CN111648806B - 一种伞状结构吸能锚杆装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种伞状结构吸能锚杆装置，包括杆体，所述杆体一端设置有预紧系统，所述杆体另一端设置有第一支撑系统，所述杆体上设置有若干个第二支撑系统，所述第二支撑系统处于所述预紧系统与所述第一支撑系统之间；所述第二支撑系统包括第一伞状支撑系统、第二伞状支撑系统；所述第一伞状支撑系统靠近所述预紧系统的端部与所述杆体固接，所述第一伞状支撑系统远离所述预紧系统的端部与所述杆体螺纹连接；所述第二伞状系统与所述杆体螺纹连接。本发明使锚杆在岩爆、大变形围岩洞室支护的动静载荷下具有较高的强度和延展率，同时增加阻抗以达到吸能的目的。

Description

一种伞状结构吸能锚杆装置

技术领域

本发明涉及岩体力学及工程地质领域，特别是涉及一种伞状结构吸能锚杆装置。

背景技术

锚杆是一种将拉力载荷传递到稳定岩土层中以提高岩土截止自身稳定性和强度的支护系统。国家最高科技奖获得者钱七虎院士曾说过：二十一世纪是地下工程的世纪。近年来，随着矿业开采、核废物地质处置、西部地区水电开发、川藏铁路等国家重大工程的规划实施，工程的埋深逐渐加深，达到千米级别，地应力达到几十MPa，开挖过程中围岩一定范围内发生切向应力增加、径向卸荷，裂纹起裂、扩展贯通形成塑性区，最终引起岩爆、大变形等围岩破坏，造成巨大的经济损失。传统锚杆在围岩加固中效果并不理想，其不能实现对岩体渐进破坏的控制作用，导致在岩爆、大变形围岩洞室支护中出现锚杆拉断，或锚杆与孔壁滑脱失效等。这些深部高地应力特殊的围岩变形破坏对锚杆支护提出了更高要求，需要在动静荷载下具有较高的强度和延展率，同时，在锚杆轴向拉伸变形时具有横向膨胀效应，与孔壁结合紧密，以达到吸收能量、优化加固的目的。因此，需设计一种伞状结构吸能锚杆装置以解决现有技术存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种伞状结构吸能锚杆装置，以解决上述现有技术存在的问题，使锚杆在岩爆、大变形围岩洞室支护的动静载荷下具有较高的强度和延展率，同时增加阻抗以达到吸能的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种伞状结构吸能锚杆装置，包括杆体，所述杆体一端设置有预紧系统，所述杆体另一端设置有第一支撑系统，所述杆体上设置有若干个第二支撑系统，所述第二支撑系统处于所述预紧系统与所述第一支撑系统之间；

所述第二支撑系统包括第一伞状支撑系统、第二伞状支撑系统；

所述第一伞状支撑系统靠近所述预紧系统的端部与所述杆体固接，所述第一伞状支撑系统远离所述预紧系统的端部与所述杆体螺纹连接；所述第二伞状系统与所述杆体螺纹连接。

优选的，所述第一伞状支撑系统包括第一固定块、第一螺母和第一连接部，所述第一固定块与所述杆体套接，所述第一固定块两侧面设置有凸肩，所述凸肩固接在所述杆体上，所述第一螺母与所述杆体螺纹连接，所述第一连接部包括第一连接杆、第二连接杆，所述第二连接杆上滑动连接有滑套，所述滑套与所述第一连接杆一端铰接，所述第一连接杆另一端与所述第一螺母铰接，所述第二连接杆与所述第一固定块铰接。

优选的，所述第二伞状支撑系统包括第二螺母、第三螺母和第二连接部，所述第二螺母、第三螺母分别与所述杆体螺纹连接，所述第二连接部包括第三连接杆、第四连接杆、第五连接杆和第六连接杆，所述第三连接杆、第六连接杆的一端分别与所述第二螺母、第三螺母铰接，所述第三连接杆、第四连接杆、第五连接杆和第六连接杆分别依次首尾相连。

