一种预应力全锚挤压式锚固装置及方法.pdf

一种预应力全锚挤压式锚固装置及方法，装置包括内径略大于锚杆直径的套管，套管的管壁上开有呈十字形交叉分布的多个透孔一，套管上间隔套装有多个分浆环形塞，套管的前部对称开有略大于透孔一的透孔二，套管前部内设有活塞，活塞的前端部固有弹簧；套管外部包覆有聚乙烯薄膜塑料膜。将凝胶时间不同的两种树脂锚固剂分别注入套管内，将装有锚固剂的套管插入钻孔中，使套管上套装的多个分浆环形塞间隔分布，分段堵住钻孔，往套管内插入锚杆，套管内的两种锚固剂从透孔中先后被挤出，两种锚固剂分段充满管壁和孔壁间的空隙，在中速锚固剂的作用下，使锚杆端头实现快速锚固；其结构简单、操作方便、稳定性强、精准定位、使用方便。

权利要求书

一种预应力全锚挤压式锚固装置及方法
技术领域
本发明涉及一种预应力全锚挤压锚杆及方法，尤其是一种适用于煤矿井巷围岩支护或岩土工程加固用的精准定位孔芯轴线的预应力全锚挤压锚杆及方法。
背景技术
巷道围岩的支护在煤矿开采中起到了重要的作用。其中，锚杆支护技术以其高可靠性，高适应性和性能优异等一系列优点而在国内外各大矿区中得到广泛应用，尤其是树脂锚杆支护技术，自1958年由西德埃森采矿研究中心研制出树脂锚固剂后，它就不断得到改进和推广。树脂锚杆的锚固力大、可靠度高，树脂锚固剂将孔壁与杆体紧紧粘结在一起，可以采用端锚也可以采用全锚，国内外试验证明，全长锚固在一定程度上优于端头锚固，可提高围岩强度和围岩的自撑力。
另外一方面，锚固剂环形和厚度对锚杆锚固性能有很大影响。锚固剂粘结体的厚度并非是越大越好，随着环形厚度的增加，锚固剂对力学反应敏感性逐渐下降，传力不充分。也就是说钻孔的直径和锚杆的直径存在着最优匹配问题，在钻孔直径和锚杆直径之差之间，存在着一个最佳粘结厚度值，也就是环形锚固剂的厚度，在这种差值下，锚杆的粘结力最强，锚固效果最好。因此如何使钻孔直径与锚杆直径实现合理匹配也曾一直是国内外研究的热点，周宝生针对国产树脂粘结剂环形厚度对锚固力的影响规律进行了实验研究，得出当环形厚度约为4.5～5mm时，锚固剂的平均粘结强度为最大，约为4.8MPa。其中PC Hagan等人在实验室进行了锚固剂环形厚度分别为2mm，3mm，4mm，5mm情况下的锚杆拉拔实验，实验结果表明钻孔与杆体最优直径差为6～8mm，后来诸多学者通过多种试验或者FLC^3D分析软件也证实了这一结论。
但是，随之而来的问题是现场工业性实验的可行性，在锚杆的安装中，传统的方式是钻孔后塞入锚固剂，然后在钻机的带动下钻进锚杆，这种方式极难保证锚杆周边环形锚固剂厚度的均匀性，造成锚杆轴线和钻孔轴线的偏离是极其容易的，由此带来一系列的问题：比如锚杆偏心距增大，锚杆周围树脂锚固剂和钻孔围岩受力不均，甚至相差较大，导致应力集中，并对锚杆产生附加弯矩作用，稳定性差。特别是对支护要求较高的煤岩巷或者深井巷道，锚杆支护系统的牢靠性对正常安全生产管理影响极大。因此，合理控制钻孔与锚杆之间的直径差很重要，但是同时保证锚杆的钻孔中居中也是获得优异支护效果的不可缺少的一个环节。
现有的锚杆支护中，很少考虑到杆体周围环形树脂锚固剂的厚度精确性问题，也没有较好的办法控制钻孔直径和杆体直径的相适应问题，更没有较好的办法控制锚固剂的搅拌均匀与否问题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足，提供一种方法和结构简单、稳定性强、精准定位、使用方便的预应力全锚挤压式锚固装置及方法。
技术方案：本发明的预应力全锚挤压式锚固装置，包括内径略大于锚杆直径的套管，套管的管壁上开有呈十字形交叉分布的多个透孔一，套管上间隔套装有多个分浆环形塞，套管的前部对称开有略大于透孔一的透孔二，套管前部内设有活塞，活塞的前端部固有弹簧；所述的套管外部包覆有聚乙烯薄膜塑料膜。
