[0001] 本发明涉及岩土工程支护， 特别是一种自膨胀锚杆及其制备和使用方法。

背景技术

[0002] 锚杆是一种用钢材等高抗拉强度材料制成、 安装在岩体内部、 用于对建筑基坑 、 露天边坡、 隧道和井巷工程进行支护的杆状受拉构件。 采用锚杆支护时， 先 向围岩钻孔， 然后在孔内安装锚杆， 利用锚头与围岩间的机械作用或依靠水泥 砂浆、 树脂药剂与围岩的粘结作用或通过管缝与围岩 间的摩擦作用， 配以托板 和锁紧螺母将围岩加固起来， 起到支护锚固的效果。 锚杆支护是一种结构简单 的主动支护方式， 它使围岩从被动承载变为主动支护， 改善了支护效果， 具有 施工简单、 控制围岩变形效果好等优点， 是建筑基坑、 露天边坡、 隧道和井巷 工程中常用的一种加固支护方式。

[0003] 由于地质条件的复杂性和岩土工程支护需求的 多样性， 锚杆的种类有很多。 早 期出现的锚杆有楔缝式、 倒楔式和胀壳式等机械型锚杆， 之后出现了注浆锚杆 和树脂锚杆等黏结型锚杆以及快硬水泥药卷膨 胀锚杆、 双快水泥膨胀锚杆、 S we Ilex水力膨胀锚杆和管缝式锚杆等膨胀摩擦型� �杆。 其中， 楔缝式、 倒楔式和胀 壳式机械型锚杆属于被动支护锚杆， 只能被动地承受载围岩所施加的力。 在围 岩松软、 破碎时， 因锚固效果较差， 不宜采用。 Swellex水力膨胀锚杆和管缝式 锚杆等膨胀摩擦型锚杆， 通过杆体自身的膨胀挤压孔壁， 与围岩直接接触产生 摩擦力起到锚固作用， 其锚固强度依赖于杆体的塑性变形， 一旦杆体变形状态 发生改变， 锚固强度也会随之改变； 且杆体直接与围岩接触， 易受到弱酸性地 下水锈蚀而失效。 注浆锚杆和树脂锚杆等需要通过砂浆、 快干水泥浆体、 树脂 黏合剂等锚固剂来建立锚杆与围岩之间的联系 ， 这种类型的锚杆， 其强度往往 取决于锚固剂的强度， 当锚固剂破坏时， 锚杆直接失效； 且水泥砂浆、 快干水 泥浆体等需要现场制备浆体， 通过高压泵送入孔内， 施工过程复杂。 此外， 树 脂药卷尽管施工工序简单， 锚固强度高， 但成本较高。 [0004] 随着浅部易采资源的枯竭， 浅部难采矿体及深部“三高一扰动”环境下矿 体开采 是未来矿产资源开采的必然趋势。 浅部破碎矿体和深部高应力开采环境， 支护 工作量大， 要求高。 楔缝式、 倒楔式和胀壳式等机械型锚杆因锚固力小， 耐腐 蚀性差， 应用已逐渐减少； 注浆锚杆和快硬水泥膨胀锚杆因施工工序多， 凝固 时间长， 起效慢， 在深部“三高一扰动”破碎环境下应用也受到 较大限制； 树脂锚 杆尽管发挥作用快， 施工简单， 但树脂药卷成本较高， 大范围应用时， 支护成 本太尚。

[0005] 因此， 研发一种承载快、 锚固力大、 安装施工简便、 生产成本低的新型主动支 护锚杆， 是开采破碎及深部“三高一扰动”环境下的矿 产资源所需要的。

发明概述

技术问题

问题的解决方案

技术解决方案

[0006] 本发明的目的就是适应上述需求提供一种结构 简单、 使用方便、 制造成本低、 锚固力强、 适用范围广的自膨胀锚杆及其制备和使用方法 。

[0007] 为实现上述目的， 本发明提供的自膨胀锚杆， 包括杆体， 间隔安装在杆体上的 自膨胀体， 安装在杆体前端的逆向防滑装置和位于杆体后 端的锁固装置；

[0008] 所述自膨胀体包括药柱， 药柱固定装置和药柱密封防水装置；

[0009] 所述药柱包括套在杆体上的圆环形双层套筒， 双层套筒的一端封闭， 另一端有 筒盖， 双层套筒的外壁开设有透水孔， 双层套筒内装有膨胀剂， 膨胀剂和双层 套筒之间有具有韧性的透水材料；

