一种带筋钢骨架的大头聚能射孔管式注浆锚杆及施工方法

摘要

本发明公开了一种带筋钢骨架的大头聚能射孔管式注浆锚杆，包括爆破射孔装置、管式注浆锚杆体、聚能装药、钢筋骨架四个主要部分；施工方法包括：1)准备设备；2)测量布眼；3)钻孔；4)清孔及检查；5)打入爆炸射孔装置及锚杆；6)封堵炮泥；7)起爆，8)清孔；9)安装止浆塞；10)注浆；本发明在管式注浆锚杆体外壁上设置有棘枝，并在其底部焊接有爆破射孔装置，内部装有安装了雷管的起爆药包和聚能装药，能立即提供高强锚固力，防止锚杆掉出，另外，通过管式注浆锚杆管腔对岩土体注浆，可形成大端头大面积的摩擦——栓塞新型复合锚固和注浆加固的综合支护系统，极大地改善了锚杆对岩土体的加固效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种注浆锚杆及施工方法，尤其涉及一种带筋钢骨架的大头聚能射孔管式注浆锚杆及施工方法。

背景技术

注浆锚杆是一种常用的支护工具，将其埋设在地层中，可将地层紧紧地连锁在一起，通过锚杆——注浆体——孔壁岩体力的相互作用，调动和提高岩土体的自身强度和自稳能力，改善被锚固岩土体的应力状态以使之稳定，从而减小巷道的变形量。

然而，目前常用的注浆锚杆，在注浆体固结之前几乎不能提供锚固力，或是提供的锚固力较小、锚固面积较小等，它们在大采深高应力锚网支护、软岩锚网支护和破碎煤岩体锚网支护等特殊应用环境中很难适用，另外，在巷道顶部支护时，向上方向安设锚杆，会出现锚杆掉出伤人事故。因此需要开发出一种能立即提供锚固力、锚固力大、锚杆锚固面积大、锚杆与岩土体一起形成的组合拱强度高、锚杆安设好后不易掉出的注浆锚杆，以保障矿井生产安全进行。

发明内容

为了克服现有注浆锚杆，在注浆体固结之前几乎不能提供锚固力或提供的锚固力较小，锚固面积较小，锚杆与岩土体一起形成的组合拱强度低，向上方向安设锚杆，会出现锚杆掉出等不足之处，本发明提供一种带筋钢骨架的大头聚能射孔管式注浆锚杆。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种带筋钢骨架的大头聚能射孔管式注浆锚杆，包括爆破射孔装置(1)、管式注浆锚杆体(2)、聚能装药(5)、钢筋骨架(6)四个主要部分组成；

所述爆破射孔装置(1)由轴向端铁(19)、固定杆(18)、径向射孔套(22)、弹子(21)、倒钩(23)和起爆药品(20)组成，其中，两块轴向端铁(19)为圆形板，中间开有孔，可以通过固定杆(18)；径向射孔套(22)为圆筒形，被夹在两块轴向端铁(19)之间，其内部放有起爆药品(20)，径向射孔套(22)上的弹孔内放有弹子(21)；轴向端铁(19)、装有起爆药品(20)和弹子(21)的径向射孔套(22)、倒钩(23)依次固定通过螺钉被固定在固定杆(18)上，倒钩(23)的钩与轴向端铁(19)反方向设置，并焊接在管式注浆锚杆体(2)底端，即爆破射孔装置(1)位于钻孔底端，其后是管式注浆锚杆体(2)；

所述管式注浆锚杆体(2)为两端开口、圆筒形管体，管式注浆锚杆体(2)的管壁上开有两列圆形口(17)，两列圆形口交错设置，圆形口(17)延伸到锚杆内部做成圆筒凸起(9)，用于固定聚能装药(5)，另外，管式注浆锚杆体(2)的外壁上还焊接有棘枝(30)，棘枝(30)朝向钻孔孔口一方，沿管式注浆锚杆体(2)管壁轴向共设置四列棘枝(30)，相邻两列棘枝(30)间夹角为90°；管式注浆锚杆体(2)的底端设有雷管(3)和起爆药包(4)，其顶端填充炮泥(11)，并依次带有锚杆垫板(13)和锚杆当环(16)；

