CN109184765B - 一种稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆及其支护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆及其支护方法，该锚杆包括锚杆杆体和液压恒阻装置，液压恒阻装置包括液压缸柱筒和活塞，活塞将液压缸柱筒前后分为空腔和液压油腔，空腔内沿液压缸柱筒轴向设置可伸缩传动轴，液压油腔内沿可伸缩传动轴的反向延伸方向固定设置连杆，连杆最远端穿过液压油缸孔口与锚杆杆体前端螺纹连接，连杆与液压油缸孔口密封套接，液压油缸孔口附近安装有自动放液装置，液压缸柱筒上还设置有注液装置，锚杆杆体后端固定设置有搅拌头，液压缸柱筒前端固定设置紧定端、螺母和托盘。通过连杆带动活塞向液压油腔滑动使可伸缩传动轴随活塞运动而伸长，实现恒阻大变形让压释能，且锚杆使用后可拆卸，便于重复使用。

Description

一种稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆及其支护方法

技术领域

本发明属于矿山支护技术领域，具体涉及一种稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆，以及该锚杆的支护方法。

背景技术

巷硐等地下工程开挖破坏了原岩应力平衡状态并对围岩造成损伤，在集中应力作用下围岩产生移动和变形，若不及时进行有效支护极易导致工程失稳破坏。实践表明，和架棚支护(U型钢、工字钢)及砌碹支护等被动支护方式相比，锚杆支护因主动施加预应力，能显著提高围岩稳定性，且操作简单、劳动强度小、成本低，因而在现场得到广泛应用。随着浅部资源的开采殆尽，深部开采已成为矿业开发的新常态。然而，深部高应力、强扰动和强时效等环境特征及其衍生的岩爆(冲击地压)和大变形等灾害对传统刚性锚杆支护提出了严峻挑战。

根据已有实测结果，超千米深埋工程地应力高达50～135MPa，软岩围岩最大变形量超过500mm，硬岩弹性储能达10⁵J/m³以上。可见，深部软岩的流变特性和硬岩的岩爆倾向性要求锚杆既要有足够的延伸率来协调围岩的大变形，又要有一定的抗冲击性能来缓慢释放围岩的高弹性储能。对此，国外相继研发了Cone锚杆、Garford锚杆、Durabar锚杆、Yielding Secura锚杆、Roofex锚杆和Mace锚杆等，国内也研发了一些控制围岩大变形和防岩爆等灾害的锚杆，包括吸(释)能锚杆、让压锚杆、防冲锚杆、大变形锚杆和恒阻锚杆等。然而，这些锚杆主要通过杆体等构件的弹塑性变形和滑动摩擦等原理实现不同程度的延伸(一般小于200mm)，支护阻力往往表现为增阻或降阻特征，无法真正实现恒阻和大变形的双重特性，达不到稳态让压释能的目的，且使用过程中极易损坏或失效。例如，公开号CN101858225A的中国专利公开了一种恒阻大变形锚杆，通过恒阻装置内置螺纹结构与杆体摩擦滑移产生变形，受非均匀围岩应力作用，恒阻装置在全长范围径向上很难发生均匀弹性变形而难以保持恒阻特性。CN107227967A公开了一种恒阻大变形让压锚杆或锚索，端部锚固时，一级恒阻液压装置在钻孔中未被固定而不会运行，当锚杆受力达到二级恒阻让压装置指定的工作拉力时，一级恒阻液压装置将和锚杆(索)体一起移动，因而不能发挥让压功能，且二级恒阻让压装置与锚杆(索)靠摩擦滑动让压，冲击动载下极易失效破坏。其他相关专利，如CN203531938U、CN102286975A、CN107893673A和CN103603685A等均存在上述缺陷，难以满足深埋工程的安全需要。

此外，矿山现用锚杆多为一次性消耗材料，巷硐废弃后无法拆卸回收，造成大量资源浪费和安全隐患。因此，迫切需要研发一种能够适应深部围岩大变形并抑制弹性应变能瞬态释放且可以重复利用的新型锚杆。

