專利名稱：一種預(yù)應(yīng)力全錨擠壓式錨固裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種預(yù)應(yīng)力全錨擠壓錨桿及方法，尤其是一種適用于煤礦井巷圍巖支 護(hù)或巖土工程加固用的精準(zhǔn)定位孔芯軸線的預(yù)應(yīng)力全錨擠壓錨桿及方法。
背景技術(shù)：
巷道圍巖的支護(hù)在煤礦開采中起到了重要的作用。其中，錨桿支護(hù)技術(shù)以其高可 靠性，高適應(yīng)性和性能優(yōu)異等一系列優(yōu)點(diǎn)而在國內(nèi)外各大礦區(qū)中得到廣泛應(yīng)用，尤其是樹 脂錨桿支護(hù)技術(shù)，自1958年由西德埃森采礦研究中心研制出樹脂錨固劑后，它就不斷得到 改進(jìn)和推廣。樹脂錨桿的錨固力大、可靠度高，樹脂錨固劑將孔壁與桿體緊緊粘結(jié)在一起， 可以采用端錨也可以采用全錨，國內(nèi)外試驗證明，全長錨固在一定程度上優(yōu)于端頭錨固，可 提聞圍巖強(qiáng)度和圍巖的自撐力。
另外一方面，錨固劑環(huán)形和厚度對錨桿錨固性能有很大影響。錨固劑粘結(jié)體的厚 度并非是越大越好，隨著環(huán)形厚度的增加，錨固劑對力學(xué)反應(yīng)敏感性逐漸下降，傳力不充 分。也就是說鉆孔的直徑和錨桿的直徑存在著最優(yōu)匹配問題，在鉆孔直徑和錨桿直徑之差 之間，存在著一個最佳粘結(jié)厚度值，也就是環(huán)形錨固劑的厚度，在這種差值下，錨桿的粘結(jié) 力最強(qiáng)，錨固效果最好。因此如何使鉆孔直徑與錨桿直徑實現(xiàn)合理匹配也曾一直是國內(nèi)外 研究的熱點(diǎn)，周寶生針對國產(chǎn)樹脂粘結(jié)劑環(huán)形厚度對錨固力的影響規(guī)律進(jìn)行了實驗研究， 得出當(dāng)環(huán)形厚度約為4. 5 5mm時，錨固劑的平均粘結(jié)強(qiáng)度為最大，約為4. 8MPa。其中PC Hagan等人在實驗室進(jìn)行了錨固劑環(huán)形厚度分別為2mm, 3mm, 4mm, 5_情況下的錨桿拉拔實 驗，實驗結(jié)果表明鉆孔與桿體最優(yōu)直徑差為6 8_，后來諸多學(xué)者通過多種試驗或者FLC3d 分析軟件也證實了這一結(jié)論。
但是，隨之而來的問題是現(xiàn)場工業(yè)性實驗的可行性，在錨桿的安裝中，傳統(tǒng)的方式 是鉆孔后塞入錨固劑，然后在鉆機(jī)的帶動下鉆進(jìn)錨桿，這種方式極難保證錨桿周邊環(huán)形錨 固劑厚度的均勻性，造成錨桿軸線和鉆孔軸線的偏離是極其容易的，由此帶來一系列的問 題比如錨桿偏心距增大，錨桿周圍樹脂錨固劑和鉆孔圍巖受力不均，甚至相差較大，導(dǎo)致 應(yīng)力集中，并對錨桿產(chǎn)生附加彎矩作用，穩(wěn)定性差。特別是對支護(hù)要求較高的煤巖巷或者深 井巷道，錨桿支護(hù)系統(tǒng)的牢靠性對正常安全生產(chǎn)管理影響極大。因此，合理控制鉆孔與錨桿 之間的直徑差很重要，但是同時保證錨桿的鉆孔中居中也是獲得優(yōu)異支護(hù)效果的不可缺少 的一個環(huán)節(jié)。
現(xiàn)有的鋪桿支護(hù)中，很少考慮到桿體周圍環(huán)形樹脂鋪固劑的厚度精確性問題，也 沒有較好的辦法控制鉆孔直徑和桿體直徑的相適應(yīng)問題，更沒有較好的辦法控制錨固劑的 攪拌均勻與否問題。發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中的不足，提供一種方法和結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn) 定性強(qiáng)、精準(zhǔn)定位、使用方便的預(yù)應(yīng)力全錨擠壓式錨固裝置及方法。
技術(shù)方案本發(fā)明的預(yù)應(yīng)力全錨擠壓式錨固裝置，包括內(nèi)徑略大于錨桿直徑的套管，套管的管壁上開有呈十字形交叉分布的多個透孔一，套管上間隔套裝有多個分漿環(huán)形塞，套管的前部對稱開有略大于透孔一的透孔二，套管前部內(nèi)設(shè)有活塞，活塞的前端部固有彈簧；所述的套管外部包覆有聚乙烯薄膜塑料膜。
