锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固系统及方法

1.本发明涉及巷道围岩锚固技术领域，尤其是涉及一种锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固系统及方法。


背景技术：

2.当前，锚杆与锚索作为最重要的主动支护技术手段，广泛应用于各类巷道围岩的稳定性控制且发挥重要作用。锚杆与锚索通过锚具实现预紧，锚杆与锚索的支护阻力传递给锚具，锚具传递给托盘，托盘传递给围岩，达到控制巷道变形的目的。
3.目前，广泛采用的锚杆、锚索支护形式是托盘紧贴于围岩外侧面，锚具置于托盘的外侧面，即托盘与锚具均外置于围岩表面，这会带来几大问题：（1）锚具在外在复杂环境影响下，可能会发生一定程度的锈蚀，锚具整体承载强度降低甚至损坏，进而导致锚杆或者锚索的支护力锐减甚至失效；（2）外置锚具容易受到外部机械设备等的碰撞、挤压、剪错等损坏性影响：例1，综采或综放工作面停采期间，强力支架支护顶板，外置锚具会受到支架的反复挤压剪错，置于支架上方的锚杆或者锚索的锚具大量被挤压损坏，支护系统的支护效果锐减甚至失效，进而引发冒顶埋架事故；例2，由于机械化水平的发展，目前工作面两巷的超前支护普遍采用效率高且操作方便的高强超前支架支撑，超前支架反复支撑顶板，会导致顶板的锚杆与锚索的锁具出现严重损毁，极大破坏了原有锚固系统，强采动影响条件下，巷道顶板的稳定性大大降低；例3，切顶沿空留巷过程中，超前工作面一定距离及滞后工作面一定距离均需要高阻力支架或者单元支架支撑顶板，由于支架的顶梁覆盖面积较大，锚具被挤压损毁不可避免，这会导致沿空留巷顶板的稳定性显著降低，尤其是靠近采空区侧的顶板；（3）外置锚具会缩小巷道的有效可用空间。
4.对于反向拉压式整体式托盘，主要应用于顶板采用锚索支护且煤体强度较小，煤体强度较大时，锚具难以插入煤体，导致托盘无法紧压顶板，起不到支护效果；由于锚具尺寸远小于托盘，要求锚具强度和刚度较大程度上高于托盘的强度和刚度，而整体式托盘，不方便实现对托盘局部进行均匀强化处理，且锚杆支护的适用性受到很大限制；对于无锚具整体托盘，托盘依旧外置围岩，在支架带压移架过程中依旧会存在强烈的剪错破坏效果。
5.若采用传统的托盘及锚具全部内嵌入顶板的方式，凿孔深，锚具部分的裸孔程度过大，支架支撑顶板过程中会引起裸孔区域严重破坏而导致顶板围岩进一步破碎，钢带与金属网难以嵌入，所以托盘、锚具与围岩完全不能耦合。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固系统及方法，解决传统的锚具、托盘在锚固围岩过程中存在的严重缺陷及不耦合问题，尤其是在潮湿酸化环境、工作面停采阶段、巷道内超前支护阶段及沿空留巷段的支架反复支撑阶段等条件下，锚具与托盘支护系统均会受到不同程度的损坏甚至失效。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固
系统，包括托盘、锚具、安装预紧机构、扩张筒以及用于围岩扩孔的钻头机构，围岩扩孔处设置有耦合孔，托盘的中心设置有凸起的嵌套块，嵌套块设置在耦合孔处，托盘的两端设置有盘体，围岩扩孔处设置有耦合槽，盘体设置在耦合槽内，嵌套块的下端设置有与锚具相适配的嵌套孔，锚具设置在嵌套孔内；锚具包括锚杆锚具和锚索锚具，锚杆的底端穿过嵌套块与锚杆锚具连接，锚杆锚具的下方设置有用于锚杆锚具预紧的安装预紧机构；锚索的一端穿过嵌套块与锚索锚具连接，锚索锚具的下方设置有用于展平外露锚索钢绞线的扩张筒。
8.优选的，锚杆锚具内设置有锚杆通道，锚杆的底端设置在锚杆通道内，锚杆的顶端设置在锚杆锚固段；锚索锚具内设置有锚索通道，锚索通道内设置有锚索夹具，锚索的底端设置在锚索通道内并通过锚索夹具与锚索通道连接，锚索的顶端设置在锚索锚固段。
9.优选的，安装预紧机构包括导棒平台，导棒平台通过导棒杆与锚杆锚具连接，导棒平台的下端通过传力杆件与锚杆钻机连接，传力杆件上设置有加力中转环，加力中转环的两侧均通过销杆与水平扩展臂连接，水平扩展臂通过垂向接口与垂向扩展臂连接。
10.优选的，锚杆锚具的底端设置有与导棒杆相适配的导棒孔，导棒杆插设在导棒孔内。
