一种循环式吸能让压大变形锚固装置及其使用方法

1.本发明涉及一种循环式吸能让压大变形锚固装置及其使用方法，尤其适用于地下工程锚固技术领域。


背景技术：

2.深部围岩稳定问题也逐渐凸显出来，破碎、易变形、易垮塌问题层出不穷。锚杆/索支护技术也在不断的进步，预应力锚杆/索技术在近些年不断改进，预应力锚固支护技术已经广泛应用于多个岩土加固与支护工程领域，积累了丰富的工程实践经验。
3.随着煤矿巷道数量和深度的不断增加，大规模的隧道工程建设面临的地质条件愈加复杂，地质稳定性问题尤其是围岩大变形问题经常出现。在围岩变形量较大的区域，锚索的弹性极限变形范围很多时候表现得很乏力，当锚索超过了自身的极限承载变形长度或者强度，锚索即发生破断失效，进而可能会造成地下工程安全事故的发生。所以要求锚索能够在围岩有大变形特点的条件下能够适应该条件，具备较大变形能力而自身不破断，继续发挥锚固效果，这类锚索将既能保证地下工程的安全稳定性，也能降低多次支护的成本。在软岩边坡、基坑、矿山巷道及深部地下工程等领域中，应用传统预应力锚索支护时，采用的钢绞线的屈服变形量仅为锚索体自由长度的3～5％，当围岩体变形较大，锚索将会受拉超过其屈服强度发生破断。同时，因孔口破裂围岩的变形可产生较大的横向剪切应力，进而可造成锚索体发生横向剪切破坏，导致锚索的抗拉强度不能得到充分利用。


技术实现要素：

4.技术问题：本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提供一种安装方便、安全稳定、可调节式吸收释放能量、实现多级让压效果的循环式吸能让压大变形锚固装置及其使用方法。
5.技术方案：为实现上述目的，本发明的一种循环式吸能让压大变形锚固装置，包括锚杆/索体，锚杆/索体上分为锚固段和三级让压段，其中三级让压端设有金属保护套筒，金属保护套筒内从靠近锚杆/索体尾部开始分别设有ⅰ级让压吸能装置、ⅱ级让压吸能装置和ⅲ级让压吸能装置；
[0006]ⅰ级让压吸能装置包括矩形结构的高强度钢板和凹槽式托盘，高强度钢板和凹槽式托盘中心处设有圆孔套在锚杆/索体，其中高强度钢板通过固定螺母固定在锚杆/索体尾端，凹槽式托盘设置在高强度钢板前端，高强度钢板和凹槽式托盘之间设有四根可折叠式弹簧套筒，可折叠式弹簧套筒两端为钢珠，中段为弹簧结构，其中高强度钢板和凹槽式托盘相对面上在高强度钢板四角上分别设有圆形凹槽，凹槽式托盘上设有四根对角设置的肋状滑槽，四根可折叠式弹簧套筒一端设置在高强度钢板的圆形凹槽中，另一端设置在凹槽式托盘的肋状滑槽中阻力滚动；
[0007]ⅱ级让压吸能装置包括橡胶缓冲垫板，橡胶缓冲垫板套在锚杆/索体上，橡胶缓冲垫板与凹槽式托盘肋状滑槽面的背面之间围绕锚杆/索体水平连接有多根压缩弹簧，每根
压缩弹簧中均设有一根与凹槽式托盘连接的防止压缩弹簧行程完全被压缩的金属柱；
[0008]ⅲ级让压吸能装置包括外压力缸，外压力缸内密封套有内压力缸，外压力缸内侧与内压力缸外侧形成密封腔体，密封腔体内在内压力缸与外压力缸之间设有通过压力可以在内压力缸外侧移动的橡胶环，内压力缸的前端开有多个泄油孔，密封腔体上设有向后延伸出来的换气管；内压力缸开口处设有活塞，活塞与胶缓冲垫板连接，内压力缸与活塞之间充满液压油；其中内压力缸圆心处设有锚孔，通过锚孔设置在锚杆/索体上。
[0009]
