1.本发明涉及矿用锚索设备技术领域，具体为一种超大直径锚索锚固结构。
背景技术：
2.随着煤矿开采深度的增加，冲击矿压的问题日益突出，近几年，国家煤矿安监局要求强化煤矿冲击地压源头防治，并提出强化冲击地压矿井巷道支护，要求合理选择巷道支护的形式与参数。
3.锚索是矿井巷道常用的一种支护材料，对于煤层深度超过800米的厚煤层巷道，其锚索的直径要求不得小于20mm。不断开发使用大直径锚索的意义在于，在支护施工过程中，如果钢绞线的直径小，和钻孔的直径径差会加大，锚索安装过程中，钢绞线在搅拌树脂锚固剂(药卷)时的效果会差，锚固剂的利用率低，锚固效果差。另一方面，钢绞线的直径小，承载力值低，在冲击矿压发生时，钢绞线的冲击吸收功低，常导致锚索突然断裂，巷道的安全性降低，还容易引发伤人等事故。
4.因此，深层井下受高应力采动和地质结构等影响，造成围岩失稳性增加，在部分深层井下，目前市场上销售的钢绞线直径、破断负荷、伸长率均达不到强力张拉、支护、锚固的要求，超大直径的矿用锚索存在着开发应用需求。
技术实现要素：
5.本发明的目的在于提供一种超大直径锚索锚固结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超大直径锚索锚固结构，包括钢绞线1、矿用锚索锚具2、托板3和卡环4，矿用锚索锚具2的中心定位连接有钢绞线1，矿用锚索锚具2的右侧固定连接有托板3，钢绞线1的右侧固定连接有卡环4，矿用锚索锚具2包括第一套壳架5和第一夹片6，第一套壳架5的内侧位置固定连接有第一夹片6。
7.优选的，矿用锚索锚具2包括第二夹片7、第二套壳架8、紧固机构9，第二套壳架8的内侧固定连接有第二夹片7，第二套壳架8的上端组合连接有紧固机构9。
8.优选的，紧固机构9包括配合前固环10、挤压凸轮11、安装座12和协同杆13，配合前固环10的后端设有安装座12，配合前固环10、挤压凸轮11转动连接在安装座12的前部，配合前固环10的后端固定连接有协同杆13，协同杆13与安装座12贯通设置。
9.优选的，紧固机构9还包括转动齿环14、配合齿片15和组合环架16，协同杆13的后端固定连接有配合齿片15，配合齿片15的下端与转动齿环14啮合连接，协同杆13与第一夹片6贯通设置，转动齿环14转动连接在第二套壳架8的上端。
10.优选的，挤压凸轮11通过配合齿片15的驱动进行转动，挤压凸轮11与第二夹片7限位设置。
11.一种超大直径锚索锚固结构的生产工艺，包括以下步骤：
12.s1、热处理工艺：采用40cr热处理工艺，20crmnti碳氮共渗工艺，在热处理过程中
严格执行，日常、定期对设备进行必要的维护，确保热处理后锚具硬度范围在60-63hrc范围内；
13.s2、加长有效锚固长度、锚具及夹片的尺寸工艺：为减小应力集中增加原有外径到φ94m；为增加握裹长度保证静载性能稳定，在原有锚环、夹片长度基础上各增加10mm(原有锚环长度103mm，夹片100mm)，因φ34.6钢绞线张拉力值太大，将原有设计角度改进为锚环为13
°
20分，夹片14度。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.通过整体的结构设计，能够提高整体结构的耐用度，加强连接的可靠性，减少深层井下受高应力采动和地质结构等影响，增强围岩失稳性，在部分深层井下，钢绞线直径、破断负荷、伸长率均达到强力张拉、支护、锚固的要求。
附图说明
16.图1为本发明主体结构示意图；
17.图2为本发明矿用锚索锚具的结构示意图；
18.图3为本发明矿用锚索锚具的第二实施例结构示意图；
19.图4为本发明紧固机构的结构示意图；
20.图5为本发明紧固机构的侧视图。
