CN112267905B - 一种用于顶板围岩加固的岩体嵌入式桁架支护结构及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于顶板围岩加固的岩体嵌入式桁架支护结构及其安装方法。所述结构包括四孔托盘、螺纹钢锚杆一、螺纹钢锚杆二、涨壳式锚头、螺纹孔、螺母、刻度标尺、外螺纹柱、指向标记、方向定位器。其主要结构均位于岩体内部，在岩体内部通过各组件的连接形成了桁架型的整体支护结构。其核心组成构件为在岩体外部依靠自主创新设计的四孔托盘，将四个方向上的螺纹钢锚杆通过螺母连接在一起，形成一个局部整体结构，然后再藉由相同的结构向四周延伸，相邻四孔托盘之间的连接则通过位于岩体内部的相交的两个螺纹钢锚杆相互配合连接而成。本发明的支护结构稳定性高，支护效果好，且占用外部采掘空间少，对井下采区的采掘运输作业以及其他活动产生的影响非常小。

Description

一种用于顶板围岩加固的岩体嵌入式桁架支护结构及其安装 方法

技术领域

本发明属于矿山采区支护技术领域，涉及一种用于顶板围岩加固的岩体嵌入式桁架支护结构及其安装方法。

背景技术

在矿山开采过程中，支护工作必不可少，往往井下发生的很多诸如冒顶片帮、岩爆等动力灾害事故，都与支护工作不到位有关联。在采掘过程中，传统的支护体系一旦某一支护部位发生破坏，将会直接影响支护体系下岩体其他部分现有的应力平衡状态，进而导致整个支护系统失效，支护结构缺乏整体性。井下一旦发生此类事故，轻则影响采矿作业的进行，重则会带来巨大的人员伤亡及财产损失，因而，对岩体进行更加有效的支护显得尤为重要。经过多年的研究与发展，目前在传统的支护结构基础上已经做出了大量的创新改进工作，包括：专利CN205047238U桁架与U型钢配合的巷道支护结构；专利CN204060727U用于高应力软弱破碎围岩的钢管桁架注浆加固与支护结构；专利CN207944960U桁架与金属支架配合的巷道支护结构；专利 CN111379578A一种高应力组合圈体梁支护结构及其施工方法等。上述井下支护结构虽然对传统支护结构进行了一定程度的升级改进，但仍存在以下问题：(1)上述一类支护结构普遍集中于对井下巷道的围岩加固支护，适用范围比较局限，无法推广到井下采区的顶板围岩加固支护；(2)此类支护结构均在围岩体外部进行被动承压支护，整个桁架结构承担了上部岩体的全部重量，对支护结构整体性能要求太高，虽看似形成了桁架型支护架构，但对于围岩体内部的整体稳定性产生的作用则非常有限，不能起到主动加固围岩的作用； (3)由(2)可知，此类支护结构均设置在围岩体外部，大量的桁架结构不仅会占用井下有限的开采运输空间，对开采和运输工作造成不利影响，而且容易发生机械碰撞事故，极易造成支护结构破坏失效。鉴于此，非常有必要设计一种对围岩内部整体起到主动支护加固、外部杆件暴露少、成本低、适用范围广的新型桁架支护结构。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明目的在于提供一种用于顶板围岩加固的岩体嵌入式桁架支护结构及其使用方法，旨在解决以下问题：

克服现有的矿山井下支护结构无法对围岩进行整体主动支护加固、适用范围局限、占用大量外部采掘空间，影响正常井下生产和运输等弊端。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种用于顶板围岩加固的岩体嵌入式桁架支护结构，其特征在于，包括四孔托盘、两根螺纹钢锚杆一、两根螺纹钢锚杆二，所述螺纹钢锚杆一在其一端装配涨壳式锚头，在靠近涨壳式锚头的一端开设有合适直径的螺纹孔，所述螺纹孔的轴线与螺纹钢锚杆一的轴线相垂直，螺纹钢锚杆一另一端通过螺母安装于四孔托盘上，所述螺纹钢锚杆二在其一端设置有一定长度的外螺纹柱，外螺纹柱的直径与螺纹孔的直径相同，沿锚杆上设置有刻度标尺，并通过螺母安装于四孔托盘上，其中，所述外螺纹柱与相邻托盘上的螺纹钢锚杆一一段上的螺纹孔相配合，将螺纹钢锚杆一和螺纹钢锚杆二连接成整体结构。

