CN102337914A - 一种焊接式动静组合锚杆 - Google Patents

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王斌
李夕兵
赵伏军
彭云
龙专
陈玲
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Abstract

本发明公开了一种焊接式动静组合锚杆，锚杆采用高强度螺纹钢材料杆体和延伸率大于30％的圆钢材料杆体焊接制成，圆钢材料杆体在整根锚杆的中部，此段不与围岩粘结锚固，其余部分的锚杆体采用螺纹钢材料制成并全长锚固，圆钢段可做为提供变形能力的可伸长构件，并安设在围岩破裂软化区和弹性区边界附近，从而能给应力波边界效应区的围岩提供一定扩容变形的补偿空间；锚杆杆尾粘结锚固，可以适应硬岩巷道壁面的层裂剥离破坏，并且能对软化区破裂的围岩提供补强的作用。本发明能适应较高地应力条件下完整硬脆围岩破坏特点，能抵御硬岩巷道所受的静、动荷载作用，实现防控硬岩巷道破坏，具有针对性强、制作加工简单、操作简便的优点。

Description

一种焊接式动静组合锚杆
技术领域
本发明涉及一种硬脆围岩巷道的支护设备，特别是涉及一种防治岩爆灾害的可伸长锚杆，属于岩土工程锚固领域。
背景技术
深部地下工程中坚硬岩石在开挖卸荷作用下常发生剥落、层裂、片帮和岩爆等脆性破坏现象。硬岩本身坚硬致密的特点，导致其破坏的原因涉及岩石动力学与岩石静力学两方面的范畴，如岩爆可以是承受高应力的硬岩体在较小外界动力扰动下诱发的(见左宇军等著《受静载作用的岩石动态断裂的突变模型》煤炭学报2004年第6期)。硬岩洞室发生岩爆时的动应力很大，一般会达到或超过支护构件的屈服强度，如果支护***没有让压和屈服性质，就不可避免发生破坏，锚杆能有效调控围岩的自承载能力，因此硬岩支护***亦采用可伸长锚杆提供一定变形以容纳岩***坏引起的强制大变形。
可伸长锚杆按工作原理归纳为杆体可伸长和结构元件滑动可伸长两大类，如专利号93203496.9公开的锯齿形涨壳式让压锚杆、专利号201020632589.4公开的锚杆尾套有一段涨管和增阻管的可伸长锚杆等属于结构元件滑动类，专利号88204483.4公开的蛇形可伸长锚杆、专利号87211250公开的H型杆体可拉伸锚杆等属杆体可伸长类。目前可伸长锚杆主要是针对大变形软岩提出的，为实现锚杆的伸长通常采用端头锚固的方式，即锚头与孔底岩体固结而锚杆尾用托盘预紧，这些锚杆通常适用于软岩变形连续而保持围岩完整性的特点，但硬岩巷道在较高地应力作用下常发生表面岩体层裂剥离(如锦屏二级水电站深埋引水隧道大理围岩)，导致锚杆托盘悬空，此时端头锚固的锚杆将失去加固围岩的作用，从而进一步诱发该锚杆支护区域的围岩发生破坏。可见，硬岩条件下的可伸长锚杆采用端头锚固时，往往起不到锚固的效果。
为解决硬岩巷道的支护问题，在应对岩爆灾害方面提出了些抗岩爆的可伸长锚杆，如专利号201020602613.X公开了一种延-弹性抗岩爆锚杆，虽然杆体设置了波形段和刚性弹簧，但仍是端头锚固；专利号201020684957.X公开了一种水胀式弹性抗岩爆锚杆，虽然能实现全长锚固，可克服壁面岩体层裂剥离的影响，但水胀式锚杆承载能力低，较高地应力时不适用，同时刚性弹簧仅是对巷道表面延展的改进，在全长锚固下的变形能力是很弱的。岩爆支护技术与常规支护是不同的，岩爆条件下的支护结构不仅要能经受住静态条件下的高应力荷载的作用，还要抵御外界施工过程中或之后所受***振动、机械振动、地震及相邻岩爆产生的应力波作用。高明仕等人在文《冲击矿压巷道围岩控制的强弱强力学模型及其应用分析》(岩土力学2008年第2期)指出应力波冲击诱发岩爆与巷道围岩结构有密切联系，同时有研究表明在围岩破裂软化区和弹性区交界处易产生应力波边界效应而诱发岩爆，因此，锚杆性能还须适应硬脆围岩内部扰动的特点。由上可见，现有硬岩条件下的可伸长锚杆静承载能力低，并且不能满足硬脆围岩巷道壁面层裂和围岩内部动力扰动的破坏特点。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种克服硬脆围岩巷道壁面层裂和内部围岩动力扰动的破坏影响而保持承压、持续让压变形能力的动静组合锚杆。
对于高地应力硬岩巷道，尤其在有岩爆倾向性条件下，一种理想的锚杆应当是既能在其破坏失效前提供像管缝式锚杆一样的大变形能力，以提供围岩破坏扩容碎胀的空间，又能提供较高的承载能力，具有和普通螺纹锚杆一样高的强度，同时采用适应围岩内部动力扰动的锚固方式，符合这些条件的锚杆即称为动静组合锚杆。
