一种内置预紧及预紧锚固协同转化的整体式锚杆装置的制作方法

1.本发明涉及采矿工程巷道支护设计技术领域，具体涉及一种内置预紧及预紧锚固协同转化的整体式锚杆装置。


背景技术：

2.在煤矿工程领域中，锚杆是煤矿巷道支护应用最广、用量最多、效果显著、安全高效的主动支护设备。锚杆支护由杆体、托盘、螺母与锚固剂等组成，其工作原理是：在钻孔孔底，通过锚固剂将杆体与深部稳定围岩紧密锚固在一起，产生锚固力；在钻孔外部，通过钻机或者扭矩扳手对杆体尾部施加一定的扭矩使托盘压紧巷道表面，给锚杆提供预紧力，并使预紧力扩散到围岩中。深部锚固力与外部预紧力相互配合，使得锚杆杆体处于拉伸状态，改变围岩应力状态，从而实现锚杆主动、及时的支护作用，常规锚杆支护原理示意图如图1所示。
3.锚固力与预紧力是锚杆支护作用发挥的两个关键因素，且两者存在着重要力学联系。锚杆支护作用的有效发挥依赖于锚固力与预紧力的力学联系：锚固结束后，锚固力本身是一直存在的，若不施加预紧力，则锚固力无法显现出来；若预紧力施加不足，则锚固力无法充分显现、无法达到企业检测标准，即预紧力是锚固力显现的前提。
4.当前锚杆种类较多，但在其设计过程中忽略了预紧力、锚固力的力学关联，对于预紧力和锚固力的协同转化提升缺乏有效指导，具体分析如下：
5.(1)预紧力施加方面，需要通过钻机对杆体尾部的螺母施加一定的扭矩，以使托盘压紧巷道表面产生预紧力，因此，为产生有效的预紧力，现在锚杆杆体的尾部均设计有一定长度的螺纹且外露钻孔100～150mm，锚杆尾部外露大大降低了巷道断面行人、运输方面的使用效率，同时根据锚杆工作特点，锚杆杆体尾部受力最为复杂，而螺纹设计降低了锚杆杆体尾部强度，螺母与螺纹接触面积小，易发生应力集中而破断。
6.(2)在预紧力和锚固力产生位置方面，锚固力产生于钻孔孔底、锚杆端部，预紧力产生于钻孔孔口、锚杆尾部，两者产生位置较远，不利于两者之间相互作用或转化。
7.(3)在预紧力和锚固力产生原理方面，锚固力大小取决于锚固剂与锚杆、围岩的接触面积及锚固剂的性能等因素，预紧力大小与螺母预紧力矩、螺纹规格及摩擦系数等因素密切相关；以往锚杆设计多将预紧力与锚固力作为两个独立体系进行设计，未深入考虑两者间的力学联系，未有预紧力、锚固力的同步加载、协同转化的设计理念。
8.近年来，国内外研发设计了各式各样锚杆结构，如专利号201910405852.1的中国专利，公开了一种防脱锚大变形锚杆及锚固方法，其在中空锚杆内部的拉杆机构将底部膨胀锚杆头撑开，实现机械锚固与化学锚固共同作用；专利号200310108547.5的中国专利，公开了一种涨壳式锚杆，将中空锚杆体的一端与涨壳锚固头内的涨壳内楔相连接，并将涨壳夹片用绑扎绳装配，通过转动冲击手段将锚固头与锚杆体插入底部，并使涨壳式锚固头顶紧后涨壳夹片向外张开；申请号为202010226854.7的中国专利，公开了一种膨胀式锚杆，在锚杆外部增加设置多个圆台块、锚固块与挤压块的外壳，通过旋转锚杆，圆台块运动过程中
通过挤压块将锚固块膨胀挤压贴合围岩，达到防止锚杆脱落的目的。但上述专利均是锚杆尾部、孔口外部预紧形式，未涉及预紧力和锚固力的同步加载、协同转化的设计理念。本专利将提出一种内置预紧及预锚协同转化的整体式锚杆装置，其通过锚杆结构整体设计改变预紧力施加的空间位置，实现在钻孔底部施加预紧力、预紧力与锚固力的协同转化，增强两者间的有机力学联系，提高锚杆支护体系的整体支护能力。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种内置预紧及预紧锚固协同转化的整体式锚杆装置，其通过锚杆结构整体设计改变预紧力施加的时间和空间位置，实现预紧力与锚固力的协同转化，增强两者间的有机力学联系。
10.本发明采用的技术方案是：一种内置预紧及预紧锚固协同转化的整体式锚杆装置，包括锚杆，所述锚杆的一端连接六角形锁紧装置，另一端螺纹连接预锚加载装置；所述预锚加载装置包括顺次连接的锚固强化段、常规锚固段、中部预紧段、变径过渡段和尾部扩径增压段，所述锚固强化段位于预锚加载装置的最底端，其直径相对于常规锚固段增大，能够与钻孔底牢固粘结；所述锚固强化段和锚固强化段与常规锚固段内部储存化学锚固药剂，管壁上留设有圆形小孔，便于锚固剂能够顺利流出；所述中部预紧段内壁与锚杆外壁对应设有细牙螺纹结构，两者螺纹连接，对锚杆施加预紧力；所述变径过渡段与中部预紧段直径相同，起到缓冲作用，避免尾部扩径增压段在增压过程中改变中部预紧段的尺寸，保证预紧效果；所述尾部扩径增压段呈圆台型，此段管壁尾部开槽分成多片，至端部张开角度逐渐扩大，所述锚杆对应尾部扩径增压段的中部设有锚固力放大器，锚固力放大器径向挤压尾部扩径增压段；当锚杆和预锚加载装置装入钻孔，锚固力放大器与尾部扩径增压段膨胀挤压产生机械锚固力，尾部扩径增压段紧贴钻孔壁，锚杆与预锚加载装置螺纹连接产生预紧力，锚固强化段与常规锚固段通过化学药卷作用将预锚加载装置、锚杆与巷道围岩锚固在一起。