所述透孔的形状为椭圆孔、圆形孔或条形孔；所述分浆环形塞的厚度b为6～8mm。
利用上述装置的预应力全锚挤压锚固方法：
将凝胶时间不同的两种树脂锚固剂分别注入套管内，活塞将套管分隔为前后两部分，前部为凝胶时间3～4min的中速锚固剂，后部为凝胶时间15～20min的慢速锚固剂；
将装有锚固剂的套管插入钻孔中，使套管上套装的多个分浆环形塞间隔分布，分段堵住钻孔，
往套管内插入锚杆，套管内的两种锚固剂从透孔中先后被挤出，两种锚固剂分段充满管壁和孔壁间的空隙，在中速锚固剂的作用下，使锚杆端头实现快速锚固；
在锚杆的外露端施加张拉力，并安装托盘和螺母，从而在锚杆杆体上实现预应力，最终在慢速锚固剂的作用下，实现全长锚固。
有益效果：由于本发明的套管外围具有分浆环形塞且套管内径和锚杆外径的吻合，因此本发明的定位钻孔轴线的预应力全锚挤压式锚杆很好的解决了已有技术中锚杆轴线和钻孔轴线不易重合、锚杆偏心造成两侧锚固剂厚度不同的难题。由于锚杆居于钻孔正中位置，周围的树脂锚固剂和围岩受力呈对称均匀分布，避免了锚杆周围的树脂锚固剂和围岩受力不均匀而导致应力集中的现象，锚杆不再因偏心而受附加弯矩作用，支护系统稳定。
另外一方面，套管内的树脂锚固剂和固化剂已经事先混匀并注入到套管中，锚固剂和固化剂充分混匀，改进了传统锚杆安设中采用钻机钻进锚杆可能带来的混合不均问题。锚杆安装的时候直接敲入锚杆即可，由于套管内径和锚杆外径的合理匹配，不需要太大的外力即可轻松打入锚杆。这样一来就无需再用钻机搅拌锚固剂，工人的劳动力量大大降低。
在锚固效果方面，由于套管中与弹簧相连的活塞的端部为中速锚固剂，外部的为慢速锚固剂，在端部已经固化的时候外部的锚固剂仍没有固化，这时候可以在锚杆的杆尾安设托盘施加合理的预紧力。待外部的锚固剂也固化之后，就形成了预应力全锚锚杆，锚固性能卓越。由于套管中开孔是椭圆形的孔，锚杆可以充分与锚固剂结合，杆壁的锚固面积比较大。而且，由于套管上开的椭圆孔相邻两组之间的中心连线是相互垂直的，这样能在杆体的内部均衡应力分布，避免杆体某部分应力薄弱。特别是套管前端部的椭圆孔相对大一些，这样锚杆和锚固剂可以有更大的接触面积，进而提供更大的端部锚固力，由于此处处于套管端部且对套管的刚度要求不是过大，此处开口稍大并不影响套管整体稳定性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中1－套管，2－透孔一；3－透孔二；4－分浆环形塞；5－活塞；6－弹簧；7－中速锚固剂；8－慢速锚固剂。
具体实施方式
下面结合附图中的实施实例对本发明作进一步的描述：
如图1所示，本发明的预应力全锚挤压式锚固装置，主要由套管1、分浆环形塞4、活塞5；弹簧6构成，套管1的内径略大于锚杆的直径，套管1的管壁上开有呈十字形交叉分布的多个透孔一2，套管1上间隔套装有多个分浆环形塞4，附图中为3个，根据套管长度高定个数，两端部各一个，中间一个或二个；所述分浆环形塞4的厚度b为6～8mm。套管1的前部对称开有略大于透孔一2的透孔二3，所述透孔一2和透孔二3形状为椭圆孔、圆形孔或条形孔。套管1前部内设有活塞5，活塞5的前端部固有弹簧6；所述的套管1外部包覆有聚乙烯薄膜塑料膜。
利用上述装置实现的预应力全锚挤压锚固方法：
根据设计要求确定孔位并作出标记，按照钻孔规程钻孔，而后用风管将锚杆孔内的粉尘泥渣吹出来；