进一步地，所述的四孔托盘上表面呈正方形，以四边中点为界，以1/2边长为腰长，在正方形四个角向下延伸形成一个等腰直角三角体，在四个等腰直角三角体上分别开有一个通孔，四个通孔分别位于四孔托盘的两条对角线上，各通孔形成两两对称关系，且各通孔轴线与等腰直角三角体的底面垂直，各通孔的直径相同且略大于螺纹钢锚杆的直径。

进一步地，一根螺纹钢锚杆一和一根螺纹钢锚杆二分别安设于四孔托盘同一对角线方向上的通孔内。

进一步地，所述的螺纹钢锚杆一在安装螺母一端的端面上设置有指向标记，指向标记的方向与螺纹孔的轴向方向平行，用于在旋进安装螺纹钢锚杆时，指示位于岩体内部的螺纹孔的轴线方向。

进一步地，还包括方向定位器，所述的方向定位器包括圆杆、圆筒和柔性绳，其中圆杆的直径略小于安装螺纹钢锚杆二的钻孔直径，圆筒的外径略小于安装螺纹钢锚杆一的钻孔直径，内径大于螺纹钢锚杆一的直径，圆杆和圆筒之间通过柔性绳连接，圆筒一端设置有凹槽，凹槽的方向与螺纹钢锚杆一端部所开的螺纹孔的轴线方向平行。

一种用于顶板围岩加固的岩体嵌入式桁架支护结构的安装方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1：在采区内对需要进行支护的区域进行准确测量，计算出每个合理的布孔位置，并做好标记，以方便后续钻凿钻孔以及锚杆和四孔托盘的安装。

步骤2：利用钻孔设备在顶板围岩上按照事先标记好的位置钻凿合理倾向和深度的钻孔，保证同一对角线方向上相邻的两个四孔托盘之间的两个钻孔沿轴线相交。

步骤3：将树脂药卷打入将要安装螺纹钢锚杆二的钻孔底部，待以后备用。

步骤4：将涨壳式锚头连同螺纹钢锚杆一一同送入钻孔底部，然后转动锚杆以压紧涨壳式锚头使其牢牢与钻孔内壁贴合。

步骤5：将方向定位器的圆筒从外端装进螺纹钢锚杆一中，并放入钻孔中，然后将圆杆放入需要安装螺纹钢锚杆二的钻孔中，保证中间的柔性绳呈紧绷状态，同时转动螺纹钢锚杆一使端部涨壳式锚头压紧并观察螺纹钢锚杆一底部的指示标记，使其与圆筒底部的凹槽方向平齐，然后取出方向定位器。

步骤6：将螺纹钢锚杆二装入与螺纹钢锚杆一相交的钻孔内部，当螺纹钢锚杆二端部的外螺纹柱抵达螺纹钢锚杆一上端部的螺纹孔时，旋转螺纹钢锚杆二使外螺纹柱旋进螺纹孔，并穿过螺纹孔进入钻孔底部，此时外螺纹柱将与位于钻孔底部的树脂药卷相接触，并不断挤压树脂药卷直至挤破树脂药卷使其均匀散布于外螺纹柱周围，以对螺纹钢锚杆二进行进一步的加固，期间可以通过观察位于螺纹钢锚杆二外端部的刻度标尺来判断外螺纹柱进入到钻孔底部与树脂药卷接触的长度。

步骤7：重复步骤3-6，将同一对角线方向上所有的螺纹钢锚杆一和螺纹钢锚杆二依次安装入钻孔，使位于岩体内部相交的两个螺纹钢锚杆相互配合连接，再以相同的方法对另一条对角线上的螺纹钢锚杆一和螺纹钢锚杆二进行依次安装。

步骤8：将四孔托盘依次安装到对应的四根锚杆上，并用螺母将四根锚杆固定，最终使全部安装进入围岩的螺纹钢锚杆均通过四孔托盘在端部连接在一起成为一个整体，共同对上部围岩进行支护加固，形成最终的桁架型支护结构。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)在岩体外部依靠自主创新设计的四孔托盘，将四个方向上的螺纹钢锚杆通过螺母连接在一起，形成一个局部整体结构，然后在藉由相同的结构向四周延伸，相邻四孔托盘之间的连接则通过位于岩体内部的相交的两个螺纹钢锚杆相互配合连接而成，依托独特的四孔托盘将岩体内部传统的单锚杆支护，连接成为整体，在岩体内部形成了独特的桁架型支护结构，将支护区域化为一个整体，大大增强了支护结构的整体性和稳定性。

