CN105041355B - 拉削式抗岩爆锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拉削式抗岩爆锚杆，包括观测标杆锚固螺母和抗岩爆装置，所述抗岩爆装置包括套管和拉削体，所述套管外壁左端与锚固螺母连接，所述套管右端头连接有止水螺母，所述套管内，从左至右依次为螺纹段、锥形拉刀置放段、容削导向段，所述螺纹段连接有封闭螺栓，所述容削导向段设置有径向的容屑槽和导向槽；所述拉削体包括左端穿置于套管内的刀杆，所述刀杆左端外壁上沿周向分布有拉刀和与导向键，所述拉刀的与容屑槽对应，所述导向键与导向槽对应，所述观测标杆一端穿过封闭螺栓连接在刀杆上。该锚杆结构简单、安全、易加工制作、能瞬间产生大变形、能够提供持续恒定的变形阻力、抗强冲击能力强、可靠性高。

Description

拉削式抗岩爆锚杆

技术领域

本发明涉及岩土工程锚固支护领域，特别是涉及岩爆防治领域。具体地指一种适用于有岩爆威胁的围岩支护中，对有效防治岩爆造成的损害具有现实意义的拉削式抗岩爆锚杆。

背景技术

岩爆是在高地应力条件下结构完整的硬脆性围岩开挖卸荷后在某些因素诱发下的动力失稳现象，时常造成地下工程的灾害性破坏，随着开采加深，岩爆加剧并频发是岩石力学与工程界共同认可的一个重大工程灾害。岩爆控制技术研究是最终目的，即针对岩爆发生的可能性与强弱程度以及其对工程的影响提出防治措施，消除或降低岩爆对采掘面工作人员和设备等可能造成的危害。

岩爆控制是世界性难题，近些年，随着人们对能量吸收锚杆和能量吸收支护理念的深入了解，能量吸收锚杆需求在全球不断扩大，各种类型的能量吸收锚杆已经在市场上出现，如Garford锚杆、Durabar锚杆、Yielding Secura锚杆和Roofex锚杆等。其中，澳大利亚Atlas Copco公司生产的Roofex锚杆是商业化程度较高和使用范围较广的吸能锚杆。但是，由于这些锚杆主要通过改变杆体材料属性或者通过点状摩擦结构来实现可延伸特性，锚杆的阻力和最大变形量远不能适应深部硬脆性围岩开挖卸荷后的大变形破坏。岩爆发生的瞬间释放的巨大能量和围岩的大变形，导致锚杆被拉断，从而失去功效。

公布号为CN 201857612 U，名称为“一种延-弹性抗岩爆锚杆”的中国实用新型专利申请公开了一种抗岩爆锚杆。改进了传统的锚杆形式和结构，把杆体自由段的一部分设计为波形，使杆体受拉后可伸长，并增加了一个消耗岩爆动能并提供锚固力的刚性弹簧。公布号为CN 201981537 U，名称为“水胀式弹性抗岩爆锚杆”的中国实用新型专利申请公开了一种抗岩爆锚杆。该锚 杆在水胀式锚杆的基础上，在锚杆的外端部增加了一个刚性弹簧装置，以解决岩爆时表层层裂化破碎围岩的弹射现象。但是，以上两种锚杆由于弹簧外露侵占巷道断面净空，有限的弹簧长度和锚杆伸长量限制了锚杆的阻力和最大变形量。

公布号为CN101858225A和CN102296604A，名称分别为“恒阻大变形锚杆”、“恒阻大变形缆索及其恒阻装置”的中国发明专利申请公开了基于负泊松比效应的恒阻大变形锚杆、缆索。具有负泊松比效应的结构需要特殊制作。

公布号为CN104100286A，名称为“一种恒阻大变形锚杆/锚索及其设计方法”的中国发明专利申请公开了一种切削套管式让压锚杆，其杆/索体是阶梯轴式结构体，包括大外径段和小外径段，套管套在大外径段外，环状刀具穿接在小外径段外部。杆/索体与套管产生轴向的相对位移时，通过刀具与套管小内径段的相互剪切作用实现变形让压能力。该产品主要缺陷是：刀具连续切削锚杆/锚索主体的大外径段时会产生切屑，切屑可能会影响阻力平衡分布，甚至无法拉拔。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种结构简单、安全、易加工制作、能瞬间产生大变形、能够提供持续恒定的变形阻力、抗强冲击能力强、可靠性高的拉削式抗岩爆锚杆，能有效快速吸收硬岩岩爆发生过程的能量。

