杆体，杆体上端部为对称斜面的扁形锥体，锥面的倾斜角为α，杆体上端部设有导向片(3)，导向片(3)使胀套(2)与杆体(1)不发生相对转动。
杆体(1)的下端尾部带螺纹，用螺母(10)将托板(8)定位，在托板(8)与螺母(10)之间垫预应力垫片(9)，挡圈(7)焊接固定在杆体(1)上。
2.胀套(2)如
图1、2所示，由二块半园柱套组成，套在杆体上端部扁形锥体上。胀套(2)上部用捆丝(4)捆住，下部用卡圈(5)卡紧。胀套(2)内壁为园锥面，锥面β角与杆体上端部的扁形锥面的倾斜角α相匹配。胀套(2)外壁为带锯齿状的园柱体。
3.杆体上端锥面的倾斜角α大小应满足胀套(2)外壁对孔壁(11)的锚固力自锁要求，即应满足如下公式μ2≥ (tg(α)+μ1)/(1-μ1.tg(α))其中μ1－－为胀套(2)内壁与杆体(1)的摩擦系数；μ2－－为胀套(2)外壁与钻孔壁(11)的摩擦系数；α－－为杆体(1)锥面的倾斜角。
图3是本胀套式锚杆受力关系示意图，图中F－－为杆体(1)向下的拉拔力；F1－－为杆体(1)的上端部锥面对胀套(2)内壁的正压力；f1－－为杆体(1)的上端部锥面与胀套(2)内壁的摩擦力；F1′－－为F1对杆体(1)上端部锥面的反作用力；f1′－－为f1对杆体(1)上端部锥面的反作用力；f2－－为胀套(2)外壁与钻孔壁(11)之间的摩擦力；F2－－为钻孔壁(11)对胀套(2)外壁的反作用力。
见图3所示，锚杆安装时，杆体(1)塞到钻孔内一定长度后，杆体(1)向孔外拉拔时，杆体(1)上端部锥面对胀套(2)的作用力F1和摩擦力f1可分解为使胀套(2)向开膨胀的径向力和使胀套(2)产生向外移动趋势的轴向力，向开膨胀的径向力使胀套(2)与钻孔壁(11)压紧，产生足够的摩擦力f2。设计调整杆体(1)上端部锥面倾斜角α和胀套(2)内壁的锥面角β，可使锚杆在不同类型围岩的钻孔中都能自锁，即不论杆体的轴向力F的大小，胀套(2)都能使杆体卡死在钻孔中。
4.在胀套(2)下端部的杆体(1)上套有弹簧(6)，弹簧(6)置在杆体(1)的挡圈(7)上，挡圈(7)焊接固定在杆体(1)上。
弹簧(6)的作用是当锚杆塞进钻孔内的过程中，弹簧(6)的反弹力将胀套(2)向上推，由于杆体(1)上端部锥面与胀套(2)内壁园锥面的作用，使胀套(2)胀开，以保证在将锚杆向孔内送进的过程中，胀套(2)的外壁时刻与钻孔壁(11)接触，胀套(2)的内壁时刻与杆体(1)的上端部锥面面接触，使安装方便。
当杆体(1)塞进到一定长度锚固后，杆体(1)受力向外拉拔时，杆体(1)上端部锥面将与胀套(2)发生一定的相对位移，从而克服了由于巷道围岩位移量大，锚杆轴向力增加快而导致锚杆过早破坏的缺点。如图6所示，本锚杆外端的位移量大于200mm，在锚固力较大的情况下，仍能实现较大的延伸量，所以本锚杆属大延伸锚杆，克服了刚性大的普通锚杆锚固后过早失效、不适合有动压影响大和围岩位移量大的回采巷道内使用的致命缺点。当钻孔直径与胀套(2)外径相差不大于2mm时，可以不加弹簧(6)。
5.预应力垫片(9)置于托板(8)与螺母(10)之间，预应力垫片(9)的受力面(12)沿园周均匀伸出数个支脚(13)，支脚(13)的脚面呈曲率半径为R的园柱面。在垫片(9)的材料及厚度δ相同条件下，拧紧螺母使杆体(1)中产生的预应力的大小与支脚(13)的曲率半径成反比，与支脚(13)的个数成比例，支脚(13)一般2～6个为宜。
预应力垫片(9)受力面(12)的受力大小与本锚杆的拉拔力大小相等，拉拔力使垫片(9)的支脚(13)产生变形。锚杆安装后，根据预应力垫片(9)的压缩变形状态，便能直观地知道锚杆轴向力的大小，故垫片(9)又称测力垫片。本实施例的垫片(9)的完全压缩时，轴向力为4吨，观察预应力垫片(9)的测力特性——支脚(13)的变形状态，就能方便地监督施工安装质量。
本实用新型胀套式锚杆实施例如
