CN1064736C - 井巷支护装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井巷支护装置和方法，它包括：拉杆、锚固端，锚固端为在围岩非冒落区倾斜设置的锚杆，拉杆设置在围岩外面，其两端与锚固端固定连接；拉杆、锚固端与围岩形成一体，构成整体构件，它还可包括张拉装置，抗剪节，混凝土，调长装置；它用拉杆承受拉应力，与围岩共同形成一个结构。它具有良好的经济性、便捷性和有效性，并且组合方式多，对各种类型巷道的适应性强。

Description

井巷支护装置和方法

本发明涉及一种井巷支护的装置和方法。

依据地质状况、围岩硬度、巷道用途、服务年限、施工条件等，现有技术分别采用锚栓支护、架棚支护、喷射混凝支护或拱镟支护，有时采用双重支护。锚栓支护不能满足大部分巷道的复杂地质、服务年限；棚子和砌镟支护难以紧跟掘进工作面施工；喷射混凝土支护需要压风动力系统，造价高，不能在采区巷道中大量使用，以上三类传统支护分别以吊挂，支承和固结三种不同的工作原理进行工作，三种原理无法互补，无法兼容。

中国专利CN2095938公开了一种双杆锚拉支架，其特征是：在井巷围岩内倾斜钻孔，将锚杆装入顶板的钻孔中，并锚固锚杆，用连接件将锚杆与拉杆连接，并分别用螺母固定。美国专利US4946315公开了一种矿井支护装置，并具体公开了以下技术特征：这种矿井支护装置由锚杆，连接件及拉杆等部件组成，拉杆设置于围岩之外，拉杆的两端与锚杆固定连接，拉杆、锚杆及围岩形成一体的结构；当巷道跨度较大时，可在两个拉杆之间设置一连接装置，从连接装置预留的孔中安装锚杆加固；连接装置设置有螺母。

以上两个专利虽具有一定支护能力，但属于被动支护，工作方法是对围岩加固，起兜住围岩的作用。拉杆一般为钢筋，具有较大延伸率(伸长量)，承受一定载荷就会被拉长，拉长至一定长度才能充分发挥其拉力。上叙专利由于未对拉杆施加预应力，及未对围岩剪力集中部分有效处理，经支护的围岩，一开始就会产生一定的初始变形，出现塌腰、松动、裂纹。虽然围岩当时被支护住了，但对围岩原始结构和密实程度保护不够，随着薄弱部分渐渐脱落碎屑而松动，最终兜不住，导致整体冒落。故对拉杆施加预应力，并作用于围岩上，使围岩在产生变形、裂纹前就被压紧密实，才能有效发挥拉杆的拉力，这是很必要的。

本发明的目的是：提供一种井巷支护装置和方法，它采用预应力技术，对拉杆施加预应力，并作用于围岩上，拉杆提供了有效可靠的初始拉力，保护围岩原始结构和密实程度；并设置剪力节，把围岩应力分散，使围岩各部分有效与拉杆连接，均匀承受载荷；必要时用混凝土把拉杆与围岩紧密形成一体，并保护围岩外表面，防止围岩碎屑脱落；又具体用相邻拉杆用撑棍或剪力节相互撑开或用拉紧弯钩相互靠拢的方法及装置，施加预应力，简单又有效，适于井下工作环境；本发明提供了一种具有良好的经济性、便捷性，且更具有有效性的支护装置和方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种井巷支护方法，它包括以下步骤：

