CN111720148B - 区段煤柱自锚对拉防冲锚索及其使用方法 - Google Patents

区段煤柱自锚对拉防冲锚索及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及煤矿井下安全防护领域，公开了一种区段煤柱自锚对拉防冲锚索及其使用方法，该区段煤柱自锚对拉防冲锚索包括钢绞线(100)，钢绞线的两端分别固定有吸能让压端(200)和受力胀裂端(300)，钢绞线的外部套设有套管(400)，钢绞线的一端设有第一锁具(610)，钢绞线的另一端设有第二锁具(620)；受力胀裂端包括有自锚套管(420)，自锚套管的管壁上设有多条预裂线(440)，自锚套管在受力情况下其管壁沿预裂线开裂并弯折胀开，用于抵顶自锚在区段煤柱的边缘外侧。本发明能够同时实现锚索自身的机械式自锚固、协调大变形吸能防冲和煤柱采空区侧老空积水安全疏放三项功能，结构简单紧凑，安全性和可控性高。

Description

区段煤柱自锚对拉防冲锚索及其使用方法
技术领域
本发明涉及煤矿井下安全防护领域，具体地涉及一种区段煤柱自锚对拉防冲锚索及其使用方法。
背景技术
随着我国矿井开采深度与开采强度的急速增加，煤矿冲击地压发生的强度、频度及其致灾程度显著增加，已成为深部矿井安全开采的常见动力灾害之一。其中，深部煤层长壁采煤法相邻工作面常设置区段煤柱，根据不同的地质情况，煤柱的尺寸各不相同，一般情况下可以为3-20m，常见的为6-9m。然而，在高强度的采掘工程影响下，采掘应力叠加使得相邻工作面间的区段煤柱易产生应力集中，成为了深部矿井巷道大变形和冲击地压的多发区域。除此之外，部分煤矿地层富存地下水，导致煤柱采空侧产生大量老空积水，老空积水浸润软化煤柱，降低煤柱承压能力，加剧了煤柱失稳冲击危险。
针对以上工程问题，在现有技术中采用的均是对煤柱结构进行传统树脂锚杆或锚索加固的方法来解决，但由于区段煤柱大变形使得煤体介质过度损伤劣化，导致现有的锚网索支护会随着煤柱变形、锚固端煤岩损伤劣化而大量“抽出”失效，即使锚杆设置有适应煤岩大变形的让压吸能装置，也无法达到其吸能稳态加固煤岩体的工程目的。比如：授权公告号为CN 109209457B的发明专利公开了一种吸能防冲锚索及其使用方法，通过该吸能防冲锚索，能够有效避免围岩冲击变形破坏，有效防治冲击地压，且可用于不同的工况环境。结合图1所示，上述专利文献中所公开的这种锚索A的一侧的端部A1经钻孔插入煤柱B内部，并通过锚固剂粘接的方式固定在煤柱B的内部，锚索A的另一侧的端部则通过承压托盘A2固定在煤柱B的外侧。当煤柱B受到F的作用力时，在受力方向上发生挤压变形，煤柱B的两侧B1就会由于泊松效应而产生形变、形成臌胀边缘B2的趋势。由于A的承压托盘A2在臌胀边缘B2的作用下，就会产生脱离煤柱B向外的运动趋势，加之锚索A的一端A1是粘接固定在煤柱B的内部的，容易发生松脱而失效。
基于上述问题，有效提升深井高应力区段煤柱稳定性，应从煤柱介质、锚索材料和“煤柱-锚索”的相互作用关系三个方面综合考虑。首先，煤柱介质周围应进行矿井水疏放以避免煤体持续浸润损伤，从而提高煤体本身的自稳能力；其次，锚索锚固方式应避免或适应煤岩介质损伤，防止锚固端劣化失效；最后，在有效支护的前提下，锚索材料应具有大变形特性，以便适应煤柱的大变形，实现煤体-锚索协同稳态变形，防止锚索过载破断进而发生更为严重的煤柱失稳冲击事故。也就是说，在现有技术的基础上研发出一种能够实现在煤柱两侧的对拉、以自锚的方式固定、并在有效吸能、防冲、适应大变形的基础上实现排水的锚索，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的锚索随煤柱变形、因锚固端失效而无法达到其吸能稳态加固煤岩体的作用，并受到矿井水疏放浸润损伤的问题，提供区段煤柱自锚对拉防冲锚索及其使用方法，能够同时实现锚索自身的机械式自锚固、协调大变形吸能防冲和煤柱采空区侧老空积水安全疏放三项功能，结构简单紧凑，安全性和可控性高。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种区段煤柱自锚对拉防冲锚索，包括钢绞线，所述钢绞线的两端分别固定有吸能让压端和受力胀裂端，所述钢绞线的外部套设有套管，所述钢绞线的一端设有第一锁具，所述第一锁具用于将所述吸能让压端锁紧固定在所述钢绞线上，所述钢绞线的另一端设有第二锁具，所述第二锁具用于将所述受力胀裂端锁紧固定在所述钢绞线上；所述受力胀裂端包括有自锚套管，所述自锚套管的管壁上设有多条预裂线，所述自锚套管在受力情况下其管壁沿所述预裂线开裂并弯折胀开，用于抵顶自锚在区段煤柱的边缘外侧。
优选地，所述第一锁具包括套设在所述钢绞线上的第一自锁内环和可移动压紧在所述第一自锁内环上的第一自锁外环，所述第一自锁内环和所述第一自锁外环通过对应设置的第一倾斜面彼此自锁压紧；所述第二锁具包括套设在所述钢绞线上的第二自锁内环和可移动压紧在所述第二自锁内环上的第二自锁外环，所述第二自锁内环和所述第二自锁外环通过对应设置的第二倾斜面彼此自锁压紧。
