CN114941544B - 一种双重吸能锚杆及支护方法 - Google Patents

Abstract

一种双重吸能锚杆及支护方法，锚杆：辅杆体前部设有吸能腔体，其前端设有导向孔；挡板设在吸能腔体中，并与主杆体固接；传感器和弹簧套设在主杆体的外部，弹簧的两端分别抵接传感器和导向孔处的环形限位部；挡圈固接在辅杆体的后端外部；锥形杆体由小圆柱段、过渡段和大圆柱段组成；膨胀套管套设在小圆柱段的外部，其管身的后部开设有一对三角弧形开口，其管身的前端开设有一对梯形凹槽。方法：开设钻孔；装配吸能锚杆，并使二级吸能机构与围岩紧紧卡住形成锚固段，使外螺纹段外露一定长度；依次安装配件；利用一级吸能机构应对围岩浅部岩体的变形外突；利用二级吸能机构应对岩体的后续变形。该锚杆及支护方法吸能效果显著，支护能力可靠。

Description

一种双重吸能锚杆及支护方法

技术领域

本发明属于地下隧道及矿井巷道支护技术领域，具体是一种双重吸能锚杆及支护方法。

背景技术

锚杆支护是地下工程必不可少的支护形式，广泛应用于各类隧道施工、矿井巷道支护工程中。锚杆支护特点主要为主动支护，锚杆支护能促使围岩由载荷体转变为承载体，其可以使巷道浅部破碎围岩形成一个整体，并使软弱岩层与深部坚硬岩层形成整体。随着深部工程扰动及诱发的岩爆及冲击地压灾害的日渐严重，为了有效应对和预防上述灾害的发生，出现了很多的吸能锚杆。吸能锚杆通过设置杆体端部或尾部的吸能机构，能够在岩层受压后产生一定的让压吸能位移，进而可有效控制围岩的快速破坏。然而，传统的吸能锚杆，主要有存在以下不足：一是大部分在杆体的头部使用了锚固剂，在杆体的尾部设置吸能机构，而锚固剂的性能会直接影响锚杆的吸能效果，并且锚固剂在搅拌过程中产生的粉尘会对人体造成一定的伤害，同时，锚固剂自身的化学物质会对地下环境造成污染。二是传统的吸能锚杆通常只设置有一个吸能机构，进而只能完成一次吸能让压作业，这样，只能完成一次高应力扰动，不适用于长时的高应力扰动工况，适用性局限。现阶段，随着地下工程深度的逐渐增大，高应力扰动周期频繁，通常会出现多次的高应力扰动。因此，急需一种能适用于深部多种应力场扰动的环保型双重吸能锚杆。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种双重吸能锚杆及支护方法，该锚杆结构简单、制作成本低，吸能效果好，支护能力可靠，可有效控制围岩大变形，防治岩爆和冲击地压带来的灾害，能适用于深部多种应力场扰动的工况使用。该方法步骤简单，能有效提高支护工程的吸能效果和支护能力，能有效应对高应力的频繁扰动，同时，其环保性好，适用性广泛，便于大面积应用于各类工程支护中。

为了实现上述目的，本发明提供一种双重吸能锚杆，包括主杆体、辅杆体、挡板、传感器、弹簧、挡圈、锥形杆体和膨胀套管；

所述主杆体为等径杆体，其前端设置有外螺纹段；所述辅杆体为等径杆体，其前部的轴心处开设有轴向延伸的吸能腔体，其前端的轴心处开设有连通至吸能腔体的导向孔；所述导向孔的内径小于吸能腔体的内径，且与主杆体的外径相适配；在导向孔与吸能腔体的过渡部分形成环形限位部；所述吸能腔体通过导向孔同轴心的套设在主杆体后端的外部；所述挡板尺寸与吸能腔体的尺寸相适配，其轴向滑动的设置在吸能腔体中，且其前端与主杆体的后端固定连接；所述传感器为环形，其套设在主杆体的后端，且与挡板相贴合的设置；所述弹簧设置在吸能腔体中，且套设在主杆体的外部，其两端分别与传感器和环形限位部相抵接；所述主杆体的后端、辅杆体的前端、吸能腔体、弹簧、传感器和挡板形成一级吸能机构；