发明内容

为解决现有技术的上述问题，本发明的第一个目的是提供一种稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆，通过连杆带动活塞向液压油腔滑动使可伸缩传动轴随活塞运动而伸长，同时自动放液装置在液压油腔被挤压时进行自动卸液实现恒阻大变形稳态让压释能，且结构简单，操作方便，能多次重复使用。本发明的另一目的是提供一种低成本、高效率的锚杆支护方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆，包括锚杆杆体和液压恒阻装置，所述液压恒阻装置包括液压缸柱筒以及密封套接在液压缸柱筒内的可前后自由移动的活塞，活塞前后空间分别对应空腔和液压油腔两个腔室，所述空腔内沿液压缸柱筒轴向设置可伸缩传动轴，可伸缩传动轴一端与活塞前端面固定连接，另一端固定设置在空腔内与活塞前端面相对的另一内侧面，活塞后端面沿可伸缩传动轴的反向延伸方向固定设置连杆，连杆最远端穿过设置在液压缸柱筒末端的液压油缸孔口并与锚杆杆体前端可拆卸连接，连杆与液压油缸孔口密封套接，液压油缸孔口附近安装有自动放液装置，通过连杆带动活塞向液压油腔滑动使可伸缩传动轴随活塞运动而伸长，同时自动放液装置在液压油腔被挤压时进行自动卸液，实现恒阻大变形让压释能；液压缸柱筒上还设置有注液装置，用于向液压油腔内补充液压油；所述锚杆杆体后端固定设置有搅拌头，液压缸柱筒前端固定设置紧定端，通过在紧定端加载外力使连杆与锚固在钻孔内的锚杆杆体分离，以拆除液压恒阻装置，还包括由前往后依次设置在液压缸柱筒前部的螺母和托盘。

优选的，液压缸柱筒上还设置有手动放液装置。更优选的，所述自动放液装置、注液装置和手动放液装置集成为三用阀，分别对应为三用阀中的安全阀、单向阀和卸载阀。

优选的，连杆最远端与锚杆杆体前端螺纹连接。更优选的，还包括连接套，所述连杆最远端与锚杆杆体前端通过连接套螺纹连接，最优选的方案是，将连接套固定在锚杆杆体前端，连接套内置螺纹结构，连杆最远端对应设置外螺纹与连接套内螺纹匹配。

优选的，设置在液压缸柱筒前部且与托盘后侧相邻的吸能板，所述吸能板优选由泡沫铝材料制成。

优选的，沿活塞环向间隔设置至少2道O型密封圈。

优选的，所述可伸缩传动轴包括若干段轴节，各轴节通过花键键接。

优选的，相邻轴节花键所在部位的首尾部分分别对应进行变径处理。

优选的，所述搅拌头呈麻花状。

一种稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆的支护方法，包括步骤：

(S1)根据测量的布眼位置钻凿与作业环境及所述液压恒阻装置相适应的支护钻孔，并进行清孔；

(S2)通过注液装置向液压恒阻装置注液直至达到设计压力；

(S3)进行锚杆组装；

(S4)将锚固剂装入钻孔，然后推入组装好的锚杆，待孔底锚固剂凝固后拧紧螺母，对液压恒阻装置施加预紧力使其保持一定的工作阻力，当深部围岩变形力超过该工作阻力时，锚杆杆体所受拉力通过连杆传递给活塞并带动其向液压油腔挤压滑动，触发自动放液装置进行自动卸液让压，同时可伸缩传动轴随活塞运动而伸长，实现恒阻释能，并自动适应围岩变形；

(S5)地下工程活动结束以后，拆卸螺母、托盘和液压恒阻装置，分类码放，以备复用。

优选的，步骤(S5)中，还包括对所拆卸的液压恒阻装置中残余液压油进行手动卸载的操作，提高液压恒阻装置的贮存和使用安全性。

本发明的有益效果：

(1)在锚杆支护过程中，自动放液装置能在液压油腔被挤压时自动卸液，使腔内压力保持恒定，将自动卸液与液压阻尼和可伸缩传动有效结合，提高了液压恒阻装置的可伸缩量、抗冲击能力及工作阻力可调性，能够在保持支护强度不变的条件下适应并控制围岩变形，稳态释放围岩中高弹性储能，实现锚杆恒阻大变形，不仅可以用来控制矿山巷硐围岩变形，有效释放能量，而且对于交通工程中隧道、水利工程中隧洞和边坡及坝体等均具有较好的支护效果和动力型灾害防控能力，还可结合金属网、混凝土等支护方式对岩土体进行锚网支护、锚喷支护和锚网喷等复合支护。

(2)锚杆杆体和液压恒阻装置螺纹连接，使用后可拆卸，而且注液装置可反复补液，便于重复使用。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为液压恒阻装置结构示意图；