为实现上述目的，本发明所设计的拉削式抗岩爆锚杆，包括观测标杆锚固螺母和抗岩爆装置，其特殊之处在于：所述抗岩爆装置包括套管和拉削体，所述套管外壁左端与锚固螺母连接，所述套管右端头连接有止水螺母，所述套管内，从左至右依次为螺纹段、锥形拉刀置放段、容削导向段，所述螺纹段连接有封闭螺栓，所述容削导向段设置有径向的容屑槽和导向槽；所述拉削体包括左端穿置于套管内的刀杆，所述刀杆左端外壁上沿周向分布有拉刀和与导向键，所述拉刀与容屑槽对应，所述导向键与导向槽对应，所述观测标杆一端穿过封闭螺栓连接在刀杆上。

进一步地，所述套管外壁上还连接有托盘，所述托盘位于锚固螺母右端，开口背向锚固螺母。安装时，托盘开口面与岩石表面接触，围岩变形时载荷通过托盘传递到锚杆杆体，充分发挥锚杆控制围岩变形的作用。

更进一步地，所述封闭螺栓内设置有封闭螺栓止水橡胶环。进一步防止渗水通过观测标杆进入腐蚀套管。

再进一步地，所述止水螺母与套管连接处设置有止水胶环。进一步防止渗水进入腐蚀套管。

再进一步地，所述容屑槽个数设置为偶数，两两沿套杆中心对称分布。

再进一步地，所述导向槽设置有1个，使导向键在向槽内滑动，保持拉削体不发生旋转。

再进一步地，所述拉刀为键槽式拉刀。

再进一步地，所述导向键为右端磨圆的长方体结构，方便随拉刀的作用向右滑动。

本发明的有益效果在于：锚杆结构主要包括锚固螺母、套管和拉削体三部分，结构简单；拉削体与套管产生轴向的相对位移时，拉刀连续行进式均匀切削套管内壁，能够提供持续恒定的变形阻力；岩爆使锚杆产生的拉力大于设计的恒定阻力时，拉刀快速切削套管，能瞬间产生大变形，迅速让压，从而有效吸收岩爆岩块的弹射能量。

附图说明

图1为本发明拉削式抗岩爆锚杆剖面结构示意图。

图2是图1中套管剖面示意图。

图3是图1中拉削体剖面示意图。

图4是图2的A-A'剖面示意图。

图5是图3的B-B'剖面示意图。

图6是拉刀纵断面示意图。

图中：观测标杆1、锚固螺母2，抗岩爆装置3，包括套管4，螺纹段4.1、锥形拉刀置放段4.2，容削导向段4.3，容屑槽4.31，导向槽4.32，被切削部分4.4，拉削体5，刀杆5.1，拉刀5.2，刃齿5.21，分屑槽5.22，齿升量5.23， 切削齿后角5.24，刃带5.25，切削齿前角5.26，导向键5.3，止水螺母6，止水胶环6.1，封闭螺栓7，封闭螺栓止水橡胶环7.1，托盘8。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图所示的拉削式抗岩爆锚杆，包括观测标杆1、锚固螺母2和抗岩爆装置3，其中，抗岩爆装置3包括套管4和拉削体5，套管4外壁左端与锚固螺母2连接，套管4右端头通过螺纹连接有止水螺母6，止水螺母6与套管4连接处设置有止水胶环6.1，以免渗进入套管4腐蚀套管4。套管4内，从左至右依次为螺纹段4.1、锥形拉刀置放段4.2、容削导向段4.3，所述螺纹段4.1连接有封闭螺栓7，封闭螺栓7上中心预留圆孔，便于观测标杆1穿过，圆孔中设置封闭螺栓止水橡胶环7.1，以免渗水通过圆孔腐蚀套管，容削导向段4.3设置有径向的容屑槽4.31和导向槽4.32，容屑槽4.31个数设置为偶数，两两沿套杆4中心对称分布，本发明中容削槽4.31设置有4个；拉削体5包括左端穿置于套管内的刀杆5.1，刀杆5.1左端外壁上沿周向分布有拉刀5.2和与导向键5.3，拉刀5.2与容屑槽4.31对应，导向键5.3与导向槽4.32对应，导向键5.3为右端磨圆的长方体结构，观测标杆1一端穿过封闭螺栓7的圆孔连接在刀杆5.1上。为了充分发挥锚杆控制围岩变形的作用，套管4外壁上还连接有托盘8，托盘8位于锚固螺母2右端，开口背向锚固螺母2，开口端与围岩表面接触。