所述挡圈的外径大于辅杆体的外径，且同轴心的固定连接在辅杆体的后端外部；所述锥形杆体为变径杆体，其由小圆柱段、过渡段和大圆柱段组成，所述小圆柱段的外径小于挡圈的外径，其前端与辅杆体的后端同轴心的固定连接；所述过渡段的大径端和小径端分别与大圆柱段的前端和小圆柱段的后端同轴心的固定连接；所述膨胀套管轴向滑动的套设在小圆柱段的外部，且其前端的外径小于挡圈的外径；膨胀套管管身的后部径向相对的开设有一对三角弧形开口，其管身的前端径向相对的开设有一对梯形凹槽，一对梯形凹槽和一对三角弧形开口前后相对应的布置，所述三角弧形开口为沿轴线对称式的结构，其由位于管身中部的弧形头部、位于管身后部的三角形身部和位于管身后端的梯形尾部组成，所述三角形身部的一个顶角为前端，且与弧形头部的后端连通，其顶角所对应的边为后端且与梯形尾部的上底边的中部连通；所述挡圈、膨胀套管和锥形杆体形成二级吸能机构。

作为一种优选，还包括螺母、橡胶垫圈和托盘，所述螺母、橡胶垫圈和托盘依次由前到后的套设在外螺纹段的外部，且螺母通过螺纹配合与外螺纹段连接，橡胶垫圈和托盘与外螺纹段滑动配合。

进一步，为了使膨胀套管能稳固可靠的固定在深部坚硬的岩体中，所述膨胀套管管身的前部周向均匀的固定连接有四个球形铆钉，其管身的后部于一对三角弧形开口的两侧相对的固定连接有两个条形铆钉。

进一步，为了方便传感器数据的实时传输，所述主杆体的杆身表面沿长度方向开设有线槽，所述线槽的断面呈V型；所述传感器为有线型传感器，其信号线通过线槽延伸到主杆体的前端；所述信号线为光纤线缆。

进一步，为了有效提高吸能锚杆的支护能力和吸能效果，所述主杆体、辅杆体、挡板、挡圈和锥形杆体均采用45号钢制成，所述膨胀套管采用奥氏体A2制成。

作为一种优选，所述主杆体的直径为28mm，其长度为900mm；所述辅杆体的外径为38mm，其长度为700mm；所述导向孔的内径为28mm，其厚度为4mm；所述吸能腔体的长度为230mm，其内径为34mm；所述弹簧的外径为32mm，其常态下的轴向长度为180mm；所述挡板的直径为32mm，其长度为20mm；所述传感器的外径为32mm，其内径为28mm，其长度为10mm；所述挡圈的直径为38，其长度为20mm；所述小圆柱段的直径为32mm，其长度250mm；所述大圆柱段的直径为40mm，其长度为250mm；所述膨胀套管的外径为40mm，其内径为34mm，其长度为350mm；所述外螺纹段的直径为28mm，其长度为250~300mm；所述条形铆钉的高度为1mm，所述球形铆钉的高度为1mm；所述托盘的长度80mm，其宽度为80mm，其厚度为8mm；所述橡胶垫圈的内径为28mm，其外径为48mm；所述螺母为六角形，其外径为48mm，其内径为28mm。

进一步，为了使吸能锚杆的吸能效果最佳，同时，又能保证吸能锚杆具有最好的支护能力，所述一级吸能机构的长度不超过锚杆整体长度的五分之一，所述二级吸能机构的长度不超过锚杆整体长度的三分之一。

本发明中，在辅杆体的前部开设吸能腔体，并于吸能腔体中滑动的设置挡板，同时，使主杆体的后端穿过导向孔与挡板固定连接，使主杆体于吸能腔体中的部分套设有弹簧，可以在主杆体相对于辅杆体被拉动的过程中，通过压缩弹簧的方式来进行第一级吸能作用；通过在弹簧和挡板之间设置传感器，能便于实时采集到压力和位移信号，进而便于实时获得压力值和位移值；通过在辅杆体的后端固定连接有锥形杆体，并于锥形杆体的小圆柱段外部套设膨胀套管，可以在辅杆体相对于膨胀套管被拉动的过程中，利用膨胀套管的塑性变形来进行第二级吸能作用；通过在辅杆体的后端外部装配挡圈，可以对膨胀套管的前端进行限位；使膨胀套管的后部由前向后依次设置有弧形头部、三角形身部和梯形尾部，可以使膨胀套管拥有多级连续的塑性变形能力，且逐级连续的吸能效果依次增强，同时，使膨胀套管的前端设置一对梯形凹槽，可以在膨胀套管的塑性变性过程中使膨胀套管还能具有一定的收缩趋势，从而能使膨胀套管的整体长度进一步缩短，并使膨胀体积进一步增加，进一步提高了第二级吸能作用的效果。这样，该锚杆保具有双重吸能机构，在吸能锚杆中部的一级吸能机构作用结束后，吸能锚杆后部的二级吸能机构能够继续让压吸能，显著提高了吸能锚杆的支护能力与使用寿命。同时，本发明中吸能锚杆的中部采用了弹性吸能机理，吸能锚杆的后部采用了滑动膨胀式吸能机理，两次不同的吸能作业，分别将组合拱与悬吊梁作用机理进行了结合，提高了支护效果，适用于深部多种应力扰动场。本发明中的吸能锚杆结构简单、制作成本低，吸能效果好，支护能力可靠，可有效控制围岩大变形，防治岩爆和冲击地压带来的灾害，能适用于深部多种应力场扰动的工况使用。