优选地，所述第一自锁外环与所述吸能让压端一体设置；所述第二自锁外环与所述受力胀裂端一体设置。
优选地，所述套管包括套设在所述吸能让压端外部的疏放水套管和套设在所述受力胀裂端外部的自锚套管，所述疏放水套管和所述自锚套管通过伸缩吸能管彼此相连。
优选地，所述疏放水套管的端部外侧设有锚索托盘，所述疏放水套管的端部与所述锚索托盘之间通过对应设置的螺纹连接。
优选地，多条所述预裂线在所述自锚套管的管壁上沿圆周方向等角度平行设置。
优选地，所述自锚套管的外壁上设有止裂环，在所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索置入所述区段煤柱的方向上，所述止裂环的设置位置位于所述伸缩吸能管之前。
优选地，所述自锚套管的外壁上设有粘接部，所述粘接部内容纳有受到挤压能够释放的树脂锚固剂，所述粘接部设置在靠近所述止裂环的位置。
优选地，所述疏放水套管包括扩径段和内径小于所述扩径段的平直段，所述扩径段和所述平直段的连接位置形成过渡段；
所述吸能让压端设置在所述扩径段内，所述吸能让压端包括第一圆柱段和圆弧锥台段，当所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱上安装完毕后，所述圆弧锥台段的端面外缘与所述过渡段配合定位；
当所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱上安装完毕后，区段煤柱受力变形时，所述吸能让压端沿所述疏放水套管的轴向移动，迫使所述过渡段变形位移，所述扩径段距离延长并吸能。
优选地，所述受力胀裂端包括第二圆柱段和圆锥台段，所述圆锥台段的锥台端面朝向所述自锚套管设置。
当所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱上安装完毕后，所述锥台端面将所述自锚套管的管壁挤压，沿所述预裂线开裂弯折并胀开。
优选地，所述套管的内壁和所述钢绞线的外表面之间留有环形空间，当所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱上安装完毕后，所述环形空间的两端分别与所述吸能让压端和所述受力胀裂端朝向所述环形空间的侧面围设形成封闭的排水通道，所述吸能让压端和所述受力胀裂端上分别开设有贯穿的排水孔，所述排水通道与所述排水孔彼此连通。
优选地，所述环形空间的横截面占所述套管的内腔的总横截面的30-50％。
优选地，所述排水孔为沿所述吸能让压端和所述受力胀裂端的轴向等角度环绕开设的多个贯穿孔。
优选地，所述贯穿孔的纵剖面的中心线为弧线。
本发明第二方面提供一种如上所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索的使用方法，包括如下步骤：
步骤100：从区段煤柱的一侧朝向另一侧施打钻孔，所述钻孔的底部与所述区段煤柱的另一侧的穿透面之间留有间隔，所述间隔为100-200mm；
步骤200：将区段煤柱自锚对拉防冲锚索的吸能让压端上的排水孔预先封堵，将区段煤柱自锚对拉防冲锚索送入钻孔底部，使其顶压所述钻孔并将所述步骤100中的所述间隔穿透；
步骤300：顶压套管，并向外拉伸钢绞线，直至所述套管的端部劈裂后与所述钻孔封堵固定，完成区段煤柱自锚对拉防冲锚索在所述区段煤柱的安装；
步骤400：打开所述排水孔，适时疏放老空积水。
优选地，所述步骤100之前还包括：根据工况条件，计算并选择所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索的匹配性参数。
优选地，所述步骤100具体包括：在下区段工作面掘巷期间，选择与所述套管尺寸相适应的钻头打设钻孔至所述区段煤柱的另一侧。
优选地，所述步骤400具体包括：监测所述套管内的流体压力，当所述流体压力超过压力阈值时，打开所述排水孔放水；
所述压力阈值为：0.2-0.5MPa。
通过上述技术方案，本发明能够同时实现煤柱采空区侧老空积水的安全疏放、协调大变形吸能防冲和锚索自身的机械式自锚固三项功能，根据区段煤柱煤岩体的强度与变形情况，区段煤柱自锚对拉防冲锚索可以与煤体注浆工艺、巷内煤柱护表钢梁等配合使用，结构简单紧凑，安全性和可控性高。
附图说明
图1为现有锚索在煤柱中的固定结构示意图；
图2为本发明实施例一中的区段煤柱自锚对拉防冲锚索整体结构示意图；
图3和图4分别为自锚套管开裂并弯折胀开前、后的局部结构示意图；
图5和图6分别为图2的D部和E部局部结构放大示意图；
图7和图8分别为套管端部开裂并弯折胀开前、后的结构示意图；
图9为完成两次吸能后的套管结构示意图；
图10为吸能让压端的轴向剖视图；
图11为图10的B向视图；
图12为受力胀裂端的轴向剖视图；
图13为图12的C向视图；
图14为图2中的A-A局部剖视图；
图15为本发明实施例二的区段煤柱自锚对拉防冲锚索的吸能让压端与第一锁具的局部结构示意图；
图16为本发明实施例二的区段煤柱自锚对拉防冲锚索的受力胀裂端与第二锁具的局部结构示意图；
