CN109252882A - 破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，包括深度支护结构和周向表面支护结构；深度支护结构包括若干条三区协同支护组合锚杆；三区协同支护组合锚杆沿巷道的顶板、两帮和底板的周向均匀布置并贯穿锚固破裂区、塑性区和弹性区；周向表面支护结构包括钢梁、金属网和混凝土硬化层，钢梁和金属网配合沿巷道的顶板、两帮进行支护，混凝土硬化层铺设在巷道的底板上。本发明还公开了破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统的施工方法。本发明将“破裂区、塑性区和弹性区”三个区域组合成一个整体，有效提高了巷道围岩的整体承载能力和抗变形能力，可以有效避免破裂区或塑性区出现的垮冒现象，充分调动弹性区的承载能力，确保了巷道围岩的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于矿山支护工程锚索支护技术领域，具体涉及破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统及其施工方法。
背景技术
在煤矿巷道支护工程中，锚索支护是顶板支护的常用形式。煤矿常用的锚索是7股或19股的钢绞线结构，常用的锚索直径为15.2mm、17.8mm、20mm、22mm。与锚杆支护相比，锚索具有强度大、长度大的优点，锚索能够锚固到顶板深部稳定岩层中，因此锚索支护对顶板稳定性控制具有显著成效。但是，随着煤炭资源的逐步开采，巷道围岩应力环境逐渐恶化，在大变形巷道、软弱围岩巷道及高应力动压巷道中，锚索破断问题日益凸显。在一些复杂困难条件下，一些直径22mm的高强锚索甚至也出现了破断。现场观测表明，锚索破断的位置均出现靠近孔口的前1/3段，或者剪切错动的岩层的层理面处；由断口形态来看，锚索是在“剪破坏和拉破坏”共同作用下的破断。究其原因，当前锚索支护主要存在“局部应力集中、钢绞线在拉剪作用下被各个击破而逐根（股）破断”的技术难题，如何提高锚索应力集中段的抗拉强度、抗剪强度以及钢绞线的整体性，成为解决锚索破断的关键问题。
发明内容
本发明为克服现有技术存在的问题，提供一种破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统及其施工方法，旨在通过针对巷道围岩“破裂区、塑性区和弹性区”的三区协同耦合支护技术，有效解决现有技术中存在的“三区关联性差、顶板两帮及底板关联性差、注浆锚杆长度短、破裂区和塑性区极易垮冒”等技术难题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，包括深度支护结构和周向表面支护结构；
深度支护结构包括若干条三区协同支护组合锚杆，所述的三区为破裂区、塑性区和弹性区，紧邻巷道的为破裂区，破裂区内侧为塑性区，塑性区内侧为弹性区；三区协同支护组合锚杆沿巷道的顶板、两帮和底板的周向均匀布置并贯穿锚固破裂区、塑性区和弹性区；
周向表面支护结构包括钢梁、金属网和混凝土硬化层，钢梁和金属网配合沿巷道的顶板、两帮进行支护，混凝土硬化层铺设在巷道的底板上。
三区协同支护组合锚杆包括螺纹钢杆体、连接管、中空杆体、托盘和螺母，螺纹钢杆体的外端通过连接管与中空杆体的内端同轴向连接为一体，中空杆体上开设有若干个注浆孔，螺纹钢杆体内侧一段通过树脂锚固剂锚固在弹性区内，锚固在弹性区内的螺纹钢杆体这一段称为弹性区锚固段，螺纹钢杆体外侧一段与塑性区之间具有环形间隙，在环形间隙内的一段螺纹钢杆体称为塑性区自由段，中空杆体位于破裂区内，中空杆体内注入有水泥浆，水泥浆通过中空杆体上的注浆孔注入到破裂区内，水泥浆在破裂区内的这一段称为破裂区注浆段；托盘穿套在中空杆体外端部并压在钢梁和/或金属网上，螺母螺纹连接在中空杆体外端并与托盘压紧配合。
所述连接管为内细外粗的变径管，中空杆体的外径大于螺纹钢杆体的外径，螺纹钢杆体的外端部和中空杆体内端部分别与连接管的内端口和外端口螺纹连接。
破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统的施工方法，包括以下施工步骤：