本发明还提供了一种双重吸能支护方法，具体包括以下步骤：

步骤一：先在巷道围岩表面打钻孔至深部坚硬岩体中，并确保钻孔长度小于吸能锚杆的长度；

步骤二：再将单根吸能锚杆推进钻孔底部，并使二级吸能机构所在部分与围岩紧紧卡住形成锚固段，使主杆体前端的外螺纹段在钻孔口处外露一定长度；

步骤三：在外露的外螺纹段上进行配件的安装，依次安装托盘、橡胶垫圈和螺母，并将托盘与围岩紧密贴合，然后，利用锁具转动锁紧螺母，使吸能锚杆在钻孔内产生一定的预紧力，以完成单根吸能锚杆的施工；

步骤四：利用一级吸能机构的第一级吸能作用应对围岩浅部岩体的变形外突；

在高应力来压使围岩浅部岩体变形外突时，促使托盘带动主杆体在轴向上向外移动，进而带动挡板压缩弹簧并向靠近吸能腔体前端的方向滑动，使整根吸能锚杆的长度伸长，在弹簧的弹力克服被压缩的过程中，吸能锚杆中部的一级吸能机构起到第一级吸能的作用；随着高应力持续作用，弹簧持续被压缩，当弹簧的弹性达到极限时，一级吸能机构的第一级吸能作用失效，并作为一个刚性构件继续起到承担支护的作用，将围岩浅部破碎岩体锚固成一个整体；

步骤五：在高应力的多次扰动使一级吸能机构失效后，利用二级吸能机构的第二级吸能作用应对岩体的后续变形；

随着岩体变形产生的外拉力持续作用于主杆体，过渡段和大圆柱段开始沿轴向移动，并逐渐与膨胀套管发生相对滑动，其中，过渡段先逐渐被拉入膨胀套管中，膨胀套管受到径向挤压力的作用而沿径向发生膨胀产生塑性变形，膨胀套管的梯形尾部先膨胀涨开，随着大圆柱段逐渐进入膨胀套管，三角形身部会逐渐涨开，最后，弧形头部也逐渐涨开；在逐渐涨开产生的塑性变形过程中，吸能锚杆尾部的二级吸能机构起到第二级吸能的作用；当大圆柱段在膨胀套管中滑动至极限位置时，二级吸能机构的第二级吸能作用失效，此时，整根吸能锚杆成为一个刚性构件继续起到承担支护的作用，将浅部破碎围岩悬吊在深部坚硬岩体下。

进一步，为了使监控室内的工作人员能实时监测到吸能锚杆的受力变形情况，在步骤四和步骤五中，同步利用传感器实时采集应力和位移信号，并通过信号线传输至远程的客户端，客户端通过收到的应力和位移信号获得应力和位移值，并进行实时显示。

进一步，为了起到更好的支护效果，在步骤一中，钻孔的直径为42mm，钻孔的长度比吸能锚杆的长度小150~200mm；外螺纹段的外露长度为150~200mm。

本发明从高支护性能、广泛适用性和环保的角度出发，取代了传统使用锚固剂锚固的方法，并于锚杆中增设了两组吸能机构，提出了双重吸能支护方法。在一级吸能机构的作用过程中，充分利用了弹性吸能机理，能将围岩浅部破碎岩体进行锚固形成一个整体，类似组合拱理论，增强了岩体的强度和完整性；在二级吸能机构的作用过程中，充分利用了滑动膨胀式吸能机理，可以使锚杆具有相当于悬吊梁的作用，将浅部破碎围岩悬吊在深部坚硬岩体下，进而进一步增强了岩体的强度和完整性；本发明利用了一根吸能锚杆上的两组不同的吸能机构可完成两次吸能作业，进而可多次作用于高应力扰动带来的围岩变形，并且能将组合拱与悬吊梁作用的机理进行了有效结合，大大提高了吸能锚杆的让压吸能效果，并且显著提高了支护效果，可有效控制围岩大变形，防治岩爆和冲击地压带来的灾害。另外，本发明中的锚固段与围岩嵌入式的进行了结合，避免了传统锚固剂锚固段与围岩表面锚固脱节，使得锚固更加牢固。同时，避免了传统使用锚固剂作业搅拌时，造成的粉尘与刺鼻气体对人体的伤害；以及传统锚固剂所含有的化学物质，对地下水的污染。该方法步骤简单，能有效提高支护工程的吸能效果和支护能力，能有效应对高应力的频繁扰动，同时，其环保性好，适用性广泛，便于大面积应用于各类工程支护中。