(1)钻锚固端孔：先在井巷围岩非冒落区倾斜钻锚固端孔；

(2)锚固锚固端：将锚固端放入锚固端孔，对锚固端进行锚固，锚固端为在围岩非冒落区倾斜设置的锚栓；

(3)安装拉杆：拉杆设置在围岩外面，拉杆两端与锚固端固定连接，用连接件将锚固端和拉杆的两端有效固定；

其特征在于：它还包括以下步骤：

(4)拉杆与围岩连接：连接方式可为以下几种方法之一或同时选用几种；

a．用撑开法、靠拢法或两种方法同时使用水平张拉或下撑式张拉对拉杆施加预应力，拉杆被拉伸；

撑开法：用工具把相邻拉杆距离拉远撑开，用预制好的撑棍固定住，或把相邻拉杆撑开固定在剪力节上；

靠拢法：用工具把相邻拉杆距离拉近靠拢，用弯钩拉紧件固定住；

b．用剪力节将预应力传给围岩的有效部位，并将围岩变形反传给拉杆，剪力节为在围岩上倾斜设置的锚栓，锚栓下端头与拉杆固定连接；

c．在围岩外表面浇筑或喷射混凝土，利用混凝土做媒介完成应力传递。

一种井巷支护装置，它包括：拉杆、锚固端，锚固端为在围岩非冒落区倾斜设置的锚栓，拉杆设置在围岩外面，其两端与锚固端固定连接，拉杆、锚固端与围岩形成一体，构成整体结构，其特征在于：它还包括张拉装置，由两根或多根拉杆为一组，拉杆间由剪力节或撑棍隔开，张紧弯钩拉紧件，使两根拉杆靠拢，拉杆被拉紧得到预应力。

它还包括剪力节，若干剪力节分布在拉杆上，剪力节为在围岩上倾斜设置的锚栓，锚栓下端头用连接件与拉杆固定连接。它还包括混凝土，用混凝土浇筑或用喷射混凝土喷射在围岩外表面形成一层混凝土，将拉杆包裹在混凝土内。

本发明有以下优点和积极效果。

1．预应力拉杆支护在代替锚栓支护时，钻孔深度可减少三分之一，材料成本可节约十分之一，构件重量轻，操作省力，易于工厂化生产，工作安全可靠，易维修，当在此基础上采用工具式吊挂模板，局部灌抹水泥砂浆后可做到支护升级，代替架棚支护。

2．预应力拉杆支护代替架棚时，其成本仅为棚子的十分之一，巷道毛断面减小，劳动强度减小，成巷速度加快，保养维修方便，对围岩表面喷水泥浆后可做到支护升级代替喷射混凝土支护。

3．预应力拉杆支护代替喷射混凝土支护时，金属拉杆，混凝土和巷道围岩形成类似建筑工程的钢筋混凝土式结构，巷道断面有可能由拱形改为矩形，减少了毛断面的开挖量；混凝土用量可减少到原来的五分之一至十分之一；混凝土喷射机可以用砂浆注浆罐代替，干喷可改为砂浆湿喷，通过以上改进，掘进和支护可以平行作业，提高单孔进度三分之一。

本发明有着广阔的开发前景，在一千万米巷道中使用，则每年直接经济效益在亿元以上。它以其独特的工作原理能将现有支护的施工工艺继承，利用抗弯原理的同时兼有支承、吊挂、粘结功能，加上配套技术后，即可以实现支护手段的改革，支护方法的更新和支护构件的换代，为采掘工作开创新局面。

本发明将围岩视为受弯构件，利用了围岩特有的抗压和抗剪能力，对其受拉区抗拉能力的不足部分进行了补强，形成了新的支护装置和方法。本发明具有多种组合方式，从而能更大范围内适应巷道对支护的不同需求。

图1是本发明的支护结构平面示意图。

图2是图1的剖面示意图。

图3是本发明的巷道断面示意图。

图4-6是本发明的锚固端、剪力节节点示意图。

图7-8是本发明的一种调长装置的示意图。

图9-11是本发明的预应力拉杆以剪力节形成正、水平、反拱的示意图。

图12-15是本发明的围岩表面不平整状态下垫平的施工方法示意图。

图16-17是本发明的锚固端的设置和构造示意图。

图18-21是本发明在拱形断面的巷道中实施的示意图。

图22-27是本发明的各种锚固端结构示意图。

图28-30是本发明的各种拉杆结构示意图。

图31-33是本发明的各种连接件结构示意图。

图34-35是本发明的各种剪力节结构示意图。

图34-39是本发明的各种张拉装置结构示意图。

图40-42是本发明的各种调长装置结构示意图。

图43-45是本发明的各种混凝土结构示意图。

下面结合附图及实施例详细说明本发明。

一．预应力拉杆支护的基本结构模型。

该模型如图1-3所示，其力学原理是将巷道围岩作为抗弯构件，利用预应力和工作应力补强其受拉区抗拉强度的不足。该模型中直接工作的构件是拉杆，能使该支护有效实施的关键在于拉杆是否能够和围岩共同工作。共同工作的标志有二：其一，是对拉杆施加预拉应力，该力作为压应力传递给围岩；其二，是当围岩发生弯曲变形产生挠度时，该变形传递给拉杆，在拉杆中产生拉力，该拉力将其反力再传递给围岩的受拉区，使其转化为压应力。

