柔性注压锚杆.pdf

本发明涉及岩土与矿山工程支护设施技术领域，尤其是一种柔性注压锚杆。本发明采用高弹性高分子材料作为锚杆主体材料，将锚杆体做成中空结构，空心部分为注液(气)腔，其端部一端封闭，一端紧密安装注射单向阀；锚杆体用钢丝或纤维材料与高弹性高分子材料强化复合而成。注射单向阀用刚性材料或弹性材料制成。施工时，向锚杆注液(气)腔注入设定压力的高压液体或气体，锚杆体产生径向膨胀力，将锚杆与锚孔牢固地锚固在一起。本发明施工安装方便，能自动补偿岩层位移引起的锚孔变化、锚固可靠；并能在线监控锚杆体内的压力变化，及时补充压力；锚杆体易于回收利用。

1、  柔性注压锚杆，其特征为采用高弹性高分子材料作为锚杆主体材料，将锚杆体做成中空结构，空心部分为注液(气)腔，其端部一端封闭，一端紧密安装注射单向阀；锚杆体用钢丝或纤维材料与高弹性高分子材料强化复合而成。

2、  根据权利要求1所述的柔性注压锚杆，其特征为所述的注射单向阀为用金属材料或硬质高强工程塑料制作的刚性注射单向阀[3a]，或者用高分子材料做的弹性注射单向阀[3b]。

3、  根据权利要求1或2所述的柔性注压锚杆，其特征为所述的刚性注射单向阀[3a]是由阀座[3a-1]、阀芯[3a-2]、弹簧[3a-3]、“O”形密封圈[3a-4]、挡圈[3a-5]组成；阀座[3a-1]上有注射枪连接螺纹[3a-1-1]和接口[3a-1-2]；阀芯[3a-2]安装在阀座[3a-1]孔内，两者之间安装“O”形密封圈[3a-4]；阀芯[3a-2]后面安装弹簧[3a-3]，挡圈[3a-5]压在弹簧[3a-3]上，并安装在阀座[3a-1]的环形槽内。

4、  根据权利要求2所述的柔性注压锚杆，其特征为所述的弹性注射单向阀[3b]是由接口[3b-1]、针孔[3b-2]、密封咀[3b-3]构成。

5、  根据权利要求1或2所述的柔性注压锚杆，其特征为所述的刚性注射单向阀[3a]紧固安装在弹性锚杆体[1]内，外部安装箍套[4]；弹性注射单向阀[3b]与弹性锚杆体[1]靠胀紧、用箍套[4]紧固或用粘接方法安装在一起，或做成一体。