其中，拉刀5.2、导向键5.3和刀杆5.1静联接；拉刀5.2的强度大于套管4的强度，以使拉削体5在套管4内移动时，拉刀5.2形状不变而套管4被切削部分4.4发生塑性变形；容屑槽4.31可在切削过程中容纳切屑；导向键5.3在切削过程中，在导向槽4.32内滑动，保持拉削体5不发生旋转；观测标杆1与刀杆5.1静联接，与刀杆5.1同步移动，可测得套管4与刀杆5.1相对位移量，对岩爆活动性全过程进行监测和预警，观测标杆1可采用柔性材料加工；

拉刀5.2刀头与套管4内壁紧接，拉刀5.2行进式切削套管4内壁的方式提供连续、恒定的阻力。当作用于拉削体5的拉力小于设计恒定的阻力时， 拉削体5与套管4不产生相对位移。当作用于拉削体5的拉力大于设计恒定的阻力时，拉削体5与套管4产生轴向的相对位移，拉刀5.2自套管4左端起连续行进式均匀切削套管4内壁，由此产生恒定、连续的变形阻力。拉刀5.2采用适宜金属切割的高速钢材料加工而成，套管4和刀杆5.1采用一般钢材加工而成。拉刀5.2与刀杆5.1静联接，对称安装在刀杆5.1上，可在套管4内对称切削套管4内壁，该设计能保证拉拔过程中产生的阻力沿刀杆5.1周向平衡分布。拉刀5.2连续行进式切削套管4的内壁时会产生切屑，容屑槽4.31可在切削过程中容纳切屑，保证阻力平衡分布，避免无法拉拔。刀杆5.1上的导向键5.3在切削过程中，在导向槽4.32内滑动，保持拉削体5与套管4不发生相对旋转，从而提供恒定的切削阻力。

本设计中用到的拉刀5.2为键槽式拉刀，拉刀5.2结构主要包括刃齿5.21和分屑槽5.22两部分，刃齿5.21的作用是切削套管4，分屑槽5.22的作用是把切削过程中产生的切屑分送到容屑槽4.31中。齿升量5.23为拉刀5.2相邻两刃齿5.21的高度差，齿升量5.23与齿数决定着切削厚度；切削齿后角5.24为拉刀刃齿5.21后面与拉削运动方向的夹角，切削齿后角5.24能减少刃齿5.21后面与被加工表面之间的摩擦；刃带5.25为刀刃与刀面保持相同尺寸的棱带，可以提高刀齿的耐用度；切削齿前角5.26为刃齿5.21前面与拉削运动方向的垂线所构成的夹角，对切削形成和卷曲，刀齿耐用度和切削力大小都有影响。

每个拉刀的齿数、齿升量、切削宽度以及拉刀的数量会影响恒定阻力的大小，拉刀数量、齿数越多，齿升量和切削宽度越大，其产生的阻力越大。拉刀的数量、拉刀的齿数、齿升量、切削宽度可通过试验优化确定。

本发明提供的拉削式抗岩爆锚杆采用拉刀行进式均匀切削套管内壁的方式提供连续、恒定的阻力。拉刀与套管之间的相互作用力复杂，在具体加工中，可以在确定锚杆实际需要的抗力的前提下，通过选择的拉刀和套管的材料确定拉刀的齿升量、齿距、切削齿前角、切削齿后角和刃带。基于此，本发明进一步提供上述锚杆的设计方法，具体技术方案包括确定拉刀(容屑 槽)数量n、拉刀同时工作齿数z、拉刀切削宽度b和容屑槽体积V_P的设计方法，具体技术方案依据如下步骤实施：

步骤1：选定锚杆材料，依据式子1确定拉刀(容屑槽)数量n、拉刀同时工作齿数z、拉刀切削宽度b：

F_c＝nF′_cbzK₁K₂K₃ (1)

式中，F_c-锚杆实际工程中需要的最大抗拔力，kN，由设计参数确定；

F′_c-单位长度切削刃上的切削力(N/mm)，根据套管材料和齿升量确定；

K₁K₂K₃-切削力修正系数，为无量纲参数，分别表示前角、切削液及刀齿磨损程度影响的修正系数，通常均取为1；

n-拉刀(容屑槽)数量；

b-拉刀切削宽度，mm；

z-同时工作齿数；

步骤2：容屑槽体积的设计：

容屑槽必须保证有足够的空间容纳切削，即

V_P/V_c＝K(2)

