CN112901230B - 一种用于控制煤岩层剪切错动的抗剪让变锚杆及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于控制煤岩层剪切错动的抗剪让变锚杆及使用方法，涉及锚杆支护技术领域，包括杆体、托盘、锁具螺母和抗剪套筒，其中抗剪套筒包括光滑段、螺纹段、固定密封环、固定密封橡胶环、活动密封圈、活动密封橡胶圈和齿刀，固定密封环套固定在光滑段的端部，固定密封橡胶环与固定密封环相邻并套设在光滑段上，活动密封圈套设在螺纹段上，活动密封橡胶圈和活动密封圈相邻设置，固定密封环和活动密封圈之间设置有抗剪锚固剂，光滑段上还设置有齿刀方便搅拌抗剪锚固剂；以及利用该锚杆控制巷道围岩层间错动的方法。解决了深部薄煤层或含夹矸煤层巷道巷帮围岩易发生剪切错动，普通锚杆支护抗剪强度低、抗剪变形能力弱的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及锚杆支护技术领域，尤其是一种用于控制煤岩层剪切错动的抗剪让变锚杆及其使用方法。
背景技术
我国煤炭资源开发的主要途径为地下开采，畅通、稳定的巷道是安全高效开采的保障。随着矿井开采逐渐转向深部，煤炭资源赋存的地质条件愈趋复杂，煤岩体的力学性态和工程响应均发生根本性变化，巷道围岩破裂变形、支护结构损坏等现象发生的频度、规模以及危害程度等都明显加剧，巷道围岩控制已成为深部开采中迫切需要解决的课题。
煤系地层是典型的沉积地层，具有明显的层状特征，因而巷道围岩中富含层理面。大量工程实践表明：众多巷道的失稳与层理面的剪切错动相关。例如，在薄煤层或含夹矸煤层中开挖巷道后，在巷道两帮存在煤-岩层理面，煤-岩体在外力作用下会发生非均匀水平变形，导致煤-岩层理面产生水平应力，若水平应力超过层理面抗剪强度，则发生煤-岩层理面剪切错动。剪切错动后，煤岩组合岩体的约束条件发生变化，软弱岩层水平约束降低，水平变形进一步增大，层间剪切错动进一步向深部发展，导致巷道产生台阶性错动，甚至产生恶性循环，最终影响巷道围岩的整体稳定性。
穿层锚杆支护是巷道煤岩界面剪切错动控制的有效手段，现在常用的锚杆多为普通端头锚固锚杆或全长锚固锚杆，其对煤-岩层理面剪切错动的控制能力有限。全长锚固锚杆由于其锚固剂充满钻孔，在煤-岩界面剪切错动初期即可发挥抗剪能力，但其让变能力较小，随剪切错动进一步发展，锚杆会发生拉剪破坏，从而失去层理面控制效用，无法控制煤岩界面错动。端头锚固锚杆让变长度大，并且可通过让压组件实现恒阻大变形，但由于锚杆与孔壁间存在间隙，在锚杆剪切错动初期，无法对层理面的剪切错动形成有效控制，在锚杆尚未充分发挥抗剪能力前，层理面可能已达到极限抗剪强度，无法发挥锚杆和层理面抗剪能力的叠加优势，且由于锚杆直径较小，其在后期提供的抗剪能力有限，随着剪切错动的发展，锚杆也会发生拉剪破坏。
为此，需要提供一种针对深部巷道煤岩层理面剪切错动控制的锚杆，既可以在早期充分发挥其抗剪能力，使锚杆和层理面尽可能同时达到其抗剪强度峰值，又具有足够的让变能力，有效控制巷道围岩剪切错动变形，降低巷道返修量，保证安全生产。
发明内容
为了解决深部薄煤层或含夹矸煤层巷道巷帮围岩易发生剪切错动，锚杆锚固抗剪变形能力弱的技术问题，本发明提供了一种用于控制煤岩层剪切错动的抗剪让变锚杆及使用方法，具体的技术方案如下。