11.优选的，加力中转环的中心设置有六棱孔，传力杆件插设在六棱孔内，水平扩展臂上设置有与销杆相适配的销孔，销杆插设在销孔内；加力中转环和水平扩展臂上均设置有固定环，加力中转环和水平扩展臂上的固定环通过卡扣连接，垂向接口与垂向扩展臂上均设置有固定环，垂向接口与垂向扩展臂上的固定环通过卡扣连接。
12.优选的，扩张筒包括推杆，推杆的顶端设置有伞形头，伞形头的顶端设置有钢绞线通道孔，锚索的中间一根钢绞线设置在钢绞线通道孔内。
13.优选的，钻头机构包括复合耦合孔钻头、嵌套块耦合孔钻头以及盘体耦合槽钻头，嵌套块耦合孔钻头包括钻杆，钻杆的顶端设置有盘体耦合槽钻头部一，盘体耦合槽钻头部一上接嵌套块耦合孔钻头部，嵌套块耦合孔钻头部的顶端设置有导向钻头；盘体耦合槽钻头包括钻杆，钻杆的顶端设置有盘体耦合槽钻头部一，盘体耦合槽钻头部一两侧设置有盘体耦合槽钻头部二，盘体耦合槽钻头部二上设置有边缘拱形过渡区钻头部；复合耦合孔钻头包括钻杆，钻杆的顶端设置有盘体耦合槽钻头部一，盘体耦合槽钻头部一上接嵌套块耦合孔钻头部，嵌套块耦合孔钻头部的顶端设置有导向钻头，盘体耦合槽钻头部一两侧设置有盘体耦合槽钻头部二，盘体耦合槽钻头部二上设置有边缘拱形过渡区钻头部。
14.优选的，嵌套块，基于其外轮廓形状分为四类：直圆柱体嵌套块、斜面圆柱体嵌套块、正圆台嵌套块、斜面圆台嵌套块；嵌套块内部的嵌套孔形状分为四类：单节直圆柱体锚具嵌套孔，双节直圆柱体锚具嵌套孔、单节斜面圆柱体锚具嵌套孔、双节斜面圆柱体锚具嵌套孔。
15.优选的，锚杆锚具与嵌套孔对应类型的尺寸及形状相匹配，锚杆锚具分为四类：锚杆单节直圆柱体锚具、锚杆双节直圆柱体锚具、锚杆单节斜面圆柱体锚具、锚杆双节斜面圆柱体锚具；锚索锚具与嵌套孔对应类型的尺寸及形状相匹配，锚索锚具分为四类：锚索单节直圆柱体锚具、锚索双节直圆柱体锚具、锚索单节斜面圆柱体锚具及锚索双节斜面圆柱体
锚具。
16.一种锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固方法，包括锚杆锚具锚固方法和锚索锚具锚固方法，锚杆锚具锚固方法：首先，使用复合耦合孔钻头扩孔，复合耦合孔钻头上底面形状及尺寸与托盘的上底面相同，形成嵌套块的嵌套区与托盘盘体的嵌套区，扩出的孔使得托盘与围岩嵌合齐平；或采用单独实施嵌套块耦合孔钻头与单独实施盘体耦合槽钻头分别造孔；托盘压住护表金属网或者钢带，满足两个条件，一是盘体的嵌套区的深度为x，x等于金属网的钢丝直径或者钢带的厚度与盘体厚度之和；二是托盘覆盖的金属网或钢带的孔直径大于嵌套块外轮廓的最大直径；其次，采用安装预紧机构，导棒平台与传力杆件螺栓连接，加力中转环套在传力杆件上，传力杆件安装到锚杆钻机上，锚杆锚具的导棒孔与导棒平台的导棒杆连接，接着依次安装锚固剂、锚杆与托盘，通过锚杆钻机提供动力，拧紧锚杆锚具；最后，把水平扩展臂或者垂向扩展臂安装到加力中转环上，并通过卡扣固定，通过水平扩展臂或者垂向扩展臂进一步拧紧锚杆锚具，以锚杆安装预紧力符合设计要求为准；锚索锚具锚固方法：首先，使用复合耦合孔钻头扩孔，复合耦合孔钻头上底面形状及尺寸与托盘的上底面相同，形成嵌套块的嵌套区与托盘盘体的嵌套区，扩出的孔使得托盘与围岩嵌合齐平；或采用单独实施嵌套块耦合孔钻头与单独实施盘体耦合槽钻头分别造孔；其次，安装锚索及锚索锚具，锚索张拉仪安装到位后，剪断外露锚索，外露锚索长度为4~6cm，保留中部一根钢绞线，采用扩张筒对准钢绞线扩张展平，并贴附于托盘表面。
17.因此，本发明采用上述锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固系统及方法，具有以下有益效果：（1）由于本发明的锚具、托盘与围岩实现了实质性耦合，能够系统性有效解决目前存在的锚具、托盘与锚杆、锚索控制围岩稳定性过程中因不耦合而存在的各种被损坏问题及严重缺陷；尤其能够适应复杂苛刻环境，如潮湿酸化环境、工作面停采阶段顶板控制、巷道内超前支护顶板、沿空留巷段顶板控制、巷道断面受限不能再因为锚具及锚杆或者锚索外露过长占用巷道有限空间等；（2）本发明既可应用于锚杆，也可应用于锚索，为了实现锚杆锚具不外露及锚具便于安装，本发明的导棒平台提供了锚杆锚具预紧的装置及方法；本发明适用性强且广泛，各类煤层顶板、岩层顶板及巷道两帮和底板均适用。
