CN109736865B - 一种沿空掘巷煤柱锚筋结构及其组装及现场安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种沿空掘巷煤柱锚筋结构及其组装及现场安装方法，涉及煤矿巷道施工技术领域，锚筋结构包括固定段、连接段和置换段，所述连接段的两端分别用于连接所述固定段和置换段；所述连接段包括外管以及设置于所述外管内的前内管、锁管、置换段连接块和后内管，所述锁管用于锁定所述固定段，所述置换段连接块用于连接所述置换段和连接段。本发明便于插入取出置换段筋材，对煤柱进行加固，并且能保证煤柱的强度维持一个较高、较稳定的水平，有利于巷道的稳定。

Description

一种沿空掘巷煤柱锚筋结构及其组装及现场安装方法

技术领域

本发明涉及煤矿巷道施工技术领域，特别是涉及一种沿空掘巷煤柱锚筋结构及其组装及现场安装方法。

背景技术

沿空掘巷是当前煤矿广泛采用的一种回采巷道布置方法。这种巷道是沿采空区边缘，仅留很窄煤柱(通常为3～5m)掘进而成的。因为这个部位受采动影响后应力场低，但同时破坏也往往较严重，巷道因此表现出大变形，尤其是靠采空区一侧的煤柱。提高煤柱强度，有利于巷道的维护，对煤炭生产具有巨大的促进作用。

提高煤柱强度的方法很多，其中给煤柱施加约束(围压)，可以使煤柱强度提高2～5倍。对穿锚索是给煤柱施加围压的重要方法之一。“一种多巷巷道巷间薄煤柱加固的方法”(ZL201310014594.7)中提出的对穿锚索加固煤柱的方法，适于两侧裸露的煤柱的加固。但是，对于煤柱两侧无法同时裸露情形(如图12所示，煤柱的左面随回采推进、顶板垮落而埋于垮落煤岩碎块中，随后沿空掘巷所形成的巷道(也称顺槽，下同)才形成，也即煤柱的右面是在左面被埋一段时间之后才出现)，这种方法就受到限制。

当前，巷道掘进机械化程度高，应用广，但综掘设备无法切断锚索中的钢绞线，反而钢绞线会对综掘机造成一定的损伤，同时因钢绞线受损而无法锚固或锚固质量大大下降。郑州地铁盾构法修建时就曾遭遇到这种困境，而为了消除以前工程残留下来的钢绞线对盾构机和盾构施工的影响，仅处理锚索的费用就超过人民币1亿元/年。

“一种煤柱双向加固用伸缩型对穿锚索”(ZL201510997211.1)虽然可解决煤柱两侧不同时裸露时煤柱的加固，但该对穿锚索一索两用有局限，预设锚索先期作为普通锚索使用时因锚固剂位置近采空区而锚固力小，预设锚索过长会影响综掘施工，而过短又会导致从连接套管中拉出钢绞线有难度，还有橡胶卡环锁钢绞线效果明显不如钢锁片等。

发明内容

本发明的目的是提供一种沿空掘巷煤柱锚筋结构及其组装及现场安装方法，以解决现有技术所存在的上述问题，便于插入取出置换段筋材，对煤柱进行加固，并且保证煤柱的强度维持一个较高、较稳定的水平，有利于巷道的稳定。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种沿空掘巷煤柱锚筋结构，包括固定段、连接段和置换段，所述连接段的两端分别用于连接所述固定段和置换段；所述连接段包括外管以及设置于所述外管内的前内管、锁管、置换段连接块和后内管，所述前内管位于煤柱后裸露的一侧；所述锁管用于锁定所述固定段，所述置换段连接块用于连接所述置换段和连接段。

优选的，所述固定段包括固定筋材，所述固定筋材采用高强筋材；所述置换段包括置换筋材，在煤柱先裸露的一侧施工时，所述置换筋材采用脆性筋材，待沿空掘巷煤柱另一侧挖开后，将脆性筋材置换成高强筋材，脆性筋材的直径大于高强筋材；所述高强筋材为钢绞线，所述脆性筋材为玻璃钢杆体。

优选的，所述置换段靠近连接段一端的脆性筋材上加设PVC薄套管，所述PVC薄套管的长度以理论上其刚刚进入到后期的沿空掘巷的巷道中为准。

优选的，所述外管为高强钢管，具全长内丝；所述前内管、后内管均与所述外管丝扣连接。

优选的，所述锁管与所述外管丝扣连接，内部设置有双向钢锁片；所述锁管为两端设置楔形口的内管，用于作为双向钢锁片的支撑；所述前内管的里端加工成楔形口形状，外端具有内丝，与所述脆性筋材丝扣连接。