所述雷管(3)插入起爆药包(4)内，并连有雷管脚线(15)；

所述聚能装药(5)由炸药和聚能穴(7)组成，其中炸药形状为圆柱体与圆锥体的组合体形，聚能穴(7)为圆锥形，聚能穴(7)中镶嵌有与其相同形状的药型罩，各个聚能装药(5)之间通过导爆索(8)连接在一起，并与所述的爆破射孔装置(1)和起爆药包(4)相连接，导爆索(8)依次穿过爆破射孔装置(1)、起爆药包(4)、聚能装药(5)；

所述钢筋骨架(6)由箍筋(25)、4根径向钢筋(26)和上下两根粗钢筋(10)组成，上下两根粗钢筋(10)和径向钢筋(26)焊接在箍筋(25)上，每根粗钢筋(10)的两侧各焊接有两根径向钢筋(26)，其中，径向钢筋(26)的长度小于管式注浆锚杆体(2)的长度，粗钢筋(10)的长度大于管式注浆锚杆体(2)的长度，其底端部与爆破射孔装置(1)的固定杆(18)的端部在同一平面上，其顶端部做螺纹处理，穿过粗钢筋垫板(12)上的圆孔，通过固定螺母(14)来固定；在钢筋骨架(6)上距离钻口最远的个箍筋与上侧粗钢筋接触部位设有绑起爆药包用的钢筋条(24)；钢筋骨架(6)上距离钻口最远的个箍筋与上下两侧粗钢筋接触部位焊接在管式注浆锚杆体(2)内壁上，在钻孔孔口处也将上下两侧粗钢筋与管式注浆锚杆体(2)内壁做焊接处理；

本发明中一种带筋钢骨架的大头聚能射孔管式注浆锚杆的施工方法，包括较硬岩体、土体施工方法，其特征在于：

所述较硬岩体、土体施工方法，包括以下步骤：

1)准备设备，钻孔台车就位之后，接好凿岩台车的供水、供电管线；2)测量布眼，根据锚杆设计间距以及岩体、土体的层理和节理的分布情况，用涂料标出眼位；对于层理、节理发育部位，应加密布设眼位；3)钻孔，用钻孔台车在标出的眼位上钻出锚杆固定孔，钻孔时钻杆垂直于岩体或土体的层理面；钻孔直径的大小与岩土体的硬度有关，在保证钻孔直径大于管式注浆锚杆直径小于同一截面上棘枝所形成的最大直径的情况下，岩体上的钻孔直径取大些，土体上的钻孔直径取小一些，可通过实验来确定，以顺利打入锚杆为准；4)清孔及检查，用弯头钢管通入高压风吹净锚杆固定孔中的石屑及细小石块；检查锚杆固定孔的孔深是否满足要求；5)打入爆炸射孔装置及锚杆，底部焊接有爆破射孔装置的管式注浆锚杆体打入锚杆固定孔，直到达到设计深度为止，雷管脚线留置在钻孔外；6)封堵炮泥，在本管式注浆锚杆端部封堵炮泥；7)起爆，由雷管脚线引爆起爆药包，进而通过导爆索引爆爆破射控装置和各个聚能装药；8)清孔，用弯头钢管通入高压风吹净锚杆固定孔中的石屑及细小石块，以利于水泥砂浆与岩壁充分接触；9)安装止浆塞，在锚杆的尾部安装止浆塞，然后依次安装锚杆垫板、锚杆挡环、粗钢筋垫板、固定粗钢筋用的固定螺母；10)注浆，通过注浆通道注入水泥砂浆，水泥砂浆充盈锚杆固定孔、管式注浆锚杆端部形成一个大的空腔体以及各个圆形聚能爆破孔中，各部位的注浆体连成一体；注浆完毕后，用锚固剂及时封堵。