18.（3）本发明解决了锚杆、锚索倾斜布置时，由于平行于壁面的分力会引起托盘移动从而导致锚杆、锚索受到剪切力的问题；控制围岩变形过程中，会出现大量锚杆或者锚索斜交于围岩布置，本发明的托盘与围岩中的盘体嵌套区及嵌套块的嵌套区相耦合，托盘不会出现相对滑动，所以能够避免出现锚索或者锚杆倾斜布置时，围岩钻孔对锚杆/锚索的剪切破坏问题及锚具、托盘、锚杆、锚索与围岩之间的不耦合问题；（4）本发明解决了支架带压移架的剪错影响：锚具和托盘的下底面与围岩表面齐平，锚具、托盘及锚杆或锚索不受支架带压移架造成的剪错影响，实现了锚具、托盘、锚杆及锚索与围岩的共同耦合承载；
（5）本发明解决了支架支撑顶板过程中对锚具、托盘及锚杆/锚索的挤压破坏作用：锚具和托盘的下底面与围岩表面齐平，支架支撑顶板时，锚具、托盘及围岩共同耦合承载，同时由于支架顶梁与托盘的接触面积小于与围岩表面的接触面积，所以托盘受到的挤压力相对较小，更利于保护锚具及托盘的稳定；（6）强采动影响下，托盘会发生一定程度的变形，围岩挤压托盘的嵌套块，由于锚具置于嵌套块内部，这不仅不会损坏锚具，托盘的嵌套块反而会进一步“握紧”锚具，对锚具提供一定程度的围压，所以锚具三向均受压，这对锚具来说是十分有利的，能够避免出现锚具损坏而导致的支护系统损毁问题且能够增强锚固效果；由于托盘的嵌套块会进一步“握紧”锚具，即实现了托盘、锚具与围岩之间的耦合，所以优于传统的外置锚具布置方式，因为传统锚具端部受挤压，锚索对锚具从锚具中心向周边具有强力扩张损坏作用，锚具受力复杂，一旦受任何外在因素影响，会易出现损坏或者承载力衰减问题；（7）本发明锚杆的长度等于孔深，不需要外露，且通过导棒平台等实现快速高效预紧；锚索的外露部分通过扩张筒展平，有效避免锚索与锚具之间发生滑脱及支架挤压外露锚具时候不平衡受力，依旧会导致托盘受力不均衡的问题。
19.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
20.图1为本发明实施例的锚杆锚固系统结构示意图；图2为本发明实施例的锚索锚固系统结构示意图；图3为本发明实施例的复合耦合孔钻头结构示意图；图4为本发明实施例的嵌套块耦合孔钻头结构示意图；图5为本发明实施例的以及盘体耦合槽钻头结构示意图；图6为本发明实施例的扩张筒示意图；图7为本发明实施例的安装预紧机构实施过程示意图；图8为本发明实施例的加力中转环俯视图；图9为本发明实施例的导棒平台结构示意图；图10为本发明实施例的正圆柱嵌套块与单节直圆柱体锚具嵌套孔的托盘立体图；图11为本发明实施例的正圆柱嵌套块与单节直圆柱体锚具嵌套孔的托盘剖面图；图12为本发明实施例的斜面圆柱体嵌套块与单节斜面圆柱体锚具嵌套孔的托盘立体图；图13为本发明实施例的斜面圆柱体嵌套块与单节斜面圆柱体锚具嵌套孔的托盘剖面图；图14为本发明实施例的正圆台嵌套块与单节圆柱体锚具嵌套孔的托盘立体图；图15为本发明实施例的正圆台嵌套块与单节圆柱体锚具嵌套孔的托盘剖面图；图16为本发明实施例的正圆台嵌套块与双节直圆柱体锚具嵌套孔的托盘立体图；图17为本发明实施例的正圆台嵌套块与双节直圆柱体锚具嵌套孔的托盘剖面图；图18为本发明实施例的正圆台嵌套块与双节斜面圆柱体锚具嵌套孔的托盘立体图；图19为本发明实施例的正圆台嵌套块与双节斜面圆柱体锚具嵌套孔的托盘剖面
图；图20为本发明实施例的斜面圆台嵌套块与双节斜面圆柱体锚具嵌套孔的托盘立体图；图21为本发明实施例的斜面圆台嵌套块与双节斜面圆柱体锚具嵌套孔的托盘剖面图；图22为本发明实施例的锚杆单节直圆柱体锚具立体图；图23为本发明实施例的锚杆单节直圆柱体锚具剖面图；图24为本发明实施例的锚杆单节斜面圆柱体锚具立体图；图25为本发明实施例的锚杆单节斜面圆柱体锚具剖面图；图26为本发明实施例的锚杆双节直圆柱体锚具立体图；图27为本发明实施例的锚杆双节直圆柱体锚具剖面图；图28为本发明实施例的锚杆双节斜面圆柱体锚具立体图；图29为本发明实施例的锚杆双节斜面圆柱体锚具剖面图；图30为本发明实施例的锚索双节直圆柱体锚具立体图；图31为本发明实施例的锚索双节直圆柱体锚具剖面图；图32为本发明实施例的锚索双节斜圆柱体锚具的立体图；图33为本发明实施例的锚索双节斜圆柱体锚具的剖面图；图34为本发明实施例的锚杆倾斜布置时锚杆锚具及托盘安装过程示意图；图35为本发明实施例的支架反复支撑顶板条件下本发明的锚杆锚具与托盘使用效果示意图；图36为本发明实施例的锚索倾斜布置时本发明的锚索锚具与托盘安装完毕示意图；图37为本发明实施例的支架反复支撑顶板条件下本发明的锚索锚具与托盘使用效果示意图；图38为本发明实施例的本发明的锚索锚具与托盘应用于两帮的效果图。
