CN109723480B - 用于围岩大变形的拉压耦合让压吸能注浆锚杆及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于围岩大变形的拉压耦合让压吸能注浆锚杆及工作方法，它包括中空注浆锚杆、锚杆锁紧装置、多个让压注浆装置和吸能锚头，所述的中空注浆锚杆杆体上设有保护套筒，杆体上设有若干第一注浆孔，第一注浆孔穿透保护套筒与钻孔相通，所述多个让压注浆装置间隔套设在中空注浆锚杆的杆体上，让压注浆装置表面设有第二注浆孔，所述吸能锚头固定在中空注浆锚杆的端部，所述锚杆锁紧装置设在中空注浆锚杆的自由端。本发明通过让压注浆装置不仅实现了对围岩变形初期的实时补强支护，还起到了逐级自动让压的作用，通过吸能锚头为锚杆杆体提供较大的支护阻力，解决了因围岩应力高、变形大导致的锚杆失效、注浆不充分的技术难题。

Description

用于围岩大变形的拉压耦合让压吸能注浆锚杆及工作方法

技术领域

本发明属于岩土工程支护领域，特别涉及一种用于深部围岩大变形情况下的拉压耦合让压吸能注浆锚杆及其工作方法。

背景技术

注浆锚杆支护技术是将锚杆和注浆技术相结合，使得被锚固围岩胶结成一个整体，从而改善围岩内部松散结构，提高围岩强度和承载能力，目前已广泛应用于岩土工程领域。在现有技术中，根据锚杆受力特点将注浆锚杆分为拉力型注浆锚杆和压力型注浆锚杆。其中拉力型注浆锚杆利用锚杆杆体与注浆浆液的粘结性提供相应的支护阻力，而压力型注浆锚杆则利用注浆浆液与围岩的侧摩擦力提供所需的支护阻力。然而，无论是拉力型注浆锚杆还是压力型注浆锚杆，都会在端部产生较大的应力集中，严重时还会出现脱锚现象，造成注浆锚杆失效。

当前，煤矿开采正逐渐向深部转移，与浅部不同的是在深部开采过程中，高地应力和强采动应力相互作用，使得围岩变形破坏严重，支护难度极大。由于锚杆杆体为刚性结构，延伸率差，所提供的变形量很小，因此在深部围岩大变形情况下(比如围岩变形量≥120mm时)，当锚杆杆体变形量超出了其所能承受的范围时，锚杆杆体会发生断裂破坏，进而失去锚固作用，严重威胁煤矿井下的安全生产。

为了解决上述难题，现有技术中有一种拉压耦合型高强大变形锚杆及其使用方法(专利号：201210353286.2)，该设计方案利用承压板将注浆锚杆锚固段分为拉力锚固段和压力锚固段，有效改善了锚杆杆体的受力分布情况。然而，当围岩应力高、变形量大时，锚杆杆体由于延伸率差易发生内部断裂，无法发挥其支护性能，另外该锚杆端部表面积小，无法保证锚杆端部与锚固剂的充分接触，不能有效的对锚杆端部进行固定。

现有技术中还有一种加固大变形岩体的恒阻吸能锚杆(专利号：201110187361.8)，该设计方案通过恒阻吸能装置为锚杆提供初始值高且恒定的阻力，并起到了吸能的作用。然而，该装置在恒阻吸能装置处易产生应力集中，当可扩径圆筒全部扩径后，锥形筒不再向孔外移动，因此吸能效果有限，锚杆依然存在断裂失效的风险。

现有技术中还有一种矿用可伸缩吸能防冲粘滞阻尼锚杆及其支护方法(专利号：201310566306.9)，该设计方案利用液压阻尼原理实现锚杆的快速让位吸能。然而，该装置只能实现对孔口附近围岩变形能的吸收，无法实现对锚杆结构整体的保护，另外，该装置容易在缓冲液压缸处产生应力集中，导致锚杆整体受力不均，使得锚杆发生断裂破坏，进而失去锚固效能。

