一种受控应变型预警锚杆

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1.本发明涉及锚杆技术领域，尤其是一种受控应变型预警锚杆。

背景技术：

2.锚杆支护是岩土工程中最常见的支护方式。关于锚杆的作用机理，国内外做了大量的研究工作，并取得较好的成果。在理论上，针对锚固体与岩土体界面力学本构关系，分别建立了岩土体弹塑性模型，探讨了锚固体的锚固机理；采用分离式模型建立了基于混凝土基质的锚杆二界面分布函数理论；采用分段线性函数模式来表征锚固体与岩土体界面三个阶段的剪应力-剪切位移关系，描述锚杆界面的黏结-软化-滑移特性；采用更为简化的两个阶段的界面本构模型，对锚杆的松动破坏进行了分析；采用理想的弹塑性模型作为锚固体与岩土体界面的荷载传递模型，研究了土-锚相互作用机理及锚杆临界锚固长度。这些研究促使锚杆的应用趋于成熟。
3.锚杆支护方式尽管有很长的应用历史，但也面临着需要不断改进的实践挑战。由于受二次应力场的影响，岩体容易出现局部的应力集中，导致被锚固岩体开裂、松脱甚至崩塌。传统的锚杆一般多为刚性均质金属杆件，因而个别承载锚杆很有可能因负荷过大而失效——全长滑移、杆体被拉长（局部杆径缩小）甚至折断等，因此造成较大的安全隐患。
4.针对上述传统刚性锚杆容易受到破坏的不足，目前已经研发出了“让压锚杆”“释能锚杆”等新型锚杆。其中，让压锚杆一般采用在锚杆垫板或螺母处添加弹簧垫圈的办法，当锚杆受压时，通过弹簧垫圈的压缩来实现让压（也相当于释能作用）。此类按照“以弱克刚”的原则，研发新型锚杆代表了重要的研究和改进方向。由于支护现场条件非常复杂，特别是井巷工程中，经常遇到因空间过高或其他阻隔影响，使得在支护后不能够方便地用肉眼观察锚杆变化的情况，致使上述的隐患难以被及时发现并消除，导致支护岩体冒落事件仍时有发生。因此，针对锚杆支护效果后期的持续跟踪监测，也是需要给予关注的重要管理内容。