为了解决上述技术问题，本发明的焊接式动静组合锚杆提出的解决方案为，一种焊接式动静组合锚杆，锚杆杆体由锚杆尾段及锚杆头段和延伸率大于30％的锚杆中段焊接而成，其中：锚杆尾段和锚杆头段采用锚固剂与孔壁围岩粘结锚固；锚杆中段不与孔壁围岩粘结，受力后可自由变形伸长；锚杆尾段配有紧固螺母并安设有托盘。
进一步的，可将锚杆中段布置在围岩内部破裂软化区和弹性区边界附近，该边界可由测试确定。将锚杆中段设置在该边界附近，可以更好的克服应力波的扰动。
进一步的，锚杆头段选用快速树脂锚固剂与围岩粘结，锚杆尾段选用慢速树脂锚固剂与围岩粘结，锚杆中段内可装入树脂胶泥以隔离锚杆尾段及锚杆头段。快速树脂锚固剂可以更好的预紧螺母，而锚杆尾段的慢速树脂锚固剂则可更好的巩固螺母的预紧。
进一步的，锚杆尾段和锚杆头段均采用高强度螺纹钢材料杆体，锚杆中段采用大延伸率的圆钢。采用这种材料制作的锚杆，其承载负荷能力更强。
采用上述技术方案的焊接式动静组合锚杆，锚杆锚固段采用高强度螺纹钢材料能提供很高的静承载能力，杆体可变形的焊接段能有效调控围岩的自承载能力，以适应围岩内部破坏所需要的补偿空间，杆尾锚固可避免端头锚固时围岩表面易失效的问题，确保硬岩锚杆支护***在发生岩爆等灾害时屈服变形并仍保持一定的抗力，在性能上具有抗静、动荷载作用的能力。
综上所述，本发明是一种适应较高地应力条件下完整硬脆围岩破坏特点，能抵御硬岩巷道所受的静、动荷载作用，实现防控硬岩巷道破坏的针对性强、制作加工简单、操作简便的动静组合锚杆。
附图说明
图1是本发明实施例1的中等岩爆焊接式动静组合锚杆示意图。
图2是本发明实施例2的弱岩爆焊接式动静组合锚杆示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明提供的焊接式动静组合锚杆，锚杆采用高强度螺纹钢材料杆体和延伸率大于30％的圆钢材料杆体焊接制成，可适应较高地应力条件下完整硬脆围岩破坏特点，能抵御硬岩巷道所受的静、动荷载作用。
实施例1：参见图1所示，中等岩爆硬岩巷道围岩在地应力作用下，会形成破裂软化区6和弹性区7，破裂软化区6的范围可采用松动圈测试设备测定；根据测定的围岩破坏分区深度，按锚固设计规范选用高强度螺纹钢和大延伸率的圆钢分别加工锚杆，锚杆中段2采用大延伸率的圆钢，其长度满足超出破裂软化区6和弹性区7边界两端各一定距离，并按围岩允许的适宜变形量进行设计；对于中等岩爆条件，要求较高的支护承载强度，因此锚杆尾段1和锚杆头段3均采用高强度螺纹钢，制作时保证锚杆尾段1和锚杆头段3有足够长度用于锚固围岩；整根锚杆制作需经过两次焊接，有两处焊接缝8；采用树脂锚固卷剂，预留圆钢锚杆中段2不锚固，其余部分的锚杆体采用全长锚固，具体操作如下：首先要根据孔径和杆径选择合适直径和长度的树脂锚固剂用于锚杆两端的锚固，锚杆中段2内可装入合适长度的无固化剂树脂胶泥2a以隔离两个锚固段的作用，两锚固段的树脂锚固剂在凝固速度有不同，杆头锚固段选用快速树脂锚固剂3a，杆尾锚固段选用慢速树脂锚固剂1a；安装时将快速树脂锚固剂3a放置在钻孔里端，树脂胶泥2a在钻孔中部，慢速树脂锚固剂1a放置在钻孔外端，整根锚杆在安装机具的带动下自钻孔口向里开始边旋转边推进，将整根锚杆推进到钻孔底部以后，钻孔内的树脂锚固剂充分混合后发生化学反应开始凝固粘结；快速树脂锚固剂3a到达凝固时间后，开始上紧固螺母5和托盘4对锚杆进行预紧，慢速树脂锚固剂1a到达凝固时间后，可实现锚杆尾段1的锚固。
实施例2：参见图2所示，弱岩爆硬岩巷道围岩在地应力作用下，亦会形成破裂软化区6和弹性区7，破裂软化区6的范围可采用松动圈测试设备测定；根据测定的围岩破坏分区深度，按锚固设计规范选用高强度螺纹钢和大延伸率的圆钢分别加工锚杆，锚杆中段2采用大延伸率的圆钢，其长度满足超出破裂软化区6和弹性区7边界两端各一定距离，并按围岩允许的适宜变形量进行设计；对于弱岩爆条件，要求的支护承载强度不高，因此锚杆尾段1采用高强度螺纹钢，而锚杆头段3仍采用大延伸率的圆钢，制作时保证锚杆尾段1和锚杆头段3有足够长度用于锚固围岩；锚杆中段2和锚杆头段3的材料相同，因此二者可一体成形，整根锚杆制作仅需经过一次焊接，有一处焊接缝8；采用树脂锚固卷剂，预留圆钢锚杆中段2不锚固，其余部分的锚杆体采用全长锚固，具体操作步骤与实施例1相同。
本发明是一种焊接式动静组合锚杆，该锚杆能抵御硬岩巷道所受的静、动荷载作用，适应较高地应力条件下完整硬脆围岩破坏特点，能有效调控围岩的自承载能力，在发生围岩层裂、岩爆等灾害时屈服变形让压并仍保持一定的抗力，实现对硬脆围岩巷道有效的支护。
以上是本发明的两种优选例，但并非代表本发明的全部内容，在本发明精神范围内所做的一切等同变换和更改，都将在本发明保护范围以内。