现有技术中还有一种用于深部分区破裂巷道支护的多点让压注浆锚杆(专利号：201610689590.2)，该设计方案针对巷道围岩分区破裂现象，利用波纹状恒阻让压杆实现多点恒阻让压。然而，该装置中的恒阻让压杆与让压注浆连接件处设计繁琐，结构复杂，另外该装置只有当锚杆受力伸长量达到一定值时，恒阻让压杆上的注浆孔才会露出来进行注浆，在一定程度降低了注浆浆液的流通性，进而无法保证注浆效果。

针对上述问题，本发明设计了一种用于围岩大变形的拉压耦合让压吸能注浆锚杆及工作方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于围岩大变形的拉压耦合让压吸能注浆锚杆及工作方法，用于解决因围岩应力高、变形大导致的锚杆失效、注浆不充分的问题。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种用于围岩大变形的拉压耦合让压吸能注浆锚杆，其特征在于，它包括中空注浆锚杆、锚杆锁紧装置、多个让压注浆装置和吸能锚头，其中：

所述的中空注浆锚杆包括止浆塞、杆体和保护套筒；所述的保护套筒紧紧套在杆体上，设置保护套筒的作用是为了防止流入钻孔的浆液与杆体接触从而从根本上消除浆液与杆体间的摩擦力，在杆体上设有若干第一注浆孔，第一注浆孔穿透保护套筒与钻孔相通；

所述的多个让压注浆装置间隔套设在锚杆的杆体上，让压注浆装置表面设有第二注浆孔，要求让压注浆装置与锚杆杆体之间可以相对滑动；

所述的吸能锚头固定在锚杆的端部，用于为锚杆杆体提供支护阻力，要求吸能锚头的外径小于等于让压注浆装置的外径；

所述的锚杆锁紧装置设在锚杆的自由端，其包括托盘和紧固螺母。

进一步：所述的让压注浆装置包括筒状外壳和设在筒状外壳内的活塞环；所述的筒状外壳紧紧套设在保护套筒上且保护套筒相对于筒状外壳可以滑动，所述的活塞环焊接固定在锚杆杆体上，要求活塞环外径与筒状外壳内径相适应且能沿着筒状外壳内壁向孔口端外移，从而使得筒状外壳的侧壁和保护套筒之间形成了注浆空间；第二注浆孔设在筒状外壳表面。

进一步：所述的吸能锚头包括一个圆筒、压杆和多根高强弹簧；所述的圆筒顶端封闭、底端设有中心孔，圆筒的外径小于等于筒状外壳的外径；所述的压杆设在套筒内，其结构是一个顶部带圆盘的杆体，杆体底部从中心孔穿出后固定在在锚杆端部；所述的多根高强弹簧围绕在压杆的周圈，高强弹簧的上下两端分别固定在压杆顶部圆盘的下部和圆筒的底端。

进一步，所述的吸能锚头的圆筒外壁设为粗糙状，优选螺纹状。

进一步，在第二注浆孔上设有压力膜片，设置压力膜片的作用是为了让筒状外壳的浆液压力达到一定程度时浆液才可以从第二注浆孔注入钻孔中。

进一步，所述的保护套筒为PPR套筒。

进一步，所述的吸能锚头的圆筒以及让压注浆装置的筒状外壳为耐腐蚀的金属材质。

进一步，本发明的压杆可以通过螺纹连接或者焊接的方式与杆体端部固定，在实际中，压杆也可以做成和杆体一体的结构。

本发明用于围岩大变形的拉压耦合让压吸能注浆锚杆的工作方法如下：

第一步：钻孔

在待支护的围岩大变形岩体上打钻孔，其中钻孔的孔径应保证拉压耦合让压吸能注浆锚杆送进钻孔后让压注浆装置能被钻孔壁紧紧挤住；

第二步：安装锚杆

用锚杆安装机将拉压耦合让压吸能注浆锚杆，连同锚固剂药卷一同送入孔底，锚固剂药卷受到吸能锚头的挤压发生破裂，待孔底锚固剂凝固后，在锚杆后部装入止浆塞，之后安装托盘并拧紧紧固螺母，然后在锚杆杆体后部塞上堵浆塞，此时紧固螺母不仅对托盘起到固定作用，还对注浆锚杆施加了一定的预紧力；