图1、2所示，现将主要结构件加工及联接说明如下1)杆体(1)采用钢筋制成，一般直径为φ14～20mm，将杆体(1)钢筋的上端模锻成扁形锥体，加工简单，并且强度高。杆体(1)下端尾部加工成螺纹；导向片(3)焊接在杆体(1)的上端部；挡圈(7)固定焊在杆体(1)上。
2)胀套(2)是二块半园柱金属套，其长度为140mm左右，胀套外壁的锯齿锥度、齿数为任意，胀套壁厚与孔径大小成正比，胀套(2)用捆丝(4)和卡圈(5)捆绑于杆体(1)上端部的扁形锥体上。
3)杆体(1)上端部锥面的倾斜角α与胀套(2)内壁的β角相等，调整倾斜角直接影响膨胀力，一般倾斜角α＝β＝2～8°。
本胀套式锚杆的主要优点1.结构科学，充分利用胀套(2)的摩擦自锁原理，使胀套(2)内壁全长与杆体(1)上端部锥面面接触，使胀套(2)外壁全部与孔壁(11)接触，接触面大，从而实现锚固力大。本实施例胀套式锚杆，在硬度指数f＝1.5的煤体中试验，锚固力达16吨以上，达到现有其它型式锚杆最大锚固力的二倍，详见图6所示。
2.结构简单，加工制造方便，成本低。如锚杆(1)上端部的扁形锥体与杆体下半部分是整根杆体，不需要专门精细加工锥体块，也不需要装配，结构强度高等。
3.延伸量长，本锚杆外端的总位移量大于200mm，在锚固力较大的情况下实现较大的延伸量，如图6所示。
4.安装十分方便，安装时将捆丝(4)去掉，将锚杆塞入钻孔中，装上托板(8)、预应力垫片(9)、螺母(10)即可，无特殊技术要求，无需专用设备，锚杆塞入钻孔后，锚杆只能向孔内进入，而不能向外退出。杆体(1)向外拉拔时，胀套(2)与杆体(1)上端部锥面以及孔壁(11)处于自锁状态，拧紧螺母(10)，观察预应力垫片(9)的变形状态，便可掌握锚杆的锚固力是否达到施工要求，故本锚杆又称为胀套傻瓜式锚杆。避免了因施工人员技术素质低而造成无作用力锚杆，施工质量很容易保证。
5.适用于各种不同类型巷道围岩，锚固力不受岩石硬度的影响，锚杆塞入孔中自锁后，其破坏载荷取决于杆体的强度，经试验在硬度指数f为1.5的软煤体中，拉拔力达16吨，其锚固点仍没失效。
权利要求1.胀套式锚杆，主要包括杆体、胀套、导向片、捆丝、卡圈、弹簧、挡圈、托板、预应力垫片、螺母组成，其特征在于1)杆体为整根杆体，上端部为扁形锥体，其上设有导向片；2)胀套由二块半园柱套组成，套在杆体上端部，外壁为带锯齿状的园柱体，内壁为园锥面；3)弹簧套在胀套下端部的杆体并置在挡圈上；4)预应力垫片置于杆体下端部的托板与螺母之间，垫片受力面沿园周均匀伸出数个支脚，脚面呈曲率半径为R的柱面。
2.根据权利要求1所述的胀套式锚杆，其特征在于杆体上端部锥面的倾斜角α大小，应满足胀套外壁对钻孔壁的锚固力自锁要求，即应满足如下公式 μ2≥ (tg(α)+μ1)/(1-μ1.tg(α))其中μ1－－为胀套内壁对杆体的摩擦系数μ2－－为胀套外壁对钻孔壁的摩擦系数α－－为杆体上端部锥面的倾斜角。
3.根据权利要求1、2所述的胀套式锚杆，其特征在于胀套内壁的倾斜角β应与杆体上端部锥面的倾斜角α相匹配。
4.根据权利要求1所述的胀套式锚杆，其特征在于预应力垫片，在材料及厚度δ相同条件下，拧紧螺母，在杆体中产生的应力大小与支脚脚面的曲率半径R成反比，与支脚的个数成比例，支脚个数一般2～6个为宜。
专利摘要本锚杆主要由杆体、胀套、弹簧、托板、垫片、螺母等组成，其特征杆体上端部为扁形锥体；胀套由二块半圆柱套组成，套在杆体上端部，外壁为带锯齿状的圆柱体，内壁为圆锥面；弹簧套在胀套下端部的杆体置在挡圈上；托板与螺母间装垫片。本锚杆利用胀套的自锁原理，使胀套全长与杆体上端的锥体面接触，外壁全部与孔壁接触。锚固力可达16吨，延伸量长，制作、安装简便。适用于矿山及隧道工程中的各种类型的围岩加固。
文档编号E21D21/00GK2175829SQ93218320
公开日1994年8月31日 申请日期1993年7月14日 优先权日1993年7月14日
发明者尚广来, 张克昌, 郝运兴, 崔东生, 戴丽珍 申请人:戴丽珍