膨胀锚杆 一、技术领域
本发明涉及岩土与矿山工程支护设施技术领域，尤其是一种膨胀锚杆。
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，与框式支架相比使用锚杆支护工艺具有显著的经济效益。
传统的锚杆可分为全长锚固锚杆和端头锚固锚杆。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，尤其不能很好地解决软岩和大变形巷道的支护问题；3、锚杆不易回收。端头锚固锚杆(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。
中国国家知识产权局2005年5月25日公开一项名称为“柔性注压锚杆” 申请号为CN200310105525.3的发明专利申请；以及2005年11月2日授权的，一项名称为“柔性注压锚杆”专利号为ZL200320107130.2的实用新型专利，有效地解决了传统锚杆存在的缺点。该技术采用高弹性高分子材料(如橡胶、热塑性弹性体)作为锚杆主体材料，将锚杆体做成中空结构，空心部分为注压腔，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。该锚杆解决了传统锚杆在支护软、散岩土体时存在的各种缺点，依靠杆体对锚孔的正压力而产生的摩擦力、镶嵌力提供全长锚固，锚固过程中能自动补偿岩土体位移引起的锚孔变化、而不会导致锚杆松动，锚固力可靠并易于调整和补充，易于回收复用。
用高弹性高分子材料制作的柔性锚杆体，虽然在锚固过程中具有能自动补偿岩土体位移引起的锚孔变化、而不会导致锚杆松动，锚固力可靠并易于调整和补充，易于回收复用的优点。但是，将柔性锚杆体直接置入坚硬的岩(土)石锚孔内，经受摩擦后容易损坏，在长时间的使用过程中，杆体高分子材料将产生蠕变等变形，锚杆杆体承压性能降低，尤其是遇到被锚固的岩土孔壁存在蜂窝空隙或孔口坍塌时，柔性注压锚杆会产生锚杆体环向局部破损，锚固失效。
为了解决以上缺点，后来又在“柔性注压锚杆”杆体上进行了限制环向变形强化。中国国家知识产权局受理的一项名称为“环向限延伸柔性注压锚杆”，申请号为CN200610044390.8的发明专利申请。该技术在“柔性注压锚杆”杆体结构的基础上，在“柔性注压锚杆”杆体内纵向增强层的外层周边环绕置入定长伸缩结构的纤维、钢丝、钢丝绳或它们的编织物，对锚杆杆体的环向进行增强，使锚杆在产生锚固工艺所需要的弹性变形后，对锚杆杆体的环向的变形产生约束和增强作用，整体强化了锚杆杆体的强度。但是，限于现有“柔性注压锚杆”材料、结构方面既定条件的制约，其锚杆杆体的强度和抗蠕变能力的提高受到限制。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种即具有柔性注压锚杆，能自动补偿岩土体位移引起的锚孔变化、而不会导致锚杆松动，锚固力可靠并易于调整和补充，易于回收复用的优点；又兼有刚性锚杆抗蠕变性能强，锚固效果不受岩土孔壁存在蜂窝空隙或孔口坍塌的影响，锚杆强度高、耐磨损性能好的膨胀锚杆。
本发明的基本构思是：膨胀锚杆是采用高弹性高分子材料，或者采用钢丝或纤维材料与高弹性高分子材料复合强化材料，或者采用薄金属波纹板材料，作为锚杆膨胀体的材料，将锚杆的膨胀体做成空心腔体，空心部分为注压腔，腔体的一端封闭，另一端紧密安装注压阀和管孔锚头；在锚杆膨胀体的外缘套装一层膨胀力传递层，在膨胀力传递层外套装锚固层构成。注压阀为单向阀。用卡箍或者粘接工艺将堵头固定在膨胀体的一端，用同样的方法在膨胀体的另一端安装注压阀和管孔锚头，形成密闭的膨胀体。
膨胀力传递层是由金属薄板或者橡胶薄板或者塑料薄板或者青稞纸薄板等卷制成有环向断口的圆筒，或者由高强高弹纤维编织成环向闭合的圆筒，套装在膨胀体外缘上。
锚固层是在膨胀力传递层的外缘套装由紧密排列的金属棒构成的鼠笼筒形外罩，或者套装由S形截面或者C形截面的薄钢板条相扣、链接的可环向伸缩的筒形外罩。筒形外罩的一端用堵头封口，另一端套接并固定在管孔锚头上；固定方式为焊接或者粘接或者机械扣压。构成鼠笼筒形外罩的金属棒为圆形截面或者矩形截面或者方形截面。
注压阀与管孔锚头通过螺纹或者粘接剂紧密连接，锚头可配有托盘或螺母。筒状结构的锚固件一端装入堵头，另一端套接并固定在管孔锚头上。
“膨胀锚杆”在保持“柔性注压锚杆”应用效果的基础上，还兼有刚性锚杆的优点：