优选的，所述第一螺母、第三螺母开设的内螺纹方向相同，所述第二螺母、第三螺母开设的内螺纹方向相反。

优选的，所述第三连接杆、第四连接杆铰接处和所述第五连接杆、第六连接杆铰接处对称设置有Y形支撑架，所述第四连接杆、第五连接杆铰接处设置有锥形块，所述Y形支撑架、锥形块均以杆体轴心线为中心径向设置。

优选的，所述第一连接部、第二连接部均以杆体轴心线为中心圆形阵列排列。

优选的，所述第一支撑系统包括第二固定块，所述第二固定块上下两侧对称设置有胀壳片，两个所述胀壳片外侧固接有U形扣，两个所述胀壳片通过所述U形扣链接为一体，所述U形扣外侧通过扎带扎紧，所述第二固定块与所述杆体固接，所述第二固定块外侧开设有锥面，所述胀壳片靠近所述第二固定块的端部与所述锥面相适配，所述胀壳片内侧开设有内螺纹，所述第二固定块外侧开设有外螺纹，所述内螺纹与所述外螺纹相适配，所述胀壳片外侧间隔固接有若干个楔块。

优选的，所述U形扣左侧面开设有通孔，所述通孔内上下对称设置有弹簧、钢球，所述弹簧一端与所述通孔侧面固接，所述弹簧另一端与所述钢球固接，所述杆体穿过所述通孔，所述杆体靠近所述U形扣的端部开设有环形槽，所述环形槽与所述钢球相适配。

优选的，所述预紧系统包括托板、第五螺母，所述托板固接在所述杆体上，所述第五螺母与所述杆体螺纹连接。

优选的，所述杆体远离所述托板的端部固接有树脂搅拌器。

本发明公开了以下技术效果：

本发明通过设置第一支撑系统，并通过第二固定块与杆体固接，杆体自转带动第二固定块转动，第二固定块先通过锥面滑进胀壳片内侧，进而通过第二固定块外侧与胀壳片内侧螺纹连接，实现第二固定块逐步撑起胀壳片，通过胀壳片将围岩撑紧实现锚杆对围岩的第一次支撑，同时，通过胀壳片将U形扣完全挤压在围岩上，实现对U形扣的固定，杆体带动第二固定块撑起胀壳片的过程中，杆体整体往外移动一段距离，当第二固定块完全撑紧胀壳片后，杆体端部的环形槽刚好卡在U形扣通孔内的钢球中，实现对杆体端部与U形扣转动连接；

通过设置第二支撑系统，在锚杆插入围岩孔前转动第一螺母、第二螺母以及第三螺母使第一连接部、第二连接部合拢，在锚杆插入围岩孔后由于杆体与U形扣连接的端部已经与U形扣形成转动连接，此时将杆体处于围岩孔外部的端部转动，即可实现杆体的自转，在杆体自转时会带动第一螺母、第二螺母以及第三螺母在杆体上移动，由于第一螺母、第三螺母开设的内螺纹方向相同，第二螺母、第三螺母开设的内螺纹方向相反，进而第一连接部、第二连接部的伞状张开，第一连接部的第二连杆挤压为围岩层，同时第二连接部上固接的锥形块插进围岩中，实现对围岩的第二次支撑；

在遇到岩爆、大变形围岩洞室支护时，锚杆会发生轴向变形，由于轴向的变形会带动第二螺母、第三螺母微量的相离运动，则通过第二连接部的第三连杆将会对第四连杆产生径向的挤压力，使得伞状撑的更大，同时Y形支撑架也会对围岩产生支撑力，从而实现在锚杆变形时形成对围岩的第三次支撑；