技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种受控应变型预警锚杆，经过优化设计，集释能、应力量度与安全报警等功能于一体，有效地解决了锚杆受力破坏和针对支护岩体开裂冒落隐患监测的难题。相较于一般释能型锚杆，实现了新的提升和改进，将对该领域的科研进展起到积极的推动作用。
6.本发明的技术方案为：一种受控应变型预警锚杆，包括钻孔2、填充物1、锚杆5、压帽3、紧固托板4、应变预警组件61、紧固装置13，其中钻孔2底部装设有填充物1，锚杆5前端插入钻孔2底部，锚杆5尾部嵌入应变预警组件61，应变预警组件61末端与紧固托板4连接，通过紧固装置13固定。
7.所述应变预警组件61包括钢制套管6、弹簧7、压帽3、触点、警示灯12、警示灯电源11，其中锚杆5尾部有外螺纹，钢制套管6一端开口，另一端为开有圆孔的钢板，圆孔内有内
螺纹，与锚杆5尾部的外螺纹口径一致，两者通过螺纹进行连接；锚杆5尾部中央钻凿有内螺纹的孔，弹簧7两端均有外螺纹的连接头，其中一端连接头与锚杆5尾部中央的孔通过螺纹连接，另外一端连接头与紧固螺杆14中央带有内螺纹的孔通过螺纹连接；紧固螺杆14为具有一定长度的杆件，杆体表面有通体外螺纹，穿过紧固托板4中央的圆孔，其中一端与带有内螺纹的压帽3通过螺纹连接，另外一端外露于钻孔2孔口，通过带有内螺纹的紧固装置13以螺纹连接，并将紧固螺杆14逐渐向孔外拉伸，使孔内的弹簧7处于受拉状态。钢制套管6上设置触点a、压帽3上设置触点b，触点a与触点b通过线缆连接警示灯12，警示灯12与警示灯电源11连接。
8.在应变预警组件中，钢制套管6、压帽3、警示灯12和警示灯电源11通过钢制套管6端部和压帽3端部的触点，触点与钢制套管6和压帽3为一体结构，构成断通式光电报警电路。在锚杆5孔内安装完毕，紧固螺丝14在紧固装置13的作用下向孔外拉伸，当弹簧7处于受拉状态后，此时钢制套管6两个触点和压帽3上的触点处于断开状态，报警电路断开，警示灯12处于熄灭状态；当孔内锚杆发生破坏失效后，无论哪种失效形式发生，锚杆均会发生松弛现象，此时锚杆尾部5在弹簧7的拉伸作用下沿钻孔发生位移，钢制套管6两个触点和压帽3上的触点就会处于导通状态，报警电路导通后，警示灯12处于常亮状态，当工人巡检时可发现锚杆的异常状态，起到预警作用。
9.本发明的有益技术效果：通过内置的弹性构件，使新型锚杆具有应变功能。若被锚固岩体出现变形（开裂），释放压力到一定值时，锚杆能够及时定量化量度出岩体所释放的压力值（并产生相应的应变），从而为准确分析、研究被支护岩体变形及受力情况提供重要的科学依据。与此同时，根据事先设定的锚杆弹性构件应变值的阈值，被锚固岩体发生的较大变形（开裂）可以激发其内置的光学构件，进而实现安全预警。
10.新型锚杆作为一种专门的岩体支护创新技术方法，有很强的实用性和通用性，经济和社会效益明显。在经济效益方面：通过新型锚杆的使用，可以及时改进锚杆的布局，指导整体锚固设计的优化，提升管理绩效，为企业带来可观的经济效益；其社会价值主要体现在促进安全生产方面：通过内置弹性构件的应变，可以有效缓释被支护体后续变形（开裂）的能量，从而及时化解或控制岩体的破坏性崩塌或冒落威胁（对岩爆灾害也有一定的抑制作用）；依靠光学器件的警示功能，将极大方便矿山预防性安全管理，为促进本质安全的实现提供一种实用的安全技术手段，可以在采用锚杆（网）支护的各类岩体工程中广泛推广应用，如图3，必将产生明显的社会效益。
附图说明
11.图1是本发明实施例提供的结构示意图。
12.图2是本发明实施例提供的原理图。
13.图3是本发明应用图。
具体实施方式
14.下面结合说明书附图，对本技术进行清楚、完整地描述，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
15.一种受控应变型预警锚杆，包括钻孔2、填充物1、锚杆5、紧固托板4、应变预警组件61、紧固装置13，其中锚杆5前端插入钻孔2底部，钻孔2底部装设有填充物1，锚杆5尾部嵌入应变预警组件61，应变预警组件61末端通过紧固螺杆14与紧固托板4连接，通过紧固装置13固定。
16.所述应变预警组件61包括钢制套管6、弹簧7、压帽3、触点、警示灯12、警示灯电源11，其中锚杆5尾部设有外螺纹与钢制管套6螺纹连接，钢制管套6内安装弹簧7，弹簧7一端与锚杆5连接，弹簧7另一端与紧固螺杆14连接，紧固螺杆14外侧连接压帽3，压帽3与钢制管套6之间设有触点，触点导线与警示灯12连接，警示灯12与警示灯电源11连接。
17.所述弹簧7自然长度大于钢制套管6长度。
18.其中锚杆5尾部有外螺纹，钢制套管6一端开口，另一端为开有圆孔的钢板，圆孔内有内螺纹，与锚杆5尾部的外螺纹口径一致，两者通过螺纹进行连接；锚杆5尾部中央钻凿有内螺纹的孔，弹簧7两端均有外螺纹的连接头，其中一端连接头与锚杆5尾部中央的孔通过螺纹连接，另外一端连接头与紧固螺杆14中央带有内螺纹的孔通过螺纹连接；紧固螺杆14为具有一定长度的杆件，杆体表面有通体外螺纹，穿过紧固托板4中央的圆孔，其中一端与带有内螺纹的压帽3通过螺纹连接，另外一端外露于钻孔2孔口，通过带有内螺纹的紧固装置13以螺纹连接，并将紧固螺杆14逐渐向孔外拉伸，使孔内的弹簧7处于受拉状态。钢制套管6上设置前触点a8及后触点b9、压帽3上设置触点c，触点a、触点b与触点c导线通过线缆连接警示灯12，警示灯12与警示灯电源11连接。当开裂或松脱岩石增多，弹簧7受到的应力增大，应力超过设定阈值时，触发触点信号，触点信号连接警示灯，警示灯对外显示。
19.所述填充物1为胶凝材料，所述填充物1水泥砂浆或树脂，泥砂浆和树脂等胶凝材料，均为快速凝固的胶结材料，注入孔内插入锚杆后，能够很快凝固将锚杆牢牢固结在孔内，所以不会掉落井里。
20.一种受控应变型预警锚杆的应用步骤，1.钻孔2底部注入一段水泥砂浆、树脂等胶凝材料1；2.打入锚杆5，至外端面稍高于孔口平面；锚杆5短于钻孔全长350mm左右，在螺纹钢外端面中心处，事先钻内螺纹孔长15mm（内螺纹与弹簧钢丝头等径）；螺纹钢端部外径事先加工15mm长螺纹3.将弹簧7一端钢丝头拧入螺纹钢外端面内螺纹孔，紧固；弹簧两端钢丝头都预先加工15mm外螺纹；弹簧长200mm左右。
21.4.钢制套管6前推，弹簧由钢制套管6内伸出，与长螺纹钢外端外螺纹紧固；套管前端面焊接钢质圆环，圆环孔与螺纹钢等径，并预先加工内螺纹；套管外端面敞口，在其外表面，靠近外端部沿轴向上预先粘贴两个金属垫片（与套管外壁绝缘处理，有间隔）作为触点a、b（a前b后），两触点分别预接一根细胶质导线；弹簧自然长度稍大于套管长度。
22.5.将与长锚杆5紧固一体的钢制套管6继续向孔底打入，至套管外端面低于孔口平面20mm左右；6. 将由短钢管制成的钢制压帽3前推，盖住套管外端面（内套弹簧的外钢丝头与压帽近平齐）。
23.钢制压帽3内径稍大于钢制套管6外径，在其前端内壁预先绝缘粘贴一个小金属垫片作为触点c，并接一根细胶质导线；沿通过c点的压帽3轴线方向，靠压帽3端盖边缘上预先钻小孔（压帽孔），用于胶质线穿出；7.将三条胶质导线引出压帽孔。
24.8．将一小段带有内外螺纹的短螺纹钢旋进，同时与弹簧和端盖紧固。调整紧固程度，使c越过a触点，并有里向外a、c、b三点成一线。
25.短螺纹钢与长螺纹钢同材质同规格，内外螺纹加工与长螺纹钢相类似。
26.9.安装中间留有大孔的长条形钢制厚压板(短螺纹钢端头由孔内伸出)，使压板小孔正对压帽上的小孔，将三根胶质线一同由压板小孔中引出，与外置预警装置电路连接（红黄两预警灯）；按照设计，沿压板长轴中线方向，在与压帽孔到锚杆中心的距离等长的位置，预先钻一小孔（压板小孔）。
27.10. 露出的短螺纹钢端头用紧固装置13紧固，紧固装置13为螺帽，至黄灯刚刚亮起，停止紧固，随后反转螺帽，至黄灯熄灭。至此安装结束。
28.可根据需要继续反转螺帽，直至达到设计预警值——-岩体开裂量（锚杆伸长量）。
29.我们有效地解决了锚杆受力破坏和针对支护岩体开裂冒落隐患监测的难题。正常锚杆在钻孔里面本身就会受拉伸力作用，但是当拉伸力小于锚杆端部的固结力或者锚杆杆体本身的强度时，是不会发生损坏失效的，当拉力大于上述两个力其中一个时，锚杆要么发生滑移，要么发生断裂，这两种破坏发生后，孔内锚杆5尾部都会在弹簧7拉伸作用下发生位移，此时预警组件电路发生状态变化，起到报警作用。