优选的，所述置换段连接块包括卡块、锁片控制块、弹簧、钢锁片和铁片；所述卡块用于卡接所述锁片控制块，所述锁片控制块通过所述铁片连接所述钢锁片；所述卡块内还设置有所述弹簧，所述弹簧两端分别固定在锁片控制块和卡块的底板上。

优选的，所述锁片控制块的外缘设置有均匀间隔的3个凸块，凸块外周所构成的圆周的直径与外管内径相一致，每个所述凸块上均通过所述铁片连接一个所述钢锁片；所述锁片控制块的中间部位外接圆环的筋材槽，用于插放所述置换筋材，所述筋材槽中间设置有小孔，与所述卡块上的十字槽相对应。

优选的，所述卡块为沿周均匀开设3个宽槽的圆桶状部件，圆桶的开口端设有3个内凸块，所述内凸块用于卡挂锁片控制块；所述卡块与所述外管丝扣连接，所述十字槽设置于所述卡块的底板的中间部位。

本发明中还公开一种沿空掘巷煤柱锚筋结构的组装方法，包括以下步骤：

1)、将固定段的高强筋材双向锁定在锁管之中，通过后内管与锁管的榫接将后内管和带有高强筋材的锁管一道旋入外管内；

2)、将锁片控制块压入并旋压进入卡块内，卡块内的弹簧将锁片控制块稳稳挤压在卡块的内凸块下，用电动螺丝刀穿过锁片控制块的中间小孔，直达卡块底板中的十字螺丝槽，启动电源，卡块和锁片控制块便同步顺利旋压进入外管内；

3)、旋入前内管至外管内，通过插入与拔出高强筋材来检验置换段连接块的安装，直至确认合格为止；

4)、旋入脆性筋材，并在靠连接段一端的脆性筋材上加设PVC薄套管，PVC薄套管的长度以理论上其刚刚进入到后期的沿空掘巷的巷道中为准；

5)、对于全锚，或在固定段也需锚固的加长锚，在固定段的高强筋材上设置一个卡箍，卡箍直径小于钻孔直径，以阻挡锚固剂外溢；对于端锚无需再设卡箍；至此，锚筋的组装完成。

本发明中还公开一种沿空掘巷煤柱锚筋结构的现场安装方法，包括以下步骤：

1)、钻孔，在煤柱先行裸露的一侧的锚位处钻孔，钻孔直径比锚筋连接段直径大5mm，钻孔深度大于锚筋设计长度10cm；或者先钻成孔径大于脆性筋材直径5mm～8mm钻孔，然后用较大的钻头扩孔至置于煤体中连接段的远端；

2)、放入锚固剂，如果钻孔为双径孔，则需采用输送装置将锚固剂送入孔底，再用锚杆钻机将锚筋旋压入钻孔内，锚固剂被刺破并得到充分搅拌，锚筋被牢牢锚固在孔内；

3)、加垫板，对锚筋结构进行张拉锁定；

4)、当后期的沿空掘巷到锚筋位置时，综掘机切断已有锚筋中的脆性筋材，煤柱的另一个侧面成形；拆卸破断的脆性筋材，锚固体和PVC薄套管保留孔内，顺着PVC薄套管插入高强筋材，并通过连接段的自锁装置锁定高强筋材的里端；

5)、加垫板，对置换后的锚筋进行张拉锁定；

6)、适时配合可重复注浆技术，对破碎的煤柱进行加固。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、真正实现一筋(索)两用，由于脆性筋材可以较长，所以先期可以作为普通的长锚索使用，控制采空区侧边的实体煤帮的稳定性，后期将脆性筋材置换后则变成对穿锚筋，对煤柱进行加固；

2、作为普通的长锚索使用时，可以全长锚固，也可以为端锚和加长锚；

3、因实现了钢锁片锁定筋材，作为对穿锚筋使用时，能提供的承载力很大；

4、置换段在靠连接段一端的脆性筋材上加设薄套管，锚固时不粘连锚固剂，后期置换时容易；

5、置换段高强筋材直径略小于原此位的脆性筋材，容易插入安装以及取出高强筋材；

6、不影响沿空掘巷的综掘机施工，综掘机的施工对对穿锚筋作用的发挥没有影响。

7、配合可重复注浆专利技术，对破碎的煤柱起加固作用，煤柱的强度将总可以维持一个较高、较稳定的水平，对巷道的稳定更有利。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为沿空掘巷煤柱锚筋结构的整体结构示意图；

