专利名称：套管涨壳型自钻式中空锚杆的制作方法
技术领域：
本发明属于岩土工程锚固支护领域。本发明涉及一种套管涨壳型自钻式中空锚杆，适用于煤矿巷道顶板的超前支护和永久支护。
背景技术：
锚杆支护作为一种有效的巷道支护方式，由于对巷道围岩强度的强化作用，可显著提高围岩的稳定性，加之具有支护成本较低、成巷速度快等优点，可提高矿井的经济效益，因而成为世界各国矿井巷道的一种主要的支护形式，代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。
早在20世纪40年代，美国、前苏联就已在井下巷道使用了锚杆支护，我国是从1956年起在煤矿岩巷中使用锚杆支护。几十年来，世界锚杆支护经历了如下发展历程1945～1950年，机械式锚杆研究与应用；1950～1960年，采矿业广泛采用机械式锚杆，并开始对锚杆支护进行系统研究；1960～1970年，树脂锚固剂锚杆推出并在矿山得到应用；1970～1980年，发明管缝式锚杆、胀管式锚杆并得到应用，同时研究新的方法，长锚索产生；1980～1990年，组合锚杆、桁架锚杆、特种锚杆等得到应用，树脂锚固材料得到改进；1990年～至今，树脂锚固剂锚杆已成为煤矿井下支护的主要形式。
目前树脂锚固剂锚杆作为煤矿巷道应用最广的锚杆，树脂锚固剂锚杆分为全长锚固和端头锚固两种形式，其锚固机理是通过搅拌后的树脂药卷将锚杆和围岩粘结在一起，达到粘结锚固的目的。虽然树脂锚固剂锚杆在煤矿巷道支护中应用广泛，但在应用过程中也存在一定问题，主要表现在一方面树脂锚固剂锚杆施工工艺繁琐，在延长了锚杆支护占用时间的同时，也增加了施工工人的安全隐患。其施工工艺为首先用锚杆钻机将孔钻好，然后放入树脂药卷，再把锚杆放入孔中用搅拌器进行搅拌，树脂药卷搅拌均匀并初步凝固后，最后对锚杆施加预紧力。另一方面树脂药卷搅拌后不能确定锚杆端头锚固的锚固位置，达不到预期的锚固效果；以及树脂锚固剂在遇到水后，其锚固力会显著降低。
虽然目前在铁路、公路隧道以及边坡治理中广泛应用一种自钻式注浆锚杆，但由于煤矿岩层的复杂性，这种锚杆在煤巷支护中无法应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的锚杆，解决目前煤巷锚杆支护过程中存在的问题，起到安全作业和快速支护的作用。
根据本发明，提供了一种套管涨壳型自钻式中空锚杆，该锚杆由一次性钻头、钢塞、涨壳、套管、中空杆体、托盘和螺母七部分组成，一次性钻头和钢塞固定联接在中空杆体上，涨壳和套管空套在中空杆体上，托盘在下端托住套管，由螺母将其固定。
所述的一次性钻头前端焊有硬质合金，该硬质合金可通过熔焊、软焊或硬焊等方法固定在结合部件上，可根据钻孔的深浅将硬质合金的耐磨寿命设计为1.5个孔；一次性钻头与锚杆体通过螺纹连接，钻入围岩后钻头不再取出。
所述的钢塞上端为圆柱形、下端为锥形，安装在钻头的下端，通过螺纹加焊接的方式与锚杆体连接在一起；涨壳为中空体，空套在锚杆体的外部，涨壳的前端内侧有倒角，其斜度与钢塞锥体斜度相同；钢塞的外表面和涨壳的倒角部分粗糙度小，便于钢塞挤入涨壳；装配时钢塞预先进入涨壳一部分，使钢塞外表面与涨壳倒角部位完全接触；当锚杆钻至设计深度后可立即对锚杆施加机械锚固力，从而对顶板起到了超前锚固作用。
所述的套管壁厚为3mm，在对锚杆施加预紧力时可借助套管防止涨壳下移，从而使涨壳涨开。