预先把锚固剂制成两个组分，树脂、加速剂、填料为一个组分，固化剂、调料为另一组分，分别用白铁桶或塑料桶进行包装。现场施工时，分别从不同桶中取出材料，按一定配方，用人工或小型搅拌机混合均匀，随即用专用注射器抽取混匀后的锚固剂，抽取量参考下述公式：V₁=[π(D²‑d²)/4]L₁；V₂=[π(D²‑d²)/4]L₂，其中V₁，V₂分别表示端部的锚固剂注入量和外部的锚固剂注入量；L₁，L₂分别为套管端部和外部的长度，D为钻孔直径，d为套管的外径。
然后扎破套管1上的聚乙烯薄膜塑料袋，将凝胶时间不同的两种树脂锚固剂分别注入套管1内，活塞5将套管1分隔为前后两部分，前部为凝胶时间3～4min的中速锚固剂，后部为凝胶时间15～20min的慢速锚固剂；
上述工序完成后先扯掉端部的塑料袋，把装有锚固剂的套管1送入钻孔中，使套管1上套装的多个分浆环形塞4间隔分布，分段堵住钻孔，送入孔底后，扯去外部的塑料袋，
随即往套管1内插入锚杆，此时套管1内的中速锚固剂7和慢速锚固剂8两种锚固剂从透孔中先后被挤出，两种锚固剂分段充满管壁和孔壁间的空隙，在中速锚固剂7的作用下，使锚杆端头实现快速锚固；在套管1外部时，由于弹簧有一定的刚度，活塞不产生位移。在套管1外部管壁与孔壁之间充满锚固剂后，施加在杆体上的力继续增大，使弹簧6开始收缩，杆体进入套管端部，端部的中速锚固剂7随之也被挤出，逐渐充满整个套管端部与孔壁之间的空隙。这样，杆体、套管和钻孔壁就粘结为了一个整体；与弹簧相连的活塞处的套管壁不开孔，必须保证弹簧的弹性系数足够大，以保证插入锚杆时活塞不内缩，而且在活塞外部挤出的锚固剂充满管壁和孔壁预留空隙后，能在持续增大的压力作用下收缩；
锚杆杆体完全插入套管后，立刻在杆尾安设托盘施加张拉力，由于端部锚固剂的固化时间短，故实现了杆体端部预应力，在锚杆的外露端施加张拉力，并安装托盘和螺母，从而在锚杆杆体上实现预应力，最终在慢速锚固剂的作用下，实现全长锚固。
安装时候要注意控制固化时间和锚固剂稠度，套管1端部锚固剂为中速锚固剂7，施工时间相对紧凑；套管1外部慢速锚固剂8，施工时间就充裕一些，可以一次多搅拌些，但一般备料不要过多，最好随拌随用；
安装时钻孔直径、套管直径与杆体直径之间的配合已经事先确定好，锚杆的外径和套管1的内径差不超过1mm；能很好的吻合，在送入套管和插入锚杆时都不需要很大的力即可完成。套管1中与弹簧6相连的活塞5所处的位置不开孔，椭圆小孔要避开这个位置；锚杆可为20MnSi螺纹钢锚杆；套管的外壁厚度不宜过厚，满足一定刚度条件即可。
套管外壁开有中心相对的透孔，且相邻两组椭圆孔的中心连线相互垂直。对于套管的刚度不必作苛刻的要求，套管壁的透孔大小在不影响整体刚度的情况下需尽可能的大，以加大锚固剂与锚杆的接触面积。套管的端部安装有弹簧和与弹簧相连接的活塞，活塞距离端部较近，这样可以在完全插入锚杆后安装托盘施加预紧力进而实现预应力。活塞把套管隔离为两部分，弹簧所处部分为套管的端部，剩余部分为套管的外部。在端部布置的是中速锚固剂，其凝胶时间为3～4min，固化时间小于12min；外部布置的是慢速锚固剂，其凝胶时间为15～20min，固化时间小于40min。在连接弹簧的分浆环形塞处管壁不可开孔，从而避免插入锚杆时致使两部分固化时间不同的锚固剂互混。套管和活塞在这里分别起到了定位钻孔轴线和隔离固化时间不同的两种锚固剂的作用。套管的内径和锚杆的外径差值不大于1mm，这样锚杆插入的时候不需要太大的外力且可有效防止套管内外两部分的锚固剂相混合。在套管的外壁的端部、中部和尾部分别安设有分浆环形塞，要特别注意端部分浆环形塞所处的位置，端部分浆环形塞距离套管端头的距离必须大于或等于与弹簧相连的活塞距套管端头的距离，而且端部分浆环形塞至活塞段管壁不可再开口，否则在锚杆挤压这一段时会发生两段锚固剂相混的现象，实际生产应用中端部分浆环形塞和活塞应尽可能处于套管中同一位置。