第三步：向钻孔中注浆

当监测到围岩发生大变形时进行注浆施工，首先将堵浆塞卸下，然后将注浆器连接在中空注浆锚杆杆体上进行注浆施工在注浆过程中，一部分注浆浆液通过中空注浆锚杆上的第一注浆孔进入到让压注浆装置内部，一部分直接通过第一注浆孔进入钻孔并充填至围岩裂隙中；在支护过程中由于围岩变形较大，中空注浆锚杆受拉带动活塞环向孔口端运动，挤压让压注浆装置内部的注浆浆液，使得注浆浆液的压力升高，从而实现围岩变形能向注浆浆液压力能的转化；当让压注浆装置内的浆液压力达到一定大小时，高压注浆浆液鼓开压力膜片从第二注浆孔喷出进入围岩裂隙中，不仅实现了对围岩的实时补强注浆支护，还起到了逐级自动“让压”的作用；另外，当围岩变形量较大时，中空注浆锚杆受拉带动吸能锚头内部的压杆一同向孔口端运动，挤压高强弹簧，使锚杆杆体在保持较高工作阻力状态下受拉伸长，从而将围岩的变形能转化为弹簧的弹性势能，实现“吸能”的目的；当注浆完成后将堵浆塞重新拧紧，防止浆液漏出。

下面通过让压拉压耦合机理说明本发明的优点：

当围岩发生变形时，注浆锚杆所受拉力通过杆体向孔外传递。当拉力传递到让压注浆装置时，让压注浆装置可将锚杆受到的集中力分别转换成拉力和压力，使得注浆锚杆被分成若干个拉力段和压力段。其中在拉力段上，注浆锚杆所提供的锚固力由吸能锚头和让压注浆装置提供的拉力共同承担；在压力段上，由于PPR套筒的阻隔使得中空注浆锚杆杆体与注浆浆液无法直接接触，因此注浆锚杆所提供的锚固力由注浆浆液与围岩间的侧摩阻力和让压装置对注浆浆液的压力共同提供。有效改善了注浆锚杆的受力状态，实现了应力的逐级分散，有效提高了锚固性能。

另外，本发明还具有以下优点：

1、本发明中的让压注浆装置分布在钻孔的不同深度位置，将注浆锚杆分成若干拉力段和压力段，有效消除了应力集中现象，极大提高了注浆锚杆的锚固效力。

2、本发明中的让压注浆装置可实现围岩变形能向注浆浆液压力能的转化，并通过压力膜片依次将高压注浆浆液注入围岩中，不仅实现了对围岩变形初期的实时补强支护，还起到了逐级自动“让压”的作用。

3、本发明中的吸能锚头表面设有螺纹，可与锚固剂充分结合，为锚杆杆体提供较大的支护阻力。在支护过程中围岩变形较大时，通过吸能锚头内部高强弹簧的压缩，可将围岩的变形能转化为弹簧的弹性势能，从而起到“吸能”的作用。

4、本发明操作便捷，可行性高，各部件固定紧密可靠，极大地提高了注浆锚索的锚固效力，有效改善了被锚固体的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种拉压耦合让压吸能注浆锚杆装配结构示意图；

图2为注浆锚杆杆体结构示意图；

图3为图2的A处剖面图；

图4让压注浆装置剖面图；

图5为吸能锚头剖面图；

图6为吸能锚头内部压杆示意图；

图7为紧固螺母及托盘结构示意图；

图8为止浆塞结构示意图。

图中：

1-堵浆塞；

2-紧固螺母

3-托盘；

4-止浆塞；

5-让压注浆装置，51-筒状外壳，52-活塞环，53-第二注浆孔，54-压力膜片；

6-中空注浆锚杆，61-杆体，62-浆液流通通道，63-第一注浆孔，64-保护套筒，65-丝杠；

7-吸能锚头，71-压杆，72-高强弹簧，73-螺纹结构，74-圆盘，75-圆筒；

8-注浆浆液；

9-通孔；

10-拉力段

11-压力段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1-8，本发明的用于围岩大变形的拉压耦合让压吸能注浆锚杆，它包括中空注浆锚杆6、锚杆锁紧装置、多个让压注浆装置5和吸能锚头7，其中：