21.图中：1-钢绞线；2-矿用锚索锚具；3-托板；4-卡环；5-第一套壳架；6-第一夹片；7-第二夹片；8-第二套壳架；9-紧固机构；10-配合前固环；11-挤压凸轮；12-安装座；13-协同杆；14-转动齿环；15-配合齿片；16-组合环架。
具体实施方式
22.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。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。
23.实施例1
24.请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种超大直径锚索锚固结构，包括钢绞线1、矿用锚索锚具2、托板3和卡环4，矿用锚索锚具2的中心定位连接有钢绞线1，矿用锚索锚具2的右侧固定连接有托板3，钢绞线1的右侧固定连接有卡环4，矿用锚索锚具2包括第一套壳架5和第一夹片6，第一套壳架5的内侧位置固定连接有第一夹片6。
25.1、锚索的静载性能试验要求
26.锚索的静载性能，由钢绞线－锚具组装件静载试验测定的锚具效率系数ηa和达到实测拉力时，该组装件受力长度的总应变εapu来确定。测定公式见钢绞线1、矿用锚索锚具2。
27.①
锚具效率系数ηa的计算公式：
[0028][0029]
式钢绞线1中：ηα——锚具效率系数；
[0030]
ηp——钢绞线的效率系数，预应力钢材为1～5根时，ηp＝1；
[0031]
fapu——钢绞线—锚具组装件的实测极限拉力；
[0032]
fpm——钢绞线实测破断载荷平均值。
[0033]
②
钢绞线－锚具组装件极限载荷下总应变εapu的计算公式：
[0034][0035]
式矿用锚索锚具2中：
[0036]
εapu——钢绞线－锚具组装件达到实测极限载荷时的总应变；
[0037]
l0——原始总工作长度；
[0038]
l1——加载初应力后油缸活塞的初始行程；
[0039]
l2——钢绞线—锚具组装件破坏时油缸活塞的终了行程；
[0040]
δα——钢绞线－锚具组装件的内缩量。
[0041]
本产品为矿用锚索skp35，使用的钢绞线为1
×
19w-φ34.6mm钢绞线，需要选用200吨拉力机进行锚索静载试验，试验方法和要求应符合gb/t 14370—2007《预应力筋用锚具、夹具和连接器》、mt/t 942—2005《矿用锚索》以及《矿用锚索使用说明书》规定的相关要求。
[0042]
为能够成功进行静载匹配，重点考虑了钢绞线表面硬度、直径、抗拉强度等主要影响因素，并从钢绞线的制造工艺、锚具的制造工艺以及对静载性能试验用的工装均进行了多项改进，主要创新点在于：
[0043]
1、结合34.6mm钢绞线的研制工艺有针对性的对配套锚具提出了硬度指标要求
[0044]
锚具表面硬度影响着组装件静载性能和安全性能，硬度过小，使用过程中易变形，静载性能不满足标准要求；硬度过大，锚具夹片会切入钢绞线，容易在与钢绞线的啮合处，将钢绞线刻断，也影响静载性能的试验结果，并且锚具的硬度过大，易脆裂，甚至飞溅，存在安全隐患。
[0045]
本产品为矿用锚索skp35，使用的钢绞线为1
×
19w-φ34.6mm钢绞线，34.6mm钢绞线在研制过程中，为提高钢绞线整体的最大力水平，将外层细丝的抗拉强度设计到2000mpa以上，该钢绞线使用的半成品钢丝的实际抗拉强度见表1。
[0046]1×
19w-φ34.6mm钢绞线用半成品的强度指标
[0047]
表1
[0048]
半成品规格mm)最大力范围kn抗拉强度范围mpa7.7484.5～86.51796～18397.4379.5～82.01834～18928.0191.0～92.51807～18366.0759.0～60.52040～2092