技术特征：

1.一种受控应变型预警锚杆，包括钻孔（2）、填充物（1）、锚杆（5）、紧固托板（4）、应变预警组件（61）、紧固装置（13），其特征在于：锚杆（5）前端插入钻孔（2）底部，钻孔（2）底部装设有填充物（1），锚杆（5）尾部嵌入应变预警组件（61），应变预警组件(61)末端通过紧固螺杆（14）与紧固托板（4）连接，通过紧固装置（13）固定。2.根据权利要求1所述的一种受控应变型预警锚杆，其特征在于：所述应变预警组件（61）包括钢制套管（6）、弹簧（7）、压帽（3）、触点、警示灯（12）、警示灯电源（11），其中锚杆（5）尾部设有外螺纹与钢制管套（6）螺纹连接，钢制管套（6）内安装弹簧（7），弹簧（7）一端与锚杆（5）连接，弹簧（7）另一端与紧固螺杆（14）连接，紧固螺杆（14）外侧连接压帽（3），压帽（3）与钢制管套（6）之间设有触点，触点导线与警示灯（12）线缆连接，警示灯（12）与警示灯电源（11）连接。3.根据权利要求2所述的一种受控应变型预警锚杆，其特征在于：所述钢制套管（6）上设置前触点a（8）及后触点b（9）、压帽（3）上设置触点c（10），触点c（10）位于触点a（8）、触点b（9）之间。4.根据权利要求1所述的一种受控应变型预警锚杆，其特征在于：所述填充物（1）为水泥砂浆或树脂。

技术总结

本发明涉及锚杆技术领域，尤其是一种受控应变型预警锚杆。锚杆前端插入钻孔底部，钻孔底部装设有填充物，锚杆尾部嵌入应变预警组件，应变预警组件末端通过紧固螺杆与紧固托板连接，通过紧固装置固定。通过内置的弹性构件，使新型锚杆具有应变功能。若被锚固岩体出现变形（开裂），释放压力到一定值时，锚杆能够及时定量化量度出岩体所释放的压力值（并产生相应的应变），从而为准确分析、研究被支护岩体变形及受力情况提供重要的科学依据。与此同时，根据事先设定的锚杆弹性构件应变值的阈值，被锚固岩体发生的较大变形（开裂）可以激发其内置的光学构件，进而实现安全预警。进而实现安全预警。进而实现安全预警。