图3为可伸缩传动轴结构示意图；

图4为图3的A-A剖视图；

图5为图3的B-B剖视图。

图中：1-液压恒阻装置，2-锚杆杆体，3-搅拌头，4-连接套，5-紧定端，6-螺母，7-托盘，8-吸能板，11-液压缸柱筒，111-空腔，112-液压油腔，113-液压油缸孔口，1131-第二密封圈，114-第一外螺纹；12-可伸缩传动轴，121-第一轴节，122-第二轴节，123-第三轴节，1201-内花键，1202-外花键，13-活塞，131-第一密封圈，14-连杆，141-第二外螺纹；15-三用阀。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1-5，为本发明稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆的一种优选方案。具体包括：螺母6、托盘7、吸能板8、连接套4、锚杆杆体2、搅拌头3和液压恒阻装置1。

连接套4和搅拌头3分别焊接在锚杆杆体2的前、后端，本实施例中，搅拌头3呈麻花状，增大了与锚固剂的接触面积，有利于锚固剂的快速搅拌及其与杆体的耦合，提高了锚杆杆体2后端与围岩之间的锚固力。连接套4远离搅拌头3的一端开设内螺纹，用于与液压恒阻装置1后端螺纹连接。

液压恒阻装置1包括液压缸柱筒11、活塞13、可伸缩传动轴12、连杆14，还包括集成为三用阀15的自动放液装置、注液装置和手动放液装置，其分别对应为三用阀15中的安全阀、单向阀和卸载阀。三用阀15设置于靠近液压油缸孔口113附近的液压缸柱筒11上，其中单向阀用来向液压油腔112中注入高压抗磨液压油，注入油压根据工作阻力设定；安全阀用来保持恒阻工作特性，当围岩出现大变形或围岩能量突然释放时，可以通过安全阀缓慢卸液实现活塞13的稳态滑动并保持恒定工作阻力；在拆除液压恒阻装置1后，通过卸载阀卸掉液压油，保证液压恒阻装置1的安全性，便于其维修保养。活塞13密封套接在液压缸柱筒11内，将液压缸柱筒11分为空腔111和液压油腔112两个腔室，空腔111为真空，位于活塞13前部空间，液压油腔112内注有高压抗磨液压油，位于活塞13后部空间。活塞13前后端面沿液压缸轴向分别焊接有可伸缩传动轴12和连杆14，沿活塞13环向间隔布置有两道第一密封圈131。连杆14设置在可伸缩传动轴12的反向延伸方向上，连杆14最远端对应设置与连接套4内螺纹匹配的第二外螺纹141，连杆14穿过液压油缸孔口113后与连接套4螺纹连接，液压油缸孔口113处设有第二密封圈1131，第一、二密封圈均为O型密封圈，可以有效保障液压油腔112的密封性。值得注意的是，设置O型密封圈只是本发明的一种方式，还可以通过在界面处设置铜层等其他方式实现密封滑动连接。

本实施例中，可伸缩传动轴12包括第一轴节121、第二轴节122、第三轴节123三段，第一轴节121前端焊接在空腔111内最前侧面上，第三轴节123后端焊接在活塞13前端面，作为本实施例可伸缩结构的一种优选方式，相邻轴节之间通过花键键接。液压缸柱筒11前端焊接有用于加载外力的紧定端5，通过在紧定端5加载外力使连杆14与锚固在钻孔内的锚杆杆体2分离，从而在锚杆支护完成后从钻孔中拆除出液压恒阻装置1。本发明对紧定端5的结构没有特别限定，可以采用便于承载外力的现有部件，如六角头或方形头等，另一方面，对连杆与锚杆杆体的可拆卸连接方式亦没有限定，本实施例之所以采用螺纹连接，是为了在满足连接强度同时降低加工成本，除此之外，还可以采用类似于卡口灯泡与灯座的旋转卡接或按压卡接或其结合等多种方式。液压缸柱筒11最前端开设第一外螺纹114，带有通孔的吸能板8和托盘7从后向前依次套装在液压缸柱筒11前部，螺母6旋在第一外螺纹114上，与托盘7前侧相邻，完成锚杆的组装。所述吸能板8材质优选为泡沫铝材料，具有密度小、抗冲击能力强、耐高温和抗腐蚀等优点。可伸缩传动轴12随活塞13运动产生伸缩，将锚杆机作用在螺母6或紧定端5上的旋转扭矩依次传递给活塞13和连杆14，分别实现锚杆的安装或拆卸，此外，在锚杆支护过程中，深部围岩变形力由锚杆杆体2通过连杆14传递给活塞13并带动活塞13向液压油腔112挤压滑动，此时安全阀缓慢卸液，使可伸缩传动轴12随活塞13运动而伸长，实现支护过程中的恒阻变形。为提高锚杆伸缩量，并防止相邻轴节在伸缩过程中齿槽出现脱离，各轴节在长度方向上均设置花键，且相邻轴节首尾部分分别对应进行变径处理。在实际应用中，传动轴节段数及长度根据需要设定，继而调控锚杆伸缩量达到设计要求。如每节长度为20～40cm，通过轴节外径及段数合理搭配，可使锚杆伸缩量达120cm以上。