(2)整个支护结构的锚杆全部位于顶板围岩内部，占用外部采掘空间少，对井下采区的采掘运输作业以及其他活动产生的影响非常小，同时避免了于井下机械设备相碰撞的风险。

(3)本发明的桁架型支护结构将上部围岩通过打入围岩内部的锚杆锚固为一个整体，克服了现存大部分桁架支护结构在外部进行被动支护的弊端，具有主动支护加固围岩的作用，提升了支护效果。

(4)适用于大采区的顶板围岩支护，解决了采场顶板围岩支护整体性不足的问题。

(5)利用现有的螺纹钢锚杆等设备进行升级改造，大大节约了矿山的支护成本。

附图说明

图1为本发明提供的桁架支护结构整体工作结构示意图；

图2为本发明提供的四孔托盘结构示意图；

图3为本发明提供的螺纹钢锚杆一结构示意图；

图4为本发明提供的螺纹钢锚杆二结构示意图；

图5为本发明提供的两根螺纹钢锚杆一、两根螺纹钢锚杆二和四孔托盘的装配结构示意图；

图6为本发明提供的螺纹钢锚杆一与螺纹钢锚杆二的局部配合结构示意图；

图7为本发明提供的方向定位器结构示意图；

图8为本发明提供的圆筒结构示意图。

其中：1-四孔托盘；2-螺纹钢锚杆一；3-螺纹钢锚杆二；4-涨壳式锚头； 5-螺纹孔；6-螺母；7-刻度标尺；8-指向标记；9-外螺纹柱；10-圆杆；11-圆筒； 12-柔性绳；13-圆筒凹槽；14-四孔托盘三角体；15-四孔托盘通孔。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

参见图1-6，本实施例提供一种用于顶板围岩加固的岩体嵌入式桁架支护结构，其特征在于，包括四孔托盘1、两根螺纹钢锚杆一2、两根螺纹钢锚杆二3，，所述螺纹钢锚杆一2在其一端装配涨壳式锚头4，在靠近涨壳式锚头4 的一端开设有合适直径的螺纹孔5，所述螺纹孔5的轴线与螺纹钢锚杆一2的轴线相垂直，螺纹钢锚杆一2另一端通过螺母6安装于四孔托盘1上，所述螺纹钢锚杆二3在其一端设置有一定长度的外螺纹柱9，外螺纹柱9的直径与螺纹孔5的直径相同，沿锚杆上设置有刻度标尺7，并通过螺母6安装于四孔托盘1上，其中，所述外螺纹柱9与相邻托盘上的螺纹钢锚杆一2一端上的螺纹孔5相配合，将螺纹钢锚杆一和螺纹钢锚杆二连接成整体结构。

进一步地，所述的四孔托盘1上表面呈正方形，以四边中点为界，以1/2 边长为腰长，在正方形四个角向下延伸形成一个等腰直角三角体14，在四个等腰直角三角体14上分别开有一个通孔15，四个通孔15分别位于四孔托盘的两条对角线上，各通孔形成两两对称关系，且各通孔轴线与等腰直角三角体的底面垂直，各通孔的直径相同且略大于螺纹钢锚杆的直径。

进一步地，一根螺纹钢锚杆一2和一根螺纹钢锚杆二3分别安设于四孔托盘同一对角线方向上的通孔内。

进一步地，所述的螺纹钢锚杆一2在安装螺母一端的端面上设置有指向标记8，指向标记的方向与螺纹孔5的轴向方向平行，用于在旋进安装螺纹钢锚杆时，指示位于岩体内部的螺纹孔的轴线方向。

进一步地，本发明还包括一个方向定位器，参见图7-8，所述的方向定位器包括圆杆10、圆筒11和柔性绳12，其中圆杆10的直径略小于安装螺纹钢锚杆二3的钻孔直径，圆筒11的外径略小于安装螺纹钢锚杆一2的钻孔直径，内径大于螺纹钢锚杆一2的直径，圆杆和圆筒之间通过柔性绳12连接，圆筒 11一端设置有凹槽13，凹槽的方向与螺纹钢锚杆一端部所开的螺纹孔的轴线方向平行。