图2为锁片控制块的结构示意图；

图3为卡块的结构示意图；

图4为锁片控制块与卡块连接结构的3D图；

图5为锁片控制块与卡块未嵌合时的组合结构示意图；

图6为图5的3D图；

图7为锁片控制块与卡块嵌合时的组合结构示意图；

图8为如7的3D图；

图9为置换段脆性筋材的结构示意图；

图10为置换段高强筋材的安装示意图；

图11为置换段高强筋材置换完成示意图；

图12为沿空掘巷煤柱的锚筋加固示意图；

其中，1、固定段，2、连接段，3、置换段，4、锁具，5、垫板，6、后内管，7、固定筋材，8、外管，9、锁管，10、卡块，11、铁片，12、前内管，13、双向钢锁片，14、弹簧，15、锁片控制块，16、钢锁片，17、PVC薄套管，18、置换筋材，19、筋材槽，20、内凸块，21、十字槽，22、锚筋，23、煤柱，24回采工作面1顺槽，25、回采工作面2顺槽，26、顶板垮落区，27、煤体。

具体实施方式

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1～图12所示，本实施例中沿空掘巷煤柱锚筋结构包括固定段1、连接段2和置换段3，其先期的总长度按巷道支护理论进行计算确定。本实施例的锚筋22起一筋两用作用，先期用于加固采空区侧边的实体煤帮，后期将脆性筋材置换后则变成对穿锚筋22，对煤柱进行加固。

固定段1包括固定筋材7，由高强筋材组成，通常为钢绞线。

置换段3包括置换筋材18，在煤柱先裸露一侧施工时，由脆性筋材组成，通常为玻璃钢杆体，其直径略大于置换后的高强筋材；待沿空掘巷煤柱23另一侧挖开后，将脆性筋材置换成高强筋材。由于锚筋22将在上个工作面回采过程中对其侧边的实体煤帮起支护作用，因此脆性筋材长度按锚筋22的设计先期总长度减去固定段1和连接段2长度来确定，而置换后的该段高强筋材的有效长度则按煤柱宽度减去固定段1和连接段2长度来确定。

置换段3在靠连接段2一端的脆性筋材上加设PVC薄套管17，为的是锚固时不粘连锚固剂，后期置换时容易。薄套管长度的确定以其刚刚进入到沿空掘巷的巷道中为原则。

连接段2由外管8、前内管12、锁管9、置换段连接块、后内管6组成。

外管8为高强钢管，具全长内丝。

后内管6位于煤柱23先裸露的一侧，与外管8丝扣连接，给锁管9提供支挡力。

前内管12位于煤柱后裸露的一侧，与外管8丝扣连接。前内管12里端加工成楔形，作为钢锁片16的支撑。其外端具有内丝，与脆性筋材丝扣连接，外端设计为具有内丝，为的是安装脆性筋材，待更换为高强筋材后，内丝就不用，而是使用前内管12楔形口端进行锁定。

置换段连接块为置换段3与连接段2相连的重要元件，由卡块10、锁片控制块15、弹簧14、钢锁片16、铁片11组成。

锁片控制块15在外缘具有均匀间隔的3个凸块，凸块外周所构成的圆周的直径与外管8内径相一致，每个凸块上有通过具有弹性的铁片11连接的一个钢锁片16，锁片控制块15的中间部位外接圆环筋材槽19用于插放筋材，筋材槽19中间有小孔，小孔与卡块10底板上的十字槽21相对应(小孔与十字槽21用于安装锁片控制块15与卡块10组合体)。

卡块10为沿周均匀开设3个宽槽的圆桶状部件，与外管8丝扣连接，圆桶的开口端设有3个内凸块20，内凸块20用于卡挂锁片控制块15。当内凸块20挂住锁片控制块15时，置换段连接块易于安装在外管8内，也便于脆性筋材撤除后，高强筋材能从前内管12中伸入和取出。当高强筋材伸入直达锁片控制块15上的筋材槽19时，挤压锁片控制块15并旋转一定的角度，锁片控制块15与卡块10脱开，弹簧14推动锁片控制块15移动，与铁片11相连接的3瓣钢锁片进入前内管12的楔形端，随着高强筋材的张拉，钢锁片与楔形口共同作用，便将高强筋材锁定。当沿轴向敲击已锁紧的高强筋材时，高强筋材和钢锁片会逐渐退出楔形口而高强筋材松动，当高强筋材顶入锁片控制块15上的筋材槽19，并继续推挤锁片控制块15，使锁片控制块15压入到卡块10内时，旋转高强筋材，使卡块10挂住锁片控制块15，高强筋材可以从前内管12中轻轻拔出。