Claims (4)

1.一种焊接式动静组合锚杆，其特征在于：锚杆杆体由锚杆尾段(1)及锚杆头段(3)和延伸率大于30％的锚杆中段(2)焊接而成，其中：
锚杆尾段(1)和锚杆头段(3)采用锚固剂与孔壁围岩粘结锚固；
锚杆中段(2)不与孔壁围岩粘结，受力后可自由变形伸长；
锚杆尾段(1)配有紧固螺母(5)并安设有托盘(4)。
2.根据权利要求1所述的焊接式动静组合锚杆，其特征在于：锚杆中段(2)布置在围岩内部破裂软化区(6)和弹性区(7)边界附近。
3.根据权利要求1或2所述的焊接式动静组合锚杆，其特征在于：锚杆头段(3)选用快速树脂锚固剂(3a)与围岩粘结，锚杆尾段(1)选用慢速树脂锚固剂(1a)与围岩粘结，锚杆中段(2)内装入树脂胶泥(2a)以隔离锚杆尾段(1)及锚杆头段(3)。
4.根据权利要求1或2所述的焊接式动静组合锚杆，其特征在于：锚杆尾段(1)和锚杆头段(3)均采用高强度螺纹钢材料杆体，锚杆中段(2)采用大延伸率的圆钢。
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