进一步，外压力缸前端内侧设有防止橡胶环移动到内压力缸端部脱落的限位销钉。
[0010]
进一步，换气管延伸至围岩体外，换气管上设有进气口，进气口出设有气压阀和压力计。
[0011]
进一步，橡胶环将密封腔体中的空间分隔为卸油腔和高压气腔，其中与内压力缸的泄油孔沟通的卸油腔，与换气管连接的为高压气腔。
[0012]
进一步，所述金属保护套筒为尾部单开口结构，开口处设有向外扩展的法兰结构，法兰结构上设有用以垫在围岩体上的固定铁块。
[0013]
进一步，位于ⅱ级让压吸能装置和ⅲ级让压吸能装置部分的锚杆/索体上包裹有塑料导管。
[0014]
一种循环式吸能让压大变形锚固装置的工作方法，其步骤如下：
[0015]
首先在围岩体上钻锚固孔，之后在锚固孔的基础上更换钻头钻取扩大孔，其中扩大孔的尺寸与金属保护套筒尺寸匹配；
[0016]
之后利用锚杆/索体向锚固孔孔底顶入树脂锚固剂并搅拌，将金属保护套筒放入锚固孔，并将三级让压吸能装置装入金属保护套筒；
[0017]
当围岩体变形从而使锚杆/索体开始变形，此时三级让压吸能装置跟随锚杆/索体开始进行让压吸能，具体来说：
[0018]ⅰ级让压吸能装置开始让压工作：凹槽式托盘受力被向内部被拉动，此时高强度钢板收到相同方向的力，高强度钢板受到的力传递给可折叠式套筒，可折叠式套筒内部的弹簧被挤压，且靠近托盘一端的钢珠在托盘表面的肋状卡槽内被挤压滑动至最边缘，接着继续压缩弹簧以吸能；
[0019]ⅱ级让压吸能装置开始让压工作：高强度钢板压至凹槽式托盘后挤压凹槽式托盘，凹槽式托盘将继续移动挤压设置在凹槽式托盘与橡胶缓冲垫板之间的压缩弹簧，压缩弹簧持续压缩直至长度缩短至于金属柱长度相同后，金属柱将顶到橡胶缓冲垫板，实现让压吸能作用，同时利用金属柱防止压缩弹簧被挤压过大而损失弹性；
[0020]ⅲ级让压吸能装置在ⅱ级让压吸能装置中的金属柱接触橡胶缓冲垫板继而施加作用力后开始正式启动，在此前活塞的运动相对很小并不会引起内外压力循环，活塞在橡胶缓冲垫板的推动作用下挤压内压力缸，由于ⅲ级让压吸能装置中的卸油腔的初始油压为2～3mpa，高压气腔的气压为0.5～1.0mpa，，当活塞运动内压力缸内的油压升至3～5mpa后，液压油就从泄油孔压处并挤压橡胶环，橡胶环，向外压力缸外侧移动亦会给高压空气实际的挤压力为3～5mpa，此时通过打开气压阀释放部分压缩空气降低高压气腔中的气压至0.5～1.0mpa，以实现锚杆/索体让压与释放围岩内部积聚能量的目的；
[0021]
最后持续观察压力计的读数，当高压气腔中的压力低于0.5mpa时，则适当充入部
分压缩空气使压力逐渐升至3～5mpa，通过推动橡胶环移动将液压油挤回内压力缸内；通过调节高压气腔中的压力来改变液压油的流动方向，同时液压油也会给活塞施加反向作用力，以实现循环式吸能、让压的作用。
[0022]
进一步，当围岩体变形从而使锚杆/索体开始变形时，ⅰ级让压吸能装置、ⅱ级让压吸能装置和ⅲ级让压吸能装置均启动工作，锚杆/索体在变形过程中拉动凹槽式托盘，凹槽式托盘与ⅰ级让压吸能装置、ⅱ级让压吸能装置和ⅲ级让压吸能装置均相连，其中第ⅲ级让压吸能装置开始真正进行循环吸能则需要在第ⅰ级让压吸能装置完全作用且第ⅱ级让压吸能装置中金属柱接触橡胶缓冲垫板后，在此之前第ⅲ级让压吸能装置中的活塞只是有相对较小的移动，内压力缸的压力少量增加，当在ⅰ级让压吸能装置、ⅱ级让压吸能装置完全作用后，ⅲ级让压吸能装置中活