图17为本发明相邻两个区段工作面之间的区段煤柱结构示意图；
图18为图17的F-F局部剖视示意图，为本发明区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱上的安装结构示意图；
图19为图18所示的区段煤柱自锚对拉防冲锚索完成两次吸能后的结构示意图；
图20为本发明区段煤柱自锚对拉防冲锚索在煤柱中的固定结构示意图。
附图标记说明
100、钢绞线；200、吸能让压端；210、贯穿孔；220、第一通孔；230、第一圆柱段；240、圆弧锥台段；300、受力胀裂端；310、第二圆柱段；320、圆锥台段；330、第二通孔；400、套管；410、疏放水套管；411、扩径段；412、平直段；413、过渡段；420、自锚套管；430、伸缩吸能管；440、预裂线；450、止裂环；460、粘接部；500、锚索托盘；510、连接端；520、固定端；610、第一锁具；611、第一自锁内环；612、第一自锁外环；613、第一倾斜面；620、第二锁具；621、第二自锁内环；622、第二自锁外环；623、第二倾斜面；1000、上区段采面采空区；2000、下区段采面采空区；3000、上区段采空区积水；4000、区段煤柱；S、环形空间；P、排水通道；P1、排水孔；A、锚索；A1、端部；B、煤柱；A2、承压托盘；B2、臌胀边缘；R、套管半径；t、套管的壁厚；r、钢绞线半径；Rdrill、钻孔半径；n、为施工误差系数。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”通常是指相对于各部件本身的轮廓的内外；“远、近”通常是指相对于各部件本身的轮廓的远近。
实施例一
如图2所示，本发明提供一种区段煤柱自锚对拉防冲锚索，包括钢绞线100，所述钢绞线100的两端分别固定有吸能让压端200和受力胀裂端300，所述钢绞线100的外部套设有套管400，所述钢绞线100的一端设有第一锁具610，所述第一锁具610用于将所述吸能让压端200锁紧固定在所述钢绞线100上，所述钢绞线100的另一端设有第二锁具620，所述第二锁具620用于将所述受力胀裂端300锁紧固定在所述钢绞线上；所述受力胀裂端300包括有自锚套管420，所述自锚套管420的管壁上设有多条预裂线440，所述自锚套管420在受力情况下其管壁沿所述预裂线440开裂并弯折胀开，用于抵顶自锚在区段煤柱的边缘外侧。由上述内容可知，本发明能够同时实现锚索自身的机械式自锚固、协调大变形吸能防冲和煤柱采空区侧老空积水安全疏放三项功能，结构简单紧凑，安全性和可控性高。
如图2并结合图3、图4所示，所述受力胀裂端300包括有自锚套管420，为了方便区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱上的安装定位，所述自锚套管420的管壁上设有多条预裂线440，多条所述预裂线440在所述自锚套管420的管壁上沿圆周方向等角度平行设置；为了便于加工并保持自锚套管420端部的管壁劈裂后形状规则稳定，通常情况下，预裂线440设置为环形均布的偶数，在实际应用中，具体实施例中的设置数量可以根据需要进行调整。所述自锚套管420在受力情况下，其管壁沿所述预裂线440开裂并弯折胀开，用于抵顶自锚在区段煤柱4000的边缘外侧。通常情况下，自锚套管420为低碳钢材质的金属圆管，耐冲击强度较大。自锚套管420的壁厚可根据自锚套管与受力胀裂端300之间的“挤胀-劈裂”作用的劈裂阻力而调整设置，通常壁厚大约在8-10mm左右。同样地，自锚套管420的长度也可以根据现场锚固钻孔尺寸匹配程度而调整设置。为了防止自锚套管420的管壁在受力情况下开裂过大，所述自锚套管420的外壁上设有止裂环450，在所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索置入所述区段煤柱的方向上，所述止裂环450的设置位置位于所述伸缩吸能管430之前。
如图5和图6所示，在本实施例中，所述第一锁具610包括套设在所述钢绞线100上的第一自锁内环611和可移动压紧在所述第一自锁内环611上的第一自锁外环612，所述第一自锁内环611和所述第一自锁外环612通过对应设置的第一倾斜面613彼此自锁压紧。所述第二锁具620包括套设在所述钢绞线100上的第二自锁内环621和可移动压紧在所述第二自锁内环621上的第二自锁外环622，所述第二自锁内环621和所述第二自锁外环622通过对应设置的第二倾斜面623彼此自锁压紧。如图5并结合图6可知，在本实施例中，第一锁具610和吸能让压端200是分别设置的两个部件，彼此相邻抵顶；同样地，第二锁具620和受力胀裂端300也是分别设置的两个部件，彼此相邻抵顶。