所述的中空注浆锚杆6包括止浆塞4、中空的杆体61和保护套筒64，所述的保护套筒64紧紧套在杆体61上，设置保护套筒64的作用是为了防止流入钻孔的注浆浆液8与杆体61接触从而从根本上消除注浆浆液8与杆体61间的摩擦力；所述的中空的杆体61的空心作为浆液流通通道62，杆体61上设有若干第一注浆孔63，第一注浆孔63穿透保护套筒64与钻孔相通；所述的止浆塞4见图8，它为中部设有通孔的圆台体结构，其套设在孔口端的锚杆体上，用于封住钻孔口，防止漏浆。

所述的多个让压注浆装置5间隔套设在中空注浆锚杆6的杆体61上，让压注浆装置5表面设有第二注浆孔53，要求让压注浆装置5与锚杆杆体61之间可以相对滑动

所述的吸能锚头7固定在中空注浆锚杆6的端部，用于为中空注浆锚杆6杆体61提供支护阻力，要求吸能锚头7的外径小于等于让压注浆装置5的外径；

所述的锚杆锁紧装置设在中空注浆锚杆6的自由端，其包括托盘3和紧固螺母2。从图7可以看出，托盘3为带有通孔9的外凸盘状结构，托盘3通过通孔9套设在锚杆杆体61后通过紧固螺母2和丝杠65锁紧，从而对锚杆整体施加一定的预紧力，托盘3为外凸盘状结构可起到让压作用。

具体的，所述的让压注浆装置5结构如图4所示，它包括筒状外壳51和设在筒状外壳51内的活塞环52，筒状外壳51套在保护套筒64上，活塞环52固定套设在锚杆杆体61的保护套筒64上，要求活塞环52外径与筒状外壳51内经相适应且能沿着筒状外壳51下滑，从而使得筒状外壳51的侧壁和保护套筒64之间形成了注浆空间，第二注浆孔53设在筒状外壳51表面，在第二注浆孔53上设有压力膜片54，设置压力膜片54的作用是为了让筒状外壳51的浆液压力达到一定程度时注浆浆液8才可以从第二注浆孔53注入钻孔中。

具体的，所述的吸能锚头7结构如图5-6所示，包括圆筒75、压杆71和多根高强弹簧72；所述的圆筒75顶端封闭、底端设有中心孔，圆筒75的外径小于等于筒状外壳51的外径；所述的压杆71设在圆筒75内，它是一个顶部带圆盘74的杆状结构，压杆71底部从圆筒75中心孔穿出后焊接在中空注浆锚杆6端部，多根高强弹簧72围绕在压杆71的周圈，高强弹簧72的上下两端分别固定在圆盘74下部和圆筒75的底端。从图5还可以看出，吸能锚头7的圆筒75外壁设为粗糙状，优选图5所示的螺纹结构73。在本实施例中，压杆71底部焊接在中空注浆锚杆6杆体61端部，但是并不意味着焊接是唯一的固定方式，本发明的压杆71也可以通过螺纹连接的方式与中空注浆锚杆6的杆体61端部固定，在实际中，压杆71也可以做成和锚杆杆体61一体的结构，这时，锚杆杆体61端部伸入圆筒75固定在圆盘74下部。