21.附图标记1、托盘；2、盘体；3、嵌套块；4、锚杆锚具；5、锚索锚具；6、扩张筒；7、耦合孔；8、耦合槽；9、锚杆通道；10、锚索通道；11、锚杆锚固段；12、锚索锚固段；13、导棒平台；14、导棒杆；15、传力杆件；16、锚杆钻机；17、加力中转环；18、销杆；19、水平扩展臂；20、垂向接口；21、垂向扩展臂；22、导棒孔；23、销孔；24、固定环；25、推杆；26、伞形头；27、钢绞线通道孔；28、锚索；29、锚杆；30、钻杆；31、盘体耦合槽钻头部一；32、盘体耦合槽钻头部二；33、嵌套块耦合孔钻头部；34、边缘拱形过渡区钻头部；35、导向钻头；36、围岩；37、嵌套孔；38、螺母孔；39、锚索夹具；40、直圆柱体嵌套块；41、斜面圆柱体嵌套块；42、正圆台嵌套块；43、斜面圆台嵌套块；44、单节直圆柱体锚具嵌套孔；45、双节直圆柱体锚具嵌套孔；46、单节斜面圆柱体锚具嵌套孔；47、双节斜面圆柱体锚具嵌套孔；48、锚杆单节直圆柱体锚具；49、锚杆双节直圆柱体锚具；50、锚杆单节斜面圆柱体锚具；51、锚杆双节斜面圆柱体锚具；52、锚索双节直圆柱体锚具；53、锚索双节斜面圆柱体锚具；54、支架。
22.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
具体实施方式
23.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
24.实施例1如图1所示，本发明所述的锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固系统，包括托盘1、锚具、安装预紧机构、扩张筒6以及用于围岩36扩孔的钻头机构，围岩36扩孔处设置有耦合孔7。托盘1的中心设置有凸起的嵌套块3，嵌套块3设置在耦合孔7处。托盘1的两端设置有盘体2，围岩36扩孔处设置有耦合槽8，盘体2设置在耦合槽8内。嵌套块3的下端设置有与锚具相适配的嵌套孔37，锚具设置在嵌套孔37内。
25.锚具包括锚杆锚具4和锚索锚具5，锚杆29的顶端设置在围岩36内，锚杆29的底端穿过嵌套块3与锚杆锚具4连接。锚杆锚具4内设置有锚杆通道9，锚杆29的底端设置在锚杆通道9内，锚杆29的顶端设置在锚杆锚固段11。嵌套块3起到枢纽作用，锚杆29的支护力传递给锚杆锚具4，锚杆锚具4再把该支护力传递给嵌套块3，嵌套块3把该支护力传递给盘体2及围岩36，盘体2把该支护力传递给围岩36，起到锚固作用。嵌套块3的壁厚与盘体2厚度的比值宜为1.2~1.5倍。
26.嵌套块3，基于其外轮廓形状主要分为四类：直圆柱体嵌套块40、斜面圆柱体嵌套块41（即，下底面与圆柱体轴线不垂直）、正圆台嵌套块42、斜面圆台嵌套块43（即，下底面与圆台轴线不垂直）。当锚杆29的钻孔与围岩36表面斜交时，使用特征为斜面圆柱体嵌套块41的托盘1或特征为斜面圆台嵌套块43的托盘1。当锚杆29钻孔与围岩36表面垂直时，使用特征为直圆柱体嵌套块40的托盘1或特征为正圆台嵌套块42的托盘1。嵌套孔37形状主要分为四类：单节直圆柱体锚具嵌套孔44，双节直圆柱体锚具嵌套孔45（即，1个直径较小的直圆柱体与一个直径较大的直圆柱体同轴线）、单节斜面圆柱体锚具嵌套孔46、双节斜面圆柱体锚具嵌套孔47（即，1个直径较小的直圆柱体与一个直径较大的斜面圆柱体同轴线，该斜面圆柱体的下底面与轴线不垂直）。图10为本发明实施例的正圆柱嵌套块与单节直圆柱体锚具嵌套孔的托盘立体图；图11为本发明实施例的正圆柱嵌套块与单节直圆柱体锚具嵌套孔的托盘剖面图；图12为本发明实施例的斜面圆柱体嵌套块与单节斜面圆柱体锚具嵌套孔的托盘立体图；图13为本发明实施例的斜面圆柱体嵌套块与单节斜面圆柱体锚具嵌套孔的托盘剖面图；图14为本发明实施例的正圆台嵌套块与单节圆柱体锚具嵌套孔的托盘立体图；图15为本发明实施例的正圆台嵌套块与单节圆柱体锚具嵌套孔的托盘剖面图；图16为本发明实施例的正圆台嵌套块与双节直圆柱体锚具嵌套孔的托盘立体图；图17为本发明实施例的正圆台嵌套块与双节直圆柱体锚具嵌套孔的托盘剖面图；图18为本发明实施例的正圆台嵌套块与双节斜面圆柱体锚具嵌套孔的托盘立体图；图19为本发明实施例的正圆台嵌套块与