[0010] 所述药柱固定装置包括位于药柱两端、 与所述杆体螺纹连接的紧固螺母和垫片 ; 旋拧紧固螺母可使垫片夹紧药柱， 将药柱固定在杆体上；

[0011] 所述药柱密封防水装置为套在药柱外部的弹性 隔水保护套；

[0012] 所述逆向防滑装置包括与杆体前端螺纹连接的 长六角螺母和六个由长杆和短杆 一端相互铰接构成的可折叠金属支架； 六个金属支架的前端 （即长杆的另一端 ） 分别与焊接在长六角螺母六个平面外壁上的铰 接耳铰接； 金属支架的后端 （ 即短杆的另一端） 有与其铰接的滑块， 该滑块可沿与所述铰接耳对应、 纵向开 设在长六角螺母平面外壁上的滑道滑动； 滑块向前滑动到终点金属支架合拢 （ 锚杆未使用时状态） ， 滑块向后滑动金属支架张开 （锚杆置于钻孔中状态） ；

[0013] 所述位于杆体后端的锁固装置包括套在杆体后 端的托板和与杆体的后端部螺纹 连接的锁紧螺母， 锚杆使用时通过旋拧锁紧螺母可使托板与围岩 岩壁压紧。

[0014] 所述透水材料为土工布或无纺布；

[0015] 所述膨胀剂由 CaO、 膨润土、 硬化材料、 无水乙醇、 减水剂和缓凝剂混合组成 ， 各成分的重量配比为： CaO 65% , 膨润土 2%， 硬化材料 15%， 无水乙醇 10%， 减水剂 1%， 缓凝剂 7% ;

[0016] 所述药柱的外径小于围岩钻孔 3mm。

[0017] 上述自膨胀锚杆的制备方法， 包括以下步骤：

[0018] （1） 按以下顺序制作药柱

[0019] 1） 以塑料或其它高分子材料为原料， 采用浇铸、 熔铸或 3D打印方法制成长度 为 10~15cm、 壁厚为 0.5~lmm的双层套筒和与之配套的筒盖； 双层套筒的内孔孔 径大于杆体直径 2mm， 双层套筒的外径小于钻孔直径 3mm; 在双层套筒的外壁 两侧对称开设相互间隔的透水孔；

[0020] 2） 按照膨胀剂所含成分的重量配比称取原料； 将原料中的 CaO、 膨润土、 硬 化材料、 减水剂和缓凝剂混合, 搅拌均勻后加入无水乙醇继续搅拌, 制成润湿 状膨胀剂；

[0021] 3） 将透水材料裁成长度与双层套筒长度相同、 宽度等于双层套筒外径周长的 矩形片状， 貼附在双层套筒的外壁内侧； 然后将 2） 中制成的润湿状膨胀剂通过 机械或手工方式填充到双层套筒中， 填充密度达到 1.8~2.1g/m ³ 后， 用筒盖加密 封胶封装；

[0022] 4） 将 3） 填充润湿状膨胀剂的双层套筒放置在 70~80°C环境下 （烘干箱） 40-50 min, 使内部的乙醇挥发， 制成药柱；

[0023] （2） 制作锚杆的杆体、 逆向防滑装置、 锁固装置、 自膨胀体的固定装置及药 柱密封防水装置

[0024] 按锚杆的设计长度用精轧螺纹钢筋制成直径为 18~22mm的杆体， 在杆体的前端 部、 后端部和中间加装自膨胀体部位的两端分别车 出螺纹； [0025] 制作与杆体前端螺纹配合、 长度为 60mm的长六角螺母， 在长六角螺母外壁的 六个平面的前端分别焊接铰接耳， 对应每个铰接耳在每个平面上轴向开设 T形滑 槽， 滑槽中安放与 T形滑槽配合的滑块； 用厚度为 5mm、 宽度为 10mm、 长度分 别为 60mm和 45mm的两根扁状不锈钢杆一端铰接制成可折叠� �金属支架， 将金 属支架的前端与铰接耳铰接， 后端与滑块铰接， 制成逆向防滑装置；