如图7并结合图9所示，所述套管400包括套设在所述吸能让压端200外部的疏放水套管410和套设在所述受力胀裂端300外部的自锚套管420，所述疏放水套管410和所述自锚套管420通过伸缩吸能管430彼此相连。在自锚套管420与疏放水套管410之间连接具有抗压能力的伸缩吸能管430，保障了排水空间的密封，防止积水流入钻孔软化煤体。通常情况下，疏放水套管410和自锚套管420的内径相同。其中的伸缩吸能管430可以在区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱上安装过程中伸长，从而吸收套管400在其轴向上的变形。
如图7、图8所示，所述疏放水套管410还进一步包括扩径段411和内径小于所述扩径段411的平直段412，所述扩径段411和所述平直段412的连接位置形成过渡段413。通常情况下，疏放水套管410为低碳钢材质金属圆管。如图8并结合图2、图5、图10和图11所示，所述吸能让压端200设置在所述扩径段411内，所述吸能让压端200包括第一圆柱段230和圆弧锥台段240，所述吸能让压端200的内部开设有第一通孔220。区段煤柱自锚对拉防冲锚索中的钢绞线100穿设在第一通孔220内，为了方便穿设，第一通孔220的内径可以略大于钢绞线100的外径。当所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱上安装完毕后，所述圆弧锥台段240的端面外缘与所述过渡段413配合定位。吸能让压端200的第一圆柱段230的端面直径等于疏放水套管410的扩径段411的内径，圆弧锥台段240的端面直径小于疏放水套管410的扩径段411的内径并与过渡段413对应配合定位，可以确保疏放水套管410的顺利挤胀让压。如图8并结合图9所示，当所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱上安装完毕后，区段煤柱受力变形时，所述吸能让压端200沿所述疏放水套管410的轴向移动，迫使所述过渡段413变形位移，所述扩径段411距离延长并吸能，扩径段411变形后的结构如图9所示。
如图8并对照图9可知，本发明如图2所示的区段煤柱自锚对拉防冲锚索在安装定位在区段煤柱之后，一旦区段煤柱发生变形，能够通过两个位置的形变来吸收变形，从而达到防冲吸能效果。具体来说，首先可以通过伸缩吸能管430的伸长进行初级吸能；其次可以通过疏放水套管410的扩径段411的距离延长进行二次吸能。需要说明的是，为了有足够的空间方便拉伸，伸缩吸能管430通常设置为可拉伸堆叠结构，采用弹塑性功能管材料，该材料拉伸时以塑性变形实现吸能为主，还能表现出部分弹性恢复特征，既能够随着过渡段413拉伸变长，又能够使得整体具有弹性回复保持良好预紧力的作用。为了完成上述的两次吸能过程，区段煤柱自锚对拉防冲锚索中各个部件之间的强度关系为：锚索托盘500的螺纹连接强度与自锚套管420的自锚强度相同且大于钢绞线100的拉断强度，即：锚索两端在区段煤柱的两侧固定且在变形力的作用下钢绞线不会被拉断；而钢绞线100的拉断强度大于过渡段413的扩径吸能阻力，而过渡段413的扩径吸能阻力与伸缩吸能管430的吸能阻力相同。
结合图2所示，为了方便固定，所述疏放水套管410的端部外侧设有锚索托盘500，所述疏放水套管410的端部与所述锚索托盘500之间通过对应设置的螺纹连接。在图2所示的实施例中，锚索托盘500包括了连接端510和与所述连接端510垂直设置的固定端520，连接端510用于与所述疏放水套管410相连，在疏放水套管410的外表面上设有外螺纹，所述连接端510的内表面对应设有内螺纹，外螺纹和内螺纹对应设置。固定端520用于在安装过程中使区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱上的安装定位。
更进一步地，为了在区段煤柱自锚对拉防冲锚索置入区段煤柱上的安装位置之后对其进行有效固定，所述自锚套管420的外壁上设有粘接部460，所述粘接部460内容纳有树脂锚固剂，所述粘接部460设置在靠近所述止裂环450的位置。当自锚套管420在受力情况下沿预裂线440开裂并弯折胀开到止裂环450的位置后，裂开的管壁根部对粘接部460造成挤压，使其内部的树脂锚固剂释放出来，分布在自锚套管420的外壁与开设在区段煤柱上的钻孔之间，并将该部分空间堵住，防止自锚端向钻孔渗入积水软化煤体。
如图12并结合图13所示，所述受力胀裂端300包括第二圆柱段310和圆锥台段320，所述圆锥台段320的锥台端面朝向所述自锚套管420设置，所述受力胀裂端300的内部开设有第二通孔330。区段煤柱自锚对拉防冲锚索中的钢绞线100穿设在第二通孔330内，同样地，为了方便穿设，第二通孔330的内径可以略大于钢绞线100的外径。当所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱上安装完毕后，所述锥台端面将所述自锚套管420的管壁挤压，沿所述预裂线440开裂弯折并胀开。受力胀裂端300的圆锥台段320的端面直径小于自锚套管420的内径，第二圆柱段310的端面直径大于自锚套管420设有预裂线440的自锚套管420的内径，从而确保自锚套管420能够在受力时顺利劈裂自锚。