附图说明

图1是本发明未装配膨胀套管的结构示意图；

图2是本发明在围岩中的装配示意图；

图3是本发明在围岩中的截面示意图；

图4是本发明中一级吸能机构的结构示意图；

图5是本发明中主杆体、弹簧、传感器和挡板的装配示意图；

图6是图5中主杆体中部的断面示意图；

图7是本发明中二级吸能机构的结构示意图；

图8是本发明中膨胀套管的结构示意图；

图9是本发明中托盘的结构示意图；

图10是本发明中橡胶垫圈的结构示意图；

图11是本发明中螺母的结构示意图；

图12是传统的锚杆的荷载与延伸量之间关系的曲线图；

图13是本发明中吸能锚杆的区域与延伸量之间关系的曲线图。

图中：1、主杆体，2、外螺纹段，3、辅杆体，4、挡圈，5、小圆柱段，6、大圆柱段，7、膨胀套管，8、托盘，9、橡胶垫圈，10、螺母，11、钻孔，12、线槽，13、围岩，14、梯形凹槽，15、梯形尾部，16、三角形身部，17、弧形头部，18、弹簧，19、挡板，20、信号线，21、传感器，22、球形铆钉，23、条形铆钉，24、吸能腔体，25、导向孔，26、环形限位部，27、锥形杆体, 28、过渡段，29、三角弧形开口， S1、一级吸能机构，S2、二级吸能机构。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图11所示，本发明提供了一种双重吸能锚杆，包括主杆体1、辅杆体3、挡板19、传感器21、弹簧18、挡圈4、锥形杆体27和膨胀套管7；

所述主杆体1为直杆体，且为等径杆体，其前端设置有外螺纹段2；所述辅杆体3为直杆体，且为等径杆体，其前部的轴心处开设有轴向延伸的吸能腔体24，其前端的轴心处开设有连通至吸能腔体24的导向孔25；所述导向孔25的内径小于吸能腔体24的内径，且与主杆体1的外径相适配；在导向孔25与吸能腔体24的过渡部分形成环形限位部26；所述吸能腔体24通过导向孔25同轴心的套设在主杆体1后端的外部；所述挡板19尺寸与吸能腔体24的尺寸相适配，其轴向滑动的设置在吸能腔体24中，且其前端与主杆体1的后端固定连接；所述传感器21为具有采集应力信号和位移信号功能的传感器，其为环形，其套设在主杆体1的后端，且与挡板19相贴合的设置；所述弹簧18设置在吸能腔体24中，且套设在主杆体1的外部，其两端分别与传感器21和环形限位部26相抵接；所述主杆体1的后端、辅杆体3的前端、吸能腔体24、弹簧18、传感器21和挡板19形成一级吸能机构S1；

所述挡圈4的外径大于辅杆体3的外径，且同轴心的固定连接在辅杆体3的后端外部；所述锥形杆体27为变径杆体，其由小圆柱段5、过渡段28和大圆柱段6组成，所述小圆柱段5的外径小于挡圈4的外径，其前端与辅杆体3的后端同轴心的固定连接；作为进一步优选，小圆柱段5的外径小于辅杆体3的外径；所述过渡段28的大径端和小径端分别与大圆柱段6的前端和小圆柱段5的后端同轴心的固定连接；所述膨胀套管7轴向滑动的套设在小圆柱段5的外部，且其前端的外径小于挡圈4的外径；膨胀套管7管身的后部径向相对的开设有一对三角弧形开口29，其管身的前端径向相对的开设有一对梯形凹槽14，一对梯形凹槽14和一对三角弧形开口29前后相对应的布置，所述梯形凹槽14为沿轴线对称式的结构；所述三角弧形开口29为沿轴线对称式的结构，其由位于管身中部的弧形头部17、位于管身后部的三角形身部16和位于管身后端的梯形尾部15组成，所述三角形身部16呈倾倒设置的等腰三角形，所述梯形尾部15呈倾倒设置的等腰梯形，三角形身部16的一个顶角为前端，且与弧形头部17的后端连通，其顶角所对应的边为后端且与梯形尾部15的上底边的中部连通；为了更好的提高吸能效果，作为一种优选，所述弧形头部17为带有一个条形缺口的圆形，并通过条形缺口与三角形身部16的前端连通；所述挡圈4、膨胀套管7和锥形杆体27形成二级吸能机构S2。