锁管9是固定段1筋材的锁定装置，与外管8丝扣连接。它是两端为楔形口的内管，作为双向钢锁片13的支撑。

锚筋22的组装(如图1～图11所示)：

1.将固定段1的高强筋材双向锁定在锁管9之中，通过后内管6与锁管9的榫接将后内管6和带有高强筋材的锁管9一道旋入外管8内。

2.将锁片控制块15压入并旋压(以逆时针旋转为佳)进入卡块10内，卡块10内的弹簧14将锁片控制块15稳稳挤压在卡块10的内凸块20下，用电动螺丝刀穿过锁片控制块15的中间小孔，直达卡块10底板中的十字(螺丝)槽21，启动电源，卡块10和锁片控制块15便同步顺利旋压进入外管8内。

3.旋入前内管12至外管8内，通过插入与拔出高强筋材来检验置换段连接块的安装，直至确认合格为止。

4.旋入脆性筋材，并在靠连接段2一端的脆性筋材上加设PVC薄套管17，薄套管的长度以理论上其刚刚进入到后期的沿空掘巷的巷道中为准。

5.对于全锚，或在固定段1也需锚固的加长锚，拟在固定段1的高强筋材上设置一个卡箍，卡箍直径略小于钻孔直径，以阻挡锚固剂外溢。对于端锚，连接段2就起着锚固剂阻挡的作用，无需再设。至此，锚筋22的组装完成。

锚筋22的现场安装：

1.钻孔，在煤柱23先行裸露的一侧的锚位处钻孔，钻孔直径比锚筋22连接段2直径大5mm左右，钻孔深度大于锚筋22先期设计长度10cm左右(锚筋22先期设计长度根据巷道支护理论通过计算确定)，也可以先钻成孔径刚好大于脆性筋材直径5mm～8mm钻孔，然后用大一些的钻头扩孔至置于煤体27中连接段2的远端；

2.放入树脂药卷(即锚固剂)，如果钻孔为双径孔，则需采用简易输送装置(送卷装置)将树脂药卷(即锚固剂)送入孔底，再用锚杆钻机将锚筋22旋压入钻孔内，树脂药卷被刺破并得到充分搅拌，锚筋22被牢牢锚固在孔内。

3.加垫板，对锚筋22进行张拉锁定，此时的锚筋22起普通锚索作用，承受着采动的影响，为此巷道的稳定起支护作用。

4.当后期(下一工作面巷道开掘，上一工作面巷道因工作面顶板垮落被破碎煤岩块体埋没)的沿空掘巷到锚筋22位置时，综掘机切断已有锚筋22中的脆性筋材，煤柱的另一个侧面成形。拆卸破断的脆性筋材，锚固体和PVC薄套管保留孔内，顺着薄套管插入高强筋材，并通过连接段2的自锁装置锁定高强筋材的里端。由于高强筋材略小于原此位的脆性筋材，故插入安装高强筋很容易。

5.加垫板，对置换后的锚筋22进行张拉锁定，此时的锚筋22变成了对穿锚索，对煤柱起紧箍作用，大大提高煤柱的强度，维持该巷道稳定。

6.如果适时配合可重复注浆专利技术，对破碎的煤柱(煤柱经历过一次采动影响，有一定程度的破碎)起加固作用，煤柱的强度将总可以维持一个较高、较稳定的水平，对巷道的稳定更有利。

沿空掘巷煤柱锚筋22的施工全过程还可以简要叙述如下：如图12所示，回采工作面1顺槽24先行开挖完成，同时完成锚筋22的施工；之后在回采工作面1进行采煤，随着回采，其右侧煤体产生变形与局部破坏，其后方顶板垮落形成垮落区，并掩埋了该段巷道；当回采工作面1回采完成后，在回采工作面1顺槽24的右侧煤体27中掘进回采工作面2顺槽25(这种巷道技术称为沿空掘巷)，随着综掘进程，锚筋22中进入到新掘巷道内的那部分脆性筋材被切断，卸下剩余的脆性筋材，安装置换段3高强筋材，张拉锁定，沿空掘巷煤柱锚筋的全部施工便完成了。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种沿空掘巷煤柱锚筋结构，其特征在于：包括固定段、连接段和置换段，所述连接段的两端分别用于连接所述固定段和置换段；所述连接段包括外管以及设置于所述外管内的前内管、锁管、置换段连接块和后内管，所述前内管位于煤柱后裸露的一侧；所述锁管用于锁定所述固定段，所述置换段连接块用于连接所述置换段和连接段；

