一种可监测围岩变形的增阻吸能锚杆

技术领域

本发明涉及矿山巷道及岩土工程支护技术领域，尤其涉及一种可监测围岩变形的增阻吸能锚杆。

背景技术

在采矿、土木、隧道等地下工程中，锚杆支护因为结构简单、施工方便、成本低廉，并可对岩体进行加固，充分发挥岩土体的自稳能力，有效控制其变形，防止岩土体坍塌破坏，以维护工程稳定，故而被广泛应用，并已成为岩土工程领域的主要支护方式。

然而随着深部工程建设和资源开采深度的不断发展，工程活动所面临的地质条件和应力环境愈发复杂，在深部高地应力与特殊地质构造等不利条件下，易出现围岩大变形、岩爆等工程灾害现象，现已成为深部工程亟待解决的重大问题之一。但一方面，传统技术中的锚杆大多为刚性锚杆，变形能力小，当围岩发生较大变形时，锚杆往往不能与围岩同步变形，而出现破断失效，难以保证围岩的稳定；另一方面，研究人员需实时有效监测围岩的变形量以及锚杆应力，便于对围岩大变形及岩爆等工程危害进行分级预测并提出预警。

因此，鉴于以上问题，在深部工程建设和资源开采中，需要一种锚杆支护构件，既具备适应大变形的能力和高锚固力，以控制岩体大变形和动力冲击灾害，又能监测围岩变形量及锚杆应力，对隧道、巷道等工程建设中围岩内部中长期受力变形机制、变形破坏特征的研究具有重要意义的锚杆。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种可监测围岩变形的增阻吸能锚杆。

本发明采用的技术手段如下：

一种可监测围岩变形的增阻吸能锚杆，包括自由段锚杆和锚固段锚杆，所述自由段锚杆和锚固段锚杆内端分别穿入第一增阻吸能元件内并通过变形监测元件连接，位于所述第一增阻吸能元件内的所述锚固段锚杆上设置有螺母，位于所述第一增阻吸能元件内的所述自由段锚杆上套有蘑菇头螺母，所述蘑菇头螺母滑动连接于所述第一增阻吸能元件内壁，所述自由段锚杆外端通过第一连接螺母连接有托盘，所述第一增阻吸能元件内设有第二增阻吸能元件，所述第二增阻吸能元件套于所述自由段锚杆，所述锚固段锚杆外端由内向外依次套有第二锚固元件、第二连接螺母、第一锚固元件。

所述第一增阻吸能元件为一端设有敞口且另一端设有中心圆孔的套筒，所述套筒的内径从敞口端到圆孔端逐渐减小，圆环板套接于所述圆孔端，所述圆环板中部设有中心孔供所述自由段锚杆穿过，圆环封盖焊接于所述敞口端的边缘处，所述圆环封盖中部设有通孔供所述锚固段锚杆穿过，所述第二增阻吸能元件安装于所述套筒内且靠近所述圆孔端，所述第二增阻吸能元件最小内径略小于所述自由段锚杆的最大外径，所述第二增阻吸能元件的最大外径略小于所述套筒的最小内径。

进一步地，所述第二增阻吸能元件为高强截锥螺旋弹簧或高强截锥涡卷弹簧。

进一步地，所述变形监测元件包括两个监测弹簧和拉力传感器；所述监测弹簧的内端均与所述拉力传感器连接，所述监测弹簧的外端分别与所述自由段锚杆和锚固段锚杆固定连接。

进一步地，所述拉力传感器上设有无线模块，用于反馈围岩变形量。

进一步地，所述第一级锚固元件为涨壳锚头、快速树脂药卷或速凝水泥药卷。

进一步地，所述第二级锚固元件为中空锚固药卷。

进一步地，所述蘑菇头螺母大径段与所述第一增阻吸能元件内壁紧密贴合。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

通过第一、二级锚固元件的及时锚固、锚固段杆体与吸能元件配合可适应多种恶劣工况条件支护需求；本发明的第一、二级增阻吸能元件可在保证高锚固力的同时，可实现结构的分级增阻变形，可避免单个增阻元件超出预设阻力而失效，同时大幅度提高锚杆的变形能力，以适应高应力条件下岩体的大变形、岩爆等灾害；本发明的变形检测元件可实时监测围岩的变形量，从而预测围岩的变形变化规律并对工程灾害提出预警。本发明还具有结构简单、使用方便、价格低廉的特点，杆体采用传统螺纹钢制备，即可实现大变形、高工作阻力、可监测围岩变形的目标，更利于在实际工程中推广采用。基于上述理由本发明可在矿山巷道及岩土工程支护等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本具体实施方式提供的一种可监测围岩变形的增阻吸能锚杆的结构示意图。