1、可注压力更高，锚固力更大。由于锚固层完全由承担锚固力的锚固件构成，承受锚固力的锚固件直接作用于围岩土体，减少了对膨胀体材料强度的要求，使膨胀锚杆各部分结构和材料选择范围宽泛，同时S形或者C形等截面形状锚固件构成的锚固层能对膨胀体的最大膨胀量加以限制；膨胀力传递层采用高强度的金属薄板或者橡胶薄板或者塑料薄板或者青稞纸薄板卷制成纵向开口圆筒，或者高强高弹纤维编织成纵向闭合圆筒，既能保证膨胀体的均匀受力，又能当膨胀体达到最大膨胀量后，限制膨胀体的继续膨胀，大大提高了膨胀体的承压和密封能力；膨胀体选择气密性优异的橡胶材料或者薄金属波纹板等做成注压腔，注气或注液；膨胀体还可选择较厚的高弹性材料制成管腔结构，注入膨胀水泥等膨胀材料，可达到长期锚固的功效。膨胀锚杆的整体强度和密封性得到了提高，使膨胀体可以承受更高的内注压力，锚杆的锚固力也大大提高。
2、锚杆适用范围更加广泛。由于采用了独立的锚固元件，结构和用材范围广，锚固力范围和锚固环境可以大大拓展；由于膨胀力传递层或锚固层能够限制环向膨胀，因此膨胀锚杆可以用于围岩土体较大范围开裂、孔洞和锚杆裸露的场合，锚杆的使用范围受围岩土体类型的影响大为降低，适用范围更加广泛。
3、加工制作简便，价格低廉。由于膨胀锚杆根据功能做成基本构件，基本构件选用比较常见的管、板、棒等形状，材料来源广泛，价格低廉，加工制作简便。
四、附图说明
图1膨胀锚杆结构示意图；
图2圆形截面锚固元件结构示意图；
图3矩形截面锚固元件结构示意图；
图4S形截面锚固元件结构示意图；
图5C形截面锚固元件结构示意图。
附图标记：
1膨胀体，2膨胀力传递层，3锚固层，3-1圆形截面锚固件，3-2矩形截面锚固件，3-3S形截面锚固件，3-4C形截面锚固件，3-5C形截面扣插件，4注压阀，5管孔锚头，6托盘，7螺母，8堵头，9卡箍，10堵头。
五、具体实施方式
结合附图详细叙述本发明的实施方式：
1、实施方案一：圆形截面的锚固件膨胀锚杆
煤矿通常用直径28mm的钻头钻制锚孔安放锚杆，为便于“膨胀锚杆”的安装，锚杆的杆体直径略小于钻头直径，确定为27mm，锚杆长度为2米。如图1和图2所示，膨胀体1为用橡胶制成的外圆直径15mm，厚度2mm的直筒型橡胶囊；膨胀力传递层2为用0.3mm薄金属板卷制的环向断口，并重叠一周的圆筒；锚固层3的圆形截面锚固件3-1为直径5mm的圆钢筋或圆螺纹钢筋；注压阀4为航空轮胎用气门芯；管孔锚头5为外表面有螺纹的钢管；托盘6、螺母7与目前矿山的通用件相同；堵头8和堵头10为圆钢柱，堵头圆柱面上加工有密封环槽；卡箍9为钢制薄壁圆管。
组装时，首先将堵头10装入直筒型橡胶囊膨胀体1的一端，注压阀4装入另一端，并通过卡箍9，使膨胀体1与堵头10以及膨胀体1与注压阀4间紧密连接；将12～13根钢筋的一端沿环向均匀布置焊接在堵头8上，随后将膨胀体1装入管状膨胀力传递层2内，注压阀4通过螺纹与管孔锚头5紧密连接，然后将组装好的膨胀体1及膨胀力传递层2一起装入焊接好的鼠笼状锚固层3中，钢筋的另一端均匀分布焊接在管孔锚头5上；最后将托盘6和螺母7配装在管孔锚头5上。
使用时，取下配装的托盘6与螺母7，将锚杆装入锚孔，将高压水或气体注压枪螺纹连接至管孔锚头5上，注压至5MPa，取下注压枪；然后装上托盘，拧紧螺母，锚固安装完毕，安装简便。由于本结构中锚固层3和膨胀力传递层2均为圆周敞开结构，所注压力不必像“环向限延伸柔性注压锚杆”或“柔性注压锚杆”那样需要克服杆体自身的环向约束，大大降低了在给定锚固力下所需的内注压力。本锚杆根据锚固件所用钢牌号的不同，可提供90～250kN的最大锚固力。
2、实施方案二：矩形截面的锚固件膨胀锚杆
如图3所示，选用截面尺寸为8×5mm的矩形锚固件3-2，构成膨胀锚杆，其它与实施方案一相同。
与实施方案一相比，该结构的不同点仅仅是在锚固层3上，由矩形锚固件替代了圆形锚固件，大大增加了锚固层3与围岩体的接触面积，提高了锚固力。本锚杆根据锚固件所用钢牌号的不同，可提供120～340kN的最大锚固力。
3、实施方案三：S形截面锚固件膨胀锚杆
如图4所示，膨胀力传递层2选用高强高弹纤维编织成的环向闭合圆筒，套装在膨胀体上；选用厚度为1.5mm的钢板条做成S形锚固件3-3将其逐一相扣、链接成可环向伸缩的圆筒形结构的锚固层，套装在膨胀力传递层外缘构成膨胀锚杆，其它与实施方案一相同。
与实施方案一相比，该结构的不同点是锚固层3由S形锚固件替代了圆形锚固件，增加了锚固层3与围岩体的接触面积，提高了锚固力，同时锚固层3自身具备环向最大伸长限制能力。本锚杆根据锚固件所用钢牌号的不同，可提供140～400kN的最大锚固力。
4、实施方案四：C形截面的锚固件膨胀锚杆
如图5所示，膨胀力传递层2选用高强高弹纤维编织成的环向闭合圆筒，套装在膨胀体上；选用厚度为2mm的C形锚固件3-4和厚度为1mm的C形扣插件3-5，将其逐一相插、链接，形成可环向伸缩的圆筒，套装在膨胀力传递层外构成膨胀锚杆。其它与实施方案一相同。
与实施方案一相比，该结构的不同点是锚固层3由C形锚固件替代了圆形锚固件，增加了锚固层3与围岩体的接触面积，提高了锚固力，同时锚固层3自身具备环向最大伸长限制能力。本锚杆根据锚固件所用钢牌号的不同，可提供140～400kN的最大锚固力。