塞在锚杆/索体的继续变形所产生的运动中，挤压内压力缸的液压油使压力升高至3～5mpa后，液压油的油压将给外压力缸中传递压力，进入卸油腔的液压油推动橡胶环移动，压缩高压气腔内的压力，待压力升高至3～5mpa，通过气压阀释放气体将压力降至0.5～1mpa，给ⅲ级让压吸能装置留出缓冲空间，观察压力计的读数，当压力计上读数小于0.5mpa，则利用进气口充入气体使得气压升至3～5mpa；以此循环释放与充入气体调节气压，实现循环式吸能、让压效果。
[0023]
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明通过三级让压吸能装置的变形实现该装置的多级恒阻大变形让压功能，本发明能够适用于深部大变形煤巷、深埋隧道等地下工程领域。该装置可以在围岩发生大变形时，能够起到逐级让压作用，允许锚索体产生较大变形且不会导致装置的破坏失稳，此外，ⅲ级让压吸能装置能够调节内部压力的液压和气压缓冲，可以根据内部的压力大小输入或排出压缩空气进而调节内部压力大小，通过改变外压力缸内部橡胶圈的位置，进而达到循环式吸收围岩变形能量效果，具有防止冲击地压的功效，很好地保护围岩和支护装置二者的整体稳定。本发明具有吸能释能、多级让压、结构稳定、安全可靠等特点，能够满足深部煤矿巷道的大变形和冲击地压的要求，是一个稳定的大变形让压支护形式。结构简单，方便调节内部压力循环吸能，多级让压，实用效果好，具有广泛实用性。
附图说明
[0024]
图1为本发明实施例中的钻孔示意图；
[0025]
图2为本发明的金属保护套筒安装示意图；
[0026]
图3为本发明的金属保护套筒、塑料导管、特制托盘及锚索体布置图；
[0027]
图4为本发明循环式吸能让压大变形锚固装置的结构示意图；
[0028]
图5(a)为本发明中ⅰ级让压吸能装置中高强度钢板的结构示意图；
[0029]
图5(b)为本发明中ⅰ级让压吸能装置中凹槽式托盘的结构示意图；
[0030]
图5(c)为本发明中ⅰ级让压吸能装置中折叠式弹簧套筒的结构示意图；
[0031]
图6为本发明中ⅰ级让压吸能装置的左视图；
[0032]
图7(a)为本发明中ⅲ级让压吸能装置的内压力缸结构示意图；
[0033]
图7(b)为本发明中ⅲ级让压吸能装置的外压力缸结构示意图；
[0034]
图7(c)为本发明中ⅲ级让压吸能装置的左视图；
[0035]
图7(d)为本发明中ⅲ级让压吸能装置的右视图。
[0036]
图中：1-围岩体，2-高强度钢板，3-可折叠式弹簧套筒，4-凹槽式托盘，5-压缩弹簧，6-金属柱，7-橡胶缓冲垫板，8-活塞，9-泄油孔，10-橡胶环，11-气压阀，12-进气口，13-金属保护套筒，14-塑料导管，15-压力计，16-锚杆/索体，17-固定螺母，18-换气管，19-限位销钉，20-锚孔，21-扩大孔，22-内压力缸，23-外压力缸，24-固定铁块，25-液压油，26-树脂锚固剂。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图对发明的一个实施例作进一步的说明：
[0038]