作为一种优选，还包括螺母10、橡胶垫圈9和托盘8，所述螺母10、橡胶垫圈9和托盘8依次由前到后的套设在外螺纹段2的外部，且螺母10通过螺纹配合与外螺纹段2连接，橡胶垫圈9和托盘8与外螺纹段2滑动配合。

为了使膨胀套管能稳固可靠的固定在深部坚硬的岩体中，所述膨胀套管7管身的前部周向均匀的固定连接有四个球形铆钉22，其管身的后部于一对三角弧形开口29的两侧相对的固定连接有两个条形铆钉23。作为一种优选，为了能使膨胀套管更稳固的卡在深部坚硬的岩体中，四个球形铆钉22位于一对梯形凹槽14和弧形头部17之间，两个条形铆钉23位于梯形尾部15的中段。

为了方便传感器数据的实时传输，所述主杆体1的杆身表面沿长度方向开设有线槽12，所述线槽12的断面呈V型；所述传感器21为有线型传感器，其信号线20通过线槽12延伸到主杆体1的前端；所述信号线20为光纤线缆。

为了有效提高吸能锚杆的支护能力和吸能效果，所述主杆体1、辅杆体3、挡板19、挡圈4和锥形杆体27均采用45号钢制成，所述膨胀套管7采用奥氏体A2制成。

作为一种优选，所述主杆体1的直径为28mm，其长度为900mm；所述辅杆体3的外径为38mm，其长度为700mm；所述导向孔25的内径为28mm，其厚度为4mm；所述吸能腔体24的长度为230mm，其内径为34mm；所述弹簧18的外径为32mm，其常态下的轴向长度为180mm；所述挡板19的直径为32mm，其长度为20mm；所述传感器21的外径为32mm，其内径为28mm，其长度为10mm；所述挡圈4的直径为38，其长度为20mm；所述小圆柱段5的直径为32mm，其长度250mm；所述大圆柱段6的直径为40mm，其长度为250mm；所述膨胀套管7的外径为40mm，其内径为34mm，其长度为350mm；所述外螺纹段2的直径为28mm，其长度为250~300mm；所述条形铆钉23的高度为1mm，所述球形铆钉22的高度为1mm；所述托盘8的长度80mm，其宽度为80mm，其厚度为8mm；所述橡胶垫圈9的内径为28mm，其外径为48mm；所述螺母10为六角形，其外径为48mm，其内径为28mm。

为了使吸能锚杆的吸能效果最佳，同时，又能保证吸能锚杆具有最好的支护能力，所述一级吸能机构S1的长度不超过锚杆整体长度的五分之一，所述二级吸能机构S2的长度不超过锚杆整体长度的三分之一。

本发明中，在辅杆体的前部开设吸能腔体，并于吸能腔体中滑动的设置挡板，同时，使主杆体的后端穿过导向孔与挡板固定连接，使主杆体于吸能腔体中的部分套设有弹簧，可以在主杆体相对于辅杆体被拉动的过程中，通过压缩弹簧的方式来进行第一级吸能作用；通过在弹簧和挡板之间设置传感器，能便于实时采集到压力和位移信号，进而便于实时获得压力值和位移值；通过在辅杆体的后端固定连接有锥形杆体，并于锥形杆体的小圆柱段外部套设膨胀套管，可以在辅杆体相对于膨胀套管被拉动的过程中，利用膨胀套管的塑性变形来进行第二级吸能作用；通过在辅杆体的后端外部装配挡圈，可以对膨胀套管的前端进行限位；使膨胀套管的后部由前向后依次设置有弧形头部、三角形身部和梯形尾部，可以使膨胀套管拥有多级连续的塑性变形能力，且逐级连续的吸能效果依次增强，同时，使膨胀套管的前端设置一对梯形凹槽，可以在膨胀套管的塑性变性过程中使膨胀套管还能具有一定的收缩趋势，从而能使膨胀套管的整体长度进一步缩短，并使膨胀体积进一步增加，进一步提高了第二级吸能作用的效果。这样，该锚杆保具有双重吸能机构，在吸能锚杆中部的一级吸能机构作用结束后，吸能锚杆后部的二级吸能机构能够继续让压吸能，显著提高了吸能锚杆的支护能力与使用寿命。同时，本发明中吸能锚杆的中部采用了弹性吸能机理，吸能锚杆的后部采用了滑动膨胀式吸能机理，两次不同的吸能作业，分别将组合拱与悬吊梁作用机理进行了结合，提高了支护效果，适用于深部多种应力扰动场。本发明中的吸能锚杆结构简单、制作成本低，吸能效果好，支护能力可靠，可有效控制围岩大变形，防治岩爆和冲击地压带来的灾害，能适用于深部多种应力场扰动的工况使用。

