CN106050281B - 一种用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构与支护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构与支护方法，包括：分别倾斜布置且锚固于巷道顶板两侧岩层中的两根锚索、紧贴于顶板的上下面开孔箱式钢梁、连接锚索与箱式钢梁的新型圆锥形锁具。锚索钻孔段与箱梁段对顶板产生了向顶板中部方向倾斜向上作用力，且作用力方向与大小可随着箱梁段锚索角度调节而变化；箱式钢梁结构可靠、抗弯性能强，且通过锚索预紧对顶板提供大面积整体高支护力。圆锥形锁具能配合箱式钢梁下钢面两端半圆长孔锁紧，可实现不同角度下锚索尾部处于直线受力状态。本发明实现了对顶板线与面结合的连续支护，具有向顶板中上部且方向可调的支护力，以及竖直向上大面积整体支护力。

Description

一种用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构与支护方法

技术领域

本发明涉及煤矿巷道顶板支护技术领域，尤其是涉及用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构及支护方法

背景技术

煤系地层巷道因受高地应力和采动支承压力作用、围岩岩体强度低及众多地质水文因素等影响，巷道围岩变形量大，易发生钢带或钢梁扭曲、撕裂、折断等支护系统损毁现象，护表构件作用大打折扣，进而导致组合支护结构失效，整体支护强度下降，进而诱发垮冒事故，严重影响矿井安全高效生产。此类煤系地层巷道的安全高效支护能为煤炭资源的高产高效高安全开采提供安全可靠的矿井通道和开采空间，然而常规锚杆索组合支护结构在应对此类巷道的支护时往往难以取得预期的支护效果，其围岩控制已成为国际采矿和岩土工程界的关键科技难题。

发明内容

本发明为了解决上述提出的现场施工技术及理论问题，提出一种用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构与支护方法，其结构简单，使用方便，箱式钢梁结构稳固，抗弯性能强；其锚索能够根据不同地质条件下巷道顶板岩层压力的大小，设置其底部区域角度，进而通过箱式钢梁对顶板提供水平及竖直方向上的大面积整体支护力以抑制巷道顶板岩层的变形。此外，本发明还提供一种采用上述装置进行支护的方法。

为实现本发明的上述目的，本发明的一种用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构与支护方法包括：用于分别倾斜锚固在巷道顶板两侧稳定岩层中的两根锚索；紧贴于顶板的上下面开孔箱式钢梁；连接锚索与箱式钢梁的新型圆锥形锁具；其中，所述锚索能够根据巷道顶板岩层水平运动时对其产生的承载作用力的大小，设置其底部区域角度，通过箱式钢梁对顶板提供水平及竖直方向上的大面积整体支护力以抑制巷道顶板岩层的变形。本发明装置通过箱体桁架梁将单体锚杆索支护系统连接为整体面支护系统，可大大提高复杂地质条件巷道围岩支护效果。

其中：所述箱式钢梁上部紧贴顶板的一侧接触面较宽，在钢梁上钢面两端各开一个矩形长孔。顶板钻孔布置在箱式钢梁上钢面矩形长孔外侧，锚索通过箱式钢梁上的矩形长孔后其弯折点能够压在顶板上，实现顶板双向线接触受力。

其中，所述箱式钢梁下钢面两端各开一组两端半圆矩形孔，每组孔数为2～4个，孔宽约等于锁套底部长度1/5～1/4范围的圆锥半径；两端半圆矩形孔之间开有连接槽，槽宽等于锚索直径；将锚索尾部放置于不同的孔内可调节箱式钢梁段的锚索角度，进而设置锚索对顶板施加支护力的大小及方向，使锚索不仅能够提供水平方向还能提供竖直方向的支护力。

此外，本发明还提供一种采用如上所述的装置支护巷道顶板的方法，其包括如下步骤：

(1)箱式钢梁制作

采用中空、上钢面宽和下钢面窄以及两侧肋板组成的箱式钢梁，在其上钢面两端靠近中部位置处各开一个矩形长孔，孔宽大于锚索直径；在下钢面两端各开一组两端半圆矩形孔，每组孔数为2～4个，孔宽等于圆锥形锁具锁套底部长度1/5～1/4范围的圆锥半径，两端半圆长孔之间开有连接槽；

(2)锚索锚固

利用锚杆钻机，在巷道的顶板两侧分别钻凿出一个倾斜钻孔，钻孔深度到达顶板稳定岩层中；利用锚索搅拌器、凿岩机和树脂药卷，将两根锚索分别锚固在两个钻孔内；

(3)锚索尾部调节

待锚索锚固稳定后，将锚索尾部依次穿过箱式钢梁上钢面上的矩形长孔及下钢面上的两端半圆矩形孔；根据需要将锚索通过连接槽移动至不同的两端半圆矩形孔内以设置锚索底部区域与垂直方向的夹角为箱式钢梁提供水平与垂直方向上的支护力；