双节斜面圆柱体锚具嵌套孔的托盘剖面图；图20为本发明实施例的斜面圆台嵌套块与双节斜面圆柱体锚具嵌套孔的托盘立体图；图21为本发明实施例的斜面圆台嵌套块与双节斜面圆柱体锚具嵌套孔的托盘剖面图。
27.锚杆锚具4与嵌套孔37对应类型的尺寸及形状相匹配，锚杆锚具4也对应分为四类：锚杆单节直圆柱体锚具48、锚杆双节直圆柱体锚具49、锚杆单节斜面圆柱体锚具50、锚杆双节斜面圆柱体锚具51。锚杆双节直圆柱体锚具49与锚杆双节斜面圆柱体锚具51，两节圆柱体宜为一体化制造出来的完整相连的整体，两节圆柱体同轴线而不同直径，锚具的上节圆柱体直径小于下节圆柱体直径，直径差宜为1cm~4cm，这样可以使得嵌套块3传递力更加均衡有效。锚杆单节斜面圆柱体锚具50、锚杆双节斜面圆柱体锚具51，锚具的下底面与上底面的夹角为α，锚杆29钻孔与围岩36表面夹角中的锐角为β，α与β的两角之和宜为90
°±1°
。锚杆29长度等于锚杆29钻孔深度，实现锚杆29不外露且锚杆29的外端与围岩36表面齐平，从而不受支架54挤压及剪错影响。图22为本发明实施例的锚杆单节直圆柱体锚具立体图；图23为本发明实施例的锚杆单节直圆柱体锚具剖面图；图24为本发明实施例的锚杆单节斜面圆柱体锚具立体图；图25为本发明实施例的锚杆单节斜面圆柱体锚具剖面图；图26为本发明实施例的锚杆双节直圆柱体锚具立体图；图27为本发明实施例的锚杆双节直圆柱体锚具剖面图；图28为本发明实施例的锚杆双节斜面圆柱体锚具立体图；图29为本发明实施例的锚杆双节斜面圆柱体锚具剖面图。
28.锚杆锚具4的下方设置有用于锚杆锚具4预紧的安装预紧机构。图7为本发明实施例的安装预紧机构实施过程示意图；图8为本发明实施例的加力中转环俯视图；图9为本发明实施例的导棒平台结构示意图。安装预紧机构包括导棒平台13，导棒平台13通过导棒杆14与锚杆锚具4连接。导棒平台13的下端通过传力杆件15与锚杆钻机16连接，导棒平台13的下底面为与传力杆件15相连的螺母孔38。导棒平台13的上底面均匀分布三个导棒杆14，三个导棒杆14与导棒孔22嵌合匹配连接。导棒孔22与导棒杆14相连传递动力。导棒平台13分为正导棒平台或者斜面导棒平台。传力杆件15上设置有加力中转环17，加力中转环17的两侧均通过销杆18与水平扩展臂19连接，水平扩展臂19通过垂向接口20与垂向扩展臂21连接。加力中转环17的中心设置有六棱孔，传力杆件15插设在六棱孔内。传力杆件15为六棱杆且与加力中转环17中心孔尺寸匹配，这样方便拆装及传递动力。水平扩展臂19为可伸缩的，一端为销孔23且与加力中转环17两端的销杆18匹配，并通过卡扣把加力中转环17与水平扩展臂19的各自的固定环24连接固定，这样可实现拆装快速高效。水平扩展臂19另外一端垂直固定有垂向接口20，垂向接口20的端部固定有固定环24。垂向扩展臂21为可伸缩的，一端为销杆18，且与垂向接口20的销孔23匹配连接，最后通过卡扣连接各自端部的固定环24，可实现拆装快速高效。图34为本发明实施例的锚杆倾斜布置时锚杆锚具及托盘安装过程示意图。
29.钻头机构包括复合耦合孔钻头、嵌套块耦合孔钻头以及盘体耦合槽钻头。图3为本发明实施例的复合耦合孔钻头结构示意图；图4为本发明实施例的嵌套块耦合孔钻头结构示意图；图5为本发明实施例的以及盘体耦合槽钻头结构示意图。嵌套块耦合孔钻头包括钻杆30，钻杆30的顶端设置有盘体耦合槽钻头部一31，盘体耦合槽钻头部一31上接嵌套块耦合孔钻头部33，嵌套块耦合孔钻头部33的顶端设置有导向钻头35。盘体耦合槽钻头包括钻杆30，钻杆30的顶端设置有盘体耦合槽钻头部一31，盘体耦合槽钻头部一31两侧设置有盘
体耦合槽钻头部二32，盘体耦合槽钻头部二32上设置有边缘拱形过渡区钻头部34。复合耦合孔钻头包括钻杆30，钻杆30的顶端设置有盘体耦合槽钻头部一31，盘体耦合槽钻头部一31上接嵌套块耦合孔钻头部33，嵌套块耦合孔钻头部33的顶端设置有导向钻头35，盘体耦合槽钻头部一31两侧设置有盘体耦合槽钻头部二32，盘体耦合槽钻头部二32上设置有边缘拱形过渡区钻头部34。通过钻头机构形成的扩孔区方便托盘1嵌套，同时如果托盘1压金属网或者钢带，也利于金属网或者钢带平顺过度。