所述固定段包括固定筋材，所述固定筋材采用高强筋材；所述置换段包括置换筋材，在煤柱先裸露的一侧施工时，所述置换筋材采用脆性筋材，待沿空掘巷煤柱另一侧挖开后，将脆性筋材置换成高强筋材，脆性筋材的直径大于高强筋材；所述高强筋材为钢绞线，所述脆性筋材为玻璃钢杆体；

所述锁管与所述外管丝扣连接，内部设置有双向钢锁片；所述锁管为两端设置楔形口的内管，用于作为双向钢锁片的支撑；所述前内管的里端加工成楔形口形状，外端具有内丝，与所述脆性筋材丝扣连接；

所述置换段连接块包括卡块、锁片控制块、弹簧、钢锁片和铁片；所述卡块用于卡接所述锁片控制块，所述锁片控制块通过所述铁片连接所述钢锁片；所述卡块内还设置有所述弹簧，所述弹簧两端分别固定在锁片控制块和卡块的底板上；

所述锁片控制块的外缘设置有均匀间隔的3个凸块，凸块外周所构成的圆周的直径与外管内径相一致，每个所述凸块上均通过所述铁片连接一个所述钢锁片；所述锁片控制块的中间部位外接圆环的筋材槽，用于插放所述置换筋材，所述筋材槽中间设置有小孔，与所述卡块上的十字槽相对应。

2.根据权利要求1所述的沿空掘巷煤柱锚筋结构，其特征在于：所述置换段靠近连接段一端的脆性筋材上加设PVC薄套管，所述PVC薄套管的长度以理论上其刚刚进入到后期的沿空掘巷的巷道中为准。

3.根据权利要求1所述的沿空掘巷煤柱锚筋结构，其特征在于：所述外管为高强钢管，具全长内丝；所述前内管、后内管均与所述外管丝扣连接。

4.根据权利要求1所述的沿空掘巷煤柱锚筋结构，其特征在于：所述卡块为沿周均匀开设3个宽槽的圆桶状部件，圆桶的开口端设有3个内凸块，所述内凸块用于卡挂锁片控制块；所述卡块与所述外管丝扣连接，所述十字槽设置于所述卡块的底板的中间部位。

5.一种如权利要求1-4任意一项所述的沿空掘巷煤柱锚筋结构的组装方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）、将固定段的高强筋材双向锁定在锁管之中，通过后内管与锁管的榫接将后内管和带有高强筋材的锁管一道旋入外管内；

2）、将锁片控制块压入并旋压进入卡块内，卡块内的弹簧将锁片控制块稳稳挤压在卡块的内凸块下，用电动螺丝刀穿过锁片控制块的中间小孔，直达卡块底板中的十字螺丝槽，启动电源，卡块和锁片控制块便同步顺利旋压进入外管内；

3）、旋入前内管至外管内，通过插入与拔出高强筋材来检验置换段连接块的安装，直至确认合格为止；

4）、旋入脆性筋材，并在靠连接段一端的脆性筋材上加设PVC薄套管，PVC薄套管的长度以理论上其刚刚进入到后期的沿空掘巷的巷道中为准；

5）、对于固定段也需锚固的加长锚，在固定段的高强筋材上设置一个卡箍，卡箍直径小于钻孔直径，以阻挡锚固剂外溢；对于端锚无需再设卡箍；至此，锚筋的组装完成。

6.一种如权利要求1-4任意一项所述的沿空掘巷煤柱锚筋结构的现场安装方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）、钻孔，在煤柱先行裸露的一侧的锚位处钻孔，钻孔直径比锚筋连接段直径大5mm，钻孔深度大于锚筋设计长度10cm；或者先钻成孔径大于脆性筋材直径5mm~8mm钻孔，然后用较大的钻头扩孔至置于煤体中连接段的远端；

2）、放入锚固剂，如果钻孔为双径孔，则需采用输送装置将锚固剂送入孔底，再用锚杆钻机将锚筋旋压入钻孔内，锚固剂被刺破并得到充分搅拌，锚筋被牢牢锚固在孔内；

3）、加垫板，对锚筋结构进行张拉锁定；

4）、当后期的沿空掘巷到锚筋位置时，综掘机切断已有锚筋中的脆性筋材，煤柱的另一个侧面成形；拆卸破断的脆性筋材，锚固体和PVC薄套管保留孔内，顺着PVC薄套管插入高强筋材，并通过连接段的自锁装置锁定高强筋材的里端；

5）、加垫板，对置换后的锚筋进行张拉锁定；

6）、适时配合可重复注浆技术，对破碎的煤柱进行加固。