所述的中空锚杆体即为钻杆，钻进后杆体不必取出，减少了更换钻杆、放锚杆等工序，一定程度上节省了时间；中空锚杆体兼具进水和注浆功能，在不影响掘进的情况下通过中空杆体注浆，既对顶板岩层起到了永久支护作用，又减少了掘进机停机时间；中空锚杆体的前端通过螺纹和焊接的方式与钻头和钢塞连接，锚杆体的后端车有螺纹，可安装螺母，与锚杆钻机连接部分设计为外六方形。
所述的托盘为蝶形托盘，空套在锚杆体上可以托住套管；螺母安装在锚杆体下端，通过对螺母施加预紧可提供超前机械锚固力。
运用本发明的新型锚杆支护施工之前，在地面装配好套管涨壳型自钻式中空锚杆的各部件，在中空锚杆体自上而下安装有一次性钻头、钢塞、涨壳、套管、托盘和螺母，组成整套锚杆；支护施工时，直接将整套锚杆插入液压锚杆钻机或气动锚杆钻机的六方连接套中，开启锚杆钻机，由锚杆体的中孔注水进行湿式钻孔；当锚杆钻至设计深度，托盘贴住顶板时，停止钻孔；随后开始对螺母施加预紧力，通过杆体的下移迫使涨壳涨开，使涨壳的外壁与围岩紧紧结合在一起，起到机械超前锚固作用，完成锚杆的安装；最后支完应打锚杆后，掘进机继续前进，在不影响掘进机割煤的情况下，通过中空锚杆体进行后期注浆，以达到永久支护的目的。
由本发明公开的套管涨壳型自钻式中空锚杆与现有的煤巷支护锚杆相比，钻进速度较快，钻进过程中不存在干涉现象，钻进后杆体不再取出，避免了树脂锚杆施工中换钻杆、放锚杆、放药卷等繁琐工艺；锚杆在安装过程中，钻至设计深度后可立即对锚杆施加预紧力，锚杆安装时间减少，使施工工人在顶板未支护状态下工作时间缩短，一定程度上为施工工人提供了安全保障；锚杆钻至设计深度后给其施加的预紧力，可以给顶板提供快速承载能力，此快速承载力符合煤矿安全支护要求，防止了围岩的快速离层现象；在不影响掘进机掘进的情况下进行后期注浆，不仅使锚杆具有永久支护功能，还使掘进机的割煤时间延长，一定程度上解决了掘进机割煤与锚杆支护不批评问题，提高了经济效益。
图1本发明的锚杆结构示意2图1中所示中空杆体7的主视3图2中A-A处剖视4图2中B-B处剖视5图1中所示钢塞2的主剖视6图1中所示涨壳3的主视7图1中所示托盘5的主剖视图其中1——一次性钻头2——钢塞3——涨壳4——套管 5——托盘6——螺母7——中空杆体 8——中空杆体7的六棱外表面9——中空杆体7的与螺母连接螺纹 10——中空杆体7的与钻头和钢塞连接螺纹11——中空杆体7的中孔 12——钢塞2的锥表面13——涨壳3的斜齿 14——涨壳3的裂缝15——托盘5的内表面
具体实施例方式
如图1为本发明的自钻式锚杆结构示意图，本发明的锚杆由一次性钻头1、钢塞2、涨壳3、套管4、托盘5、螺母6和中空杆体7组成。一次性钻头1螺纹连接在中空杆体7的前端，钢塞2也通过螺纹与中空杆体7连接，同时进行焊接；涨壳3和套管4空套在中空杆体7上，套管4的下端由托盘5空套在中空杆体7上托住套管4，最下端由螺母6起到轴向固定。
如图2为中空杆体7的主视图，杆体与锚杆钻机连接部位设计为六棱外表面8，这种设计外形可以使锚杆与钻机直接结合，提高钻进效率；杆体与螺母的连接部位设计有螺纹9，螺纹段的长度根据预紧要求而定；在中空杆体7的另一端的外表面同样设计有螺纹10，此螺纹段的长度根据一次性钻头1和钢塞2的相关尺寸而定。图3和图4分别为中空杆体7在A-A处和B-B处的剖视图，其中11为中空杆体7的中孔，在钻进过程中用于注水进行湿式钻孔，在注浆锚固过程中通过中孔11注射水泥砂浆。
如图5为钢塞2的主视图，钢塞的下端设计为锥表面12，设计时保证与涨壳的紧密接触配合，在对锚杆施加预紧载荷和围岩破坏载荷时都是通过钢塞压入涨壳3中，迫使其涨开起到锚固作用。