如图4所示，本发明的一种循环式吸能让压大变形锚固装置，它包括锚杆/索体16，锚杆/索体16上分为锚固段和三级让压段，其中三级让压端设有金属保护套筒13，金属保护套筒13内从靠近锚杆/索体16尾部开始分别设有ⅰ级让压吸能装置、ⅱ级让压吸能装置和ⅲ级让压吸能装置；属保护套筒13为尾部单开口结构，开口处设有向外扩展的法兰结构，法兰结构上设有用以垫在围岩体1上的固定铁块24。位于ⅱ级让压吸能装置和ⅲ级让压吸能装置部分的锚杆/索体16上包裹有塑料导管14。
[0039]
如图5(a)、图5(b)、图5(c)和图6所示，ⅰ级让压吸能装置包括矩形结构的高强度钢板2和凹槽式托盘4，高强度钢板2和凹槽式托盘4中心处设有圆孔套在锚杆/索体16，其中高强度钢板2通过固定螺母17固定在锚杆/索体16尾端，凹槽式托盘4设置在高强度钢板2前端，高强度钢板2和凹槽式托盘4之间设有四根可折叠式弹簧套筒3，可折叠式弹簧套筒3两端为钢珠，中段为弹簧结构，其中高强度钢板2和凹槽式托盘4相对面上在高强度钢板2四角上分别设有圆形凹槽，凹槽式托盘4上设有四根对角设置的肋状滑槽，四根可折叠式弹簧套筒3一端设置在高强度钢板2的圆形凹槽中，另一端设置在凹槽式托盘4的肋状滑槽中阻力滚动；
[0040]ⅱ级让压吸能装置包括橡胶缓冲垫板7，橡胶缓冲垫板7套在锚杆/索体16上，橡胶缓冲垫板7与凹槽式托盘4肋状滑槽面的背面之间围绕锚杆/索体16水平连接有多根压缩弹簧5，每根压缩弹簧5中均设有一根与凹槽式托盘4连接的防止压缩弹簧5行程完全被压缩的金属柱6；
[0041]
如图7(a)、图7(b)、图7(c)和图7(d)所示，ⅲ级让压吸能装置包括外压力缸23，外压力缸23内密封套有内压力缸22，外压力缸23内侧与内压力缸22外侧形成密封腔体，密封腔体内在内压力缸22与外压力缸23之间设有通过压力可以在内压力缸22外侧移动的橡胶环10，内压力缸22的前端开有多个泄油孔9，密封腔体上设有向后延伸出来的换气管18；内压力缸22开口处设有活塞8，活塞8与胶缓冲垫板7连接，内压力缸22与活塞8之间充满液压油25；其中内压力缸22圆心处设有锚孔20，通过锚孔20设置在锚杆/索体16上。外压力缸23前端内侧设有防止橡胶环10移动到内压力缸22端部脱落的限位销钉19。换气管18延伸至围岩体1外，换气管18上设有进气口12，进气口12出设有气压阀11和压力计15。橡胶环10将密封腔体中的空间分隔为卸油腔和高压气腔，其中与内压力缸22的泄油孔9沟通的卸油腔，与换气管18连接的为高压气腔。
[0042]
一种循环式吸能让压大变形锚固装置的工作方法，其步骤如下：
[0043]
如图1～图4所示，首先在围岩体1上钻锚固孔20，之后在锚固孔21的基础上更换钻头钻取扩大孔21，其中扩大孔21的尺寸与金属保护套筒13尺寸匹配；
[0044]
之后利用锚杆/索体16向锚固孔20孔底顶入树脂锚固剂26并搅拌，将金属保护套筒13放入锚固孔21，并将三级让压吸能装置装入金属保护套筒13；
[0045]
当围岩体1变形从而使锚杆/索体16开始变形，此时三级让压吸能装置跟随锚杆/索体16开始进行让压吸能，具体来说：
[0046]ⅰ级让压吸能装置开始让压工作：凹槽式托盘4受力被向内部被拉动，此时高强度钢板2收到相同方向的力，高强度钢板2受到的力传递给可折叠式套筒3，可折叠式套筒3内部的弹簧被挤压，且靠近托盘一端的钢珠在托盘表面的肋状卡槽内被挤压滑动至最边缘，接着继续压缩弹簧以吸能；