本发明的锚杆在变形时由于伞状撑的更大，从而实现伞状支撑结构可在支护中锚杆变形时产生类似于负泊松比的结构变形，同时增加阻抗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种伞状结构吸能锚杆装置结构示意图；

图2为第一支撑系统、杆体结构示意图；

图3为第二支撑系统、杆体结构示意图；

图4为第一支撑系统中第二固定块撑起胀壳片后的结构示意图；

图5为预紧系统、杆体结构示意图。

其中，1为杆体，2为第一支撑系统，3为第二支撑系统，4为预紧系统，1.1为环形槽，2.1为第二固定块，2.2为胀壳片，2.3为U形扣，2.4为扎带，2.2.1为楔块，2.3.1为通孔，2.3.2为弹簧，2.3.3为钢球，3.1为第一固定块，3.2为凸肩，3.3为第一螺母，3.4为第一连接杆，3.5为第二连接杆，3.6为滑套，3.7为第二螺母，3.8为第三螺母，3.9为第三连接杆，3.10为第四连接杆，3.11为第五连接杆，3.12为第六连接杆，3.13为Y形支撑架，3.14为锥形块，4.1为托板，4.2为第四螺母。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-5，本发明提供一种伞状结构吸能锚杆装置，包括杆体1，所述杆体1一端设置有预紧系统4，所述杆体1另一端设置有第一支撑系统2，所述杆体1上设置有若干个第二支撑系统3，所述第二支撑系统3处于所述预紧系统4与所述第一支撑系统2之间；

所述第二支撑系统3包括第一伞状支撑系统、第二伞状支撑系统；

所述第一伞状支撑系统靠近所述预紧系统4的端部与所述杆体1固接，所述第一伞状支撑系统远离所述预紧系统4的端部与所述杆体1螺纹连接；所述第二伞状系统与所述杆体1螺纹连接。

进一步优选方案，所述第一伞状支撑系统包括第一固定块3.1、第一螺母3.3和第一连接部，所述第一固定块3.1与所述杆体1套接，所述第一固定块3.1两侧面设置有凸肩3.2，所述凸肩3.2固接在所述杆体1上，所述第一螺母3.3与所述杆体1螺纹连接，所述第一连接部包括第一连接杆3.4、第二连接杆3.5，所述第二连接杆3.5上滑动连接有滑套3.6，所述滑套3.6与所述第一连接杆3.4一端铰接，所述第一连接杆3.4另一端与所述第一螺母3.3铰接，所述第二连接杆3.5与所述第一固定块3.1铰接。

进一步优选方案，所述第二伞状支撑系统包括第二螺母3.7、第三螺母3.8和第二连接部，所述第二螺母3.7、第三螺母3.8分别与所述杆体1螺纹连接，所述第二连接部包括第三连接杆3.9、第四连接杆3.10、第五连接杆3.11和第六连接杆3.12，所述第三连接杆3.9、第六连接杆3.12的一端分别与所述第二螺母3.7、第三螺母3.8铰接，所述第三连接杆3.9、第四连接杆3.10、第五连接杆3.11和第六连接杆3.12分别依次首尾相连。

进一步优选方案，所述第一螺母3.3、第三螺母3.8开设的内螺纹方向相同，所述第二螺母3.7、第三螺母3.8开设的内螺纹方向相反。

进一步优选方案，所述第三连接杆3.9、第四连接杆3.10铰接处和所述第五连接杆3.11、第六连接杆3.12铰接处对称设置有Y形支撑架3.13，所述第四连接杆3.10、第五连接杆3.11铰接处设置有锥形块3.14，所述Y形支撑架3.13、锥形块3.14均以杆体1轴心线为中心径向设置，在第二连接部的伞状结构撑开时，锥形块3.14、Y形支撑架3.13均会对围岩孔产生挤压支撑作用。