本发明创新设计了在岩体外部依靠自主创新设计的四孔托盘，将四个方向上的螺纹钢锚杆通过螺母连接在一起，形成一个局部整体结构，然后在藉由相同的结构向四周延伸，相邻四孔托盘之间的连接则通过位于岩体内部的相交的两个螺纹钢锚杆相互配合连接而成，将四根锚杆固定于同一个托盘上，并紧密贴合于顶板围岩上，整个支护结构大量使用了此四孔托盘，并通过四孔托盘将岩体内部全部的锚杆连接在一起，在岩体内部形成了独特的桁架型支护结构，四孔托盘充当了关键的节点作用，将支护区域化为一个整体，大大增强了支护结构的整体性，同时发挥了锚杆主动支护岩体的特点，强化了所述桁架型支护结构的支护能力。同时通过本发明特有的方向定位器，实现锚杆在钻孔内部的螺纹孔对准问题，解决了传统的支护体系，一旦某一支护部位发生破坏，将会直接影响支护体系下岩体其他部分现有的应力平衡状态，进而导致整个支护系统失效，支护结构缺乏整体性的弊端。

实施例2

本实施例提供一种实施例1中的用于顶板围岩加固的岩体嵌入式桁架支护结构的安装方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1：在采区内对需要进行支护的区域进行准确测量，计算出每个合理的布孔位置，并做好标记，以方便后续钻凿钻孔以及锚杆和四孔托盘的安装。

步骤2：利用钻孔设备在顶板围岩上按照事先标记好的位置钻凿合理倾向和深度的钻孔，保证同一对角线方向上相邻的两个四孔托盘之间的两个钻孔沿轴线相交。

步骤3：将树脂药卷打入将要安装螺纹钢锚杆二3的钻孔底部，待以后备用。

步骤4：将涨壳式锚头4连同螺纹钢锚杆一2一同送入钻孔底部，然后转动锚杆以压紧涨壳式锚头使其牢牢与钻孔内壁贴合。

步骤5：将方向定位器的圆筒11从外端装进螺纹钢锚杆一2中，并放入钻孔中，然后将圆杆10放入需要安装螺纹钢锚杆二3的钻孔中，保证中间的柔性绳呈紧绷状态，同时转动螺纹钢锚杆一使端部涨壳式锚头压紧并观察螺纹钢锚杆一2底部的指示标记，使其与圆筒11底部的凹槽方向平齐，然后取出方向定位器。

步骤6：将螺纹钢锚杆二3装入与螺纹钢锚杆一2相交的钻孔内部，当螺纹钢锚杆二3端部的外螺纹柱抵达螺纹钢锚杆一2上端部的螺纹孔时，旋转螺纹钢锚杆二3使外螺纹柱旋进螺纹孔，并穿过螺纹孔进入钻孔底部，此时外螺纹柱将与位于钻孔底部的树脂药卷相接触，并不断挤压树脂药卷直至挤破树脂药卷使其均匀散布于外螺纹柱周围，以对螺纹钢锚杆二3进行进一步的加固，期间可以通过观察位于螺纹钢锚杆二3外端部的刻度标尺来判断外螺纹柱进入到钻孔底部与树脂药卷接触的长度。

步骤7：重复步骤3-6，将同一对角线方向上所有的螺纹钢锚杆一和螺纹钢锚杆二依次安装入钻孔，使位于岩体内部相交的两个螺纹钢锚杆相互配合连接，再以相同的方法对另一条对角线上的螺纹钢锚杆一和螺纹钢锚杆二进行依次安装。

步骤8：将四孔托盘1依次安装到对应的四根锚杆上，并用螺母6将四根锚杆固定，最终使全部安装进入围岩的螺纹钢锚杆均通过四孔托盘在端部连接在一起成为一个整体，共同对上部围岩进行支护加固，形成最终的桁架型支护结构。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种用于顶板围岩加固的岩体嵌入式桁架支护结构，其特征在于，包括四孔托盘(1)、两根螺纹钢锚杆一(2)、两根螺纹钢锚杆二(3)，所述螺纹钢锚杆一在其一端装配涨壳式锚头(4)，在靠近涨壳式锚头(4)的一端开设有合适直径的螺纹孔(5)，所述螺纹孔(5)的轴线与螺纹钢锚杆一的轴线相垂直，螺纹钢锚杆一另一端通过螺母(6)安装于四孔托盘上，所述螺纹钢锚杆二在其一端设置有一定长度的外螺纹柱(9)，外螺纹柱(9)的直径与螺纹孔(5)的直径相同，沿锚杆上设置有刻度标尺(7)，并通过螺母(6)安装于四孔托盘上，其中，所述外螺纹柱(9)与相邻托盘上的螺纹钢锚杆一(2)上的螺纹孔(5)相配合，将螺纹钢锚杆一和螺纹钢锚杆二连接成整体结构。