具体的，本发明的保护套筒64为PPR套筒，吸能锚头7的圆筒75、让压注浆装置5的筒状外壳51、托盘3和紧固螺母2均为耐腐蚀的金属材质。

下面叙述本发明拉压耦合让压吸能注浆锚杆用于围岩大变形时的的工作方法，具体包括以下步骤：

第一步：钻孔

在待支护的围岩大变形岩体上打钻孔，其中钻孔的孔径应保证拉压耦合让压吸能注浆锚杆送进钻孔后让压注浆装置能被钻孔壁紧紧挤住；

第二步：安装锚杆

用锚杆安装机将安装有吸能锚头7的中空注浆锚杆6连同锚固剂药卷一同送入孔底，锚固剂药卷受到吸能锚头7的挤压发生破裂，待孔底锚固剂凝固后，在中空注浆锚杆6后部装入止浆塞4，之后安装托盘3并拧紧紧固螺母2，然后在中空注浆锚杆6的杆体61后部塞上堵浆塞1，此时紧固螺母2不仅对托盘3起到固定作用，还对中空注浆锚杆6施加了一定的预紧力；

第三步：向钻孔中注浆

当监测到围岩发生大变形时进行注浆施工，注浆施工时，首先将堵浆塞1卸下，然后将注浆器连接在中空注浆锚杆6杆体61上进行注浆施工，在注浆过程中，一部分注浆浆液8通过中空注浆锚杆6上的第一注浆孔63进入到让压注浆装置5内部，一部分直接通过第一注浆孔63进入围岩裂隙中进行支护，在支护过程中由于围岩变形较大，而且让压注浆装置5的筒状外壳51被钻孔壁紧紧挤压，促使中空注浆锚杆6受拉带动活塞环52向孔口端运动，促使挤压让压注浆装置5内部的注浆浆液8，使得注浆浆液8的压力升高，从而实现围岩变形能向注浆浆液8压力能的转化；当让压注浆装置5内的浆液压力达到一定大小时，高压注浆浆液8鼓开压力膜片从第二注浆孔53喷出进入围岩裂隙，不仅实现了对围岩的实时补强注浆支护，还起到了逐级自动“让压”的作用；另外，当围岩变形量较大时，中空注浆锚杆6受拉向孔口端运动，带动吸能锚头7内部的压杆71一同向孔口端，挤压高强弹簧72，使中空注浆锚杆6的杆体61在保持较高工作阻力状态下受拉伸长，从而将围岩的变形能转化为高强弹簧72的弹性势能，实现“吸能”的目的；当注浆完成后将堵浆塞1重新拧紧，防止注浆浆液8漏出。

本发明中，让压注浆装置5的拉压耦合让压机理是：当围岩发生大变形时，中空注浆锚杆6所受拉力通过杆体61向外传递。当拉力传递到让压注浆装置5时，让压注浆装置5可将中空注浆锚杆6受到的集中力分别转换成拉力和压力，使得中空注浆锚杆6被分成若干个拉力段10和压力段11。其中在拉力段10上，中空注浆锚杆6所提供的锚固力由吸能锚头7和让压注浆装置5提供的拉力共同承担；在压力段11上，由于保护套筒64的阻隔使得中空注浆锚杆6杆体61与注浆浆液8无法直接接触，因此中空注浆锚杆6所提供的锚固力由注浆浆液8与围岩间的侧摩阻力和让压注浆装置5对注浆浆液8的压力共同提供。有效改善了中空注浆锚杆6的受力状态，实现了应力的逐级分散，有效提高了锚固性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于围岩大变形的拉压耦合让压吸能注浆锚杆，其特征在于，它包括中空注浆锚杆、锚杆锁紧装置、多个让压注浆装置和吸能锚头，其中：

所述的中空注浆锚杆包括止浆塞、杆体和保护套筒；所述的保护套筒紧紧套在杆体上，设置保护套筒的作用是为了防止流入钻孔的浆液与杆体接触从而从根本上消除浆液与杆体间的摩擦力，在杆体上设有若干第一注浆孔，第一注浆孔穿透保护套筒与钻孔相通；