进一步优选方案，所述第一连接部、第二连接部均以杆体1轴心线为中心圆形阵列排列。

进一步优选方案，所述第一支撑系统2包括第二固定块2.1，所述第二固定块2.1上下两侧对称设置有胀壳片2.2，两个所述胀壳片2.2外侧固接有U形扣2.3，两个所述胀壳片2.2通过所述U形扣2.3链接为一体，所述U形扣2.3外侧通过扎带2.4扎紧，所述第二固定块2.1与所述杆体1固接，所述第二固定块2.1外侧开设有锥面，所述胀壳片2.2靠近所述第二固定块2.1的端部与所述锥面相适配，所述胀壳片2.2内侧开设有内螺纹，所述第二固定块2.1外侧开设有外螺纹，所述内螺纹与所述外螺纹相适配，所述胀壳片2.2外侧间隔固接有若干个楔块2.2.1。

进一步优选方案，所述U形扣2.3左侧面开设有通孔2.3.1，所述通孔2.3.1内上下对称设置有弹簧2.3.2、钢球2.3.3，所述弹簧2.3.2一端与所述通孔2.3.1侧面固接，所述弹簧2.3.2另一端与所述钢球2.3.3固接，所述杆体1穿过所述通孔2.3.1，所述杆体1靠近所述U形扣2.3的端部开设有环形槽1.1，所述环形槽1.1与所述钢球2.3.3相适配，杆体1向外转动带动第二固定块2.1转动，第二固定块2.1先通过锥面滑进胀壳片2.2内侧，进而通过第二固定块2.1外侧与胀壳片2.2内侧螺纹连接，实现第二固定块2.1逐步撑起胀壳片2.2，通过胀壳片2.2将围岩撑紧实现锚杆对围岩的第一次支撑，同时，通过胀壳片2.2将U形扣2.3完全挤压在围岩上，实现对U形扣2.3的固定，在胀壳片2.2挤压U形扣2.3时将扎带2.4撑断，杆体1带动第二固定块2.1撑起胀壳片2.2的过程中，杆体1整体往外移动一端距离，当第二固定块2.1完全撑紧胀壳片2.2后，杆体1端部的环形槽1.1刚好卡在U形扣2.3通孔2.3.1内的钢球2.3.3中，实现对杆体1端部与U形扣2.3的转动连接。

进一步优选方案，所述预紧系统4包括托板4.1、第四螺母4.2，所述托板4.1固接在所述杆体1上，所述第四螺母4.2与所述杆体1螺纹连接，转动第四螺母4.2，使第四螺母4.2压紧托板，进而托板对围岩施压实现对杆体整体的固定。

进一步优选方案，所述杆体1远离所述托板4.1的端部固接有树脂搅拌器，在将锚杆整体插入围岩孔后，通过在围岩孔内灌注水泥砂浆或树脂锚固剂，并通过树脂搅拌器搅拌均匀更有利于凝固。