在如图2所示的实施例中，钢绞线100的外部套设有套管400，所述套管400的内壁和所述钢绞线100的外表面之间留有环形空间S，当所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱上安装完毕后，所述环形空间S的两端分别与所述吸能让压端200和所述受力胀裂端300朝向所述环形空间S的侧面围设形成封闭的排水通道P，所述吸能让压端200和所述受力胀裂端300上分别开设有贯穿的排水孔P1，所述排水通道P与所述排水孔P1彼此连通。结合图14所示，通常情况下，环形空间S的横截面占所述套管400的内腔的总横截面的30-50％，具体的计算公式如下所示：
Figure BDA0002551009980000111
其中：
R为套管内径；t为套管的壁厚；r为钢绞线半径，一般为21.8mm；
确定钻孔半径为：Rdrill＝n×(R+t)；
n为施工误差系数，一般取5％-8％。
在实际应用中，需要根据排水环境的需求对环形空间S的设置面积的大小进行选择和调整。另外需要补充说明的是，由于本发明所提供的这种区段煤柱自锚对拉防冲锚索的应用领域是煤矿井下安全防护，排出的老空积水中很可能会夹杂包括泥沙、煤粉等杂质，可以通过辅助的其他手段来防止排水通道和排水孔的堵塞，但这部分内容并不是本发明所要保护的重点，因此不在此赘述。
如图10并结合图11所示，所述排水孔为沿所述吸能让压端200轴向等角度环绕开设的多个贯穿孔210。更具体地，为了适应区段煤柱自锚对拉防冲锚索中其他零部件的结构并利于排水，在图12和图13所示的实施例中，所述贯穿孔210的纵剖面的中心线为弧线。在本实施例中，每个贯穿孔210的设置位置之间的夹角为90°，等角度间隔设置在吸能让压端200上的贯穿孔210设置数量为四个。同样地，如图5并结合图6所示，设置在受力胀裂端300上的排水孔的结构和设置排布方式，与设置在吸能让压端200上的贯穿孔210基本相同，在所述受力胀裂端300的圆周上每间隔90°设置一个排水孔，排水孔的设置数量为四个，且排水孔的纵剖面的中心线为弧线。需要说明的是，排水孔的纵剖面形状并不必然设置为弧线，在不影响老空积水排出的前提下，也可以设置成平直的或者其他形状的排水孔，在实际应用中，可以根据需要进行选择；同样地，贯穿孔210的尺寸和数量也可以根据实际需要调整设置。
实施例二
如图15并结合图16所示的实施例，是在实施例一的结构基础上的改进，本实施例与实施例一的不同之处在于吸能让压端200和第一锁具610、受力胀裂端300和第二锁具620之间不是分别独立设置的部件，如图15、图16所示，所述第一自锁外环612与所述吸能让压端200是一体设置的，所述第二自锁外环622与所述受力胀裂端300也是一体设置的。如图15所示，与上述实施例一相同的是，第一锁具610包括套设在所述钢绞线100上的第一自锁内环611和可移动压紧在所述第一自锁内环611上的第一自锁外环612，所述第一自锁内环611和所述第一自锁外环612通过对应设置的第一倾斜面613彼此压紧。结合图16所示，第二锁具620同样包括了套设在所述钢绞线100上的第二自锁内环621和可移动压紧在所述第二自锁内环621上的第二自锁外环622，所述第二自锁内环621和所述第二自锁外环622通过对应设置的第二倾斜面623彼此压紧。同样地，本实施例中的第一锁具610和第二锁具620起到了对钢绞线100限位的作用，防止其在在区段煤柱上安装完毕后，发生轴向窜动。显然，在本实施例中，由于第一自锁外环612与所述吸能让压端200一体设置的，所述第二自锁外环622与所述受力胀裂端300也是一体设置的，与实施例一相比，结构更加简单、紧凑，在确保自锁效果的同时，安装、拆卸更加方便。鉴于本实施例中的其他结构与上述实施例一相同，详细内容可参考上述实施例一，在此不再赘述。
以下结合图17至图20，对上述实施例一和实施例二中所提供的区段煤柱自锚对拉防冲锚索的使用方法，进行详细地说明。如图17所示，在采煤区域中包括有相邻的上区段采面采空区1000和下区段采面采空区2000，两者之间为区段煤柱4000，在上区段采面采空区1000中有上区段采空区积水3000。如图18和图19所示，分别为图17中的F-F向剖视图，是本发明上述实施例一中所提供的区段煤柱自锚对拉防冲锚索安装固定在区段煤柱4000内的结构位置关系示意图，采用本发明所提供的区段煤柱自锚对拉防冲锚索，可以将上区段采空区积水3000有效排出。区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱4000内安装固定过程，总体来说包括如下步骤：
步骤100：从区段煤柱的一侧朝向另一侧施打钻孔，所述钻孔的底部与所述区段煤柱的另一侧的穿透面之间留有间隔，所述间隔为100-200mm；
步骤200：将区段煤柱自锚对拉防冲锚索的吸能让压端上的排水孔预先封堵，将区段煤柱自锚对拉防冲锚索送入钻孔底部，使其顶压所述钻孔并将所述步骤100中的所述间隔穿透；