[0047]ⅱ级让压吸能装置开始让压工作：高强度钢板2压至凹槽式托盘4后挤压凹槽式托盘4，凹槽式托盘4将继续移动挤压设置在凹槽式托盘4与橡胶缓冲垫板7之间的压缩弹簧5，压缩弹簧5持续压缩直至长度缩短至于金属柱6长度相同后，金属柱6将顶到橡胶缓冲垫板7，实现让压吸能作用，同时利用金属柱6防止压缩弹簧5被挤压过大而损失弹性；
[0048]ⅲ级让压吸能装置在ⅱ级让压吸能装置中的金属柱6接触橡胶缓冲垫板7继而施加作用力后开始正式启动，在此前活塞8的运动相对很小并不会引起内外压力循环，活塞8在橡胶缓冲垫板7的推动作用下挤压内压力缸22，由于ⅲ级让压吸能装置中的卸油腔的初始油压为2～3mpa，高压气腔的气压为0.5～1.0mpa，，当活塞8运动内压力缸22内的油压升至3～5mpa后，液压油25就从泄油孔9压处并挤压橡胶环10，橡胶环10，向外压力缸23外侧移动亦会给高压空气实际的挤压力为3～5mpa，此时通过打开气压阀11释放部分压缩空气降低高压气腔中的气压至0.5～1.0mpa，以实现锚杆/索体16让压与释放围岩内部积聚能量的目的；
[0049]
最后持续观察压力计15的读数，当高压气腔中的压力低于0.5mpa时，则适当充入部分压缩空气使压力逐渐升至3～5mpa，通过推动橡胶环10移动将液压油25挤回内压力缸22内；通过调节高压气腔中的压力来改变液压油25的流动方向，同时液压油25也会给活塞8施加反向作用力，以实现循环式吸能、让压的作用。
[0050]
具体的，当围岩体1变形从而使锚杆/索体16开始变形时，ⅰ级让压吸能装置、ⅱ级让压吸能装置和ⅲ级让压吸能装置均启动工作，锚杆/索体16在变形过程中拉动凹槽式托盘4，凹槽式托盘4与ⅰ级让压吸能装置、ⅱ级让压吸能装置和ⅲ级让压吸能装置均相连，其中第ⅲ级让压吸能装置开始真正进行循环吸能则需要在第ⅰ级让压吸能装置完全作用且第ⅱ级让压吸能装置中金属柱6接触橡胶缓冲垫板7后，在此之前第ⅲ级让压吸能装置中的活塞8只是有相对较小的移动，内压力缸22的压力少量增加，当在ⅰ级让压吸能装置、ⅱ级让压吸能装置完全作用后，ⅲ级让压吸能装置中活塞8在锚杆/索体16的继续变形所产生的运动中，挤压内压力缸22的液压油25使压力升高至3～5mpa后，液压油25的油压将给外压力缸23中传递压力，进入卸油腔的液压油25推动橡胶环10移动，压缩高压气腔内的压力，待压力升高至3～5mpa，通过气压阀11释放气体将压力降至0.5～1mpa，给ⅲ级让压吸能装置留出缓冲空间，观察压力计15的读数，当压力计15上读数小于0.5mpa，则利用进气口12充入气体使得气压升至3～5mpa；以此循环释放与充入气体调节气压，实现循环式吸能、让压效果。
[0051]
本发明的工作原理：ⅰ级让压吸能装置的折叠式弹簧套筒由折叠式套筒壳与其内径相同的弹簧组成，折叠式弹簧套筒一端连在高强度钢板的卡槽上，另一端连在凹槽式托盘上的肋状滑槽内，高强度钢板和凹槽式托盘间的锚索体为光滑。在锚索移动过程时，连在
凹槽式托盘内的一端在带肋状的滑槽内滑动，首先会在滑槽最边缘处停下，继而开始压缩可折叠式弹簧套筒，折叠式弹簧套筒拉着高强度垫板向凹槽式托盘移动，最终二者接触。根据权利要求1所述的一种循环式吸能让压大变形锚固装置，其特征在于：ⅱ级让压吸能装置由内部在凹槽式托盘上设有金属柱的弹簧组成，该装置可以在锚索体移动时压缩弹簧，待金属柱接触橡胶缓冲垫板后橡胶缓冲垫板起到缓冲作用，继而开始进行第ⅲ装置的让压。