(4)施加预紧力

将新型圆锥形锁具穿过锚索尾部并使锁具宽度较小的一端卡在两端半圆长孔中；利用张拉机具对两根锚索分别进行张拉预紧处理，使两根锚索与组合梁连接固定

与现有技术相比，本发明的一种用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构与支护方法具有如下有益效果：

1)本发明装置通过箱体桁架梁改变锚索预应力施加角度，从而使得以箱式钢梁为主的整个锚杆索支护系统获得具有一定的水平及竖直方向的预应力，因而在巷道发生一定的水平变形时，不致使其预应力发生相应失效，从而进一步引起相应一系列的连锁支护失效现象。

2)本发明装置将在浅部矿井中广泛采用的点支护系统改为面支护系统。将单体锚杆索支护系统提升为以箱体桁架梁为主结合锚杆索的多重组合支护系统，使其有利于治理深井围岩变形量大，巷道支护需多次返修等现场施工技术问题。

附图说明

图1是本发明的一种用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构支护示意图；

图2是箱式钢梁下钢面仰视图；

图3是箱式钢梁上钢面俯视图

图4是本发明的锚索箱梁结构示意图；

图5是图4的A-A剖视图；

图6是图4中的B-B剖视图；

附图标记说明：1-两端半圆矩形孔；2-两端半圆矩形孔连接槽；3-箱式钢梁；3a-箱式钢梁上钢面；3b-箱式钢梁两侧肋板；3c-箱式钢梁下钢面；4-矩形长孔；5-锚索；6-锚索孔位置；7-锚索弯折点；8-圆锥形锁具；9-巷道帮部；10-巷道顶板岩层；11-巷道

具体实施方式

如图1-图6所示，本发明提供一种用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构与支护方法，其包括：用于分别倾斜锚固于巷道11顶板两侧岩层中的两根锚索5；与两根锚索5的尾部通过新型圆锥形锁具8连接的紧贴在顶板上的箱式钢梁3；其中，所述锚索5的尾部能够根据巷道顶板岩层9水平运动时对其产生的承载作用力的大小，设置其底部区域角度，通过箱式钢梁3提供水平及竖直方向上的大面积整体支护力以抑制巷道顶板岩层10的变形。

在实际使用过程中，在巷道的顶板上，可以沿巷道走向连续布置多套平行的箱梁桁架结构，其中，每套箱梁桁架结构中的箱式钢梁与两根锚索的尾部分别连接，且两根锚索所锚固的两个钻孔应位于巷道顶板两侧，并向巷道帮部9倾斜，使岩体内的被预紧锚索与垂直方向的夹角α在10°～30°范围内，而每个钻孔均应深入巷道顶板两侧岩层的稳定无裂隙区，从而保证每根锚索均能充分发挥作用。

本发明的箱梁桁架装置中，每根锚索5可以根据顶板岩层10下沉时对其产生的承载作用力的大小，设置其底部区域与垂直方向上的夹角β，通过箱式钢梁3提供水平及竖直方向上的整体支护力以便抑制巷道顶板岩层10的变形。

具体的，如图3所示，本发明的箱式钢梁3包括：上钢面3a；两侧肋板3b；下钢面3c；上钢面上的矩形长孔4；下钢面上的两端半圆矩形孔1。

本发明通过将锚索5的底部区域沿其原倾斜角度α穿过箱式钢梁3上钢面3a上的矩形长孔4与下钢面3c上的两端半圆矩形孔1(锚索孔位置6紧挨在矩形长孔4外侧)使锚索弯折后锚索弯折点7能够紧压在巷道顶板岩层10上；通过半圆矩形孔连接槽2可将锚索放置于不同的两端半圆矩形孔1内，位于箱式钢梁3内部锚索5底部区域与垂直方向的角度β将发生改变；通过新型圆锥形锁具8将锚索5尾部与箱式钢梁3相连接，在利用张拉器具对锚索5施加预紧力后，箱式钢梁3能够紧贴在顶板上，从而使锚索能够通过箱式钢梁3对顶板施加整体垂直向上与向巷道内侧的预紧力。

其中，每个可箱梁锚索桁架装置按照如下顺序进行布置：

(1)钻孔。使用锚杆钻机机在巷道11顶板上凿两个倾斜钻孔，且向巷道帮部9肩角倾斜。在钻孔操作时，应根据设计好的钻孔与箱式钢梁上的锚索孔之间的连线与垂直方向之间所形成的夹角来确定每个钻孔的位置，优选的，该夹角为10°～30°，并且，钻孔操作时，钻凿出来的每个钻孔均应深入巷道顶板两侧岩层稳定无裂隙区，以保证锚索能充分发挥作用。

(2)、锚索端头锚固。使用锚索将树脂药卷推入孔底，利用锚索搅拌器将锚索尾部与凿岩机相连，启动并升起凿岩机，边推进边搅拌，锚索端头推入钻孔底部后停止钻进，再搅拌10～15s后停机；

(3)、安装箱式钢梁。待两根锚索端头完全锚固后，将两根锚索尾部与箱式钢梁两端的上下开孔一一对应并穿入其中，以使组合梁紧贴于顶板上，通过两端半圆矩形孔及其连接槽调节锚索尾部至合适角度；