本发明一种伞状结构吸能锚杆装置的工作原理：

将锚杆杆体1插入围岩孔前，首先拧动第一螺母3.3、第二螺母3.7和第三螺母3.8，由于第一螺母3.3与第一连接杆3.4铰接，第二连接杆3.5通过滑套3.6与第二连接杆3.5滑动连接，第二连接杆3.5与第一固定块3.1铰接，第一固定块3.1两侧面的凸肩3.2可以将第一固定块3.1卡在杆体1上，实现第一固定块3.1只能沿着杆体1轴向转动，通过拧动第一螺母3.3使得第一连接杆3.4与第二连接杆3.5合拢，同时，由于第三连接杆3.9、第四连接杆3.10分别与第二螺母3.7、第三螺母3.8铰接，第三连接杆3.9、第四连接杆3.10、第五连接杆3.11、第六连接杆3.12之间首尾铰接，通过拧动第二螺母3.7、第三螺母3.8使得第三连接杆3.9、第四连接杆3.10、第五连接杆3.11、第六连接杆3.12合拢，第一伞状支撑系统、第二伞状支撑系统合拢后，将杆体1很容易的插入围岩孔中，然后转动杆体1，杆体1向外转动带动第二固定块2.1转动，第二固定块2.1先通过锥面滑进胀壳片2.2内侧，进而通过第二固定块2.1外侧与胀壳片2.2内侧螺纹连接，实现第二固定块2.1逐步撑起胀壳片2.2，通过胀壳片2.2将围岩撑紧实现锚杆对孔壁围岩的第一次支撑，同时，通过胀壳片2.2将U形扣2.3完全挤压在孔壁围岩上，实现对U形扣2.3的固定，U形扣2.3外侧通过扎带2.4将U形扣2.3和上下两个胀壳片2.2扎在一起，在胀壳片2.2挤压U形扣2.3时将扎带2.4撑断，杆体1带动第二固定块2.1撑起胀壳片2.2的过程中，杆体1整体往外移动一端距离，当第二固定块2.1完全撑紧胀壳片2.2后，杆体1端部的环形槽1.1刚好卡在U形扣2.3通孔2.3.1内的钢球2.3.3中，实现对杆体1端部与U形扣2.3的转动连接；紧接着，由于在锚杆插入围岩孔后杆体1与U形扣2.3连接的端部已经与U形扣2.3形成转动连接，此时将杆体1处于围岩孔外部的端部转动，即可实现杆体1在同一位置(即U形扣2.3通孔2.3.1内)的自转，在杆体1自转时会带动第一螺母3.3、第二螺母3.7以及第三螺母3.8在杆体1上移动，由于第一螺母3.3、第三螺母3.8开设的内螺纹方向相同，第二螺母3.7、第三螺母3.8开设的内螺纹方向相反，进而第一连接部、第二连接部的伞状张开，第一连接部的第二连接杆3.5挤压为围岩层，同时第二连接部上固接的锥形块3.14插进围岩中，实现对孔壁围岩的第二次支撑；在对孔壁围岩第二次支撑后，转动第四螺母4.2，使第四螺母4.2压紧托板，进而托板对孔壁围岩施压实现对杆体整体的固定。

在遇到岩爆、大变形围岩洞室支护时，锚杆会发生轴向变形，由于轴向的变形会带动第二螺母3.7、第三螺母3.8微量的相离运动，则通过第二连接部的第三连接杆3.9将会对第四连杆产生沿杆体1径向的挤压力，使得伞状撑的更大，同时Y形支撑架3.13也会对孔壁围岩产生支撑力，从而实现在锚杆变形时形成对围岩的第三次支撑。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种伞状结构吸能锚杆装置，其特征在于：包括杆体(1)，所述杆体(1)一端设置有预紧系统(4)，所述杆体(1)另一端设置有第一支撑系统(2)，所述杆体(1)上设置有若干个第二支撑系统(3)，所述第二支撑系统(3)处于所述预紧系统(4)与所述第一支撑系统(2)之间；

所述第二支撑系统(3)包括第一伞状支撑系统、第二伞状支撑系统；

所述第一伞状支撑系统靠近所述预紧系统(4)的端部与所述杆体(1)固接，所述第一伞状支撑系统远离所述预紧系统(4)的端部与所述杆体(1)螺纹连接；所述第二伞状支撑系统与所述杆体(1)螺纹连接；

所述第一支撑系统(2)包括第二固定块(2.1)，所述第二固定块(2.1)上下两侧对称设置有胀壳片(2.2)，两个所述胀壳片(2.2)外侧固接有U形扣(2.3)，两个所述胀壳片(2.2)通过所述U形扣(2.3)链接为一体，所述U形扣(2.3)外侧通过扎带(2.4)扎紧，所述第二固定块(2.1)与所述杆体(1)固接，所述第二固定块(2.1)外侧开设有锥面，所述胀壳片(2.2)靠近所述第二固定块(2.1)的端部与所述锥面相适配，所述胀壳片(2.2)内侧开设有内螺纹，所述第二固定块(2.1)外侧开设有外螺纹，所述内螺纹与所述外螺纹相适配，所述胀壳片(2.2)外侧间隔固接有若干个楔块(2.2.1)；