由于液压油腔截面积越大，所需的注液压力越小，越有利于液压恒阻装置的长久安全使用，而液压油腔截面积由液压缸内腔与连杆的直径差决定，因此在满足设计要求的前提下，可以通过适当增大液压恒阻装置径向尺寸或降低连杆直径实现，相应的，钻孔孔径随液压恒阻装置外径的变化而同向变化，尤其以大于液压恒阻装置外径4～10mm为最佳。

下面以一种实施方式为例，说明该优选方案的具体应用。

本方案中，锚杆杆体2为延伸性好的左旋无纵肋螺纹钢锚杆，长度1.0～1.8m，具体根据围岩松动圈厚度确定。锚杆杆体2截面直径18mm，麻花状搅拌头长度15～30cm，左旋麻花扭转角度540°/mm。锚杆杆体和麻花状搅拌头材质均为Q235普通钢材。连接套5长度10cm，内径18mm，内置全长螺纹，使连杆14与连接套5的连接力大于锚杆杆体的极限抗拉强度。

液压恒阻装置1中，液压缸柱筒11长90cm，外径48mm，壁厚5mm，活塞13直径38mm，厚度20mm，环向凹槽深度5mm，内设O型密封圈，连杆14长70～90cm，外螺纹段长10cm，连杆14直径与锚杆杆体2一致，液压缸柱筒11最前端开设外螺纹长10cm，紧定端采用六角头，公称直径41mm，厚度12mm。通过三用阀15向液压油腔112内注入高压抗磨液压油，根据液压恒阻装置材料屈服强度可计算恒阻液压装置产生的理论工作阻力达150～250kN。在实际应用中，锚杆杆体2及连杆直径并不局限于上述尺寸，根据钻孔及液压恒阻装置外径不同，二者杆径均可变动，如矿山常用的尺寸有16、18、20、22mm，当然，连杆直径与锚杆杆体也可以不一致，在相同工作阻力条件下，连杆直径设计较小或液压缸柱筒直径设计较大均可以增大液压油腔里的有效截面积，避免因外注的液压油压强过大而影响液压恒阻装置的使用寿命。

为使连接受力较为均匀，3段传动轴节通过矩形花键联接，每节传动轴长30cm，伸缩量为60cm，第一轴节121仅含内花键1201，壁厚为5mm，第三轴节123为含有外花键1202的实心柱，相邻轴节首尾部的变径量为1～2mm。螺母6采用M48六角螺母，与液压恒阻装置1连接强度大于锚杆杆体抗拉强度。托盘7为金属蝶形托盘，尺寸为120mm×120mm×10mm，中心圆形通孔直径60mm。泡沫铝吸能板尺寸为200mm×200mm×40mm，中心圆形通孔直径60mm。

为满足耐磨、耐用、耐压和抗腐蚀的性能要求，O型密封圈材料为纳米陶瓷材料，液压恒阻装置的金属构件采用全新27硅锰材料铸造。

该锚杆的支护方法包括步骤：

(S1)准备凿岩和支护等设备，现场就位以后，接通水、电、气等所需管线，根据事先勘察的位置标出眼位，采用锚杆钻机钻凿直径56mm的圆形钻孔，钻孔深度和锚杆长度根据具体围岩松动圈厚度进行设计，且钻孔直径与液压恒阻装置外径相适应，最好大于液压恒阻装置外径4～10mm，钻孔完成后，采用高压风清理孔内岩屑并检查成孔质量；

(S2)通过三用阀向液压恒阻装置注液直至达到设计压力；

(S3)将锚杆杆体、液压恒阻装置、吸能板、托盘和螺母按上述结构组装为锚杆；

(S4)据端部锚固方式将2～3卷树脂或水泥砂浆锚固剂装入钻孔中指定位置后，借助锚杆机通过螺母将组装的锚杆推入钻孔并搅拌锚固剂20～30s，待孔底锚固剂凝固后拧紧液压恒阻装置上的螺母对其施加一定预紧力；