[0026] 用厚度为 15mm、 边长为 15mm的正方形钢板制成托板， 用与杆体后端螺纹连接 的热轧六角螺母作为锁紧螺母， 组装成锚杆的锁固装置， 备用；

[0027] 用厚度为 5mm、 内径为 24mm、 外径为 40mm的圆环形钢片制成垫片， 用与自膨 胀体两端位置的杆体螺纹连接的热轧六角螺母 作为紧固螺母， 组成自膨胀体的 固定装置；

[0028] 用厚度为 1mm的硅胶制成内径略小于药柱外径、 长度略大于自膨胀体长度的弹 性隔水保护套作为药柱密封防水装置；

[0029] （3） 组装自膨胀体锚杆

[0030] 将步骤 （2） 制成的逆向防滑装置安装在锚杆杆体的前端 （将长六角螺母旋入 杆体前端的螺纹上） ； 按每节自膨胀体的设计长度， 取适当数量的药柱相接， 自前向后套在杆体的设定位置， 同时利用自膨胀体的紧固螺母和垫片将每节自 膨胀体分别固定在杆体上； 然后将制成的弹性隔水保护套撑开， 逐个套在自膨 胀体的外部， 对自膨胀体进行防水防潮密封， 完成自膨胀体锚杆的组装。

[0031] 上述自膨胀锚杆的使用方法是：

[0032] 自膨胀锚杆使用时， 首先将弹性隔水保护套解除， 然后将锚杆置于水中浸泡； 水从双层套筒外壁上的透水孔通过柔性透水材 料进入内部的膨胀剂中， 浸泡 6~8 min后将自膨胀锚杆从水中取出， 将弹性隔水保护套重新套在浸泡后的自膨胀体 上， 然后将锚杆插入钻孔中； 待 30~50min， 药柱中的膨胀剂反应膨胀， 膨胀压 将双层套筒的外壁挤破， 形成锚固剂， 通过弹性隔水保护套对钻孔孔壁产生径 向挤压， 使锚杆杆体与钻孔孔壁耦合在一起， 最后形成锚固体； 此时将托板穿 在露出钻孔的杆体后端， 向前旋拧与杆体后端螺纹连接的锁紧螺母， 使托板与 钻孔周围的围岩紧贴， 完成自膨胀锚杆的安装使用。

发明的有益效果 有益效果

[0033] 1、 本发明利用 CaO与水发生反应

[0034] CaO+H ₂ 0= Ca(OH) ₂

[0035] 生成氢氧化钙， 在反应过程中伴随着分子结晶膨胀， 使药柱整体发生膨胀， 在 空间约束的情况下产生极大的膨胀压， 在膨胀压作用下， 药柱的双层套筒被挤 破， 自膨胀药柱与钻孔孔壁及杆体间紧密接触， 形成致密高强的锚固体。 锚固 体对钻孔孔壁和锚杆杆体产生很大的压应力， 为巷道围岩提供强大的锚固力； 锚固体对钻孔孔壁的强大膨胀压使自膨胀体间 的岩体形成强有力的挤压作用， 这种挤压作用， 可以大大提高巷道围岩的整体稳固性， 改变岩体的破坏形式， 当围岩存在运动趋势或发生运动时， 靠围岩和自膨胀锚杆之间的摩擦力可以提 高自膨胀锚杆的锚固效果。

[0036] 2、 本发明采用由塑料或有机材料制成的双层套筒 通过柔性透水材料包装膨胀 齐 1J， 能在一定程度上提高包装速度， 并可保护药柱在使用过程中不被外力损坏

[0037] 3、 本发明中的自膨胀体在锚杆杆体上采用间隔方 式分布， 通过紧固螺母和垫 片使其固定， 利用间隔药柱产生的膨胀压在钻孔中形成作用 范围更广、 分布更 均匀的锚固体， 当围岩存在运动趋势或发生运动时， 即使局部某个自膨胀体锚 固效果下降或失效， 并不影响其他自膨胀体的锚固效果。