步骤300：顶压套管，并向外拉伸钢绞线，直至所述套管的端部劈裂后与所述钻孔封堵固定，完成区段煤柱自锚对拉防冲锚索在所述区段煤柱的安装；
步骤400：打开所述排水孔，适时疏放老空积水。
为了适应在实际应用中不同矿井环境的个性化要求，所述步骤100之前还包括：根据工况条件，计算并选择所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索的匹配性参数。
具体来说，所述步骤100具体包括：在下区段工作面掘巷期间，选择与所述套管尺寸相适应的钻头打设钻孔至所述区段煤柱的另一侧。
更具体地，所述步骤400具体包括：监测所述套管内的流体压力，当所述流体压力超过压力阈值时，打开所述排水孔放水；所述压力阈值为：0.2-0.5MPa。
本发明所提供的区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱4000内的安装固定过程，实际的操作是这样的：首先，需要对区段煤柱自锚对拉防冲锚索的参数进行选择，根据特定的工况条件，经计算，合理选择区段煤柱自锚对拉防冲锚索的总长度、自锚套管420的尺寸与预裂线440的设置数量、受力胀裂端300与自锚套管420的匹配性参数、疏放水套管410的尺寸参数、吸能让压端200与疏放水套管410的匹配性参数等，并合理选择锚索托盘500的螺纹联接强度。具体来说，上述特定的工况条件可以包括：地应力、煤岩强度、煤柱留设宽度和顶底板物理力学性质等。在选择确定了所要使用的区段煤柱自锚对拉防冲锚索的工艺参数之后，则进入安装阶段。在区段煤柱4000上施打钻孔，钻孔的半径如上述Rdrill，具体包括在下区段工作面掘巷期间，选择与疏放水套管410的扩径段411的尺寸相适应的钻头打设钻孔；为了防止钻孔直接打穿区段煤柱4000导致老空积水的直接泄放，从区段煤柱的一侧朝向另一侧施打钻孔，所述钻孔的底部与所述区段煤柱的另一侧的穿透面之间留有间隔，所述间隔为100-200mm。区段煤柱4000的整体尺寸可以在钻孔之前预先进行测量。根据不同的地层结构，通常情况下，煤柱上的钻孔半径可以为40-150mm，最常用的钻孔半径可以为42mm。为了防止在安装过程中就会有老空积水排出，需要先对设置在区段煤柱自锚对拉防冲锚索的吸能让压端200上的排水孔P1进行预先封堵。其次，在区段煤柱自锚对拉防冲锚索送入钻孔底部，需要采用机具顶压疏放水套管410，使其顶压钻孔并将剩余的100-200mm穿透之后，并向外拉伸钢绞线100，导致自锚套管420启动“挤胀-劈裂”动作，直至自锚套管420劈裂至止裂环450，粘接部460受到变形的自锚套管420的管壁挤压，容纳在粘接部460中的树脂锚固胶释放出来，将自锚套管420与钻孔空间完全封堵固定，以使自锚套管420劈裂后在区段煤柱4000的另一侧自锚固定。随后，将锚索托盘500通过螺纹连接到疏放水套管410的扩径段411，固定疏放水套管410，张拉钢绞线100，推进第一锁具610，并在第二锁具620的约束下，按需施加预紧力，即可完成锚索安装。最后，待区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱4000内稳定安装固定后，便可以按照需要的时刻和时长，打开开设在吸能让压端200上的排水孔P1，适时疏放老空积水。需要疏放老空积水的情况具体来说，需要监测所述套管内的流体压力，当所述流体压力超过压力阈值时，打开所述排水孔放水；通常情况下，所述压力阈值为：0.2-0.5MPa。
结合图18和图19所示，需要说明的是，区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱4000内安装完毕后，一旦区段煤柱4000发生形变，首先，可以通过伸缩吸能管430在区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱上安装过程中伸长，从而吸收套管400在其轴向上进行第一次变形吸能；其次，吸能吸能让压端200沿所述疏放水套管410的轴向移动，迫使所述过渡段413发生位移，所述扩径段411变形后距离延长而进行二次吸能。
如图20并对照图1所示，采用本发明的区段煤柱自锚对拉防冲锚索，由于锚索A’的两端分别通过锚索托盘500和自锚套管420的端部的管壁沿所述预裂线440开裂并弯折胀开，抵顶自锚在煤柱B的边缘外侧两侧。当煤柱B受到F的作用力时，在受力方向上发生挤压变形，煤柱B的两侧B1就会产生形变形成臌胀边缘B2的趋势。通过伸缩吸能管430在区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱上安装过程中伸长，从而吸收套管400在其轴向上进行第一次变形吸能；吸能吸能让压端200沿所述疏放水套管410的轴向移动，迫使所述过渡段413发生位移，所述扩径段411变形后距离延长而进行的二次吸能，充分吸收了煤柱B的变形，且锚索只要不发生断裂，始终不会产生如图1所示的现有技术中因松脱而失效的情形，实现对煤柱的有效支撑。
