全长多点楔胀式管缝锚杆 所属技术领域
本发明属于矿山、岩土工程、地下工程、边坡工程及隧道工程的支护领域。背景技术
在巷道支护中，锚杆支护与传统支护(木架支护和钢拱架支护等)相比，具有显著的技术、经济优越性。由于锚杆支护显著的技术经济优越性，现已发展成为世界各国矿井巷道以及其它地下工程支护的一种主要形式。早在40年代，美国、前苏联就已在井下巷道使用了锚杆支护，以后在煤矿、金属矿山、水利、隧道以及其它地下工程中得到了迅速发展。我国从1956年起在煤矿岩巷中使用锚杆支护，至今已有40多年的历史。在60年代锚杆支护技术开始进入采区，但由于煤层巷道松软，受采动影响后，围岩变形量很大，对支护技术要求很高，加之锚杆支护理论、设计方法、锚杆材料、施工机具和监测手段还不够完善，因而发展缓慢。就煤矿来讲，在1995年国有重点煤矿当年新掘巷道中锚杆支护所占的比重为28.19％，而且主要使用在条件比较简单的I、II、III类围岩中，条件比较复杂的IV、V类围岩还处于试验、总结经验阶段或者采用锚杆与其它支护(指木架支护和钢拱架支护等)的联合支护形式。现有的锚杆或多或少都存在不同的缺陷，具体比较如下表所示：锚杆类型 存在问题水泥锚杆 由于水泥卷在使用前要在水中浸泡，浸泡时间过长，在安装水泥卷时会堵塞锚杆孔，而使锚杆安装不进去，水泥卷浸泡时间过短，会造成水泥卷中间夹生，而使水泥卷起的作用不大。普通管缝锚 杆 安装费力，杆体易腐蚀，锚固力难以得到可靠保证，其抗拉强度与锚固力不匹配，由于杆体材质问题，有时出现锚杆在中间被拉断的现象。砂浆锚杆 主要是砂浆与锚杆之间有时粘接不牢固，致使锚杆被拉出，另外，在注砂浆时，不能注满，致使锚固力减小，而且施工工序复杂。涨圈式锚 杆 结构复杂，制造费工，成本较高。树脂锚杆 杆体加工复杂，树脂凝固时间较长，在地压变化明显的巷道，其作用不能及时体现出来，地下水活动比较大的围岩使锚固剂与围岩不能很好的作用，另外其成本较高。
正是基于上述现有锚杆存在的弊端，提出了这种新类型锚杆的设计。关于传统类型锚杆，由于其制造工艺不同，锚固的方式也比较单一，所以在应用时，出现各种各样的问题。而且，随着当今采矿深度的增加，地压问题更进一步的体现出来，高强度多功能锚杆已经成为支护领域的发展趋势。发明内容
为了解决现有锚杆存在地缺陷，本发明提供一种具有全长锚、端锚和多点楔胀锚固作用的全长多点楔胀式管缝锚杆。本发明由杆体、法兰套环、托板及楔体组成，杆体为经过冷轧压滚成开口管状的杆体，沿管状杆体全长开有一条开缝，其截面呈圆形，在杆体内装有若干楔体，杆体内的楔体之间留有一定的距离，在杆体的一端套有托板并装有法兰套环，另一端呈倒钩状。倒钩长度为50-300mm，倒钩端部外径与杆体外径相同。锚杆的材质为钢板，其厚度为1-5mm；锚杆的外径为Φ20-Φ50mm；锚杆的全长纵向开缝宽度为8-45mm；锚杆的锚固端头有倒钩，其坡角视具体围岩情况而定，锚杆的长度随施工现场的需求而定，通常为1-5m，在特殊支护要求锚杆的长度时，锚杆长度可以变化，杆体要进行防腐处理，托板为正方形，其规格视具体围岩压力情况而定，通常为200mm×200mm×10mm，材质为低碳钢，冲压而成；法兰套环由Φ4-Φ16mm的盘圆制成的圆环。使用本发明的锚杆首先进行钻孔，然后吹孔，塞入锚杆杆体，然后用凿岩机或连动器将楔体塞入杆体，将锚杆固定在锚杆孔内，最后使托板紧贴岩壁。本发明的锚杆锚固力范围为30KN-300KN。
本发明克服了传统锚杆的缺陷，增加了锚杆的功能，增强了锚杆的锚固力。本发明同普通管缝锚杆的作用机理不同，其作用机理为：主要是通过利用楔胀力学原理，在锚杆杆体内塞入楔体使锚杆的杆体膨胀，由于杆体膨胀，对孔壁产生径向抵抗力，起到全长锚固的作用；当楔体塞到锚杆孔的底部时，使锚杆端部的倒钩在锚杆孔底部胀开，加上楔胀增加端部锚固作用，使锚杆的端部牢牢地固定在围岩上，增强了锚杆与岩石的作用力，起到了端锚的作用；由于围岩变形产生侧向应力，挤压锚杆，侧向应力作用在锚杆的杆体上，使锚杆的杆体变形，通过杆体作用在杆体内的楔体上，由于楔体为刚性材料，产生反作用力，形成类似“竹节”的节点，起到了多点楔胀锚固的作用。从而使本锚杆具有全长锚、端锚和多点楔胀的锚固作用，大大提高了锚杆的作用。
通过对本锚杆的锚固作用进行的数值模拟分析其结果如下：从图5中可以看出，随着外力对试件的加载，在锚杆的内部有楔体的部位产生了应力集中，对锚杆的锚固起到了重要作用，而且在锚杆底部的楔体进一步增大了锚杆与岩石的作用力；从图6中可以看到由于楔体的存在，在楔体部位位移较小，而在楔体之间，杆体的位移较大，这更进一步证明了楔体在杆体中所具有的作用。
本发明锚杆的最大特点是：本锚杆具有全长锚、端锚和多点楔胀的锚固作用，锚固力随着支护时间增长而增大，随围岩变形移动而增大，锚固可靠；安装方便，便于机械化施工，不需要任何外加的及辅助的锚具；有较大的预应力和滑移让压特性，因而有广泛的适用范围，尤其在压力、位移较大的矿山、井巷、隧道和边坡的处理，有更好的效果。本发明提出了一种全新的锚固方法，克服了传统锚杆存在的弊端。
锚杆的具体参数视围岩的具体情况而确定。锚杆的使用范围：本锚杆不仅可以用于围岩情况较好的I、II、III类围岩中，条件比较复杂的IV、V类围岩更适用本锚杆，因为本锚杆可以随着围岩的变形而变形，通过锚杆的楔胀作用进一步加固围岩，保持围岩的稳定。附图说明
图1为本发明的整体结构示意图，
图2为本发明的锚杆端部剖面图，
图3为本发明的锚杆托板形状示意图，
图4为本发明的楔体剖面图，
图5为本发明的最大剪应力场分布图，
图6为本发明的位移场分布图。
图中：1杆体，2楔体，3托板，4法兰套环，5围岩。具体实施方式
参阅图1，本发明由杆体1、楔体2、托板3、法兰套环4构成。杆体1为经过冷轧压滚成开口管状的杆体，沿管状杆体全长开有一条开缝，其截面呈圆形，在杆体1的一端套有托板3并装有法兰套环4，另一端呈倒钩状。杆体1内装有若干楔体2，楔体之间留有一定的距离。