图2为本具体实施方式提供的第一级增阻吸能元件结构示意图。

图3为本具体实施方式提供的变形监测元件结构示意图。

图中：1、螺母；2、托盘；3、自由段锚杆；4、第二增阻吸能元件；5、蘑菇头螺母；6、第一增阻吸能元件；7、变形监测元件；8、锚固段锚杆；9、第二锚固元件；10、第一锚固元件；11、第一连接螺母；12、第二连接螺母。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～3所示，本发明提供了一种可监测围岩变形的增阻吸能锚杆，包括自由段锚杆3和锚固段锚杆8，所述自由段锚杆3和锚固段锚杆8内端分别穿入第一增阻吸能元件6内并通过变形监测元件7连接，位于所述第一增阻吸能元件6内的所述锚固段锚杆8上设置有螺母1，位于所述第一增阻吸能元件6内的所述自由段锚杆3上套有蘑菇头螺母5，所述蘑菇头螺母5滑动连接于所述第一增阻吸能元件6内壁，所述自由段锚杆3外端通过第一连接螺母11连接有托盘2，所述第一增阻吸能元件6内设有第二增阻吸能元件4，所述第二增阻吸能元件4套于所述自由段锚杆3，所述锚固段锚杆8外端由内向外依次套有第二锚固元件9、第二连接螺母12、第一锚固元件10。所述第一锚固元件10为涨壳锚头、快速树脂药卷或速凝水泥药卷，所述第二级锚固元件9为中空锚固药卷。

所述第一增阻吸能元件6为一端设有敞口且另一端设有中心圆孔的套筒62，所述套筒的内径从敞口端到圆孔端逐渐减小，圆环板61套接于所述圆孔端，所述圆环板61中部设有中心孔供所述自由段锚杆3穿过，圆环封盖63焊接于所述敞口端的边缘处，所述圆环封盖63中部设有通孔供所述锚固段锚杆8穿过，所述第二增阻吸能元件4安装于所述套筒62内且靠近所述圆孔端，所述第二增阻吸能元件4最小内径略小于所述自由段锚杆3的最大外径，使自由段锚杆3可在蘑菇头螺母5与圆环板61间自由移动。

所述第二增阻吸能元件4的最大外径略小于所述套筒62的最小内径，所述第二增阻吸能元件4为高强截锥螺旋弹簧或高强截锥涡卷弹簧。

所述变形监测元件7包括两个监测弹簧71和拉力传感器72；所述监测弹簧71的内端均与所述拉力传感器72连接，所述监测弹簧71的外端分别与所述自由段锚杆3和锚固段锚杆8固定连接。

所述蘑菇头螺母5大径段与所述第一增阻吸能元件6内壁紧密贴合。所述蘑菇头螺母5可以从所述敞口端放入钢质的套筒62内一段距离，蘑菇头螺母5的大径段与套筒62的内壁紧密贴紧时，距离圆环板61的距离适宜，为预设的极限让压量。

所拉力传感器72上设有无线模块，无线模块通过独立电源进行供电，在隧道围岩体内拉力传感器72及无线模块能持续工作至少六个月甚至更长时间。当围岩与自由段锚杆3同步变形时，监测元件7的钢弹簧71被拉伸，此时拉力增大，高精度的拉力传感器72将这种变化通过无线模块将其转化为无线信号，并以无线通讯的方式传出，接收主机接收无线信号并处理，从而实现对围岩变形量的实时监测，并组成无线监测网络，所述接收主机将接收到的拉力变化数据进行自动保存，并可传输至接收终端，接收终端进一步处理分析，实现数据的图形化，绘制围岩变形曲线，从而实现对围岩变形监测，提供准确力学性质以及变形参数判断依据。

使用时，在围岩上加工钻孔，钻孔直径比中空锚固药卷稍大，钻孔深度比锚杆总体长度小，长出的部分作为自由段锚杆3的外露端，用于安装托盘1和用于固定托盘1的螺母1。

准备好若干段螺纹钢筋，分为锚固段锚杆8与自由段锚杆3两种，其中锚固段锚杆8的一端通过圆环封盖63的中心孔伸入，然后从此伸入端旋进螺母1，钢筋头部稍微超出第一连接螺母1一小段距离即可。再在锚固段锚杆8的螺纹钢筋此端的中心处点焊一个弹簧71的一端，钢弹簧7-1的中心轴线与锚固段锚杆8的中心轴线重合。