工作原理：

本发明是通过在管式注浆锚杆体底部焊接有爆破射孔装置，并在其内部装有安装了雷管的起爆药包和聚能装药，锚杆体内起爆药包爆炸，进而引爆爆破射孔装置和聚能装药；爆炸对管式注浆锚杆壁产生强烈作用，使杆体发生塑性变形，导致杆壁径向扩张挤压岩土体，杆壁凹进岩土体后，可以立即提供一部分锚固力，管式注浆锚杆外壁上的棘枝在爆炸作用下被挤压进岩土体或紧紧地贴在管式注浆锚杆外壁上，犹如带肋钢筋上的肋，这样可以进一步增大锚固力；爆破射孔装置爆炸后其上面的弹子和聚能装药爆炸所产生的聚能射流，压力可达数百万个大气压，具有极高的能量密度，直接对钻孔壁面的岩土体产生巨大的冲击力，将极大地强化炸药爆炸对岩土体的作用使孔壁岩土体粉碎；聚能装药通过管式注浆锚杆体上的圆形口，可以在岩土体中形成圆形聚能爆破孔；爆破射孔装置可以在管式注浆锚杆端部形成一个大的空腔体，爆炸产生的冲击波还可以把钢筋骨架上超过管式注浆锚杆体部分的粗钢筋端部冲击成弯钩形，该弯钩也可以立即提供一部分锚固力；以上由管式注浆锚杆壁、棘枝和粗钢筋塑性变形提供的锚固力，可以有效阻止岩土体与锚杆的相对滑动，从而达到对岩土体即刻锚固的效果；管式注浆锚杆外壁上的棘枝可以防止锚杆掉出；借助爆破射孔装置形成的空腔体，以及圆形聚能爆破孔，通过管式注浆锚杆管腔对岩土体注浆，不仅可以注浆加固岩土体，而且充填于管式注浆锚杆管腔、爆破射孔装置空腔体和圆形聚能爆破孔中的注浆体连成一体，形成锚固。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明利用炸药爆炸的能量，使管式注浆锚杆杆体、棘枝和钢筋骨架上超过管式注浆锚杆体部分的粗钢筋端部发生塑性变形，使杆壁和棘枝凹进岩土体，粗钢筋端部形成弯钩，进而可以立即提供强大的锚固力，达到对岩土体即刻锚固的效果；其中，管式注浆锚杆体上的棘枝可以防止锚杆掉出，管式注浆锚杆体中的钢筋骨架，可以提高注浆体的结构强度，增强锚杆的锚固力度，延长锚杆的使用寿命，管式注浆锚杆内部的注浆体和各个部位的栓塞一块，也增大了锚杆的锚固面积；圆形聚能爆破孔内的注浆栓塞与管式注浆锚杆一起，改变了锚固荷载传递机制，形成摩擦——栓塞新型复合锚固和注浆加固的综合支护系统，极大地改善了锚杆对岩土体的加固效果；爆破射孔装置形成的空腔体内的注浆栓塞与管式注浆锚杆一起可以形成大头锚固锚杆，使原有小接触面积的圆锥漏斗受力结构变为大端头大面积的梯台受力结构，增加组合拱厚度，从而提高了整体支护强度。

附图说明

图1是本发明的管式注浆锚杆剖面示意图；

图2是本发明的爆破射孔装置示意图；

图3是本发明的管式注浆锚杆体及其横截面示意图；

图4是本发明的聚能装药中炸药与聚能罩示意图；

图5是本发明的粗钢筋垫板示意图；

图6是本发明的钢筋骨架侧向及其横截面示意图；

图7是爆破后钢筋骨架中粗钢筋尾部变形示意图；

图8是本发明的注浆栓塞结构示意图；

图9是传统管式注浆锚杆小接触面积的圆锥漏斗受力结构示意图；

图10是本发明的大端头大面积的梯台受力结构示意图。

图1中：爆破射孔装置—1，管式注浆锚杆体—2，雷管—3，起爆药包—4，聚能装药—5，钢筋骨架—6，聚能穴—7，导爆索—8，锚杆内壁圆筒凸起—9，粗钢筋—10，炮泥—11，粗钢筋垫板—12，锚杆垫板—13，固定螺母—14，雷管脚线—15，锚杆挡环—16，棘枝—30；

图2中：管式注浆锚杆体—2，钢筋骨架—6，圆形口—17，棘枝—30；

图3中：固定杆—18，端铁—19，起爆药品—20，弹子—21，射孔套—22，倒钩—23；

图6和图7中：钢筋骨架—6，绑起爆药包用的钢筋条—24，箍筋—25，径向钢筋—26；

图8中：注浆体—27，岩土体—28，注浆栓塞—29。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种带筋钢骨架的大头聚能射孔管式注浆锚杆，包括爆破射孔装置(1)、管式注浆锚杆体(2)、聚能装药(5)、钢筋骨架(6)四个主要部分组成；