一种用于控制煤岩层剪切错动的抗剪让变锚杆，包括杆体、托盘、锁具螺母和抗剪套筒，抗剪套筒包括光滑段、螺纹段、固定密封环、固定密封橡胶环、活动密封圈、活动密封橡胶圈和齿刀，其中光滑段和螺纹段相连并与杆体同轴，固定密封环套设固定在光滑段的端部，固定密封橡胶环与固定密封环相邻并套设在光滑段上；活动密封圈套设在螺纹段上，活动密封橡胶圈和活动密封圈相邻设置；固定密封环和活动密封圈之间设置有抗剪锚固剂，所述光滑段上还设置有齿刀。
优选的是，抗剪套筒设置在杆体中部，其长度的1/4至3/4处；抗剪套筒的长度为0.2～0.8m，抗剪套筒安装定位于煤-岩层层理面位置。
进一步优选的是，固定密封环靠近锚杆的后端设置，固定密封橡胶环设置在固定密封环的前方；活动密封圈靠近锚杆的前端设置，活动密封橡胶圈设置在活动密封圈的后方；其中杆体的外露端为后端、锚固端为前端。
进一步优选的是，活动密封橡胶圈的外径大于活动密封圈的外径；固定密封橡胶环的外径大于固定密封环的外径；活动密封橡胶圈和固定密封橡胶环的外径大于钻孔的直径3～5mm。
还优选的是，光滑段和螺纹段的长度比例在2:1至1:1之间，抗剪套筒套设并通过临时胶结剂材料固定在杆体上。
还优选的是，抗剪锚固剂包括锚固剂A料和锚固剂B料，锚固剂A料和锚固剂B料均呈环状；锚固剂A料套设在光滑段上，锚固剂B料套设在锚固剂A料上。
还优选的是，齿刀为锥形，螺旋状布置于抗剪套筒的光滑段上。
进一步优选的是，锚固剂A料和锚固剂B料混合后凝固形成抗剪混合锚固剂。
一种抗剪让变层间剪切错动控制方法，利用上述的一种用于控制煤岩层剪切错动的抗剪让变锚杆，步骤包括：
步骤一：在巷帮沿设定倾角钻设与煤-岩层理面斜交的锚杆钻孔；
步骤二：通过钻孔电视或根据地测报告理论计算确定锚杆钻孔内煤-矸层理面或煤-岩层理面的位置；
步骤三：安装端头锚固剂和抗剪锚固剂，将抗剪让变层间剪切错动控制锚杆平推入钻孔中，抗剪套筒光滑段的中部置于煤-矸层理面或煤-岩层理面处；
步骤四：利用锚杆机和杆体相连，转动杆体后活动密封橡胶圈和活动密封圈向固定密封环一侧移动，同时齿刀搅动抗剪锚固剂；
步骤五：安装托盘和锁具螺母，施加预紧力；
步骤六：锚固后抗剪让变层间剪切错动控制锚杆，在层理面错动初期，锚杆发挥销钉作用来控制层理面抗剪；层理面错动后期抗剪套筒和杆体之间的临时胶结剂材料失效，杆体沿抗剪套筒错动，发挥杆体锚固端至锁具端的让变能力。
还优选的是，锚固端设置在稳定岩层内；若巷道埋深大，减小锚杆的设置间距；若煤体强度低等，减小锚杆的设置间距。
本发明的有益效果包括：
(1)提供了一种用于控制煤岩层剪切错动的抗剪让变锚杆，设置有抗剪套筒，安装时抗剪套筒和杆体固定，安装后杆体受力，杆体与抗剪套筒自由错动，从而提升锚杆的让变变形能力；抗剪套筒设置的固定密封橡胶环和活动密封橡胶圈，从而保证抗剪锚固剂在抗剪套筒的位置锚固，充分发挥锚杆初期的销钉作用。
(2)该锚杆抗剪套筒上还设置螺纹段，活动密封圈内设有相匹配的螺纹，由于活动密封橡胶圈直径略大于钻孔直径，旋转锚杆时，活动密封橡胶圈与钻孔壁之间的摩擦阻力使活动密封圈不随锚杆同步转动，同时在螺纹扭力下活动密封橡胶圈和活动密封圈可以沿着螺纹段轴向运动，挤压光滑段上的抗剪锚固剂，使其充满锚杆与孔壁之间的空间；光滑段上还设置有齿刀从而可以更好的锚固，并加强锚固剂和锚杆之间的连接；抗剪套筒套设并通过临时胶结剂材料固定在杆体上，从而保证了安装过程中杆体和抗剪套筒之间的固定，方便安装，当锚杆变形后该粘结失效，锚杆可以沿抗剪套筒错动，提高让变变形能力。