11.进一步的，所述锚杆与预锚加载装置分别对应设有细牙螺纹，细牙螺纹的螺距为2
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4mm，能够减少预紧力施加过程中摩擦系数，增大预紧力力矩与预紧力的转化系数。
12.进一步的，所述锚固强化段与钻孔孔壁之间的间隙为1mm。
13.进一步的，所述小孔沿锚固强化段与常规锚固段周向设置不小于三个，并沿锚固强化段与常规锚固段轴向均匀布置多组，小孔直径为1
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2cm。
14.进一步的，所述端头锚固段与中部预紧段相接位置设有阻隔板，所述阻隔板具有一定强度但脆性较好的结构，锚杆旋转可将其破坏，材质为金属、塑料或木材。
15.进一步的，所述锚固强化段、常规锚固段、中部预紧段和变径过渡段直径小于钻孔直径3mm。
16.进一步的，所述锚固力放大器与锚杆为一体结构，锚固力放大器的厚度为2～3cm。
17.进一步的，当锚杆与钻孔锚固，六角形锁紧装置紧压位于钻孔外部围岩上的钢带，通过钢带扩散预紧力
18.进一步的，所述六角形锁紧装置厚度为2cm，直径为杆体直径的2倍的。
19.进一步的，所述锚杆直径小于预锚加载装置主体部内径2mm。
20.有益效果：
21.(1)该整体式锚杆装置通过在锚杆尾部设置扁平的六角形锁紧装置完全避免了锚杆支护钻孔外露长度致使巷道有效空间减少的问题，极大提高了巷道空间利用率，同时取消了锚杆尾部螺纹设计，提高杆体尾部强度，可有效避免了杆体局部应力集中问题，不易发生破断。
22.(2)传统锚杆预紧力的产生依赖于螺母与锚杆尾部螺纹相互咬合，不仅咬合距离短且螺纹螺距大。本发明中预紧力的产生是靠杆体与预锚加载装置内一定长度的细牙螺纹咬合产生的，咬合长度大且螺纹间距小，在同样扭矩条件下，本发明施加的预紧力更大，且不易随时间增长而降低，是一种更为有效的预紧力施加方式。
23.(3)不同于以往在孔外、锚杆尾部产生预紧力方式，本发明中的整体式锚杆装置在钻孔底部、锚杆端部产生预紧力，即预紧力与锚固力产生位置一致，在预紧力产生过程中，预锚加载装置通过机械力逐步张开并与钻孔孔壁紧密接触，产生机械锚固力，从而实现了预紧力与机械锚固力的同步加载、预紧力向机械锚固力的转化。
24.(4)本发明设计中锚杆装置既实现了预紧力向机械锚固力的转化，同时也实现了机械锚固力对化学锚固力的强化，即同时实现了化学锚固力、机械锚固力与预紧力三者有效协同转化，从而大幅度提升了锚杆锚固力。
附图说明
25.图1为常规锚杆支护原理示意图；
26.图2为内置预紧及预锚协同转化的整体式锚杆示意图；
27.图3为预锚加载装置示意图；
28.图4为尾部扩径增压段a
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a剖面图；
29.图5为内置预紧及预紧锚固协同转化的整体式锚杆支护状态图；
30.图中，1
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六角形锁紧装置；2
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锚杆杆体；3
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锚固力放大器；4
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外细牙螺纹结构；5
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内细牙螺纹结构；6
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阻隔板；7
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锚固剂流出孔；8