所述U形扣(2.3)左侧面开设有通孔(2.3.1)，所述通孔(2.3.1)内上下对称设置有弹簧(2.3.2)、钢球(2.3.3)，所述弹簧(2.3.2)一端与所述通孔(2.3.1)侧面固接，所述弹簧(2.3.2)另一端与所述钢球(2.3.3)固接，所述杆体(1)穿过所述通孔(2.3.1)，所述杆体(1)靠近所述U形扣(2.3)的端部开设有环形槽(1.1)，所述环形槽(1.1)与所述钢球(2.3.3)相适配。

2.根据权利要求1所述的一种伞状结构吸能锚杆装置，其特征在于：所述第一伞状支撑系统包括第一固定块(3.1)、第一螺母(3.3)和第一连接部，所述第一固定块(3.1)与所述杆体(1)套接，所述第一固定块(3.1)两侧面设置有凸肩(3.2)，所述凸肩(3.2)固接在所述杆体(1)上，所述第一螺母(3.3)与所述杆体(1)螺纹连接，所述第一连接部包括第一连接杆(3.4)、第二连接杆(3.5)，所述第二连接杆(3.5)上滑动连接有滑套(3.6)，所述滑套(3.6)与所述第一连接杆(3.4)一端铰接，所述第一连接杆(3.4)另一端与所述第一螺母(3.3)铰接，所述第二连接杆(3.5)与所述第一固定块(3.1)铰接。

3.根据权利要求2所述的一种伞状结构吸能锚杆装置，其特征在于：所述第二伞状支撑系统包括第二螺母(3.7)、第三螺母(3.8)和第二连接部，所述第二螺母(3.7)、第三螺母(3.8)分别与所述杆体(1)螺纹连接，所述第二连接部包括第三连接杆(3.9)、第四连接杆(3.10)、第五连接杆(3.11)和第六连接杆(3.12)，所述第三连接杆(3.9)、第六连接杆(3.12)的一端分别与所述第二螺母(3.7)、第三螺母(3.8)铰接，所述第三连接杆(3.9)、第四连接杆(3.10)、第五连接杆(3.11)和第六连接杆(3.12)分别依次首尾相连。

4.根据权利要求3所述的一种伞状结构吸能锚杆装置，其特征在于：所述第一螺母(3.3)、第三螺母(3.8)开设的内螺纹方向相同，所述第二螺母(3.7)、第三螺母(3.8)开设的内螺纹方向相反。

5.根据权利要求3所述的一种伞状结构吸能锚杆装置，其特征在于：所述第三连接杆(3.9)、第四连接杆(3.10)铰接处和所述第五连接杆(3.11)、第六连接杆(3.12)铰接处对称设置有Y形支撑架(3.13)，所述第四连接杆(3.10)、第五连接杆(3.11)铰接处设置有锥形块(3.14)，所述Y形支撑架(3.13)、锥形块(3.14)均以杆体(1)轴心线为中心径向设置。

6.根据权利要求3所述的一种伞状结构吸能锚杆装置，其特征在于：所述第一连接部、第二连接部均以杆体(1)轴心线为中心圆形阵列排列。

7.根据权利要求1所述的一种伞状结构吸能锚杆装置，其特征在于：所述预紧系统(4)包括托板(4.1)、第四螺母(4.2)，所述托板(4.1)固接在所述杆体(1)上，所述第四螺母(4.2)与所述杆体(1)螺纹连接。

8.根据权利要求7所述的一种伞状结构吸能锚杆装置，其特征在于：所述杆体(1)远离所述托板(4.1)的端部固接有树脂搅拌器。

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