自由段锚杆3杆体从小径段钢质的圆环板61的中心孔伸入，再将第二级增阻吸能元件4穿过自由段锚杆3的杆体放入钢质圆套筒62内，第二级增阻吸能元件4的最大外径端贴紧小径段钢质的圆环板61。此后在自由段锚杆3的伸入端旋入蘑菇头螺母5，钢筋头部伸出蘑菇头螺母5一小段距离即可。再在钢筋截面中心处点焊另一个弹簧71的一端，弹簧71的中心轴线与自由段锚杆3杆体的中心轴线重合。

此后，将拉力传感器72的两端均与钢弹簧71的一端固定安装。安装完成后，将整体调整好位置，此时蘑菇头螺母5应与套筒62的筒壁紧密卡紧，然后将圆环封盖63的边缘与套筒62的大径段内壁进行焊接。

至此，第一增阻吸能元件6、第二增阻吸能元件4与变形监测元件7安装完毕。

从锚固端锚杆8的另一端依次放入适量的中空锚固药卷，作为第二级锚固元件9，若第一锚固元件10采用涨壳锚头时，先旋入螺母1，再将涨壳锚头旋拧到锚固段锚杆8的钢筋尾端并固定好，从而完成第一锚固元件10、第二锚固元件9的安装。

在将组装好的锚杆插入钻孔前，将中空锚固药卷的包装膜剥去，并将其全部浸入水中一段时间后，将锚杆从水中取出。

上述准备工作完成后，将锚杆安装到锚杆安装机上，利用锚杆安装机将锚杆压入准备好的围岩钻孔中，通过旋转蘑菇头螺母5，会带动涨壳锚头的楔体轴向移动，通过轴向移动的楔体便可将涨壳锚头的壳片向外涨开，从而通过涨开的壳片与钻孔孔壁形成初始锚固力。

当锚杆安装完成后，在自由段锚杆3杆体的外露端先安装托盘2，再旋入一个第一连接螺母11，直至旋紧第一连接螺母11，将托盘2牢固地压紧在围岩表面，此时整根锚杆安装完成。

当锚杆完成现场安装后，经过一段时间，第二锚固元件9的中空锚固药卷就开始水化反应并发挥效用，中空锚固药卷通过内部锚固剂的水化反应发生固化膨胀，同时产生径向膨胀力，进而使第二锚固元件9与围岩紧密锚固。

当围岩发生变形时，第一锚固元件10、第二锚固元件9与围岩钻孔壁之间依然处于紧密锚固状态，锚固段锚杆8的杆体与第一锚固元件10、第二锚固元件9仍处于紧密连接的状态，并与第一增阻吸能元件6固定。自由段锚杆3的杆体连带着蘑菇头螺母5一起与围岩进行随动，蘑菇头螺母5与第一增阻吸能元件6发生相对滑移，挤压摩擦套筒62的内壁，从而实现第一级增阻吸能。当围岩变形达到一定量时，蘑菇头螺母5的端头开始挤压第二锚固元件4，此时第二锚固元件4的最大外径端贴紧抵住小径段圆环板61，随着位移量的增大，第二锚固元件4所提供的的工作阻力也逐渐增大，从而实现第二级增阻吸能。最终保证了锚杆的大变形，同时保证了锚杆的高锚固力。

当自由段锚杆3与围岩发生随动时，变形监测元件7的弹簧71被逐渐拉伸，此时拉力增大，高精度的拉力传感器72将这种变化通过外设的无线模块将其转化为无线信号，并通过无线通讯的方式传出，接收主机接收无线信号自动保存并完成变形量信号的数字转化，从而实现对围岩变形量的实时监测，并可组成无线监测网络。接收终端将接收主机得到的监测数据进一步处理分析，借助特定软件，实现对数据的图形化，绘制围岩时间-应力-变形曲线，从而实现对围岩变形监测的目的，并提供准确的力学性质和变形规律的判断依据。变形监测元件7在复杂的隧道围岩环境中持续工作至少六个月，甚至更长时间，并保证数据的稳定性和满足传输距离的要求。采用变形监测元件7可建立无线传感器网络，成功高效地实现对围岩变形量的监测，具有高精度、测量方便、工作时间长强等诸多优点。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。