本发明还提供了一种双重吸能支护方法，具体包括以下步骤：

步骤一：先在巷道围岩13表面打钻孔11至深部坚硬岩体中，并确保钻孔11长度小于吸能锚杆的长度；

步骤二：再将单根吸能锚杆推进钻孔11底部，并使二级吸能机构S2所在部分与围岩13紧紧卡住形成锚固段，使主杆体1前端的外螺纹段2在钻孔11口处外露一定长度；

步骤三：在外露的外螺纹段2上进行配件的安装，依次安装托盘8、橡胶垫圈9和螺母10，并将托盘8与围岩13紧密贴合，然后，利用锁具转动锁紧螺母10，使吸能锚杆在钻孔11内产生一定的预紧力，以完成单根吸能锚杆的施工；

步骤四：利用一级吸能机构S1的第一级吸能作用应对围岩13浅部岩体的变形外突；

在高应力来压使围岩13浅部岩体变形外突时，促使托盘8带动主杆体1在轴向上向外移动，进而带动挡板19压缩弹簧18并向靠近吸能腔体24前端的方向滑动，使整根吸能锚杆的长度伸长，在弹簧18的弹力克服被压缩的过程中，吸能锚杆中部的一级吸能机构S1起到第一级吸能的作用；随着高应力持续作用，弹簧18持续被压缩，当弹簧18的弹性达到极限时，一级吸能机构S1的第一级吸能作用失效，并作为一个刚性构件继续起到承担支护的作用，将围岩13浅部破碎岩体锚固成一个整体；

步骤五：在高应力的多次扰动使一级吸能机构S1失效后，利用二级吸能机构S2的第二级吸能作用应对岩体的后续变形；

随着岩体变形产生的外拉力持续作用于主杆体1，过渡段28和大圆柱段6开始沿轴向移动，并逐渐与膨胀套管7发生相对滑动，其中，过渡段28先逐渐被拉入膨胀套管7中，膨胀套管7受到径向挤压力的作用而沿径向发生膨胀产生塑性变形，膨胀套管7的梯形尾部15先膨胀涨开，随着大圆柱段6逐渐进入膨胀套管7，三角形身部16会逐渐涨开，最后，弧形头部17也逐渐涨开；在膨胀过程中，膨胀套管（7）另一端的梯形凹槽（14）会有收缩趋势，膨胀过程中遵循材料体积守恒原理，膨胀套管（7）长度可缩短3%~4%，直径膨胀约20%~30%；在逐渐涨开产生的塑性变形过程中，吸能锚杆尾部的二级吸能机构S2起到第二级吸能的作用；当大圆柱段6在膨胀套管7中滑动至极限位置时，二级吸能机构S2的第二级吸能作用失效，此时，整根吸能锚杆成为一个刚性构件继续起到承担支护的作用，将浅部破碎围岩悬吊在深部坚硬岩体下。

为了使监控室内的工作人员能实时监测到吸能锚杆的受力变形情况，在步骤四和步骤五中，同步利用传感器21实时采集应力和位移信号，并通过信号线20传输至远程的客户端，客户端通过收到的应力和位移信号获得应力和位移值，并进行实时显示。

为了起到更好的支护效果，在步骤一中，钻孔11的直径为42mm，钻孔11的长度比吸能锚杆的长度小150~200mm；外螺纹段2的外露长度为150~200mm。

通过图12和图13中的对比曲线可知，传统吸能锚杆作用机理只具有一次吸能作用，而本发明中的双重吸能锚杆作用机理有两次吸能作用。

本发明从高支护性能、广泛适用性和环保的角度出发，取代了传统使用锚固剂锚固的方法，并于锚杆中增设了两组吸能机构，提出了双重吸能支护方法。在一级吸能机构的作用过程中，充分利用了弹性吸能机理，能将围岩浅部破碎岩体进行锚固形成一个整体，类似组合拱理论，增强了岩体的强度和完整性；在二级吸能机构的作用过程中，充分利用了滑动膨胀式吸能机理，可以使锚杆具有相当于悬吊梁的作用，将浅部破碎围岩悬吊在深部坚硬岩体下，进而进一步增强了岩体的强度和完整性；本发明利用了一根吸能锚杆上的两组不同的吸能机构可完成两次吸能作业，进而可多次作用于高应力扰动带来的围岩变形，并且能将组合拱与悬吊梁作用的机理进行了有效结合，大大提高了吸能锚杆的让压吸能效果，并且显著提高了支护效果，可有效控制围岩大变形，防治岩爆和冲击地压带来的灾害。另外，本发明中的锚固段与围岩嵌入式的进行了结合，避免了传统锚固剂锚固段与围岩表面锚固脱节，使得锚固更加牢固。同时，避免了传统使用锚固剂作业搅拌时，造成的粉尘与刺鼻气体对人体的伤害；以及传统锚固剂所含有的化学物质，对地下水的污染。该方法步骤简单，能有效提高支护工程的吸能效果和支护能力，能有效应对高应力的频繁扰动，同时，其环保性好，适用性广泛，便于大面积应用于各类工程支护中。