30.本发明所述的一种锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固方法，包括锚杆锚具4锚固方法和锚索锚具5锚固方法，锚杆锚具4锚固方法：首先，当锚杆与围岩壁面垂直时，使用复合耦合孔钻头扩孔，复合耦合孔钻头的上底面形状及尺寸与托盘1的上底面相同，形成嵌套块3的嵌套区与托盘1盘体2的嵌套区，扩出的孔可正好使得托盘1与围岩36嵌合齐平，即托盘1的下底面与围岩36表面齐平，不因过多内置而留出无效裸孔段，也不因外露而还被支架54直接挤压损毁；当锚杆与围岩壁面斜交时，采用单独实施嵌套块耦合孔钻头与单独实施盘体耦合槽钻头分别造孔，这样可以钻出斜面圆台嵌套块43的耦合孔7及斜面圆柱体嵌套块41的耦合孔7，适用范围更加广泛灵活；如果托盘1需要压住护表金属网或者钢带，需要满足两个条件，一是盘体2的嵌套区的深度为x，x等于金属网的钢丝直径或者钢带的厚度与盘体2厚度之和，同时满足嵌套块3的外轮廓与嵌套区嵌合；二是托盘1覆盖的金属网或钢带的孔直径需要大于嵌套块3的外轮廓的最大直径，即只有盘体2部位压住了金属网或者钢带，嵌套块3的外轮廓是穿过金属网或者钢带的；其次，采用锚杆锚具安装预紧机构，如果锚杆29钻孔与围岩36表面垂直则用正导棒平台，如果锚杆29钻孔与围岩36表面斜交则用导棒斜面平台，均与传力杆件15螺栓连接，加力中转环17套在传力杆件15上，传力杆件15安装到锚杆钻机16上，锚杆锚具4的导棒孔22与正导棒平台或导棒斜面平台的导棒杆14连接，接着依次安装锚固剂、锚杆29与托盘1，通过锚杆钻机16提供动力，拧紧锚杆锚具4；最后，把水平扩展臂19或者垂向扩展臂21安装到加力中转环17上，并通过卡扣固定，通过水平扩展臂19或者垂向扩展臂21进一步拧紧锚杆锚具4，使得锚杆29安装预紧力符合设计要求为准。图35为本发明实施例的支架反复支撑顶板条件下本发明的锚杆锚具与托盘使用效果示意图。
31.实施例2如图2所示，与实施例1不同的是采用的是锚索28锚固。锚索28的一端设置在围岩36内，锚索28的另一端穿过嵌套块3与锚索锚具5连接，锚索锚具5的下方设置有用于展平外露锚索28钢绞线的扩张筒6。
32.锚索锚具5内设置有锚索通道10，锚索通道10内设置有锚索夹具39。锚索28的底端设置在锚索通道10内并通过锚索夹具39与锚索通道10连接，锚索28的顶端设置在锚索锚固段12。嵌套块3起到枢纽作用，锚索28的支护力传递给锚索锚具5，锚索锚具5再把该支护力传递给嵌套块3，嵌套块3把该支护力传递给盘体2及围岩36，盘体2把该支护力传递给围岩36，起到锚固作用。
33.图6为本发明实施例的扩张筒示意图。扩张筒6包括推杆25，推杆25的顶端设置有
伞形头26。伞形头26的顶端的端部中心孔为钢绞线通道孔27，锚索28的中间一根钢绞线设置在钢绞线通道孔27内。钢绞线通道孔27的端头薄，易于插入锚索28钢绞线束的内部，有利于导向并通过伞形头26扩展平铺钢绞线紧贴托盘1，扩张筒6通过推杆25相连，推杆25与锚杆钻机16相连提供顶推力。
34.锚索锚具5与嵌套孔37对应类型的尺寸及形状相匹配，锚索锚具5也对应分为四类：锚索单节直圆柱体锚具、锚索双节直圆柱体锚具52、锚索单节斜面圆柱体锚具及锚索双节斜面圆柱体锚具53。图30为本发明实施例的锚索双节直圆柱体锚具立体图；图31为本发明实施例的锚索双节直圆柱体锚具剖面图；图32为本发明实施例的锚索双节斜圆柱体锚具的立体图；图33为本发明实施例的锚索双节斜圆柱体锚具的剖面图。锚索双节直圆柱体锚具52与锚索双节斜面圆柱体锚具53，两节圆柱体宜为一体化制造出来的完整相连的整体，两节圆柱体同轴心而不同直径，锚具的上节圆柱体直径小于下节圆柱体直径，直径差宜为1cm~4cm，这样可以使得嵌套块3传递力更加均衡有效。锚索单节斜面圆柱体锚具及锚索双节斜面圆柱体锚具53，锚具的下底面与上底面的夹角为α，锚索28钻孔与围岩36表面夹角中的锐角为β，α与β的两角之和宜为90
°±1°
。
35.图36为本发明实施例的锚索倾斜布置时本发明的锚索锚具与托盘安装完毕示意图。当锚索28的钻孔与围岩36表面斜交时，使用特征为斜面圆柱体嵌套块41的托盘1或特征为斜面圆台嵌套块43的托盘1。当锚索28钻孔与围岩36表面垂直时，使用特征为直圆柱体嵌套块40的托盘1或特征为正圆台嵌套块42的托盘1。