6、  根据权利要求5所述的柔性注压锚杆，其特征为所述的箍套[4]上固定锚固网托板[4-1]，锚固网托板[4-1]按施工需要可以做大也可以做小。

柔性注压锚杆
一、所属技术领域
本发明涉及岩土与矿山工程支护设施技术领域，尤其是一种柔性注压锚杆。
二、背景技术
在岩土、隧道以及煤炭等矿山开采过程中，锚杆支护是兼有支架和加固两种作用的围岩控制技术，与框式支架相比具有显著的经济效益，在世界各国取得了广泛的应用。我国锚杆支护技术经过40多年的研究探索和实践，取得了很大的进展。
锚杆的作用原理、结构形式和所用材料是多样的，从作用原理上可分为端头锚固锚杆和全长锚固锚杆。
对全长锚固锚杆来讲，根据锚固粘接剂的不同分为树脂锚杆、水泥锚杆和水泥—水玻璃锚杆等。按照锚固粘接剂加入方式的不同又分为普通注浆锚杆和中空注浆锚杆。全长锚固锚杆支护的施工过程大致分为钻孔—清理锚孔—注入粘接剂—安放锚杆—锚固；或钻孔—清理锚孔—安放中空锚杆—注入粘接剂—锚固。若将上述步骤合在一起，即锚杆同时也是钻杆，则称为自进式锚杆或自进式中空注浆锚杆(亦称迈式锚杆)。按锚杆自身结构特点分为缝管锚杆、左旋螺纹钢锚杆和双向螺旋锚杆等。目前，锚杆所用材料有钢材、玻璃钢和塑料等。近年来，还出现对锚杆施加预应力的高性能预拉力锚杆。现有的全长锚固锚杆所用材料均是刚性材料，它与所锚固的岩层是通过各类粘结剂填充和粘接在一起的。这类锚杆主要存在如下缺点：1、施工安装复杂，施工周期长；2、无法补偿岩层的运动引起的锚孔变化，尤其不能很好解决较软和较弱围岩的支护问题；3、锚杆不易回收。
对于端头锚杆(或锚索)是靠锚杆或锚索的端部膨胀，将锚杆紧固在深部岩层上，对锚固岩层主要通过托板悬吊于坚硬的岩层上。端头锚固锚杆存在以下缺点：1、锚杆的锚固作用力单一，一旦胀紧力不够便会滑脱，极易造成锚杆锚固失效；2、锚杆无法回收。
三、发明内容
本发明的目的是为了解决现有锚杆支护设施存在的各种缺点，发明一种施工安装方便，能自动补偿岩层位移引起的锚孔变化、而不会导致锚杆松动的，锚固力可靠和易于回收的新型锚杆。
本发明的基本构思是：采用高弹性高分子材料作为锚杆主体材料，将锚杆体做成中空结构，空心部分为注液(气)腔，其端部一端封闭，一端紧密安装注射单向阀；锚杆体用钢丝或纤维材料与高弹性高分子材料强化复合而成。注射单向阀用刚性材料或弹性材料制成。
应用效果：
1、柔性注压锚杆结构，是靠注入高压液体或气体使锚杆体发生膨胀而牢固地结合在锚孔内，省去了注胶粘合工序，简化了施工工艺；
2、在高压液体或气体作用下，径向膨胀的锚杆对锚孔产生充分的压力，由此产生的摩擦力可以将锚杆与锚孔牢固地锚固，同时，锚杆体径向膨胀也对岩层产生了压力，压紧了较松软的岩层，能适应隧道、巷道的锚护要求，起到主动锚固作用；
3、由于锚杆主体是由高强弹性材料制成，并充注高压液体或气体，当锚孔随岩土位移发生孔径变化时，能很容易进行自我补偿，不会发生锚杆松动而失效，能实现安全可靠的锚护效果；
4、锚杆不用时，可将腔体内的高压液体或气体释放，锚杆体缩小，便于回收利用；
5、锚杆上的注射单向阀可连接监测仪表，在线监控锚杆体内的压力变化，及时补充压力，保证锚杆始终牢固地与锚孔锚固在一起。
四、附图说明
图1为安装刚性注射单向阀的柔性注压锚杆结构示意图；
图2为刚性注射单向阀的结构示意图；
图3为安装弹性注射单向阀的柔性注压锚杆结构示意图；
图4为弹性注射单向阀的结构示意图；
图5为安装刚性注射单向阀带堵头的锚杆主体结构示意图；
图6为安装弹性注射单向阀带堵头的锚杆主体结构示意图。
结合附图详细叙述本发明的结构，如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示；
1为用高弹性高分子材料做的锚杆主体，1-1为钢丝或纤维线型材料，2为注液(气)腔，锚杆主体1一端敞开用于安装注射单向阀3a或3b，另一端封闭，封闭的方法为采用高弹性的高分子材料将管体与堵头做成一体，或在管体上紧密安装堵头5构成，堵头5为金属材料、高分子材料或硬质高强工程塑料制作。注射单向阀为用金属材料或硬质高强工程塑料制作的刚性注射单向阀3a，或者用高弹性高分子材料制作的弹性注射单向阀3b。