为实现拉杆与围岩共同工作，本模型中采用了以下技术手段：

1．通过锚固端和连接件将拉杆的两端做有效固定。

2．通过水平张拉或下撑式张拉对拉杆施加预拉应力。

3．通过剪力节将预应力传给围岩的有效部位，并将围岩变形反传给拉杆。

4．利用混凝土做媒介完成其应力传递。

基本模型是由八个部分组成的一个完整的工作体系，即锚固端1，拉杆2连接件3，剪力节4，张拉装置5，调长装置6，混凝土7，围岩8。

二．系统组成的各部分构件选用表及其组合方法：

基本模型是一种泛指的结构体系，当利用表(1)和其所附的组合方式代码表达，将具体的构件插入后，即可形成一种实用的装置。

在基础模型中，包括围岩在内的八个部分都有若干不同的选择，因此用此方法可设计和制作多种预应拉杆支护的系列装置。

结构模型和构件组成实用装置的组合方式代码表达

装置系统组成的构件选用表表〈1〉利用构件表组合设计拉杆支护装置，该支护为系列支护。

三．预应力拉杆支护的配套技术

1．在双肢圆钢拉杆中，锚固端锚栓与拉杆连接，剪力节锚栓与拉杆的连接，用铸铁斜垫实现(见图4-6)，该铸铁斜垫有互换性，利于工厂化批量生产。

2．箍式专用锚具见(附图7-8)，楔式专用锚具，除通用锚具可做拉杆的长度调节装置外，以上专用锚具更有适用性。

3．降低锚固成本的途径：

规范胀圈锚栓，形成工厂化生产，采用金属冲压、树脂或其它硬质塑料生产胀圈锚栓的圈瓣；加大锚杆直径；锚杆尾部螺杆采用滚齿工艺加工。

4．水平预应力拉杆中以剪力节形成反拱(见附图9-11)该技术可通过剪力节促使拉杆和围岩共同工作。

5．围岩表面不平整状态下的施工方法(见附图12-15)，方法分别为：垫块调平、套管调平、下撑式调平、混凝土调平。

6．锚固端的位置的构造(见图16-17)，图16为支承兼吊挂式锚固端，图17全支承无吊挂式锚固端，图中虚线圆弧表示冒落拱。

7．采用角钢，槽钢等型钢做预应力拉杆时，可以同时实现永久支护和临时支护。

8．在有侧压力和底压力的巷道中采用矩形断面时，对转角处的连接件给予专门设计，然后将巷道壁和巷道底用支护顶板的方法给予支护。

9．在拱形断面的巷道中实施预应力拉杆支扩时，可以通过复杂地质带或破碎带，实施办法见图18-21，图19是图18的甲-甲剖面图，图20是图18的A放大图，图21是图19的拉杆大样图；在掘进过程中每延伸一定距离(1-2米)，做一组由锚栓和型钢或锚栓和混凝土组成的拱圈，当用于竖井延伸时，该拱圈可做成壁座式，在拱圈上装设连接件，沿巷道(井筒)方向安装预应力拉杆，即可形成支护结构，混凝土可以浇灌，注灌，喷射或工具式模板浇抹，采用型钢做拱圈时可实现掘进和支护的连续作业，采用掘进和支护分段作业时很容易和可拆装的工具式临时支护配套，当用于大断面导坑开挖时，该拱圈在任何一个导坑的巷道一侧都可单独形成稳定结构。

实施例一巷道条件：

巷宽2．7M；围岩普氏硬度系数f=4～6；服务年限20年；原支护为树脂锚栓，每米巷长3架，杆长1．7M。支护设计：

依据表(1)选择每米巷长一组支护；2个胀圈端固锚栓，杆长500mm，双肢φ12mm圆钢筋拉条；2个剪力节，杆长250mm；工具式张拉。设计表达：

2Mg500-2Lop2500-2Dx-2Qx2500-3Yz

实施例二巷道条件：

巷宽3．0M，巷高2．0M；沿煤层顶板掘进，无侧压；采区运输巷道；顶板岩石普氏硬度系数f=4～6；使用年限10年以下。原支护为临时和永久双重支护：临时支护为树脂锚栓，每米巷长3架，杆长1．6M；永久支护为钢梁木腿组合棚。由于顶板上0．4M高处有一煤线，形成伪顶，所以选用密集板刹顶。支护设计：