所述透孔的形狀為橢圓孔、圓形孔或條形孔；所述分漿環(huán)形塞的厚度b為6 8mm η
利用上述裝置的預(yù)應(yīng)力全錨擠壓錨固方法
將凝膠時間不同的兩種樹脂錨固劑分別注入套管內(nèi)，活塞將套管分隔為前后兩部分，前部為凝膠時間3 4min的中速錨固劑，后部為凝膠時間15 20min的慢速錨固劑；
將裝有錨固劑的套管插入鉆孔中，使套管上套裝的多個分漿環(huán)形塞間隔分布，分段堵住鉆孔，
往套管內(nèi)插入錨桿，套管內(nèi)的兩種錨固劑從透孔中先后被擠出，兩種錨固劑分段充滿管壁和孔壁間的空隙，在中速錨固劑的作用下，使錨桿端頭實現(xiàn)快速錨固；
在錨桿的外露端施加張拉力，并安裝托盤和螺母，從而在錨桿桿體上實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力， 最終在慢速錨固劑的作用下，實現(xiàn)全長錨固。
有益效果由于本發(fā)明的套管外圍具有分漿環(huán)形塞且套管內(nèi)徑和錨桿外徑的吻合，因此本發(fā)明的定位鉆孔軸線的預(yù)應(yīng)力全錨擠壓式錨桿很好的解決了已有技術(shù)中錨桿軸線和鉆孔軸線不易重合、錨桿偏心造成兩側(cè)錨固劑厚度不同的難題。由于錨桿居于鉆孔正中位置，周圍的樹脂錨固劑和圍巖受力呈對稱均勻分布，避免了錨桿周圍的樹脂錨固劑和圍巖受力不均勻而導(dǎo)致應(yīng)力集中的現(xiàn)象，錨桿不再因偏心而受附加彎矩作用，支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定。
另外一方面，套管內(nèi)的樹脂錨固劑和固化劑已經(jīng)事先混勻并注入到套管中，錨固劑和固化劑充分混勻，改進(jìn)了傳統(tǒng)錨桿安設(shè)中采用鉆機(jī)鉆進(jìn)錨桿可能帶來的混合不均問題。錨桿安裝的時候直接敲入錨桿即可，由于套管內(nèi)徑和錨桿外徑的合理匹配，不需要太大的外力即可輕松打入錨桿。這樣一來就無需再用鉆機(jī)攪拌錨固劑，工人的勞動力量大大降低。
在錨固效果方面，由于套管中與彈簧相連的活塞的端部為中速錨固劑，外部的為慢速錨固劑，在端部已經(jīng)固化的時候外部的錨固劑仍沒有固化，這時候可以在錨桿的桿尾安設(shè)托盤施加合理的預(yù)緊力。待外部的錨固劑也固化之后，就形成了預(yù)應(yīng)力全錨錨桿，錨固性能卓越。由于套管中開孔是橢圓形的孔，錨桿可以充分與錨固劑結(jié)合，桿壁的錨固面積比較大。而且，由于套管上開的橢圓孔相鄰兩組之間的中心連線是相互垂直的，這樣能在桿體的內(nèi)部均衡應(yīng)力分布，避免桿體某部分應(yīng)力薄弱。特別是套管前端部的橢圓孔相對大一些， 這樣錨桿和錨固劑可以有更大的接觸面積，進(jìn)而提供更大的端部錨固力，由于此處處于套管端部且對套管的剛度要求不是過大，此處開口稍大并不影響套管整體穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中I 一套 管，2 —透孔一 ；3 —透孔二 ；4 一分漿環(huán)形塞；5 —活塞；6 —彈簧；7 — 中速錨固劑；8 —慢速錨固劑。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖中的實施實例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述
如圖1所示，本發(fā)明的預(yù)應(yīng)力全錨擠壓式錨固裝置，主要由套管1、分漿環(huán)形塞4、 活塞5 ;彈簧6構(gòu)成，套管I的內(nèi)徑略大于錨桿的直徑，套管I的管壁上開有呈十字形交叉分布的多個透孔一 2，套管I上間隔套裝有多個分漿環(huán)形塞4，附圖中為3個，根據(jù)套管長度高定個數(shù)，兩端部各一個，中間一個或二個；所述分衆(zhòng)環(huán)形塞4的厚度b為6 8mm。套管I 的前部對稱開有略大于透孔一 2的透孔二 3，所述透孔一 2和透孔二 3形狀為橢圓孔、圓形孔或條形孔。套管I前部內(nèi)設(shè)有活塞5，活塞5的前端部固有彈簧6 ;所述的套管I外部包覆有聚乙烯薄膜塑料膜。