（1）根据巷道生产条件和地质力学条件、使用用途和服务年限，确定巷道断面设计参数，包括断面形态及其尺寸；
（2）基于巷道断面设计参数，采用理论分析、数值模拟和工程调研方法，研究确定巷道顶板、两帮及底板的破裂区、塑性区、弹性区的边界及范围；
（3）针对巷道顶板、两帮及底板沿周向向外延伸的三个区域：破裂区、塑性区、弹性区，采用三区协同支护组合锚杆将破裂区、塑性区和弹性区串联起来并配合金属网、钢梁进行主动支护，形成针对三个区域的互相联系的耦合承载结构；通过对顶板、两帮及底板采用三区协同支护组合锚杆配合金属网、钢梁进行主动支护，形成封闭的互相联系的耦合承载圈。
步骤（3）的具体施工过程为，
第一、依据巷道的生产地质条件以及顶板、两帮及底板的“破裂区、塑性区、弹性区”三个区域的边界及范围，确定顶板、两帮及底板所采用的三区协同支护组合锚杆的材质、直径、长度，树脂锚固剂的规格及用量，以及组合锚杆的位置及其间排距；
第二、按照三区协同支护组合锚杆的位置及其间排距，采用锚杆钻机打设锚杆孔；
第三、采用连接管将螺纹钢杆体的后端和中空杆体的前端连接起来，并采用螺纹钢杆体的前端将树脂锚固剂送入锚杆孔的孔底，并采用钻机对树脂锚固剂进行搅拌，形成弹性区锚固段；
第四、树脂锚固剂锚固完成后，铺设金属网和钢梁并安装托盘和螺母，并对螺母按照设计扭矩进行预紧，对围岩进行主动支护；
第五、采用注浆机具对三区协同支护组合锚杆的中空杆体进行注浆，形成破裂区注浆段；
第六、三区协同支护组合锚杆施工完成后，对巷道的底板浇筑混凝土进行硬化处理。
三区协同支护组合锚杆的弹性区锚固段、塑性区自由段和破裂区注浆段的长度应根据巷道围岩破裂区、塑性区和弹性区的范围确定。
顶板、两帮及底板所采用的三区协同支护组合锚杆的规格，包括弹性区锚固段、塑性区自由段和破裂区注浆段的长度，应根据顶板、两帮及底板的破裂区、塑性区和弹性区的范围确定；通过对顶板、两帮及底板采用三区协同支护组合锚杆配合金属网、钢梁进行主动支护，形成由顶板、两帮及底板组成的封闭的耦合承载圈。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1）通过采用针对“破裂区、塑性区和弹性区”的三区协同耦合支护技术，将“破裂区、塑性区和弹性区”三个区域组合成一个整体，有效提高了巷道围岩的整体承载能力和抗变形能力，可以有效避免破裂区或塑性区出现的垮冒现象；
2）通过采用“三区协同支护组合锚杆”，可以将“破裂区、塑性区和弹性区”串联起来，有效提高围岩的整体稳定性：通过对组合锚杆破裂区注浆段的注浆可以有效加固破裂区，提高破裂区的承载能力和抗变形能力；通过对组合锚杆塑性区自由段的预紧，不仅可以实现对围岩的主动支护，而且充分利用杆体的延伸率；通过对弹性区锚固段采用树脂锚固剂锚固可以将组合锚杆锚固到弹性区稳定岩层中，可以充分调动弹性区的承载能力。
3）通过对顶板、两帮及底板采用三区协同支护组合锚杆支护技术，不仅提高了“破裂区、塑性区和弹性区”三个区域整体稳定性和关联性，而且形成了针对顶板、两帮及底板的封闭的耦合承载圈，有效避免了巷道出现“局部破坏→破坏扩展→巷道失稳”的失稳模式，确保了巷道围岩的稳定性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为三区协同支护组合锚杆支护的结构使用图；
图中附图标记分别为：1为巷道，2为顶板，3为两帮，4为底板，5为破裂区，6为塑性区，7为弹性区，8为三区协同支护组合锚杆，9为金属网，10为钢梁，11为混凝土硬化层，12为弹性区锚固段；13为塑性区自由段；14为破裂区注浆段；15为螺纹钢杆体；16为注浆孔；17为中空杆体；18为托盘；19为螺母；20为树脂锚固剂；21为连接管；22为锚杆孔。W为巷道高度，G为巷道宽度。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明具体实施方式如下：
本发明的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，包括深度支护结构和周向表面支护结构；
深度支护结构包括若干条三区协同支护组合锚杆8，所述的三区为破裂区5、塑性区6和弹性区7，紧邻巷道1的为破裂区5，破裂区5内侧为塑性区6，塑性区6内侧为弹性区7；三区协同支护组合锚杆8沿巷道1的顶板2、两帮3和底板4的周向均匀布置并贯穿锚固破裂区5、塑性区6和弹性区7；