2.根据权利要求1所述的用于顶板围岩加固的岩体嵌入式桁架支护结构，其特征在于，所述的四孔托盘(1)上表面呈正方形，以四边中点为界，以1/2边长为腰长，在正方形四个角向下延伸形成一个等腰直角三角体(14)，在四个等腰直角三角体上分别开有一个通孔(15)，四个通孔分别位于四孔托盘的两条对角线上，各通孔形成两两对称关系，且各通孔轴线与等腰直角三角体的底面垂直，各通孔的直径相同且略大于螺纹钢锚杆的直径。

3.根据权利要求1所述的用于顶板围岩加固的岩体嵌入式桁架支护结构，其特征在于，其中一根螺纹钢锚杆一(2)和一根螺纹钢锚杆二(3)分别安设于四孔托盘同一对角线方向上的通孔内。

4.根据权利要求1所述的用于顶板围岩加固的岩体嵌入式桁架支护结构，其特征在于，所述的螺纹钢锚杆一(2)在安装螺母一端的端面上设置有指向标记(8)，指向标记(8)的方向与螺纹孔(5)的轴向方向平行，用于在旋进安装螺纹钢锚杆一(2)时，指示位于岩体内部的螺纹孔的轴线方向。

5.根据权利要求1所述的用于顶板围岩加固的岩体嵌入式桁架支护结构，其特征在于，还包括一个方向定位器，所述方向定位器包括圆杆(10)、圆筒(11)和柔性绳(12)，其中圆杆的直径略小于安装螺纹钢锚杆二的钻孔直径，圆筒的外径略小于安装螺纹钢锚杆一的钻孔直径，内径大于螺纹钢锚杆一的直径，圆杆和圆筒之间通过柔性绳连接，圆筒一端设置有凹槽，凹槽的方向与螺纹钢锚杆一端部所开的螺纹孔的轴线方向平行。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种用于顶板围岩加固的岩体嵌入式桁架支护结构的安装方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1：在采区内对需要进行支护的区域进行准确测量，计算出每个合理的布孔位置，并做好标记，以方便后续钻凿钻孔以及锚杆和四孔托盘的安装；

步骤2：利用钻孔设备在顶板围岩上按照事先标记好的位置钻凿合理倾向和深度的钻孔，保证同一对角线方向上相邻的两个四孔托盘之间的两个钻孔沿轴线相交；

步骤3：将树脂药卷打入将要安装螺纹钢锚杆二(3)的钻孔底部，待以后备用；

步骤4：将涨壳式锚头连同螺纹钢锚杆一(2)一同送入钻孔底部，然后转动锚杆以压紧涨壳式锚头使其牢牢与钻孔内壁贴合；

步骤5：将方向定位器的圆筒(11)从外端装进螺纹钢锚杆一(2)中，并放入钻孔中，然后将圆杆(10)放入需要安装螺纹钢锚杆二(3)的钻孔中，保证中间的柔性绳呈紧绷状态，同时转动螺纹钢锚杆一使端部涨壳式锚头压紧并观察螺纹钢锚杆一(2)底部的指示标记，使其与圆筒底部的凹槽方向平齐，然后取出方向定位器；

步骤6：将螺纹钢锚杆二(3)装入与螺纹钢锚杆一(2)相交的钻孔内部，当螺纹钢锚杆二(3)端部的外螺纹柱抵达螺纹钢锚杆一(2)上端部的螺纹孔时，旋转螺纹钢锚杆二(3)使外螺纹柱旋进螺纹孔，并穿过螺纹孔进入钻孔底部，此时外螺纹柱将与位于钻孔底部的树脂药卷相接触，并不断挤压树脂药卷直至挤破树脂药卷使其均匀散布于外螺纹柱周围，以对螺纹钢锚杆二(3)进行进一步的加固，期间可以通过观察位于螺纹钢锚杆二(3)外端部的刻度标尺来判断外螺纹柱进入到钻孔底部与树脂药卷接触的长度；

步骤7：重复步骤3-6，将同一对角线方向上所有的螺纹钢锚杆一和螺纹钢锚杆二依次安装入钻孔，使位于岩体内部相交的两个螺纹钢锚杆相互配合连接，再以相同的方法对另一条对角线上的螺纹钢锚杆一和螺纹钢锚杆二进行依次安装；

步骤8：将四孔托盘依次安装到对应的四根锚杆上，并用螺母将四根锚杆固定，最终使全部安装进入围岩的螺纹钢锚杆均通过四孔托盘在端部连接在一起成为一个整体，共同对上部围岩进行支护加固，形成最终的桁架型支护结构。

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