所述的多个让压注浆装置间隔套设在锚杆的杆体上，让压注浆装置表面设有第二注浆孔，第二注浆孔上设有压力膜；所述的让压注浆装置包括筒状外壳和设在筒状外壳内的活塞环；所述的筒状外壳紧紧套设在保护套筒上且保护套筒相对于筒状外壳可以滑动，所述的活塞环焊接固定在锚杆杆体上，要求活塞环外径与筒状外壳内径相适应且能沿着筒状外壳内壁向孔口端外移，从而使得筒状外壳的侧壁和保护套筒之间形成了注浆空间；第二注浆孔设在筒状外壳表面；

所述的吸能锚头固定在锚杆的端部，用于为锚杆杆体提供支护阻力；所述的吸能锚头包括一个圆筒、压杆和多根高强弹簧；所述的圆筒顶端封闭、底端设有中心孔，圆筒的外径小于等于筒状外壳的外径；所述的压杆设在圆筒内，其结构是一个顶部带圆盘的杆体，杆体底部从中心孔穿出后固定在锚杆端部；所述的多根高强弹簧围绕设在压杆的周圈，高强弹簧的上下两端分别固定在压杆顶部圆盘的下部和圆筒的底端；

所述的锚杆锁紧装置设在锚杆的自由端，其包括托盘和紧固螺母。

2.如权利要求1所述的用于围岩大变形的拉压耦合让压吸能注浆锚杆，其特征在于，所述的吸能锚头的圆筒外壁设为粗糙状。

3.如权利要求1所述的用于围岩大变形的拉压耦合让压吸能注浆锚杆，其特征在于，所述的保护套筒为PPR套筒。

4.如权利要求1所述的用于围岩大变形的拉压耦合让压吸能注浆锚杆，其特征在于，所述的压杆通过螺纹连接或者焊接的方式或者与中空注浆锚杆杆体一体的方式与中空注浆锚杆杆体端部固定。

5.如权利要求1所述的用于围岩大变形的拉压耦合让压吸能注浆锚杆，其特征在于，所述的吸能锚头的圆筒以及让压注浆装置的筒状外壳为耐腐蚀的金属材质。

6.一种利用权利要求1-5任一所述的拉压耦合让压吸能注浆锚杆用于围岩大变形的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：钻孔

在待支护的围岩大变形岩体上打钻孔，其中钻孔的孔径应保证拉压耦合让压吸能注浆锚杆送进钻孔后让压注浆装置能被钻孔壁紧紧挤住；

第二步：安装锚杆

用锚杆安装机将拉压耦合让压吸能注浆锚杆，连同锚固剂药卷一同送入孔底，锚固剂药卷受到吸能锚头的挤压发生破裂，待孔底锚固剂凝固后，在锚杆后部装入止浆塞，之后安装托盘并拧紧紧固螺母，然后在锚杆杆体后部塞上堵浆塞，此时紧固螺母不仅对托盘起到固定作用，还对注浆锚杆施加了一定的预紧力；

第三步：向钻孔中注浆

当监测到围岩发生大变形时进行注浆施工，首先将堵浆塞卸下，然后将注浆器连接在中空注浆锚杆杆体上进行注浆施工，在注浆过程中，一部分注浆浆液通过中空注浆锚杆上的第一注浆孔进入到让压注浆装置内部，一部分直接通过第一注浆孔进入钻孔并充填至围岩裂隙中；在支护过程中由于围岩变形较大，中空注浆锚杆受拉带动活塞环向孔口端运动，挤压让压注浆装置内部的注浆浆液，使得注浆浆液的压力升高，从而实现围岩变形能向注浆浆液压力能的转化；当让压注浆装置内的浆液压力达到一定大小时，高压注浆浆液鼓开压力膜从第二注浆孔喷出进入围岩裂隙中，不仅实现了对围岩的实时补强注浆支护，还起到了逐级自动让压的作用；另外，当围岩变形量较大时，中空注浆锚杆受拉带动吸能锚头内部的压杆一同向孔口端运动，挤压高强弹簧，使锚杆杆体在保持较高工作阻力状态下受拉伸长，从而将围岩的变形能转化为弹簧的弹性势能，实现吸能的目的，当注浆完成后将堵浆塞重新拧紧，防止浆液漏出。

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