ⅲ级让压吸能装置由一个可调节内部压力的液压+气压缓冲装置组成，在ⅰ、ⅱ级让压吸能装置生效完，橡胶缓冲垫板压缩活塞，活塞挤压内容器内部的液压油，液压油由内容器底部的带有无数小孔的金属板压缩至外容器，外容器最初外侧2/3部分充满压缩空气，内侧可由内容器内部的液压油填充，二者之间为可移动的环状密封耐油橡胶环。在外容器最底端设有一圈的固定金属板，防止压缩空气压力太大压缩至外容器底端而破坏了与液压油的隔离效果。在外容器的下侧伸出一根金属管至围岩体外，金属管上设有一个气压阀和压力计，可以通过压力计读出外容器内部的压力，根据压力大小选择释放或者充入压缩空气调节内部与液压油的关系，达到一个可以调节内部活塞运动，充分吸收能量的作用。
[0052]
本发明的循环式吸能让压大变形锚固装置的方法由三级让压部分组成，所述的ⅰ级让压吸能装置如图3所示构件，从左向右依次为高强度钢板2、凹槽式托盘4及折叠式弹簧套筒3，所述的高强度钢板2在四个角设有4个卡扣可以连接折叠式弹簧套筒3的一端，在组装时高强度钢板2左侧固定螺母17或锁具17，左侧锚杆索体16为螺纹状，右侧锚杆索16至橡胶缓冲垫板7为光滑状，所述的可折叠式弹簧套筒3内部装有压缩弹簧5，套筒为可折叠类型，弹簧套筒3另一端为一钢珠可在滑槽41内滑动，所述的凹槽式托盘4上带有4个滑槽41，滑槽41内壁为肋状，对钢珠的移动具有阻力效果，凹槽式托盘4另一侧焊有4根金属柱6，分别置于上下左右4个方向。所述的ⅱ级让压吸能装置包括凹槽式托盘4、压缩弹簧5和橡胶缓冲垫板7组成，凹槽式托盘4会随着锚索向右侧移动，在移动过程中导致压缩弹簧5先压缩变形，在压缩弹簧5压缩至与金属柱6长度一齐时，金属柱6将触碰橡胶缓冲垫板7，橡胶缓冲垫板7起到缓冲作用，继而继续向锚孔20内侧挤压触发ⅲ级让压。所述的ⅲ级让压吸能装置为一个内部可调节压力的液压缓冲装置，详图如图4所示，该装置包括两个压力缸，内压力缸22和外压力缸23，内压力缸22包括活塞8、液压油以及含有泄油孔9的底板，外压力缸23是环绕内压力缸22的一个环状柱体容器，在外压力缸23底部有限位销钉19，在环状的内侧1/3处设有一个可移动的橡胶塞10，在最外侧为一根伸出围岩体1的换气管18，上面设有一个气压阀11、一个压力计15和一个换气口12，所述的外压力缸23内部包含靠近锚孔20外侧的压缩空气和靠近锚孔20内侧的液压油组成，压力计15用于读取换气管18内压缩空气的压力值，根据压力计15上读数的大小，调节内部压缩空气的压力，如果压力值太大，那么就是ⅲ级让压效果太强，活塞8向内侧移动过多，液压油从内压力缸22内被挤入外压力缸23内较多，此时可以适当打开气压阀11排出部分压缩空气，如果压力值太小则是ⅲ级让压效果不明显，活塞8还未移动很多，可以打开气压阀11向内部充入适量压缩空气，使外压力缸23外侧压力增大，这样外压力缸23内的液压油将会从泄油孔9被压入内压力缸22中，活塞8被挤压靠锚孔20外侧处，ⅲ级让压吸能装置体现这样一个循环调节内部压力的功能。
[0053]
综上所述，通过ⅰ、ⅱ、ⅲ级让压吸能装置发挥功能，本发明可以在围岩体发生大变形时，保护锚索体结构稳定提供恒定阻力，尤其是ⅲ级让压吸能装置可以通过调节内部压力来改变内部活塞位置，对煤巷发生变形时能吸收和释放能量，这对锚索体和装置的整体
稳定起到了一个保护作用。本发明适用于深部大变形巷道、冲击地压巷道等地下工程，该装置均位于钻孔内，不会造成锚固装置外露而利用围岩表面空间，有利于在地下工程中的推广应用。