V_p-容屑槽的有效容积，mm³；

V_c-切屑体积，mm³；

K-容屑系数，为无量纲参数，其数值由切削厚度和套管材料确定；

步骤3：拉刀强度验算：

拉刀工作时主要是承受拉应力，其验算方法依据式3所示：

σ_b＝F_cmax/A_min≤[σ_b] (3)

σ_b-拉刀工作时承受的抗弯强度，Pa；

F_cmax-拉刀工作时承受的最大拉应力，kN；

A_min-拉刀上的最小断面积，mm²，一般在第一个齿的分屑槽处；

[σ_b]-拉刀钢材的抗弯强度，Pa，由材料参数确定；

步骤4：以步骤1确定的各设计参数组合为条件，依据式4验证：

[σ_c](A₁-A₂)≥F_c (4)

[σ_c]-套管钢材的抗拉强度，Pa，由材料参数确定；

A₁-切削前套管的断面面积，mm²；

A₂-被切除的套管断面面积，mm²。

上述拉削式抗岩爆锚杆的拉刀(容屑槽)数量n、拉刀同时工作齿数z、拉刀切削宽度b和容屑槽体积V_P设计方法中，为避免拉拔过程中偏心受力，拉刀对称安装在刀杆上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)提供了一种拉削式恒阻大变形抗岩爆锚杆；(2)锚杆的抗岩爆装置使用常规材料且加工制作简单；(3)锚杆可以通过改变套管长度控制变形量，通过改变材料、拉削刀具数量和拉削面积调控让压能力，结构简单、容易操控、抗强冲击能力强，耐久性较好；(4)本发明还提供了拉削式抗岩爆锚杆的设计方法，具体包括拉刀(容屑槽)数量n、拉刀同时工作齿数z、拉刀切削宽度b和容屑槽体积V_P设计方法；(5)总体上，本发明是一种适应高地应力硬脆性围岩开挖条件下，具备大变形与恒阻双重功能同时具有较高承载能力的针对性强、制作加工简单、操作简便的拉削式大变形锚杆。

Claims (9)

1.一种拉削式抗岩爆锚杆，包括观测标杆(1)、锚固螺母(2)和抗岩爆装置(3)，其特征在于：所述抗岩爆装置(3)包括套管(4)和拉削体(5)，所述套管(4)外壁左端与锚固螺母(2)连接，所述套管(4)右端头连接有止水螺母(6)，所述套管内，从左至右依次为螺纹段(4.1)、锥形拉刀置放段(4.2)、容削导向段(4.3)，所述螺纹段(4.1)连接有封闭螺栓(7)，所述容削导向段(4.3)设置有径向的容屑槽(4.31)和导向槽(4.32)；所述拉削体(5)包括左端穿置于套管内的刀杆(5.1)，所述刀杆(5.1)左端外壁上沿周向分布有拉刀(5.2)和导向键(5.3)，所述拉刀(5.2)与容屑槽(4.31)对应，所述导向键(5.3)与导向槽(4.32)对应，所述观测标杆(1)一端穿过封闭螺栓(7)连接在刀杆(5.1)上。

2.根据权利要求1所述的拉削式抗岩爆锚杆，其特征在于：所述套管(4)外壁上还连接有托盘(8)，所述托盘(8)位于锚固螺母(2)右端，开口背向锚固螺母(2)。

3.根据权利要求2所述的拉削式抗岩爆锚杆，其特征在于：所述封闭螺栓(7)内设置有封闭螺栓止水橡胶环(7.1)。

4.根据权利要求3所述的拉削式抗岩爆锚杆，其特征在于：所述止水螺母(6)与套管(4)连接处设置有止水胶环(6.1)。

5.根据权利要求4所述的拉削式抗岩爆锚杆，其特征在于：所述容屑槽(4.31)个数设置为偶数个，两两沿套杆(4)中心对称分布。

6.根据权利要求5所述的拉削式抗岩爆锚杆，其特征在于：所述导向槽(4.32)设置有1个。

7.根据权利要求6所述的拉削式抗岩爆锚杆，其特征在于：所述拉刀(5.2)为键槽式拉刀。

8.根据权利要求7所述的拉削式抗岩爆锚杆，其特征在于：所述导向键(5.3)为右端磨圆的长方体结构。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的拉削式抗岩爆锚杆，其特征在于：所述拉刀(5.2)为高速钢材拉刀，所述套杆(4)为常规钢材套杆，所述刀杆(5.1)为常规钢材套杆。