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尾部扩径增压段；9
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变径过渡段；10
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中部预紧段；11
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常规锚固段；12
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锚固强化段；13
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尾部开槽；14
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扩径片。
具体实施方式
31.下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步说明：
32.如图2所示，一种内置预紧及预紧锚固协同转化的整体式锚杆装置，包括六角形锁紧装置1、锚杆杆体2、锚固力放大器3、外细牙螺纹结构4、内细牙螺纹结构5、阻隔板6、锚固剂流出孔7。其中预锚加载装置(如图3所示)包括锚固强化段12、常规锚固段11、中部预紧段10、变径过渡段9和尾部扩径增压段8。常规锚固段11和锚固强化段12总长度d为30～45cm，锚固强化段12长度e为2～3cm，常规锚固段11、中部预紧段10、变径过渡段9的直径相等，小于钻孔直径3mm，需要说明的是，锚固强化段12直径较大，与孔壁仅有1mm安装间隙，是为了便于锚固剂释放后，迅速将12与围岩锚固在一起，将预锚加载装置固定在孔底。锚固强化段12、常规锚固段11内部为中空，用于储存锚固剂，并设置多组锚固剂流出孔，流出孔的直径为1
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2cm，用来锚固锚杆、预锚加载装置与围岩；常规锚固段11与中部预紧段10相接位置设有阻隔板6，其具有一定强度但脆性较好，锚杆旋转可将其破坏，材质可以为金属、塑料或木材；中部预紧段10长度c为10～15cm，中部预紧段10内表面为细牙螺纹结构，螺纹螺距2
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4mm，能够减少预紧力施加过程中摩擦系数，增大预紧力力矩与预紧力的转化系数；中部预紧段10与尾部扩径增压段8中有变径过渡段9，其长度b为10～15cm，防止锚固力放大器3上移过程中改变中部预紧段10尺寸，影响预紧力效果；尾部扩径增压段8呈圆台形状，并且在筒壁上设有3个尾部开槽14，将尾部扩径增压段分成3个扩径片15，尾部扩径增压段直径从上至下逐渐增大，最终尾部扩径增压段直径小于钻孔直径1mm，长度a为10～15cm。预锚加载装置长度关系满足a＝b＝c，a b c＝d；距锚杆首端dcm处杆体外表面设置有外细牙螺纹结构，长度为ccm，螺纹螺距2
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4mm，与中部预紧段10内细牙螺纹结构尺寸相对应；锚固力放大器3位于距锚杆首段(b c d)cm处，其与锚杆为一体结构，厚度g为2～3cm，锚杆直径小于预锚加载装置2mm。锚杆杆体尾部为长度f为2cm，直径为杆体直径2倍的六角形锁紧装置，目的是通过钢带扩散预紧力。需要说明的是，本发明一种内置预紧及预紧锚固协同转化的整体式锚杆装置中外细牙螺纹结构4、内细牙螺纹结构5、尾部扩径增压段8、变径过渡段9、中部预紧段10、锚固强化段12、常规锚固段11的长度根据不同地质条件进行调整。
33.在工程实践过程中，自巷道围岩表面向围岩深部进行钻孔，并清洗钻孔内的煤岩粉。将一种内置预紧及预紧锚固协同转化的整体式锚杆装置缓慢放入钻孔内部，首先通过外部钻机缓慢推进锚杆杆体2旋转进入一定距离，锚固剂从锚固剂流出孔7中流出，使得预锚加载装置与稳定围岩紧密锚固；其次，继续缓慢旋转锚杆杆体2，使得锚杆杆体外部细牙螺纹结构4与预锚加载装置内部细牙螺纹结构5相互咬合，此时锚固力放大器3将尾部扩径增压段8撑开；最后，钻机旋转推入锚杆杆体2直至尾部六角锁紧装置1挤压钢带微变形，一种内置预紧及预紧锚固协同转化的整体式锚杆支护状态图，如图5所示。