所述爆破射孔装置(1)由轴向端铁(19)、固定杆(18)、径向射孔套(22)、弹子(21)、倒钩(23)和起爆药品(20)组成，其中，两块轴向端铁(19)为圆形板，中间开有孔，可以通过固定杆(18)；径向射孔套(22)为圆筒形，被夹在两块轴向端铁(19)之间，其内部放有起爆药品(20)，径向射孔套(22)上的弹孔内放有弹子(21)；轴向端铁(19)、装有起爆药品(20)和弹子(21)的径向射孔套(22)、倒钩(23)依次固定通过螺钉被固定在固定杆(18)上，倒钩(23)的钩与轴向端铁(19)反方向设置，并焊接在管式注浆锚杆体(2)底端，即爆破射孔装置(1)位于钻孔底端，其后是管式注浆锚杆体(2)；

所述管式注浆锚杆体(2)为两端开口、圆筒形管体，管式注浆锚杆体(2)的管壁上开有两列圆形口(17)，两列圆形口交错设置，圆形口(17)延伸到锚杆内部做成圆筒凸起(9)，用于固定聚能装药(5)，另外，管式注浆锚杆体(2)的外壁上还焊接有棘枝(30)，棘枝(30)朝向钻孔孔口一方，沿管式注浆锚杆体(2)管壁轴向共设置四列棘枝(30)，相邻两列棘枝(30)间夹角为90°；管式注浆锚杆体(2)的底端设有雷管(3)和起爆药包(4)，其顶端填充炮泥(11)，并依次带有锚杆垫板(13)和锚杆当环(16)；

所述雷管(3)插入起爆药包(4)内，并连有雷管脚线(15)；

所述聚能装药(5)由炸药和聚能穴(7)组成，其中炸药形状为圆柱体与圆锥体的组合体形，聚能穴(7)为圆锥形，聚能穴(7)中镶嵌有与其相同形状的药型罩，各个聚能装药(5)之间通过导爆索(8)连接在一起，并与所述的爆破射孔装置(1)和起爆药包(4)相连接，导爆索(8)依次穿过爆破射孔装置(1)、起爆药包(4)、聚能装药(5)；

所述钢筋骨架(6)由箍筋(25)、4根径向钢筋(26)和上下两根粗钢筋(10)组成，上下两根粗钢筋(10)和径向钢筋(26)焊接在箍筋(25)上，每根粗钢筋(10)的两侧各焊接有两根径向钢筋(26)，其中，径向钢筋(26)的长度小于管式注浆锚杆体(2)的长度，粗钢筋(10)的长度大于管式注浆锚杆体(2)的长度，其底端部与爆破射孔装置(1)的固定杆(18)的端部在同一平面上，其顶端部做螺纹处理，穿过粗钢筋垫板(12)上的圆孔，通过固定螺母(14)来固定；在钢筋骨架(6)上距离钻口最远的个箍筋与上侧粗钢筋接触部位设有绑起爆药包用的钢筋条(24)；钢筋骨架(6)上距离钻口最远的个箍筋与上下两侧粗钢筋接触部位焊接在管式注浆锚杆体(2)内壁上，在钻孔孔口处也将上下两侧粗钢筋与管式注浆锚杆体(2)内壁做焊接处理；