[0049]
出于半成品钢丝强度级别相差较为悬殊的考虑，我们没有按照普通钢绞线对锚夹片的硬度提出要求，而是对成品钢绞线的性能进行了跟踪，成品34.6mm钢绞线的最大力均值为1432kn，抗拉强度均值达到了1818mpa，选取了1组钢绞线，拆股测试了钢丝的力学性能，发现拆股后钢丝的力学性能与半成品钢丝的力学性能很接近，分析原因，整体钢绞线的强度损失主要是由于试验过程中，外层钢丝和内层钢丝走的是曲线行程，存在着捻角，并且各个钢丝之间以及各层钢丝之间都存在摩擦阻力，因此在拉伸试验过程中，负荷加载过程
中会造成部分强度的损失，拆股后的钢丝强度见表2。
[0050]1×
19w-φ34.6mm钢绞线拆股后的强度指标
[0051][0052]
表2
[0053]
在静载试验过程中，锚具外壳和夹片要可靠地承受钢绞线抗拉强度极限的荷载，同时要夹紧纲绞线，不发生断丝滑丝现象。行业内积累的经验，锚夹片硬度与钢绞线表面硬度之差要≥hrc10，才能满足最佳的匹配要求，考虑了瓦林吞结构的钢绞线在静载试验过程，接近98％以上是断在外层细丝的情况，因此，我们测试了外层细丝的硬度，测试结果见表3。
[0054]
拆股后钢丝的硬度测试结果
[0055]
表3
[0056]
序号外层细丝的抗拉强度/mpa对应的硬度/hrc1203649.62204649.53207150.24201248.35204349.86207850.2
[0057]
实施例2
[0058]
如图3-5，矿用锚索锚具2包括第二夹片7、第二套壳架8、紧固机构9，第二套壳架8的内侧固定连接有第二夹片7，第二套壳架8的上端组合连接有紧固机构9。
[0059]
紧固机构9包括配合前固环10、挤压凸轮11、安装座12和协同杆13，配合前固环10的后端设有安装座12，配合前固环10、挤压凸轮11转动连接在安装座12的前部，配合前固环10的后端固定连接有协同杆13，协同杆13与安装座12贯通设置。
[0060]
紧固机构9还包括转动齿环14、配合齿片15和组合环架16，协同杆13的后端固定连接有配合齿片15，配合齿片15的下端与转动齿环14啮合连接，协同杆13与第一夹片6贯通设置，转动齿环14转动连接在第二套壳架8的上端。
[0061]
挤压凸轮11通过配合齿片15的驱动进行转动，挤压凸轮11与第二夹片7限位设置。
[0062]
一种超大直径锚索锚固结构的生产工艺，包括以下步骤：
[0063]
s1、热处理工艺：采用40cr热处理工艺，20crmnti碳氮共渗工艺，在热处理过程中严格执行，日常、定期对设备进行必要的维护，确保热处理后锚具硬度范围在60-63hrc范围内；
[0064]
s2、加长有效锚固长度、锚具及夹片的尺寸工艺：为减小应力集中增加原有外径到φ94m；为增加握裹长度保证静载性能稳定，在原有锚环、夹片长度基础上各增加10mm原有锚环长度103mm，夹片100mm，因φ34.6钢绞线张拉力值太大，将原有设计角度改进为锚环为13
°
20分，夹片14度。
[0065]
使用者通过转动转动齿环14，带动配合齿片15跟随转动，使得配合齿片15带动协同杆13进行同步的转动，作用在挤压凸轮11上，使得挤压凸轮11、配合前固环10在安装座12前端转动连接，通过挤压凸轮11的转动对第二夹片7进行限位，使得第二夹片7在安装前，不会出现掉落的现象，由于矿用的锚索采用垂直安装，会出现第二夹片7掉落的现象，造成施工的不便。
[0066]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。技术特征：