如图6为涨壳3的主视图，涨壳的上端设计有斜齿13，并且均布有四个裂缝14将上端分为四瓣。斜齿13在锚固时可增大与围岩的摩擦从而使锚固性能提高，裂缝14可使钢塞2在压入涨壳3中时迫使涨壳更容易涨开。
如图7为托盘5的主剖视图，其外形设计为蝶形，这样可使托盘在承受载荷时通过其外形的变形可起到缓冲作用。托盘5的内表面15为球形，下端为平面，要求能够托住套管。
在施工之前将各部件按图1装配好，施工过程中首先将自钻式锚杆直接插入锚杆钻机的六方连接套中，锚杆钻机可采用气动或液压驱动方式；开动钻机对准顶板指定位置进行钻孔，钻进过程中通过中空杆体7注水湿式钻孔；当锚杆钻至设计深度，通过拧紧螺母6对锚杆施加预紧力，螺母6的旋进尺寸即为钢塞2下移尺寸，随着钢塞的下移迫使涨壳3涨开与围岩紧密接触；预紧结束后随着顶板围岩的自然离层锚杆将逐渐承受围岩的破坏载荷，使涨壳继续膨胀，锚固摩擦力继续提高；超前支护结束后，在不影响掘进机割煤的情况下再对所支的自钻式锚杆进行注浆，以确保自钻式锚杆的最终锚固性能。
权利要求
1.一种套管涨壳型自钻式中空锚杆，其特征在于该锚杆由(1)一次性钻头、(2)钢塞、(3)涨壳、(4)套管、(5)中空杆体、(6)托盘和(7)螺母七部分组成，一次性钻头和钢塞固定联接在中空杆体上，涨壳和套管空套在中空杆体上，托盘在下端托住套管，由螺母将其固定。
2.根据权利要求1所述的套管涨壳型自钻式中空锚杆，其特征在于所述(1)一次性钻头的设计寿命为钻1～2个孔，与中空杆体的联接为螺纹联接。
3.根据权利要求1所述的套管涨壳型自钻式中空锚杆，其特征在于所述(2)钢塞的下部为圆锥形，上部为圆柱形，与中空杆体通过螺纹联接并进行焊接；锚杆机械锚固时钻头联接处不受力，钢塞与中空杆体联接处受力。
4.根据权利要求1所述的套管涨壳型自钻式中空锚杆，其特征在于所述(3)涨壳为前端开有四个缝的钢管，并且在涨壳的外部加工由斜齿。
5.根据权利要求1所述的套管涨壳型自钻式中空锚杆，其特征在于所述(4)套管为具有一定壁厚的钢管，锚杆预紧时能够将涨壳顶开。
6.根据权利要求1所述的套管涨壳型自钻式中空锚杆，其特征在于所述(5)托盘为碟形托盘，空套在中空杆体上能够将套管托住。
7.根据权利要求1所述的套管涨壳型自钻式中空锚杆，其特征在于所述(6)中空杆体在锚杆钻进时用于注水，在后期加强锚固时用于注射水泥砂浆。
8.根据权利要求1所述的套管涨壳型自钻式中空锚杆，其特征在于施工过程中整套锚杆直接放置于锚杆钻机联接处，由中空杆体注水进行湿式钻孔，钻孔过程流畅；锚杆钻至设计深度后，在不更换其它机具的情况下，直接由锚杆钻机前端所设计的预紧装置进行预紧，实现机械锚固。
全文摘要
本发明涉及一种套管涨壳型自钻式中空锚杆，属于工程支护领域，它包括一次性钻头、钢塞、涨壳、套管、中空杆体、托盘和螺母七部分。一次性钻头联接在中空杆体的最前端，其寿命设计为钻一个孔；钢塞与中空杆体螺纹联接加焊接在一起，钢塞下端依次空套涨壳和套管；涨壳的上部开有四个缝，且外部加工有斜齿；托盘在下端托住套管，由螺母将其固定。本发明应用于煤矿巷道顶板支护，首先通过机械涨壳超前锚固达到快速承载要求，然后通过注射水泥砂浆实现全长锚固。本发明在施工过程中钻进和安装方便，改变了传统锚杆施工工艺，实现了煤巷支护的钻锚一体化，有助于煤巷的快速、安全支护。
文档编号E21D21/00GK101054901SQ20071011124
公开日2007年10月17日 申请日期2007年6月19日 优先权日2007年6月19日
发明者郑晓雯, 李涛, 吴淼, 孟国营, 刘建功, 张静凯 申请人:郑晓雯, 李涛, 吴淼