基本信息
- 项目名称：
- 液压耦合锚杆及其监测系统的设计研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品主要研究设计了一种液压耦合锚杆及其配套的监测装置，设计的锚杆是在普通金属锚杆的尾部安装一种可调控的液压装置，使其能够与围岩形成“初期支护、合理让压、二次补强”的循环耦合作用，且配套的监测装置能够对巷道围岩受力进行实时监测，为实现煤矿安全高效生产提供条件。
- 详细介绍：
- 本作品主要研究设计了一种液压耦合锚杆及其配套的监测装置，设计的锚杆是在普通金属锚杆的尾部安装一种可调控的液压装置，使其能够与围岩形成“初期支护、合理让压、二次补强”的循环耦合作用，且配套的监测装置能够对巷道围岩受力进行实时监测，为实现煤矿安全高效生产提供条件。 该锚杆主要由锚杆体、托盘、柔性管、密封圈、液压缸、安全阀、活塞等部件组成；而配套的监测系统由压力监测仪、采集器、通讯适配器和接受主机等组成。其工作原理为: 首先，安装好锚杆，并充分锚固，将液压装置安装在锚杆尾部； 其次，用泵站通过注液口对液压缸进行充分注液，为该锚杆提供一定的预应力； 再次，当围岩发生变形，锚杆受拉，液压缸中的液体被压缩，随着围岩的继续变形，液压缸内的压强逐渐增大，当压力值增加到安全阀的设定压力值时，安全阀自动打开，让围岩发生一定的变形，实现对围岩让压；当围岩卸压完成后，从注液口向液压缸内补液，使得活塞连同锚杆体一起收缩，进而对锚杆补强，从而实现对围岩的二次加固； 最后，当围岩由于应力扰动，再次发生变形，该液压耦合锚杆将重复上述过程，形成“支——让——支”的支护效果，实现对巷道围岩的柔性支护和连续支护，最终实现耦合支护效果。 作为一种新型的巷道支护锚杆，在地下巷道围岩支护或工程技术中边坡、隧道及坝体等领域的应用具有很好的市场推广价值和社会经济效益。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.目的 设计一种液压耦合锚杆，该锚杆能够适应围岩的大变形，吸收围岩的变形能，同时支护围岩。另外配套设计的监测系统能够实现对锚杆的受力状态进行实时监测和反馈。 2.基本思路 首先将一液压装置与矿用锚杆组合，设计出一种新型的液压耦合锚杆不仅能实现对巷道围岩的让压，而且能够适应围岩的变形；通过初始设定液压装置的压力值，保证锚杆能够在一恒定的工作阻力下支护围岩而不失效；同时还可以对该种锚杆补液，进而对巷道围岩进行补强，达到“让压、支护、补强”的多种功效。其次配套的监测系统能够对锚杆进行实时监测，最终达到巷道支护与锚杆监测的多种功能。 3.创新点 （1）该锚杆能够适应围岩的变形，吸收围岩的变形能； （2）该锚杆能够在其屈服强度以下发挥出最大的支护性能而不失效，且能维持一恒定的工作阻力状态； （3）该锚杆能及时补液，实现“控让”循环和实时监测。 4.技术关键 （1）锚杆与围岩的相互作用机理； （2）软岩巷道支护控制分析理论； （3）液压原理和液压传动理论。 5.主要技术指标 （1）围岩物理力学性质参数； （2）锚杆端部拉力； （3）泵站压力; （4）锚杆尺寸参数（锚杆直径、自由段长度等参数）； （5）安全阀设定压力指标（锚固力大小、锚杆承载能力、锚杆结构的完整性）。
科学性、先进性