由上述内容可知，本发明针对现有技术中存在的缺陷，提供一种区段煤柱自锚对拉防冲锚索及其使用方法，首先，本发明所提供的区段煤柱自锚对拉防冲锚索能够实现机械式自锚固，成功避免了“锚索-煤岩”锚固剂锚固对煤体完整性、稳定性的过度依赖，形成了煤柱两侧的“对拉吸能锚固”效果，防止屈服煤柱变形损伤导致锚固端失效；其次，区段煤柱自锚对拉防冲锚索实现了吸能让压稳态支护效果，与煤柱协调随动变形，适应煤柱大变形特征，防止锚索过载拉断而导致煤柱失稳冲击；另外，通过设置在套管和钢绞线之间的空间，有效实现了煤柱采空侧老空积水的有效疏放，避免积水持续浸润软化煤体、降低煤柱承压自稳能力。综上，本发明能够同时实现锚索自身的机械式自锚固、协调大变形吸能防冲和煤柱采空区侧老空积水安全疏放三项功能，根据区段煤柱煤岩体的强度与变形情况，区段煤柱自锚对拉防冲锚索可以与煤体注浆工艺、巷内煤柱护表钢梁等配合使用，结构简单紧凑，安全性和可控性高。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，例如，可以将设置在钢绞线末端的受力胀裂端去掉，并将树脂锚固胶设置在钢绞线的末端，使其直接粘接在钻孔内安装定位。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种区段煤柱自锚对拉防冲锚索，包括钢绞线(100)，所述钢绞线(100)的两端分别固定有吸能让压端(200)和受力胀裂端(300)，所述钢绞线(100)的外部套设有套管(400)，其特征在于，所述钢绞线(100)的一端设有第一锁具(610)，所述第一锁具(610)用于将所述吸能让压端(200)锁紧固定在所述钢绞线(100)上，所述钢绞线(100)的另一端设有第二锁具(620)，所述第二锁具(620)用于将所述受力胀裂端(300)锁紧固定在所述钢绞线上；所述受力胀裂端(300)包括有自锚套管(420)，所述自锚套管(420)的管壁上设有多条预裂线(440)，所述自锚套管(420)在受力情况下其管壁沿所述预裂线(440)开裂并弯折胀开，用于抵顶自锚在区段煤柱的边缘外侧。
2.根据权利要求1所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索，其特征在于，所述第一锁具(610)包括套设在所述钢绞线(100)上的第一自锁内环(611)和可移动压紧在所述第一自锁内环(611)上的第一自锁外环(612)，所述第一自锁内环(611)和所述第一自锁外环(612)通过对应设置的第一倾斜面(613)彼此自锁压紧；所述第二锁具(620)包括套设在所述钢绞线(100)上的第二自锁内环(621)和可移动压紧在所述第二自锁内环(621)上的第二自锁外环(622)，所述第二自锁内环(621)和所述第二自锁外环(622)通过对应设置的第二倾斜面(623)彼此自锁压紧。
3.根据权利要求2所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索，其特征在于，所述第一自锁外环(612)与所述吸能让压端(200)一体设置；所述第二自锁外环(622)与所述受力胀裂端(300)一体设置。
4.根据权利要求1所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索，其特征在于，所述套管(400)包括套设在所述吸能让压端(200)外部的疏放水套管(410)和套设在所述受力胀裂端(300)外部的自锚套管(420)，所述疏放水套管(410)和所述自锚套管(420)通过伸缩吸能管(430)彼此相连。
5.根据权利要求4所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索，其特征在于，所述疏放水套管(410)的端部外侧设有锚索托盘(500)，所述疏放水套管(410)的端部与所述锚索托盘(500)之间通过对应设置的螺纹连接。
6.根据权利要求4所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索，其特征在于，多条所述预裂线(440)在所述自锚套管(420)的管壁上沿圆周方向等角度平行设置。
7.根据权利要求6所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索，其特征在于，所述自锚套管(420)的外壁上设有止裂环(450)，在所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索置入所述区段煤柱(4000)的方向上，所述止裂环(450)的设置位置位于所述伸缩吸能管(430)之前。
8.根据权利要求7所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索，其特征在于，所述自锚套管(420)的外壁上设有粘接部(460)，所述粘接部(460)内容纳有受到挤压能够释放的树脂锚固剂，所述粘接部(460)设置在靠近所述止裂环(450)的位置。