36.本发明所述的锚索锚具5锚固方法：首先，当锚索与围岩壁面垂直时，使用复合耦合孔钻头扩孔，复合耦合孔钻头的上底面形状及尺寸与托盘1的上底面相同，形成嵌套块3的嵌套区与托盘1盘体2的嵌套区。扩出的孔可正好使得托盘1与围岩36嵌合齐平，即，托盘1的下底面与围岩36表面齐平。不因过多内置而留出无效裸孔段，也不因外露而还被支架54直接挤压损毁。
37.当锚索与围岩壁面斜交时，采用嵌套块耦合孔钻头与盘体耦合槽钻头分别施工钻孔，这样可以实施斜面圆台嵌套块43的耦合孔7及斜面圆柱体嵌套块41的耦合孔7。
38.如果托盘1需要压住护表金属网或者钢带，需要满足两个条件：一是，盘体2的嵌套区的深度为x，x等于金属网的钢丝直径或者钢带的厚度与盘体2厚度之和，同时满足嵌套块3的外轮廓与嵌套区嵌合；二是托盘1覆盖的金属网孔或者钢带孔的直径需要大于嵌套块3的外轮廓的最大直径，即只有盘体2压住金属网或者钢带，嵌套块3的外轮廓是穿过金属网或者钢带的；其次，安装锚索28及锚索锚具5，锚索张拉仪安装到位后，剪断外露锚索28，外露锚索28长度宜为4~6cm，可只保留中部一根钢绞线，方便采用扩张筒6对准钢绞线扩张展平，并贴附于托盘1表面，防止锚索28与锚索锚具5之间产生相对滑动且不影响支架54支撑时产生过大的应力集中。图37为本发明实施例的支架反复支撑顶板条件下本发明的锚索锚具与托盘使用效果示意图；图38为本发明实施例的本发明的锚索锚具与托盘应用于两帮的效果图。
39.本发明所述的锚具与托盘1的形状为主要形状，但并不限于该形状。
40.因此，本发明采用上述锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固系统及方法，锚具、托盘及锚杆、锚索不受支架挤压及剪错影响，且托盘变形会进一步握紧锚具，避免出
现锚具损坏而导致的支护系统损毁问题且可增强锚固效果，适用范围广泛，具有十分重要的应用价值。
41.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固系统，其特征在于：包括托盘、锚具、安装预紧机构、扩张筒以及用于围岩扩孔的钻头机构，围岩扩孔处设置有耦合孔，托盘的中心设置有凸起的嵌套块，嵌套块设置在耦合孔处，托盘的两端设置有盘体，围岩扩孔处设置有耦合槽，盘体设置在耦合槽内，嵌套块的下端设置有与锚具相适配的嵌套孔，锚具设置在嵌套孔内；锚具包括锚杆锚具和锚索锚具，锚杆的底端穿过嵌套块与锚杆锚具连接，锚杆锚具的下方设置有用于锚杆锚具预紧的安装预紧机构；锚索的一端穿过嵌套块与锚索锚具连接，锚索锚具的下方设置有用于展平外露锚索钢绞线的扩张筒。2.根据权利要求1所述的锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固系统，其特征在于：安装预紧机构包括导棒平台，导棒平台通过导棒杆与锚杆锚具连接，导棒平台的下端通过传力杆件与锚杆钻机连接，传力杆件上设置有加力中转环，加力中转环的两侧均通过销杆与水平扩展臂连接，水平扩展臂通过垂向接口与垂向扩展臂连接。3.根据权利要求2所述的锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固系统，其特征在于：锚杆锚具的底端设置有与导棒杆相适配的导棒孔，导棒杆插设在导棒孔内。4.根据权利要求2所述的锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固系统，其特征在于：加力中转环的中心设置有六棱孔，传力杆件插设在六棱孔内，水平扩展臂上设置有与销杆相适配的销孔，销杆插设在销孔内；加力中转环和水平扩展臂上均设置有固定环，加力中转环和水平扩展臂上的固定环通过卡扣连接，垂向接口与垂向扩展臂上均设置有固定环，垂向接口与垂向扩展臂上的固定环通过卡扣连接。5.根据权利要求1所述的锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固系统，其特征在于：扩张筒包括推杆，推杆的顶端设置有伞形头，伞形头的顶端设置有钢绞线通道孔，锚索的中间一根钢绞线设置在钢绞线通道孔内。6.