Claims (10)

1.一种双重吸能锚杆，包括主杆体（1），其特征在于，还包括辅杆体（3）、挡板（19）、传感器（21）、弹簧（18）、挡圈（4）、锥形杆体（27）和膨胀套管（7）；

所述主杆体（1）为等径杆体，其前端设置有外螺纹段（2）；所述辅杆体（3）为等径杆体，其前部的轴心处开设有轴向延伸的吸能腔体（24），其前端的轴心处开设有连通至吸能腔体（24）的导向孔（25）；所述导向孔（25）的内径小于吸能腔体（24）的内径，且与主杆体（1）的外径相适配；在导向孔（25）与吸能腔体（24）的过渡部分形成环形限位部（26）；所述吸能腔体（24）通过导向孔（25）同轴心的套设在主杆体（1）后端的外部；所述挡板（19）尺寸与吸能腔体（24）的尺寸相适配，其轴向滑动的设置在吸能腔体（24）中，且其前端与主杆体（1）的后端固定连接；所述传感器（21）为环形，其套设在主杆体（1）的后端，且与挡板（19）相贴合的设置；所述弹簧（18）设置在吸能腔体（24）中，且套设在主杆体（1）的外部，其两端分别与传感器（21）和环形限位部（26）相抵接；所述主杆体（1）的后端、辅杆体（3）的前端、吸能腔体（24）、弹簧（18）、传感器（21）和挡板（19）形成一级吸能机构（S1）；

所述挡圈（4）的外径大于辅杆体（3）的外径，且同轴心的固定连接在辅杆体（3）的后端外部；所述锥形杆体（27）为变径杆体，其由小圆柱段（5）、过渡段（28）和大圆柱段（6）组成，所述小圆柱段（5）的外径小于挡圈（4）的外径，其前端与辅杆体（3）的后端同轴心的固定连接；所述过渡段（28）的大径端和小径端分别与大圆柱段（6）的前端和小圆柱段（5）的后端同轴心的固定连接；所述膨胀套管（7）轴向滑动的套设在小圆柱段（5）的外部，且其前端的外径小于挡圈（4）的外径；膨胀套管（7）管身的后部径向相对的开设有一对三角弧形开口（29），其管身的前端径向相对的开设有一对梯形凹槽（14），一对梯形凹槽（14）和一对三角弧形开口（29）前后相对应的布置，所述三角弧形开口（29）为沿轴线对称式的结构，其由位于管身中部的弧形头部（17）、位于管身后部的三角形身部（16）和位于管身后端的梯形尾部（15）组成，所述三角形身部（16）的一个顶角为前端，且与弧形头部（17）的后端连通，其顶角所对应的边为后端且与梯形尾部（15）的上底边的中部连通；所述挡圈（4）、膨胀套管（7）和锥形杆体（27）形成二级吸能机构（S2）。

2.根据权利要求1所述的一种双重吸能锚杆，其特征在于，还包括螺母（10）、橡胶垫圈（9）和托盘（8），所述螺母（10）、橡胶垫圈（9）和托盘（8）依次由前到后的套设在外螺纹段（2）的外部，且螺母（10）通过螺纹配合与外螺纹段（2）连接，橡胶垫圈（9）和托盘（8）与外螺纹段（2）滑动配合。

3.根据权利要求2所述的一种双重吸能锚杆，其特征在于，所述膨胀套管（7）管身的前部周向均匀的固定连接有四个球形铆钉（22），其管身的后部于一对三角弧形开口（29）的两侧相对的固定连接有两个条形铆钉（23）。

4.根据权利要求3所述的一种双重吸能锚杆，其特征在于，所述主杆体（1）的杆身表面沿长度方向开设有线槽（12），所述线槽（12）的断面呈V型；所述传感器（21）为有线型传感器，其信号线（20）通过线槽（12）延伸到主杆体（1）的前端；所述信号线（20）为光纤线缆。

5.根据权利要求4所述的一种双重吸能锚杆，其特征在于，所述主杆体（1）、辅杆体（3）、挡板（19）、挡圈（4）和锥形杆体（27）均采用45号钢制成，所述膨胀套管（7）采用奥氏体A2制成。

