一种可扩展的扩孔自锚式锚杆及支护方法与流程

本发明设计一种锚杆及支护方法，尤其适用于煤矿井巷支护领域中煤层巷道帮部控制和快速掘进时使用的可扩展的扩孔自锚式锚杆及支护方法。

背景技术：

锚杆支护是煤层巷道支护的主要方式。目前，煤层巷道两帮采用树脂锚固技术支护，该技术有以下几个问题：第一、树脂锚固剂对煤体的适应性较差，煤体松软大变形使得树脂锚固剂的锚固效果不好；第二、由于粘锚力较低不能约束煤体松散变形，导致片帮严重；第三、煤壁钻孔易塌孔，成孔率低，树脂锚固剂安装不便，煤屑和锚固剂糅合进一步降低锚固效果；第四、工艺环节多，严重制约巷道掘进的速度；第五、杆体长度固定，对局部区域适应性差；第六、帮部一次性支护失效后，不能补强继续发挥作用，需要重新支护，反复扩刷巷道，增加工程量，难以适应新型矿井采掘接替的要求；也不能适应掘锚一体化的快速掘进技术。

普通的自钻自锚式锚杆由于结构复杂、成本较高、安装时间长等因素在煤矿巷道难以适用。专利(CN1054433150A)提出了一种用于注浆支护快速安装的自钻式锚杆，由于排屑通道窄，无法及时排出高速旋转钻进的钻头产生的大量碎屑，同时结构复杂，制造成本高；专利(CN1548659A)提出自钻式锚杆支护软土层的方法，由于其后续注浆工艺，要等浆液固化后才能预紧，不适应煤巷支护要求；专利(CN100497887C)提出一种用于顶板注浆的套管涨壳型自钻式中空锚杆，在帮部的横向钻孔中煤屑碎石制约涨壳机构发挥作用，仅适用于顶板，对片帮难以奏效。

当前煤层巷道帮部采用树脂药卷锚固支护技术，树脂锚固剂对松散煤体适应性差，煤壁易片帮、易塌孔，树脂药卷安放不便；帮部一次性支护失效后，不能补强继续发挥作用，需要重新支护，反复扩刷巷道，增加工程量；同时，受掘锚机等设备现场施工条件限制，以及巷道部分区域地质条件变化，对锚杆锚固长度要求有所不同，当前不能调节长度和锚固长度的；另外，由于钻孔、装药、安设锚杆、施加预紧力等工序制约了巷道的掘进速度，煤层巷道帮部支护亟需高效、简约的支护方法。

技术实现要素：

技术问题：针对上述技术问题，提供一种结构简单，可根据实际需要调整长度，便于支护失效后补强，使用方便的可扩展的扩孔自锚式锚杆及支护方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的可扩展的扩孔自锚式锚杆包括简易钻头、锚杆体，和预紧装置；

其中锚杆体包括多根钻进段杆体，多个连接套和设加长段杆体，多根钻进段杆体通过多 个连接套相互连接，并在尾部通过连接套连接加长段杆体，所述钻进段杆体内部设有轴向通孔，外侧设有大螺旋结构，钻进段杆体头部外侧设有顶端螺纹，尾部设有六棱连接部，钻进段杆体侧面设有多个与内部通孔连通的注浆孔，所述连接套内部设有连接套通孔，连接套一端内侧设有与钻进段杆体六棱连接部相匹配的六面连接部，另一端内侧设有与加长段杆体的顶端螺纹相匹配的螺纹连接部；

所述预紧装置为顺序设置在加长段杆体的锚固螺纹上的止浆塞、托盘和螺母。

所述的简易钻头为钢材加工的一次性钻头，钢材的强度超过钻进岩体强度的1.2倍，其外径小于螺旋杆体外径2mm-10mm。

所述连接套外径小于螺旋结构外径，包括六面连接部、连接套通孔、螺纹连接部。

所述多根加长段的长度在800mm-1500mm之间，所述的加长段杆体在600mm-1200mm之间。

一种扩孔自锚式锚杆支护方法，其步骤如下：

a.巷道掘进支护时，在需要加长支护的区域设计支护位置，先将简易钻头装配在第一根钻进段杆体上，第一根钻进段杆体的尾部六棱连接部直接与机载或者单体锚杆钻机的六方连接套连接，启动锚杆钻机后，利用简易钻头在锚杆钻机的驱使下一次扩孔破煤钻进，由于简易钻头的外径小于大螺旋杆体的外径，大螺旋结构在钻进过程中二次扩孔自锚；