周向表面支护结构包括钢梁10、金属网9和混凝土硬化层11，钢梁10和金属网9配合沿巷道1的顶板2、两帮3进行支护，混凝土硬化层11铺设在巷道1的底板4上。
三区协同支护组合锚杆8包括螺纹钢杆体15、连接管21、中空杆体17、托盘18和螺母19，螺纹钢杆体15的外端通过连接管21与中空杆体17的内端同轴向连接为一体，中空杆体17上开设有若干个注浆孔16，螺纹钢杆体15内侧一段通过树脂锚固剂20锚固在弹性区7内，锚固在弹性区7内的螺纹钢杆体15这一段称为弹性区锚固段12，螺纹钢杆体15外侧一段与塑性区6之间具有环形间隙，在环形间隙内的一段螺纹钢杆体15称为塑性区自由段13，中空杆体17位于破裂区5内，中空杆体17内注入有水泥浆，水泥浆通过中空杆体17上的注浆孔16注入到破裂区5内，水泥浆在破裂区5内的这一段称为破裂区注浆段14；托盘18穿套在中空杆体17外端部并压在钢梁10和/或金属网9上，螺母19螺纹连接在中空杆体17外端并与托盘18压紧配合。
所述连接管21为内细外粗的变径管，中空杆体17的外径大于螺纹钢杆体15的外径，螺纹钢杆体15的外端部和中空杆体17内端部分别与连接管21的内端口和外端口螺纹连接。
破碎围岩巷道1三区协同耦合支护系统的施工方法，包括以下施工步骤：
（1）根据巷道1生产条件和地质力学条件、使用用途和服务年限，确定巷道1断面设计参数，包括断面形态及其尺寸；巷道1断面为矩形，巷宽为W米，巷高为G米；
（2）基于巷道1断面设计参数，采用理论分析、数值模拟和工程调研方法，研究确定巷道1顶板2、两帮3及底板4的破裂区5、塑性区6、弹性区7的边界及范围；
（3）针对巷道1顶板2、两帮3及底板4沿周向向外延伸的三个区域：破裂区5、塑性区6、弹性区7，采用三区协同支护组合锚杆8将破裂区5、塑性区6和弹性区7串联起来并配合金属网9、钢梁10进行主动支护，形成针对三个区域的互相联系的耦合承载结构；通过对顶板2、两帮3及底板4采用三区协同支护组合锚杆8配合金属网9、钢梁10进行主动支护，形成封闭的互相联系的耦合承载圈。
步骤（3）的具体施工过程为，
第一、依据巷道1的生产地质条件以及顶板2、两帮3及底板4的“破裂区5、塑性区6、弹性区7”三个区域的边界及范围，确定顶板2、两帮3及底板4所采用的三区协同支护组合锚杆8的材质、直径、长度，树脂锚固剂20的规格及用量，以及组合锚杆的位置及其间排距；
第二、按照三区协同支护组合锚杆8的位置及其间排距，采用锚杆钻机打设锚杆孔22；
第三、采用连接管21将螺纹钢杆体15的后端和中空杆体17的前端连接起来，并采用螺纹钢杆体15的前端将树脂锚固剂20送入锚杆孔22的孔底，并采用钻机对树脂锚固剂20进行搅拌，形成弹性区锚固段12；
第四、树脂锚固剂20锚固完成后，铺设金属网9和钢梁10并安装托盘18和螺母19，并对螺母19按照设计扭矩进行预紧，对围岩进行主动支护；
第五、采用注浆机具对三区协同支护组合锚杆8的中空杆体17进行注浆，形成破裂区注浆段14；
第六、三区协同支护组合锚杆8施工完成后，对巷道1的底板4浇筑混凝土进行硬化处理。
三区协同支护组合锚杆8的弹性区锚固段12、塑性区自由段13和破裂区注浆段14的长度应根据巷道1围岩破裂区5、塑性区6和弹性区7的范围确定。
顶板2、两帮3及底板4所采用的三区协同支护组合锚杆8的规格，包括弹性区锚固段12、塑性区自由段13和破裂区注浆段14的长度，应根据顶板2、两帮3及底板4的破裂区5、塑性区6和弹性区7的范围确定；通过对顶板2、两帮3及底板4采用三区协同支护组合锚杆8配合金属网9、钢梁10进行主动支护，形成由顶板2、两帮3及底板4组成的封闭的耦合承载圈。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，其特征在于：包括深度支护结构和周向表面支护结构；
深度支护结构包括若干条三区协同支护组合锚杆，所述的三区为破裂区、塑性区和弹性区，紧邻巷道的为破裂区，破裂区内侧为塑性区，塑性区内侧为弹性区；三区协同支护组合锚杆沿巷道的顶板、两帮和底板的周向均匀布置并贯穿锚固破裂区、塑性区和弹性区；