刚性注射单向阀3a是由阀座3a-1、阀芯3a-2、弹簧3a-3、“O”形密封圈3a-4和挡圈3a-5组成；阀座3a-1上有注射枪连接螺纹3a-1-1和接口3a-1-2；阀芯3a-2安装在阀座3a-1孔内，两者之间安装“O”形密封圈3a-4；阀芯3a-2后面安装弹簧3a-3，挡圈3a-5压在弹簧3a-3上，并安装在阀座3a-1的环形槽内。
刚性注射单向阀3a紧固安装在弹性锚杆体1内，外部安装箍套4，箍套4上固定锚固网托板4-1。锚固网托板4-1根据施工需要，可以做大也可以做小。
弹性注射单向阀3b是由接口3b-1、针孔3b-2、密封咀3b-3构成；弹性注射单向阀3b与弹性锚杆体1靠胀紧、用箍套4紧固或用粘接方法安装在一起，或做成一体。
五、具体实施方式
(一)安装刚性注射单向阀的柔性注压锚杆实施过程
安装刚性注射单向阀的柔性注压锚杆的锚杆主体1，是选高弹聚氨酯采用浇注成型或挤出成型工艺或选橡胶材料用模压工艺，与表面经特殊处理过的钢丝或纤维材料复合加强加工而成。用聚氨酯材料浇注成形时，浇注前首先按图1所示形状加工浇注模具，模具阴模采用可开启的双剖分结构，并且阴模两端设有加强复合钢丝定位孔或纤维材料拉紧孔，便于复合加强钢丝或纤维的定位；浇注完毕后抽出芯模(阳模)打开阴模即可成形。采用聚氨酯材料挤出成形时，挤出模具模口设有复合加强钢丝或纤维材料定位导出孔，在挤出聚氨酯材料的同时，钢丝或纤维同步复合挤出，形成管状的钢丝或纤维材料复合加强锚杆主体，然后根据需要的长度将挤出的管状锚杆主体切割成段。
如图2所示，加工成形的锚杆主体一端安装刚性注射单向阀3a，另一端对于浇注成形的锚杆主体1可浇注成封闭的端部；对于挤出成形的管状体，如图5或图6所示在管状体上安装堵头5做成锚杆主体。刚性注射单向阀3a，除“O”型密封圈3a-4为高弹性高分子材料制作以外，其它为金属或硬质高强工程塑料制作。箍套4和封闭堵头5采用金属薄板冲压成形或铸塑成形，箍套4与锚固网拖板4-1用焊接或冲压做成一体，其尺寸按施工需要可以作大、可以作小、可以为零。
(二)安装弹性注射单向阀的柔性注压锚杆实施过程
弹性注射单向阀3b采用聚氨酯材料浇注或模压，或采用橡胶模压而成。弹性注射单向阀[3b]与弹性锚杆体[1]的结合，靠胀紧、用箍套[4]紧固或用粘接剂粘接方法安装在一起，或做成一体。
柔性注压锚杆应用实施过程：
1、用钻杆在所需安置锚杆的岩层位置上钻制比锚杆略粗的锚孔，并作清理。
2、应用装有刚性注射单向阀的柔性注压锚杆时，将刚性快速注射枪的接头与锚杆注射单向阀上的接口3-1-2相连接，将其连接螺丝与锚杆注射单向阀上的连接螺纹3a-1-1旋紧；应用装有弹性注射单向阀地柔性注压锚杆时，则将弹性快速注射枪的接头插进其接口3b-1，注射针插入针孔3b-2即可。注射枪通过高压管与高压液泵或空气压缩机系统相连。需要通过锚固托网托护岩层表面的，则将锚固托网撑起对正、紧贴岩层表面；将锚杆、注射枪和压力系统连为一体的锚杆穿过锚固托网安置放入锚孔；对不需锚固托网托护岩层表面的，则直接将锚杆、注射枪和压力系统连为一体的锚杆安置放入锚孔。
3、对于实施需要通过锚固网托护岩层外表面的，锚杆制作应附带锚固网托板4-1，其大小视锚固网的刚性和锚杆施放的密度来确定，锚固网软的和锚杆施放稀少的，锚固网托板4-1应制作的略大一些，相反可小一点。对于通过喷浆托护岩层外表面的，则锚杆可不附带锚固网托板4-1。
4、锚杆安置完毕后，开启注射枪阀门，向锚杆注液(气)腔2注入设定压力的高压液体或气体。注压完毕后，拧开接头上的连接螺丝或拔出注射针，然后取下注射枪。这一操作非常简单和快捷，施工效率高。
5、锚杆体在设定压力的高压液体或气体的作用下，产生径向膨胀，对所要托护的岩层施加压力，与锚孔牢固地结合在一起。同时该压力又对较软和松散的岩层提供压实作用，提高了锚护效果。
6、由于柔性注压锚杆具有足够高的膨胀力，可以跟踪补偿锚孔的变化，锚固可靠，避免了传统锚杆经常发生失效而需要补锚的情况。
7、根据需要，将压力监测仪表或远程压力监测系统的接头像连接注射枪一样与注射单向阀相连，可实现对柔性注压锚杆的工作压力进行在线监测，对压力不足的锚杆及时补充压力。
8、对使用完毕需要回收的柔性注压锚杆，可通过泄压板手顶开刚性注射单向阀的阀芯3a-2、或用泄压针穿通弹性注射单向阀的密封咀3b-3，排泄锚杆注液(气)腔2内的液(气)体；锚杆体体积缩小，可以方便的抽出回收利用。
上述各项柔性注压锚杆性能通过试验检测表明完全能达到设计要求。