利用上述裝置實現(xiàn)的預(yù)應(yīng)力全錨擠壓錨固方法
根據(jù)設(shè)計要求確定孔位并作出標(biāo)記，按照鉆孔規(guī)程鉆孔，而后用風(fēng)管將錨桿孔內(nèi)的粉塵泥渣吹出來；
預(yù)先把錨固劑制成兩個組分，樹脂、加速劑、填料為一個組分，固化劑、調(diào)料為另一組分，分別用白鐵桶或塑料桶進(jìn)行包裝?，F(xiàn)場施工時，分別從不同桶中取出材料，按一定配方，用人工或小型攪拌機(jī)混合均勻，隨即用專用注射器抽取混勻后的錨固劑，抽取量參考下述公式#=4 (D2-Cl2)Z^L1 ；ν2=[π (D2-d2)/4]L2，其中V1, V2分別表示端部的錨固劑注入量和外部的錨固劑注入量；L1; L2分別為套管端部和外部的長度，D為鉆孔直徑，d為套管的外徑。
然后扎破套管I上的聚乙烯薄膜塑料袋，將凝膠時間不同的兩種樹脂錨固劑分別注入套管I內(nèi)，活塞5將套管I分隔為前后兩部分，前部為凝膠時間3 4min的中速錨固劑，后部為凝膠時間15 20min的慢速錨固劑；
上述工序完成后先扯掉端部的塑料袋，把裝有錨固劑的套管I送入鉆孔中，使套管I上套裝的多個分漿環(huán)形塞4間隔分布，分段堵住鉆孔，送入孔底后，扯去外部的塑料袋，
隨即往套管I內(nèi)插入錨桿，此時套管I內(nèi)的中速錨固劑7和慢速錨固劑8兩種錨固劑從透孔中先后被擠出，兩種錨固劑分段充滿管壁和孔壁間的空隙，在中速錨固劑7的作用下，使錨桿端頭實現(xiàn)快速錨固；在套管I外部時，由于彈簧有一定的剛度，活塞不產(chǎn)生位移。在套管I外部管壁與孔壁之間充滿錨固劑后，施加在桿體上的力繼續(xù)增大，使彈簧6 開始收縮，桿體進(jìn)入套管端部，端部的中速錨固劑7隨之也被擠出，逐漸充滿整個套管端部與孔壁之間的空隙。這樣，桿體、套管和鉆孔壁就粘結(jié)為了一個整體；與彈簧相連的活塞處的套管壁不開孔，必須保證彈簧的彈性系數(shù)足夠大，以保證插入錨桿時活塞不內(nèi)縮，而且在活塞外部擠出的錨固劑充滿管壁和孔壁預(yù)留空隙后，能在持續(xù)增大的壓力作用下收縮；
錨桿桿體完全插入套管后，立刻在桿尾安設(shè)托盤施加張拉力，由于端部錨固劑的固化時間短，故實現(xiàn)了桿體端部預(yù)應(yīng)力，在錨桿的外露端施加張拉力，并安裝托盤和螺母， 從而在錨桿桿體上實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力，最終在慢速錨固劑的作用下，實現(xiàn)全長錨固。
安裝時候要注意控制固化時間和 錨固劑稠度，套管I端部錨固劑為中速錨固劑7， 施工時間相對緊湊；套管I外部慢速錨固劑8，施工時間就充裕一些，可以一次多攪拌些，但一般備料不要過多，最好隨拌隨用；
安裝時鉆孔直徑、套管直徑與桿體直徑之間的配合已經(jīng)事先確定好，錨桿的外徑和套管I的內(nèi)徑差不超過1_ ;能很好的吻合，在送入套管和插入錨桿時都不需要很大的力 即可完成。套管I中與彈簧6相連的活塞5所處的位置不開孔，橢圓小孔要避開這個位置； 錨桿可為20MnSi螺紋鋼錨桿；套管的外壁厚度不宜過厚，滿足一定剛度條件即可。
套管外壁開有中心相對的透孔，且相鄰兩組橢圓孔的中心連線相互垂直。對于套 管的剛度不必作苛刻的要求，套管壁的透孔大小在不影響整體剛度的情況下需盡可能的 大，以加大錨固劑與錨桿的接觸面積。套管的端部安裝有彈簧和與彈簧相連接的活塞，活塞 距離端部較近，這樣可以在完全插入錨桿后安裝托盤施加預(yù)緊力進(jìn)而實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力。活塞把 套管隔離為兩部分，彈簧所處部分為套管的端部，剩余部分為套管的外部。在端部布置的是 中速錨固劑，其凝膠時間為3 4min，固化時間小于12min ;外部布置的是慢速錨固劑，其凝 膠時間為15 20min，固化時間小于40min。