取巷长0．8M一组拉杆支护。

根据表〈1〉选择：2个树脂端固锚栓，杆长0．5M；

双肢φ12mm圆钢水平拉杆；

4个剪力节，杆长250mm；

连接垫与剪力节垫均采用45°斜垫；

工具式张拉；

不选用拉杆的调长装置和混凝土。设计表达：

2Ms500-2LOp2800-2Dx-4Qx250-5Yz

实施例三巷道条件：

原设计为拱形巷道；巷净宽4．33M，毛宽4．5M，全高4．5M；树脂锚栓，喷射混凝土支护；岩石普氏硬度系数为f=4～6；石门轨道巷；使用年限60年。支护设计：

1．采用组合式拉杆支护后将巷道改为宽×高=4．33M×2．8M的矩形断面；

2．采用中心导航掘进，导坑宽2．5M，先架设水平拉杆，扩帮后增设下撑式拉杆；

3．混凝土厚度为能喷没金属构件即可，因此以小型砂浆的注浆罐代替混凝土喷射机。

根据表〈1〉选择：4个组合式锚栓，杆长0．75M；

2个φ12mm长度2．3M圆钢水平拉杆；

2个φ14mm长度4．1M圆钢下撑拉杆；

8个斜垫式连接件；

4个斜垫式剪力节，锚杆长度0．5M；

2个特定设计剪力节，锚杆长度0．5M；

5个工具式弯钓拉紧件；

2个下撑式拉紧装置；

1个单楔箍式锚具；

注浆混凝土，厚度0．01M。设计表达：

4Mz750-2Lpφ12 2300-8Dx-4Qx500-5Yz-1Td-Hz10

2Lcφ14 4100    2Qs500 2Yx

Claims (4)

1．一种井巷支护方法，它包括以下步骤：

(1)钻锚固端孔：先在井巷围岩非冒落区倾斜钻锚固端孔；

(2)锚固锚固端：将锚固端放入锚固端孔，对锚固端进行锚固，锚固端为在围岩非冒落区倾斜设置的锚栓；

(3)安装拉杆：拉杆设置在围岩外面，拉杆两端与锚固端固定连接，用连接件将锚固端和拉杆的两端有效固定；

其特征在于：它还包括以下步骤：

(4)拉杆与围岩连接：连接方式可为以下几种方法之一或同时选用几种；

a．用撑开法、靠拢法或两种方法同时使用水平张拉或下撑式张拉对拉杆施加预应力，拉杆被拉伸；

撑开法：用工具把相邻拉杆距离拉远撑开，用预制好的撑棍固定住，或把相邻拉杆撑开固定在剪力节上；

靠拢法：用工具把相邻拉杆距离拉近靠拢，用弯钩拉紧件固定住；

b．用剪力节将预应力传给围岩的有效部位，并将围岩变形反传给拉杆，剪力节为在围岩上倾斜设置的锚栓，锚栓下端头与拉杆固定连接；

c．在围岩外表面浇筑或喷射混凝土，利用混凝土做媒介完成应力传递。

2．一种井巷支护装置，它包括：拉杆、锚固端，锚固端为在围岩非冒落区倾斜设置的锚栓，拉杆设置在围岩外面，其两端与锚固端固定连接，拉杆、锚固端与围岩形成一体，构成整体结构，其特征在于：它还包括张拉装置，由两根或多根拉杆为一组，拉杆间由剪力节或撑棍隔开，张紧弯钩拉紧件，使两根拉杆靠拢，拉杆被拉紧得到预应力。

3．根据权利要求2所述的支护装置，其特征在于：它还包括剪力节，若干剪力节分布在拉杆上，剪力节为在围岩上倾斜设置的锚栓，锚栓下端头用连接件与拉杆固定连接。

4．根据权利要求2所述的支护装置，其特征在于：它还包括混凝土，用混凝土浇筑或用喷射混凝土喷射在围岩外表面形成一层混凝土，将拉杆包裹在混凝土内。

Images