6.根据权利要求5所述的一种双重吸能锚杆，其特征在于，所述主杆体（1）的直径为28mm，其长度为900mm；所述辅杆体（3）的外径为38mm，其长度为700mm；所述导向孔（25）的内径为28mm，其厚度为4mm；所述吸能腔体（24）的长度为230mm，其内径为34mm；所述弹簧（18）的外径为32mm，其常态下的轴向长度为180mm；所述挡板（19）的直径为32mm，其长度为20mm；所述传感器（21）的外径为32mm，其内径为28mm，其长度为10mm；所述挡圈（4）的直径为38，其长度为20mm；所述小圆柱段（5）的直径为32mm，其长度250mm；所述大圆柱段（6）的直径为40mm，其长度为250mm；所述膨胀套管（7）的外径为40mm，其内径为34mm，其长度为350mm；所述外螺纹段（2）的直径为28mm，其长度为250~300mm；所述条形铆钉（23）的高度为1mm，所述球形铆钉（22）的高度为1mm；所述托盘（8）的长度80mm，其宽度为80mm，其厚度为8mm；所述橡胶垫圈（9）的内径为28mm，其外径为48mm；所述螺母（10）为六角形，其外径为48mm，其内径为28mm。

7.根据权利要求6所述的一种双重吸能锚杆，其特征在于，所述一级吸能机构（S1）的长度不超过锚杆整体长度的五分之一，所述二级吸能机构（S2）的长度不超过锚杆整体长度的三分之一。

8.一种双重吸能支护方法，包括如权利要求7所述的一种双重吸能锚杆，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：先在巷道围岩（13）表面打钻孔（11）至深部坚硬岩体中，并确保钻孔（11）长度小于吸能锚杆的长度；

步骤二：再将单根吸能锚杆推进钻孔（11）底部，并使二级吸能机构（S2）所在部分与围岩（13）紧紧卡住形成锚固段，使主杆体（1）前端的外螺纹段（2）在钻孔（11）口处外露一定长度；

步骤三：在外露的外螺纹段（2）上进行配件的安装，依次安装托盘（8）、橡胶垫圈（9）和螺母（10），并将托盘（8）与围岩（13）紧密贴合，然后，利用锁具转动锁紧螺母（10），使吸能锚杆在钻孔（11）内产生一定的预紧力，以完成单根吸能锚杆的施工；

步骤四：利用一级吸能机构（S1）的第一级吸能作用应对围岩（13）浅部岩体的变形外突；

在高应力来压使围岩（13）浅部岩体变形外突时，促使托盘（8）带动主杆体（1）在轴向上向外移动，进而带动挡板（19）压缩弹簧（18）并向靠近吸能腔体（24）前端的方向滑动，使整根吸能锚杆的长度伸长，在弹簧（18）的弹力克服被压缩的过程中，吸能锚杆中部的一级吸能机构（S1）起到第一级吸能的作用；随着高应力持续作用，弹簧（18）持续被压缩，当弹簧（18）的弹性达到极限时，一级吸能机构（S1）的第一级吸能作用失效，并作为一个刚性构件继续起到承担支护的作用，将围岩（13）浅部破碎岩体锚固成一个整体；

步骤五：在高应力的多次扰动使一级吸能机构（S1）失效后，利用二级吸能机构（S2）的第二级吸能作用应对岩体的后续变形；

随着岩体变形产生的外拉力持续作用于主杆体（1），过渡段（28）和大圆柱段（6）开始沿轴向移动，并逐渐与膨胀套管（7）发生相对滑动，其中，过渡段（28）先逐渐被拉入膨胀套管（7）中，膨胀套管（7）受到径向挤压力的作用而沿径向发生膨胀产生塑性变形，膨胀套管（7）的梯形尾部（15）先膨胀涨开，随着大圆柱段（6）逐渐进入膨胀套管（7），三角形身部（16）会逐渐涨开，最后，弧形头部（17）也逐渐涨开；在逐渐涨开产生的塑性变形过程中，吸能锚杆尾部的二级吸能机构（S2）起到第二级吸能的作用；当大圆柱段（6）在膨胀套管（7）中滑动至极限位置时，二级吸能机构（S2）的第二级吸能作用失效，此时，整根吸能锚杆成为一个刚性构件继续起到承担支护的作用，将浅部破碎围岩悬吊在深部坚硬岩体下。

9.根据权利要求8所述的一种双重吸能支护方法，其特征在于，在步骤四和步骤五中，同步利用传感器（21）实时采集应力和位移信号，并通过信号线（20）传输至远程的客户端，客户端通过收到的应力和位移信号获得应力和位移值，并进行实时显示。

10.根据权利要求9所述的一种双重吸能支护方法，其特征在于，在步骤一中，钻孔（11）的直径为42mm，钻孔（11）的长度比吸能锚杆的长度小150~200mm；外螺纹段（2）的外露长度为150~200mm。

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