- 1.科学性 液压耦合锚杆及其监测系统是根据围岩与锚杆相互作用原理以及软岩巷道支护控制理论进行设计研究的，并且该锚杆尾部液压装置的运动也符合液压传动原理，与此同时配套的监测系统能通过红外无线传输数据，安全可靠。在理论和实践上体现了作品的科学性。 2.先进性 （1）液压耦合锚杆能够提供较大的预应力，很好的控制围岩的早期变形，并且充分发挥了围岩的自承能力； （2）液压耦合锚杆还能够适应围岩的大变形，且能够维持在一恒定的工作阻力态； （3）液压耦合锚杆不仅能够实现让压，还能够进行补强，形成“控—让”循环的支护形式； （4）监测系统能够实现对围岩变形的实时监测，反馈监测信息，保证煤矿的安全生产。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年1月至2011年3月在某煤矿已现场应用，并取得较好的应用效果。 2011年5月在省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中获得一等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 已在煤矿企业应用
作品可展示的形式
- 实物、产品； 现场演示；图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.使用说明：（1）打眼→装药→装入锚杆→搅拌→充分锚固，将液压装置安装在锚杆尾部；（2）注液；（3）移走注液枪，在需要监测的锚杆上安装多功能在线压力监测仪。 2.技术特点和优势：（1）该锚杆在锚杆尾部构筑一液压装置，并配套设计了监测系统；（2）该锚杆能够适应围岩的变形，吸收围岩的变形能；（3）该锚杆能够提供较大的预应力；（4）该锚杆能及时补液，实现“控让”循环和实时监测。 3.适用范围： 根据锚杆的结构和功能上的特点，该锚杆特别适用于埋深较深、围岩条件差的软岩巷道。 4.市场经济效益预测： 通过对该锚杆及时补液加固围岩，而不需要进行传统的二次支护，大大节省了人力、物力和财力，有很好的市场推广价值和社会经济效益。该锚杆已在某煤矿应用，并取得了很好的支护效果，在软岩巷道控制，劳动量投入等方面产生了明显的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 1.国内外锚杆技术发展概述 ⑴国内外锚杆技术发展概况简述 国外从1912年开始在煤矿中使用锚杆支护巷道，我国煤矿也于1956年开始使用锚杆支护巷道。之后在各国得到了迅速发展，锚杆形式主要由楔缝式、倒楔式等逐渐发展为可拉伸式、高强度预应力等，这些锚杆可靠性高，然而以上锚杆不能适应围岩的变形，吸收围岩的变形能，不能做到“控让”循环和实时监测。 ⑵国内外可伸长锚杆技术发展概况简述 国外可伸长锚杆有德国蒂森型及前苏联的杆体弯曲波浪型，该类锚杆恒阻工作阶段不稳定，不能做到锚杆的平稳承载，受冲击地压的影响较大。 国内最典型的可伸长锚杆主要有中国矿业大学的“H型”及“改进型”杆体可伸长锚杆，“H型”和“改进型”的可伸长锚杆，对锚杆尾部进行了机械加工和热处理，尾部强度较高能够发挥锚杆的强度和延伸率。 然而，研究发现以上可伸长锚杆的增阻速度还不及传统的树脂锚杆，同时当达到锚杆的屈服强度以后，锚杆的支护阻力迅速下降，并不能达到恒定的工作阻力状态，并且杆体强度不大，结构复杂，易受扰动影响。 2.国内外锚杆检测系统的发展概况 由于锚杆支护的隐蔽性，一旦围岩破坏失稳，一般没有明显的预兆，具有突发性。因此通过监测获得围岩稳定情况的信息，进行科学分析后，及时发现和解决问题，还可以根据结果来修改、完善设计，保证安全生产。国内外对锚杆监测进行了大量的研究，得出了许多监测方法和监测仪器仪表，如多点位移计、离层指示仪、锚杆拉拔计、光纤光栅传感技术等。然而各监测仪器仪表在监测质量和可操作性方面都存在自身的缺陷和不足。 设计的液压耦合锚杆，不仅有具有以上提到的各种优点，而且因液压装置的存在能够做到在围岩变形时，锚杆平稳受力，保证锚杆在一恒定的工作阻力下工作，配套的监测系统又可以对该锚杆进行实时监测，另外可以对该锚杆进行回收利用，节约了成本。 研究发现目前市面上还没有此性能的液压耦合锚杆。