在連接彈簧的分漿環(huán)形塞處管壁不可開孔，從 而避免插入錨桿時致使兩部分固化時間不同的錨固劑互混。套管和活塞在這里分別起到了 定位鉆孔軸線和隔離固化時間不同的兩種錨固劑的作用。套管的內(nèi)徑和錨桿的外徑差值不 大于1_，這樣錨桿插入的時候不需要太大的外力且可有效防止套管內(nèi)外兩部分的錨固劑 相混合。在套管的外壁的端部、中部和尾部分別安設(shè)有分漿環(huán)形塞，要特別注意端部分漿環(huán) 形塞所處的位置，端部分漿環(huán)形塞距離套管端頭的距離必須大于或等于與彈簧相連的活塞 距套管端頭的距離，而且端部分漿環(huán)形塞至活塞段管壁不可再開口，否則在錨桿擠壓這一 段時會發(fā)生兩段錨固劑相混的現(xiàn)象，實際生產(chǎn)應(yīng)用中端部分漿環(huán)形塞和活塞應(yīng)盡可能處于 套管中同一位置。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)應(yīng)力全錨擠壓式錨固裝置，其特征在于它包括內(nèi)徑略大于錨桿直徑的套管(1)，套管(I)的管壁上開有呈十字形交叉分布的多個透孔一(2)，套管(I)上間隔套裝有多個分漿環(huán)形塞(4)，套管(I)的前部對稱開有略大于透孔一(2)的透孔二(3)，套管(I)前部內(nèi)設(shè)有活塞(5)，活塞(5)的前端部固有彈簧￠);所述的套管(I)外部包覆有聚乙烯薄膜塑料膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)力全錨擠壓式錨固裝置，其特征在于所述透孔(2)的形狀為橢圓孔、圓形孔或條形孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)力全錨擠壓式錨固裝置，其特征在于所述分漿環(huán)形塞 ⑷的厚度b為6 8mm。
4.一種利用權(quán)利I所述裝置的預(yù)應(yīng)力全錨擠壓錨固方法，其特征在于將凝膠時間不同的兩種樹脂錨固劑分別注入套管(I)內(nèi)，活塞(5)將套管(I)分隔為前后兩部分，前部為凝膠時間3 4min的中速錨固劑，后部為凝膠時間15 20min的慢速錨固劑；將裝有錨固劑的套管(I)插入鉆孔中，使套管(I)上套裝的多個分漿環(huán)形塞(4)間隔分布，分段堵住鉆孔，往套管⑴內(nèi)插入錨桿，套管⑴內(nèi)的兩種錨固劑從透孔中先后被擠出，兩種錨固劑分段充滿管壁和孔壁間的空隙，在中速錨固劑的作用下，使錨桿端頭實現(xiàn)快速錨固；在錨桿的外露端施加張拉力，并安裝托盤和螺母，從而在錨桿桿體上實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力，最終在慢速錨固劑的作用下，實現(xiàn)全長錨固。
全文摘要
一種預(yù)應(yīng)力全錨擠壓式錨固裝置及方法，裝置包括內(nèi)徑略大于錨桿直徑的套管，套管的管壁上開有呈十字形交叉分布的多個透孔一，套管上間隔套裝有多個分漿環(huán)形塞，套管的前部對稱開有略大于透孔一的透孔二，套管前部內(nèi)設(shè)有活塞，活塞的前端部固有彈簧；套管外部包覆有聚乙烯薄膜塑料膜。將凝膠時間不同的兩種樹脂錨固劑分別注入套管內(nèi)，將裝有錨固劑的套管插入鉆孔中，使套管上套裝的多個分漿環(huán)形塞間隔分布，分段堵住鉆孔，往套管內(nèi)插入錨桿，套管內(nèi)的兩種錨固劑從透孔中先后被擠出，兩種錨固劑分段充滿管壁和孔壁間的空隙，在中速錨固劑的作用下，使錨桿端頭實現(xiàn)快速錨固；其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、穩(wěn)定性強(qiáng)、精準(zhǔn)定位、使用方便。
文檔編號E21D20/00GK103061790SQ201310025310
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者張農(nóng), 鄭西貴, 馮曉巍, 花錦波, 洪昊, 劉娜, 師超民, 薛飛 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)