(4)、张拉预紧锚索。在锚索尾部安装新型圆锥形锁具，再使用专用张拉机具张拉预紧，然后采用相同方法张拉预紧另一侧锚索，从而对巷道顶板进行支护。

Claims (7)

1.一种用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构，其特征在于，该结构主要包括倾斜布置且锚固在巷道顶板两侧岩层中的锚索、紧贴于顶板的上下面开孔箱式钢梁、连接锚索与箱式钢梁的圆锥形锁具；所述锚索倾斜布置且锚固于巷道顶板两侧的稳定岩层中，钻孔中锚索与垂直方向的夹角为α，露出钻孔的锚索段位于箱式钢梁内，其与竖直方向夹角β，且β>α；

所述箱式钢梁中空，由上钢面、两侧肋板和下钢面组成，其中上钢面紧贴顶板且其宽度大于下钢面；上钢面两侧开有矩形长孔，孔宽d大于锚索直径，以便锚索能够穿过上钢面上的矩形长孔且直接作用在顶板上；下钢面两端各开一组两端半圆矩形孔，每组孔数为2～4个，孔宽度为D，孔与孔之间开有连接槽，槽宽与上钢面孔宽一致，为d，锚索可通过连接槽移动至不同半圆矩形孔中进行锁紧，实现调节与垂直方向的夹角β；

所述圆锥形锁具外部锁套为圆锥形且锁套底部有长度1/5～1/4范围的圆锥半径等于D，使得在连接锚索与箱式钢梁时圆锥形锁具能够卡在两端半圆矩形孔中且可倾斜较大角度进行预紧；

所述锚索箱梁桁架结构均以巷道中心线对称布置。

2.根据权利要求1所述的一种用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构，其特征在于：所述锚索处顶板钻孔位于箱式钢梁上钢面矩形长孔外侧，锚索尾部向巷道中部方向弯曲，弯曲段锚索能够在长孔范围内直接紧压在顶板岩层上，避免锚索与箱式钢梁接触。

3.根据权利要求2所述的一种用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构，其特征在于：所述锚索穿过箱式钢梁上钢面矩形长孔与下钢面两端半圆矩形孔后，通过圆锥形锁具锁紧，锚索按倾斜位置和角度分为钻孔段与箱式钢梁段，锚索钻孔段与箱式钢梁段对顶板产生了向顶板中部方向倾斜向上作用力；钻孔段角度可根据钻孔段长度与距离煤帮位置调整，确保锚固点能深入煤帮上方。

4.根据权利要求3所述的一种用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构，其特征在于：所述锚索能够通过箱式钢梁下钢面上连接槽移动至不同半圆矩形孔中调整箱式钢梁段锚索角度β，锚索钻孔段与箱式钢梁段作用在顶板的合力大小与方向亦随之调整，即箱式钢梁桁架能提供给顶板水平与垂直方向上的支护力，且大小与方向均可调节以适应不同地质条件下的支护要求。

5.根据权利要求4所述的一种用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构，其特征在于：锚索钢梁桁架结构中锚索对顶板直接作用点位于巷道两侧，能控制顶板整体切顶，而锚索通过箱式钢梁对顶板施力作用点则向巷道中部移动，增强了对顶板中部最大挠度区的控制。

6.根据权利要求5所述的一种用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构，其特征在于：圆锥形锁具能够配合箱式钢梁下钢面两端半圆矩形孔锁紧锚索，其角度能够随锚索角度不同自行调节以保持锁具锁紧时锚索尾部处于直线受力状态。

7.如权利要求1-6之一所述的一种用于煤矿巷道顶板支护的锚索箱梁桁架结构的支护方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)箱式钢梁制作

采用两侧肋板、宽上钢面和窄下钢面组成的中空箱式钢梁，在其上钢面两端靠近中部位置处各开一个矩形长孔，孔宽大于锚索直径；在下钢面两端各开一组两端半圆矩形孔，每组孔数为2～4个，孔宽等于圆锥形锁具锁套底部长度1/5～1/4范围的圆锥半径，两端半圆矩形孔之间开有连接槽；

(2)锚索锚固

利用锚杆钻机，在巷道的顶板两侧分别钻凿出一个倾斜钻孔，钻孔深度到达顶板稳定岩层中，利用锚索搅拌器、凿岩机和树脂药卷，将两根锚索分别锚固在两个钻孔内；

(3)锚索底部区域角度设置

待锚索锚固稳定后，将锚索底部区域依次穿过箱式钢梁上钢面上的矩形长孔及下钢面上的两端半圆矩形孔；根据需要将锚索通过连接槽移动至不同的两端半圆矩形孔内以设置锚索底部区域与垂直方向的夹角为箱式钢梁提供水平与垂直方向上的支护力；

(4)施加预紧力

将圆锥形锁具穿过锚索尾部并使锁具宽度较小的一段卡在两端半圆矩形孔中；利用张拉机具对两根锚索分别进行张拉预紧处理，使两根锚索与箱式钢梁连接固定。