周向表面支护结构包括钢梁、金属网和混凝土硬化层，钢梁和金属网配合沿巷道的顶板、两帮进行支护，混凝土硬化层铺设在巷道的底板上。
2.如权利要求1所述的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，其特征在于：三区协同支护组合锚杆包括螺纹钢杆体、连接管、中空杆体、托盘和螺母，螺纹钢杆体的外端通过连接管与中空杆体的内端同轴向连接为一体，中空杆体上开设有若干个注浆孔，螺纹钢杆体内侧一段通过树脂锚固剂锚固在弹性区内，锚固在弹性区内的螺纹钢杆体这一段称为弹性区锚固段，螺纹钢杆体外侧一段与塑性区之间具有环形间隙，在环形间隙内的一段螺纹钢杆体称为塑性区自由段，中空杆体位于破裂区内，中空杆体内注入有水泥浆，水泥浆通过中空杆体上的注浆孔注入到破裂区内，水泥浆在破裂区内的这一段称为破裂区注浆段；托盘穿套在中空杆体外端部并压在钢梁和/或金属网上，螺母螺纹连接在中空杆体外端并与托盘压紧配合。
3.如权利要求2所述的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，其特征在于：所述连接管为内细外粗的变径管，中空杆体的外径大于螺纹钢杆体的外径，螺纹钢杆体的外端部和中空杆体内端部分别与连接管的内端口和外端口螺纹连接。
4.如权利要求3所述的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统的施工方法，其特征在于：包括以下施工步骤：
（1）根据巷道生产条件和地质力学条件、使用用途和服务年限，确定巷道断面设计参数，包括断面形态及其尺寸；
（2）基于巷道断面设计参数，采用理论分析、数值模拟和工程调研方法，研究确定巷道顶板、两帮及底板的破裂区、塑性区、弹性区的边界及范围；
（3）针对巷道顶板、两帮及底板沿周向向外延伸的三个区域：破裂区、塑性区、弹性区，采用三区协同支护组合锚杆将破裂区、塑性区和弹性区串联起来并配合金属网、钢梁进行主动支护，形成针对三个区域的互相联系的耦合承载结构；通过对顶板、两帮及底板采用三区协同支护组合锚杆配合金属网、钢梁进行主动支护，形成封闭的互相联系的耦合承载圈。
5.如权利要求4所述的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统的施工方法，其特征在于：步骤（3）的具体施工过程为，
第一、依据巷道的生产地质条件以及顶板、两帮及底板的“破裂区、塑性区、弹性区”三个区域的边界及范围，确定顶板、两帮及底板所采用的三区协同支护组合锚杆的材质、直径、长度，树脂锚固剂的规格及用量，以及组合锚杆的位置及其间排距；
第二、按照三区协同支护组合锚杆的位置及其间排距，采用锚杆钻机打设锚杆孔；
第三、采用连接管将螺纹钢杆体的后端和中空杆体的前端连接起来，并采用螺纹钢杆体的前端将树脂锚固剂送入锚杆孔的孔底，并采用钻机对树脂锚固剂进行搅拌，形成弹性区锚固段；
第四、树脂锚固剂锚固完成后，铺设金属网和钢梁并安装托盘和螺母，并对螺母按照设计扭矩进行预紧，对围岩进行主动支护；
第五、采用注浆机具对三区协同支护组合锚杆的中空杆体进行注浆，形成破裂区注浆段；
第六、三区协同支护组合锚杆施工完成后，对巷道的底板浇筑混凝土进行硬化处理。
6.如权利要求5所述的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统的施工方法，其特征在于：三区协同支护组合锚杆的弹性区锚固段、塑性区自由段和破裂区注浆段的长度应根据巷道围岩破裂区、塑性区和弹性区的范围确定。
7.如权利要求5所述的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统的施工方法，其特征在于顶板、两帮及底板所采用的三区协同支护组合锚杆的规格，包括弹性区锚固段、塑性区自由段和破裂区注浆段的长度，应根据顶板、两帮及底板的破裂区、塑性区和弹性区的范围确定；通过对顶板、两帮及底板采用三区协同支护组合锚杆配合金属网、钢梁进行主动支护，形成由顶板、两帮及底板组成的封闭的耦合承载圈。
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