b.当第一段钻进段钻入煤壁只尾部剩余200mm露在煤壁时停止，根据地质条件设计锚固长度，需要利用多根钻进段时，将锚杆钻机从第一段钻进段尾部拆下，利用连接套的六面连接部与第一段钻进段杆体六棱连接部匹配，把第二个钻进段通过顶端螺纹与连接套的螺纹连接部连接后，将锚杆钻机安装在第二个钻进段尾部，启动锚杆钻机，使第二段钻进段杆体钻入煤壁，其余钻进段依次类推设置；

c，完成钻进段安装后，用连接套的六面连接部与钻进段尾部的六棱连接部匹配，螺纹连接部与加长段杆体顶部螺纹连接，在加长段杆体的锚固螺纹上安装预紧装置，并用加长段杆体的杆尾六棱段与锚杆钻机连接，启动钻机钻进，当托盘与煤壁紧密接触，停止钻进完成加长段杆体的安装，重复上述步骤完成巷道掘进支护；

d.支护完成24h-48h之后，锚杆体上的大螺旋结构利用岩体自稳过程与煤体嵌固耦合，产生以嵌固力和摩擦力为主的工作锚固力，再次充分紧固装置的螺母，让托盘挤压煤壁，使杆体大螺旋结构径向与煤壁板状裂隙相互作用，抑制裂隙扩展发育。

e.当巷道结构松软或存在裂隙发育，则利用锚杆体的通孔及注浆孔滞后掘进迎头10～30m间隔注浆；

e.巷道投入使用后，受采动影响，根据矿压显现实际，进行补充注浆加固。

所述大螺旋结构沿钻进段杆体和加长段杆体全长布置；螺旋方向为右旋，螺旋角度在10°-60°之间；螺旋螺距在20mm-100mm之间，牙高在10mm-30mm之间，螺旋牙厚在2mm-20mm。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)利用杆体的大螺旋结构实现了扩孔自锚。同时利用岩体自稳过程嵌固在煤体中，通过螺旋杆体与煤体耦合作用产生的嵌固力形成工作锚固力，取代了树脂锚固剂，对控制煤巷帮部变形的适应性明显提高。

(2)简化帮部支护的施工工艺。自带钻头，扩孔自锚，实现钻锚一体化；提前组装，一次性安装，省去了钻孔、装药等程序，避免了钻不进去、塌孔、堵孔等问题，能有效提高帮部支护的速度。

(3)实现锚杆在巷道生命周期的不同阶段内针对矿压显现发挥多种功能。从巷道开挖到巷道服役，通过前期自钻自锚以及后期注浆加长锚固，有效约束帮部变形、片帮，实现钻锚一体化，能明显提高支护效能。

(4)分段式结构实现杆体长度和锚固长度的可调节，实现了分段加长锚固，解决了锚杆长度固定带来的各种问题，能适应掘锚机等设备现场施工要求，弥补了由于巷道地质条件变化不能及时调整锚杆长度的缺陷。

(5)有效控制片帮和松软煤巷的大变形。大螺旋结构径向抑制煤壁板状裂隙扩展发育，阻碍松散体脱落，能够显著控制煤壁片帮。

附图说明

图1为本发明的锚杆结构示意图

图2为本发明的钻进段杆体示意图

图3为本发明的加长段杆体示意图

图4为本发明的加长段杆体中A-A处剖视图。

图5为本发明的加长段杆体中B-B处剖视图。

图6为本发明的连接套纵向剖面图。

图中：1-简易钻头、2-大螺旋结构、3-钻进段杆体、4-六棱连接部、5-连接套、6-加长段杆体、7-注浆孔、8-止浆塞、9-托盘、10-螺母、11-顶端螺纹、12-锚固螺纹、13、螺母螺纹、14-杆尾六棱段、15-通孔、16、六面连接部、17-连接套通孔、18-螺纹连接部。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细说明：

如图1、图2和图3所示，本发明的可扩展的扩孔自锚式锚杆，包括简易钻头1、锚杆体， 和预紧装置；所述的简易钻头1为钢材加工的一次性钻头，钢材的强度超过钻进岩体强度的1.2倍，其外径小于螺旋杆体外径2mm-10mm，其中锚杆体包括多根钻进段杆体3，所述多根加长段3的长度在800mm-1500mm之间，所述的加长段杆体在600mm-1200mm之间，多个连接套5和设加长段杆体6，多根钻进段杆体3通过多个连接套5相互连接，并在尾部通过连接套5连接加长段杆体6，所述钻进段杆体3内部设有轴向通孔，外侧设有大螺旋结构2，钻进段杆体3头部外侧设有顶端螺纹11，尾部设有六棱连接部4，钻进段杆体3侧面设有多个与内部通孔连通的注浆孔7，所述连接套5内部设有连接套通孔17，如图4所示，连接套5一端内侧设有与钻进段杆体3六棱连接部4相匹配的六面连接部16；