根据权利要求1所述的锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固系统，其特征在于：钻头机构包括复合耦合孔钻头、嵌套块耦合孔钻头以及盘体耦合槽钻头，嵌套块耦合孔钻头包括钻杆，钻杆的顶端设置有盘体耦合槽钻头部一，盘体耦合槽钻头部一上接嵌套块耦合孔钻头部，嵌套块耦合孔钻头部的顶端设置有导向钻头；盘体耦合槽钻头包括钻杆，钻杆的顶端设置有盘体耦合槽钻头部一，盘体耦合槽钻头部一两侧设置有盘体耦合槽钻头部二，盘体耦合槽钻头部二上设置有边缘拱形过渡区钻头部；复合耦合孔钻头包括钻杆，钻杆的顶端设置有盘体耦合槽钻头部一，盘体耦合槽钻头部一上接嵌套块耦合孔钻头部，嵌套块耦合孔钻头部的顶端设置有导向钻头，盘体耦合槽钻头部一两侧设置有盘体耦合槽钻头部二，盘体耦合槽钻头部二上设置有边缘拱形过渡区钻头部。7.根据权利要求1所述的锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固系统，其特征在于：嵌套块，基于其外轮廓形状分为四类：直圆柱体嵌套块、斜面圆柱体嵌套块、正圆台嵌套块、斜面圆台嵌套块；嵌套块内部的嵌套孔形状分为四类：单节直圆柱体锚具嵌套孔，双节直圆柱体锚具嵌套孔、单节斜面圆柱体锚具嵌套孔、双节斜面圆柱体锚具嵌套孔。8.根据权利要求7所述的锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固系统，其特征在于：锚杆锚具与嵌套孔对应类型的尺寸及形状相匹配，锚杆锚具分为四类：锚杆单节直圆柱
体锚具、锚杆双节直圆柱体锚具、锚杆单节斜面圆柱体锚具、锚杆双节斜面圆柱体锚具；锚索锚具与嵌套孔对应类型的尺寸及形状相匹配，锚索锚具分为四类：锚索单节直圆柱体锚具、锚索双节直圆柱体锚具、锚索单节斜面圆柱体锚具及锚索双节斜面圆柱体锚具。9.一种锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固方法，其特征在于：包括锚杆锚具锚固方法和锚索锚具锚固方法，锚杆锚具锚固方法：首先，使用复合耦合孔钻头扩孔，复合耦合孔钻头上底面形状及尺寸与托盘的上底面相同，形成嵌套块的嵌套区与托盘盘体的嵌套区，扩出的孔使得托盘与围岩嵌合齐平；或采用单独实施嵌套块耦合孔钻头与单独实施盘体耦合槽钻头分别造孔；托盘压住护表金属网或者钢带，满足两个条件，一是盘体的嵌套区的深度为x，x等于金属网的钢丝直径或者钢带的厚度与盘体厚度之和；二是托盘覆盖的金属网或钢带的孔直径大于嵌套块外轮廓的最大直径；其次，采用安装预紧机构，导棒平台与传力杆件螺栓连接，加力中转环套在传力杆件上，传力杆件安装到锚杆钻机上，锚杆锚具的导棒孔与导棒平台的导棒杆连接，接着依次安装锚固剂、锚杆与托盘，通过锚杆钻机提供动力，拧紧锚杆锚具；最后，把水平扩展臂或者垂向扩展臂安装到加力中转环上，并通过卡扣固定，通过水平扩展臂或者垂向扩展臂进一步拧紧锚杆锚具，以锚杆安装预紧力符合设计要求为准；锚索锚具锚固方法：首先，使用复合耦合孔钻头扩孔，复合耦合孔钻头上底面形状及尺寸与托盘的上底面相同，形成嵌套块的嵌套区与托盘盘体的嵌套区，扩出的孔使得托盘与围岩嵌合齐平；或采用单独实施嵌套块耦合孔钻头与单独实施盘体耦合槽钻头分别造孔；其次，安装锚索及锚索锚具，锚索张拉仪安装到位后，剪断外露锚索，外露锚索长度为4~6cm，保留中部一根钢绞线，采用扩张筒对准钢绞线扩张展平，并贴附于托盘表面。

技术总结
本发明涉及巷道围岩锚固技术领域，且公开了一种锚具与托盘耦合嵌套围岩防压剪增效型锚固系统及方法，锚固系统包括托盘，锚具、钻头机构、安装预紧机构及扩张筒，托盘包括盘体与中部的嵌套块，嵌套块底部耦合有锚具，外轮廓与围岩耦合；采用与托盘上底面尺寸相同的钻头机构，若安装锚杆，锚具安装预紧机构配合扩展臂实现锚具预紧达到设计要求；若安装锚索，则剪切锚索外露部分，采用扩张筒，展开剩余钢绞线并贴附于托盘表面。本发明采用的锚固系统及方法，锚具、托盘及锚杆、锚索不受支架挤压及剪错影响，且托盘变形会进一步握紧锚具，避免出现锚具损坏而导致的支护系统损毁问题且可增强锚固效果，适用范围广泛，具有十分重要的应用价值。用价值。用价值。


技术研发人员：陈冬冬 何富连
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：2023.08.14
技术公布日：2023/9/13