(S5)巷硐等地下工程废弃使用后，用锚杆钻机依次拆卸锚杆螺母、托盘和吸能板，再旋转紧定端，通过可伸缩传动杆、活塞和连杆将扭矩传递给连接套，使液压恒阻装置和锚杆杆体分离，然后对液压恒阻装置进行卸液，拆除构件分类进行码放以备复用和保养维修。

在锚杆正常支护过程中，当深部围岩变形力超过液压恒阻装置额定工作阻力时，锚杆杆体所受拉力通过连杆传递给活塞并带动其向液压油腔挤压滑动，由于液压油不可压缩，此时三用阀随活塞滑动缓慢卸液让压，使锚杆保持恒定工作阻力并随着液压恒阻装置的自动延伸不断适应和控制围岩变形，直至活塞滑移至液压油缸孔口；当深部围岩中高弹性储能突然释放时，作用在锚杆杆体上的冲击能传递给液压油腔中的高压抗磨液压油被缓冲吸收。当能量较大难以全部缓冲时，活塞在动载下迅速滑动并压缩液压油腔，通过三用阀自动卸液实现能量稳态释放。同时，部分能量传递到孔外吸能板得到缓冲吸收，避免了孔外锚杆托盘和螺母发生冲击破坏。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆，包括锚杆杆体和液压恒阻装置，其特征在于：

所述液压恒阻装置包括液压缸柱筒以及密封套接在液压缸柱筒内的可前后自由移动的活塞，活塞前后空间分别对应空腔和液压油腔两个腔室，所述空腔内沿液压缸柱筒轴向设置可伸缩传动轴，可伸缩传动轴一端与活塞前端面固定连接，另一端固定设置在空腔内与活塞前端面相对的另一内侧面，活塞后端面沿可伸缩传动轴的反向延伸方向固定设置连杆，连杆最远端穿过设置在液压缸柱筒末端的液压油缸孔口并与锚杆杆体前端可拆卸连接，连杆与液压油缸孔口密封套接，液压油缸孔口附近安装有自动放液装置，通过连杆带动活塞向液压油腔滑动使可伸缩传动轴随活塞运动而伸长，同时自动放液装置在液压油腔被挤压时进行自动卸液，实现恒阻大变形让压释能，液压缸柱筒上还设置有注液装置，用于向液压油腔内补充液压油；

所述锚杆杆体后端固定设置有搅拌头，液压缸柱筒前端固定设置紧定端，通过在紧定端加载外力使连杆与锚固在钻孔内的锚杆杆体分离，以拆除液压恒阻装置，还包括由前往后依次设置在液压缸柱筒前部的螺母和托盘；

所述可伸缩传动轴包括若干段轴节，各轴节通过花键键接。

2.根据权利要求1所述的稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆，其特征在于，液压缸柱筒上还设置有手动放液装置。

3.根据权利要求2所述的稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆，其特征在于，所述自动放液装置、注液装置和手动放液装置集成为三用阀，分别对应为三用阀中的安全阀、单向阀和卸载阀。

4.根据权利要求1所述的稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆，其特征在于，连杆最远端与锚杆杆体前端螺纹连接。

5.根据权利要求4所述的稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆，其特征在于，还包括连接套，连杆最远端与锚杆杆体前端通过连接套螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆，其特征在于，还包括设置在液压缸柱筒前部且与托盘后侧相邻的吸能板。

7.根据权利要求1所述的稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆，其特征在于，相邻轴节花键所在部位的首尾部分分别对应进行变径处理。

8.根据权利要求1所述的稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆，其特征在于，所述搅拌头呈麻花状。

9.一种稳态让压释能的可拆卸式液压锚杆的支护方法，其特征在于，包括步骤：

(S1)根据测量的布眼位置钻凿与作业环境及权利要求1-8任一项所述的液压恒阻装置相适应的支护钻孔，并进行清孔；

(S2)通过注液装置向液压恒阻装置注液直至达到设计压力；

(S3)进行锚杆组装；

(S4)将锚固剂装入钻孔，然后推入组装好的锚杆，待孔底锚固剂凝固后拧紧螺母，对液压恒阻装置施加预紧力使其保持一定的工作阻力，当深部围岩变形力超过该工作阻力时，锚杆杆体所受拉力通过连杆传递给活塞并带动活塞向液压油腔挤压滑动，触发自动放液装置进行自动卸液让压，同时可伸缩传动轴随活塞运动而伸长，实现恒阻释能，并自动适应围岩变形；

(S5)地下工程活动结束以后，拆卸螺母、托盘和液压恒阻装置，分类码放，以备复用。

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