本发明中一种带筋钢骨架的大头聚能射孔管式注浆锚杆的施工方法，包括较硬岩体、土体施工方法，其特征在于：

所述较硬岩体、土体施工方法，包括以下步骤：

1)准备设备，钻孔台车就位之后，接好凿岩台车的供水、供电管线；2)测量布眼，根据锚杆设计间距以及岩体、土体的层理和节理的分布情况，用涂料标出眼位；对于层理、节理发育部位，应加密布设眼位；3)钻孔，用钻孔台车在标出的眼位上钻出锚杆固定孔，钻孔时钻杆垂直于岩体或土体的层理面；钻孔直径的大小与岩土体的硬度有关，在保证钻孔直径大于管式注浆锚杆直径小于同一截面上棘枝所形成的最大直径的情况下，岩体上的钻孔直径取大些，土体上的钻孔直径取小一些，可通过实验来确定，以顺利打入锚杆为准；4)清孔及检查，用弯头钢管通入高压风吹净锚杆固定孔中的石屑及细小石块；检查锚杆固定孔的孔深是否满足要求；5)打入爆炸射孔装置及锚杆，底部焊接有爆破射孔装置的管式注浆锚杆体打入锚杆固定孔，直到达到设计深度为止，雷管脚线留置在钻孔外；6)封堵炮泥，在本管式注浆锚杆端部封堵炮泥；7)起爆，由雷管脚线引爆起爆药包，进而通过导爆索引爆爆破射控装置和各个聚能装药；8)清孔，用弯头钢管通入高压风吹净锚杆固定孔中的石屑及细小石块，以利于水泥砂浆与岩壁充分接触；9)安装止浆塞，在锚杆的尾部安装止浆塞，然后依次安装锚杆垫板、锚杆挡环、粗钢筋垫板、固定粗钢筋用的固定螺母；10)注浆，通过注浆通道注入水泥砂浆，水泥砂浆充盈锚杆固定孔、管式注浆锚杆端部形成一个大的空腔体以及各个圆形聚能爆破孔中，各部位的注浆体连成一体；注浆完毕后，用锚固剂及时封堵。

结合附图对本发明的工作过程进行说明：

如图1所示，聚能装药(5)放置在管式注浆锚杆体(2)上的圆形口(17)内，导爆索(8)依次连接爆破射孔装置(1)、起爆药包(4)、和各个聚能装药(5)，雷管(3)插入到起爆药包(4)中并连接有雷管脚线(15)；按设计要求对岩土体设置钻孔，钻孔直径大于管式注浆锚杆体(2)的管体直径小于同一截面上棘枝(30)所形成的最大直径，以保证棘枝(30)能够紧紧地贴在钻孔内壁上；然后，在管式注浆锚杆体(2)顶端管腔内填充炮泥(11)；

利用雷管(3)引爆起爆药包(4)，然后通过导爆索(8)引爆爆破射孔装置(1)和各个聚能装药(5)，爆生气体驱使管式注浆锚杆体(2)、棘枝(30)和粗钢筋(10)尾部发生塑性变形，管式注浆锚杆体(2)径向扩张挤压进岩土体，棘枝(30)在爆炸作用下嵌入岩土体或紧贴在管式注浆锚杆体(2)外壁上形成肋，粗钢筋(10)尾部产生弯钩，这就能立即提供锚固力，阻止岩土体(28)与锚杆的相对滑动，从而达到即刻锚固的目的；

同时，爆破射孔装置(1)爆炸后其上面的弹子和聚能装药(5)爆炸所产生的聚能射流，压力可达数百万个大气压，具有极高的能量密度，直接对钻孔壁面的岩土体产生巨大的冲击力，将极大地强化炸药爆炸对岩土体的作用使孔壁岩土体粉碎，聚能装药通过管式注浆锚杆体(2)上的圆形口，可以在岩土体中形成圆形聚能爆破孔，爆破射孔装置(1)可以在管式注浆锚杆体(2)端部形成一个大的空腔体；

如图8所示，对爆破后的钻孔进行清孔处理，用弯头钢管通入高压风吹净锚杆固定孔中的石屑及细小石块，并依次装上止浆塞、锚杆垫板(13)、锚杆挡环(16)、粗钢筋垫板(12)、固定粗钢筋用的固定螺母(14)，借助形成的圆形聚能爆破孔和管式注浆锚杆体(2)端部大的空腔体，通过管式注浆锚杆体(2)管腔对岩土体(28)注浆，其中，管式注浆锚杆体(2)中的钢筋骨架(6)，可以提高注浆体的结构强度，增强锚杆的锚固力度，延长锚杆的使用寿命，管式注浆锚杆内部的注浆体和各个部位的栓塞一块，也增大了锚杆的锚固面积；圆形聚能爆破孔内的注浆栓塞与管式注浆锚杆体(2)一起，改变了锚固荷载传递机制，形成摩擦——栓塞新型复合锚固和注浆加固的综合支护系统，极大地改善了锚杆对岩土体的加固效果；爆破射孔装置(1)形成的空腔体内的注浆栓塞与管式注浆锚杆一起可以形成大头锚固锚杆，使原有小接触面积的圆锥漏斗受力结构(如图9所示)变为大端头大面积的梯台受力结构(如图10所示)这增加组合拱厚度，从而提高了整体支护强度。