[0038] 4、 本发明自膨胀体外包裹弹性隔水保护套， 在不影响药柱膨胀效果的同时， 可起到如下作用： 一是对制备好的药柱具有一定的隔水防潮作用 ， 避免药柱在 储存或运输过程中发生吸水反应， 导致自膨胀锚杆失效； 二是将自膨胀锚杆放 入钻孔中膨胀剂与水反应膨胀时将药柱与外界 隔绝， 使其不会受到周围环境中 弱酸性水的破坏， 扩大自膨胀锚杆的适用范围； 三是对浸泡后的药柱放入钻孔 后起到暂时约束作用， 防止膨胀剂从药柱与钻孔间的缝隙中喷出。

[0039] 5、 本发明自膨胀锚杆可机械化批量生产， 制造成本低廉， 携带方便， 操作使 用简便， 反应速度快， 锚固效果好。

对附图的简要说明

附图说明 [0040] 图 1为本发明自膨胀锚杆的轴向剖视图；

[0041] 图 2为图 1中单个药柱的半剖图；

[0042] 图 3为沿图 2 A-A剖视图；

[0043] 图 4为图 1中逆向防滑装置的局部放大图；

[0044] 图 5为自膨胀锚杆的安装使用示意图。

[0045] 图中符号说明： 1-铰接耳， 2 -滑块， 3 -长六角螺母， 4 -紧固螺母， 5 -弹性隔水保 护套， 6 -透水孔， 7 -双层套筒， 8 -透水材料， 9 -膨胀剂， 10-筒盖， 11-托板， 12- 锁紧螺母， 1 ₃ -垫片， 14 -杆体， 15 -滑道， 16 -短杆， 17 -长杆， 18 -自膨胀体。 19- 围岩。 20 -松动圈， 21-巷道。

发明实施例

本发明的实施方式

[0046] 以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明 。

[0047] 结合图 1， 本发明自膨胀锚杆， 包括杆体 14, 间隔安装在杆体上的自膨胀体， 安装在杆体前端的逆向防滑装置和位于杆体后 端的锁固装置。

[0048] 所述自膨胀体包括药柱， 药柱固定装置和药柱密封防水装置。

[0049] 结合图 1、 图 2和图 3， 所述药柱的外径小于围岩钻孔 3mm， 药柱由套在杆体上 的圆环形双层套筒 7和装在双层套筒内的膨胀剂 9组成。 双层套筒的一端封闭， 另一端有筒盖 10, 筒盖可旋拧在双层套筒的内壁上。 在双层套筒的外壁相对的 两侧沿轴向分别开设一组 （本实施例为五个） 透水孔 6。 膨胀剂由 CaO、 膨润土 、 硬化材料、 无水乙醇、 减水剂和缓凝剂混合组成， 各成分的重量配比为： CaO 65% , 膨润土 2%， 硬化材料 15%， 无水乙醇 10%， 减水剂 1%， 缓凝剂 7%。 膨胀 剂和双层套筒之间有由土工布或无纺布构成的 透水材料 8。

[0050] 所述药柱固定装置包括位于药柱两端、 与所述杆体螺纹连接的紧固螺母 4和垫 片 13。 旋拧紧固螺母可使垫片夹紧药柱， 将药柱固定在杆体上。

[0051] 所述药柱密封防水装置为套在药柱外部的弹性 隔水保护套 5。

[0052] 结合图 4, 所述逆向防滑装置包括与杆体前端螺纹连接的 长六角螺母 3和六个由 长杆 17和短杆 16—端相互铰接构成的可折叠金属支架； 六个金属支架的前端 （ 即长杆的另一端） 分别与焊接在长六角螺母六个平面外壁上的铰 接耳 1铰接； 金 属支架的后端 （即短杆的另一端） 有与其铰接的滑块 2, 该滑块可沿与所述铰接 耳对应、 纵向开设在长六角螺母平面外壁上的滑道 15滑动； 滑块向前滑动到终 点金属支架合拢 （锚杆未使用时状态） ， 滑块向后滑动金属支架张开 （锚杆置 于钻孔中状态） 。

[0053] 结合图 1， 所述位于杆体后端的锁固装置包括套在杆体后 端的托板 11和与杆体 的后端部螺纹连接的锁紧螺母 12, 锚杆使用时通过旋拧锁紧螺母可使托板与围 岩岩壁压紧。

[0054] 图 5所示为自膨胀锚杆的安装使用示意图， 其中 14为锚杆的杆体， 18为自膨胀 体， 19为围岩， 20为松动圈， 21为巷道。