9.根据权利要求5所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索，其特征在于，所述疏放水套管(410)包括扩径段(411)和内径小于所述扩径段(411)的平直段(412)，所述扩径段(411)和所述平直段(412)的连接位置形成过渡段(413)；
所述吸能让压端(200)设置在所述扩径段(411)内，所述吸能让压端(200)包括第一圆柱段(230)和圆弧锥台段(240)，当所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱(4000)上安装完毕后，所述圆弧锥台段(240)的端面外缘与所述过渡段(413)配合定位；
当所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱(4000)上安装完毕后，区段煤柱受力变形时，所述吸能让压端(200)沿所述疏放水套管(410)的轴向移动，迫使所述过渡段(413)变形位移，所述扩径段(411)距离延长并吸能。
10.根据权利要求9所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索，其特征在于，所述受力胀裂端(300)包括第二圆柱段(310)和圆锥台段(320)，所述圆锥台段(320)的锥台端面朝向所述自锚套管(420)设置，
当所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱(4000)上安装完毕后，所述锥台端面将所述自锚套管(420)的管壁挤压，沿所述预裂线(440)开裂弯折并胀开。
11.根据权利要求1所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索，其特征在于，所述套管(400)的内壁和所述钢绞线(100)的外表面之间留有环形空间(S)，当所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索在区段煤柱(4000)上安装完毕后，所述环形空间(S)的两端分别与所述吸能让压端(200)和所述受力胀裂端(300)朝向所述环形空间(S)的侧面围设形成封闭的排水通道(P)，所述吸能让压端(200)和所述受力胀裂端(300)上分别开设有贯穿的排水孔(P1)，所述排水通道(P)与所述排水孔(P1)彼此连通。
12.根据权利要求11所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索，其特征在于，所述环形空间(S)的横截面占所述套管(400)的内腔的总横截面的30-50％。
13.根据权利要求11所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索，其特征在于，所述排水孔(P1)为沿所述吸能让压端(200)和所述受力胀裂端(300)的轴向等角度环绕开设的多个贯穿孔(210)。
14.根据权利要求13所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索，其特征在于，所述贯穿孔(210)的纵剖面的中心线为弧线。
15.一种如权利要求1-14任一项所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100：从区段煤柱的一侧朝向另一侧施打钻孔，所述钻孔的底部与所述区段煤柱的另一侧的穿透面之间留有间隔，所述间隔为100-200mm；
步骤200：将区段煤柱自锚对拉防冲锚索的吸能让压端上的排水孔预先封堵，将区段煤柱自锚对拉防冲锚索送入钻孔底部，使其顶压所述钻孔并将所述步骤100中的所述间隔穿透；
步骤300：顶压套管，并向外拉伸钢绞线，直至所述套管的端部劈裂后与所述钻孔封堵固定，完成区段煤柱自锚对拉防冲锚索在所述区段煤柱的安装；
步骤400：打开所述排水孔，适时疏放老空积水。
16.根据权利要求15所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索的使用方法，其特征在于，所述步骤100之前还包括：根据工况条件，计算并选择所述区段煤柱自锚对拉防冲锚索的匹配性参数。
17.根据权利要求15所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索的使用方法，其特征在于，所述步骤100具体包括：在下区段工作面掘巷期间，选择与所述套管尺寸相适应的钻头打设钻孔至所述区段煤柱的另一侧。
18.根据权利要求15所述的区段煤柱自锚对拉防冲锚索的使用方法，其特征在于，所述步骤400具体包括：监测所述套管内的流体压力，当所述流体压力超过压力阈值时，打开所述排水孔放水；所述压力阈值为：0.2-0.5MPa。
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