如图5所示，另一端内侧设有与加长段杆体6的顶端螺纹12相匹配的螺纹连接部18，其中通孔15为杆体的中空，在施工过程中用于注水进行湿式钻孔，在矿压显现明显的地段，通孔15用来注浆加固；

如图6所示，所述连接套5外径小于螺旋结构外径，包括六面连接部16、连接套通孔17、螺纹连接部18。六面连接部(16)与钻进段杆位(4)快速连接，螺纹连接部(18)与加长段顶端螺纹连接。通过通孔(17)将两段杆体联通，便于湿式钻孔与后期注浆，钻进段、加长段的螺纹规格是一致。所述预紧装置为顺序设置在加长段杆体的锚固螺纹12上的止浆塞8、托盘9和螺母10。

所述简易钻头1外直径比锚杆杆体直径大3～8mm，所述简易钻头1设有与杆体相连的开口，开口周围设有多个凸起且向中心倾斜的尖刀，尖刀的顶部距钻头中心3mm～5mm，简易钻头1侧面设有用于将钻进产生的粉末排出钻头位置螺旋凹槽，凹槽的宽度为5mm～8mm，凹槽的深度为3mm～5mm。所述简易钻头1侧面在凹槽间隙处设有多个阻爪，所述阻爪包括槽腔、圆轴、高强阻隔板和强力弹簧，所述槽腔为高强阻隔板转动提供一个空间，槽腔底部一侧通过圆轴与高强阻隔板活动连接，高强阻隔板与槽腔底部之间设有强力弹簧，高强阻隔板利用强力弹簧弹起并通过圆轴可在槽腔里转动。

一种扩孔自锚式锚杆支护方法，其步骤如下：

a.巷道掘进支护时，在需要加长支护的区域设计支护位置，先将简易钻头1装配在第一根钻进段杆体3上，第一根钻进段杆体3的尾部六棱连接部4直接与机载或者单体锚杆钻机的六方连接套连接，启动锚杆钻机后，利用简易钻头1在锚杆钻机的驱使下一次扩孔破煤钻进，由于简易钻头1的外径小于大螺旋杆体的外径，大螺旋结构2在钻进过程中二次扩孔自锚；

b.当第一段钻进段3钻入煤壁只尾部剩余200mm露在煤壁时停止，根据地质条件设计锚 固长度，需要利用多根钻进段3时，将锚杆钻机从第一段钻进段3尾部拆下，利用连接套5的六面连接部16与第一段钻进段杆体3六棱连接部4匹配，把第二个钻进段3通过顶端螺纹11与连接套5的螺纹连接部18连接后，将锚杆钻机安装在第二个钻进段3尾部，启动锚杆钻机，使第二段钻进段杆体钻入煤壁，其余钻进段3依次类推设置；

c，完成钻进段安装后，用连接套5的六面连接部16与钻进段3尾部的六棱连接部4匹配，螺纹连接部18与加长段杆体6顶部螺纹12连接，在加长段杆体6的锚固螺纹上安装预紧装置，并用加长段杆体6的杆尾六棱段14与锚杆钻机连接，启动钻机钻进，当托盘9与煤壁紧密接触，停止钻进完成加长段杆体6的安装，重复上述步骤完成巷道掘进支护；

d.支护完成24h-48h之后，锚杆体上的大螺旋结构2利用岩体自稳过程与煤体嵌固耦合，产生以嵌固力和摩擦力为主的工作锚固力，再次充分紧固装置的螺母10，让托盘9挤压煤壁，使杆体大螺旋结构径向与煤壁板状裂隙相互作用，抑制裂隙扩展发育。

e.当巷道结构松软或存在裂隙发育，则利用锚杆体的通孔15及注浆孔7滞后掘进迎头10～30m间隔注浆；

e.巷道投入使用后，受采动影响，根据矿压显现实际，进行补充注浆加固。

所述大螺旋结构2沿钻进段杆体3和加长段杆体6全长布置；螺旋方向为右旋，螺旋角度在10°-60°之间；螺旋螺距在20mm-100mm之间，牙高在10mm-30mm之间，螺旋牙厚在2mm-20mm。