1.一种超大直径锚索锚固结构，包括钢绞线(1)、矿用锚索锚具(2)、托板(3)和卡环(4)，所述矿用锚索锚具(2)的中心定位连接有钢绞线(1)，所述矿用锚索锚具(2)的右侧固定连接有托板(3)，所述钢绞线(1)的右侧固定连接有卡环(4)，其特征在于：所述矿用锚索锚具(2)包括第一套壳架(5)和第一夹片(6)，所述第一套壳架(5)的内侧位置固定连接有第一夹片(6)。2.根据权利要求1所述的一种超大直径锚索锚固结构，其特征在于：所述矿用锚索锚具(2)包括第二夹片(7)、第二套壳架(8)、紧固机构(9)，所述第二套壳架(8)的内侧固定连接有第二夹片(7)，所述第二套壳架(8)的上端组合连接有紧固机构(9)。3.根据权利要求2所述的一种超大直径锚索锚固结构，其特征在于：所述紧固机构(9)包括配合前固环(10)、挤压凸轮(11)、安装座(12)和协同杆(13)，所述配合前固环(10)的后端设有安装座(12)，所述配合前固环(10)、挤压凸轮(11)转动连接在安装座(12)的前部，所述配合前固环(10)的后端固定连接有协同杆(13)，所述协同杆(13)与安装座(12)贯通设置。4.根据权利要求3所述的一种超大直径锚索锚固结构，其特征在于：所述紧固机构(9)还包括转动齿环(14)、配合齿片(15)和组合环架(16)，所述协同杆(13)的后端固定连接有配合齿片(15)，所述配合齿片(15)的下端与转动齿环(14)啮合连接，所述协同杆(13)与第一夹片(6)贯通设置，所述转动齿环(14)转动连接在第二套壳架(8)的上端。5.根据权利要求4所述的一种超大直径锚索锚固结构，其特征在于：所述挤压凸轮(11)通过配合齿片(15)的驱动进行转动，所述挤压凸轮(11)与第二夹片(7)限位设置。6.一种超大直径锚索锚固结构的生产工艺，采用权利要求1-2任意一项所示的一种超大直径锚索锚固结构，其特征在于，包括以下步骤：s1、热处理工艺：采用40cr热处理工艺，20crmnti碳氮共渗工艺，在热处理过程中严格执行，日常、定期对设备进行必要的维护，确保热处理后锚具硬度范围在60-63hrc范围内；s2、加长有效锚固长度、锚具及夹片的尺寸工艺：为减小应力集中增加原有外径到φ94m；为增加握裹长度保证静载性能稳定，在原有锚环、夹片长度基础上各增加10mm(原有锚环长度103mm，夹片100mm)，因φ34.6钢绞线张拉力值太大，将原有设计角度改进为锚环为13
°
20分，夹片14度。
技术总结
本发明公开了一种超大直径锚索锚固结构，包括钢绞线、矿用锚索锚具、托板和卡环，矿用锚索锚具的中心定位连接有钢绞线，矿用锚索锚具的右侧固定连接有托板，钢绞线的右侧固定连接有卡环，矿用锚索锚具包括第一套壳架和第一夹片，第一套壳架的内侧位置固定连接有第一夹片，矿用锚索锚具包括第二夹片、第二套壳架、紧固机构，第二套壳架的内侧固定连接有第二夹片，第二套壳架的上端组合连接有紧固机构，紧固机构包括配合前固环、挤压凸轮、安装座和协同杆，配合前固环的后端设有安装座。本发明为超大直径锚索锚固结构，通过矿用锚索锚具的设置，实现加强连接的目的。实现加强连接的目的。实现加强连接的目的。
技术研发人员：李宝军 侯立山 王莉 赵学刚 潘捷 梁颖
受保护的技术使用者：天津市新天钢中兴盛达有限公司
技术研发日：2022.12.20
技术公布日：2023/4/17
声明：
“超大直径锚索锚固结构的制作方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：天津市新天钢中兴盛达有限公司
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2024年05月17日 ~ 19日 
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