(3)该抗剪让变层间剪切错动控制方法，通过钻孔电视或通过地测报告理论计算等方法勘测煤-岩层理面的位置，从而可以保证抗剪套筒准确的安装在层理面的位置，保证抗剪套筒发挥作用；另外在层理面错动初期，锚杆可以充分发挥销钉作用，控制层理面抗剪，层理面错动后期抗剪套筒和杆体之间的临时胶结剂材料失效，杆体沿抗剪套筒错动，锚杆让变段为端头锚固区至端部锁具区，让变范围大，让变能力强，可以通过加装恒阻大变形机构，实现恒阻大变形，防止锚杆被拉剪破坏，提高抗剪让变能力。
附图说明
图1是半煤岩巷道的巷帮层理面剪切错动示意图；
图2是含软弱夹矸煤层巷道巷帮层理面剪切错动示意图；
图3是抗剪让变层间剪切错动控制锚杆安装前结构示意图；
图4是抗剪让变层间剪切错动控制锚杆安装后的结构示意图；
图5是图3的抗剪套筒位置A-A截面示意图；
图6是图4的抗剪套筒位置B-B截面示意图；
图7是抗剪套筒部分结构示意图；
图8是半煤岩巷道支护结构示意图；
图9是软弱夹矸巷道支护结构示意图；
图10是图8中O位置处抗剪让变层间剪切错动控制锚杆锚固层理面的示意图；
图中：1-杆体；2-托盘；3-锁具螺母；4-抗剪套筒；41-光滑段；42-螺纹段；43-固定密封环；44-固定密封橡胶环；45-活动密封圈；46-活动密封橡胶圈；47-齿刀；5-抗剪锚固剂；51-锚固剂A料；52-锚固剂B料；6-顶板；7-煤层；8-底板；9-煤-岩分界面；10-夹矸。
具体实施方式
结合图1至图10所示，本发明提供的一种用于控制煤岩层剪切错动的抗剪让变锚杆及控制方法具体实施方式如下。
如图1和图2所示，在薄煤层或含夹矸煤层中开挖巷道后，在巷道两帮存在煤-岩层理面，煤-岩体在外力作用下会发生非均匀水平变形，导致煤-岩层理面产生水平应力，若水平应力超过层理面抗剪强度，则发生煤-岩层理面剪切错动。剪切错动后，煤岩组合岩体的约束条件发生变化，软弱岩层水平约束降低，水平变形进一步增大，层间剪切错动进一步向深部发展，导致巷道产生台阶性错动，甚至产生恶性循环，最终影响巷道围岩的整体稳定性。
穿层锚杆支护是巷道煤-岩层理面剪切错动控制的有效手段，即煤层和岩层之间节理面，节理剪切错动控制多为让变控制，通过增大剪切让变能力，通过设计锚杆、锚索组合体，在剪切错动区域利用锚索让变，防止锚杆在围岩剪切错动作用下发生剪切破坏失效，但是这种方法，仅增加了锚杆的让剪能力，对层理面剪切错动未施加主动控制，无法有效控制层理面剪切错动。通过实验室小尺度加锚剪切试验分析不同锚固方式节理抗剪强度变化特性，得出锚杆可以提高节理剪抗剪能力，且全长锚固预应力锚杆相较端头锚固锚杆可更有效提高层理面抗剪特性。但是上述试验结果，仅为室内试验结论，与工程实际差距较大，全长锚固由于锚固剂充满钻孔，层理剪切错动初期即发挥抗剪能力，因此其让变能力小，该锚杆的变形长度仅为锚杆直径的3-5倍，即10cm左右，在深部强地应力作用下，全长锚固预应力锚杆可以在一定程度上提高层理面抗剪强度，但过快发挥其抗剪强度，随剪切错动进一步发展，锚杆发生拉剪破坏，从而失去对层理面控制效用，无法持续控制层理面错动。端头锚固锚杆由于其让变长度大，并且可通过让变组件实现恒阻大变形，但是由于其锚杆直径小于钻孔直径，在锚杆剪切错动初期，无法对层理面剪切错动形成有效控制，在锚杆为充分发挥抗剪能力前，层理面剪切错动达到其极限程度，导致层理面剪切错动，而通过锚杆抗剪切强度与层理面残余抗剪强度无法实现层理面剪切错动控制。
由于常规全长锚固与端头锚杆都无法对深部煤-岩或煤-矸层理面剪切错动进行有效控制，而深部巷道巷帮围岩剪切错动问题突出，提供了一种用于控制煤岩层剪切错动的抗剪让变锚杆及控制方法，即可早期充分发挥其抗剪能力，又具有足够的让变能力，使锚杆和层理面同时达到其抗剪强度峰值，有效控制巷道剪切错动变形，降低巷道返修量，保证安全生产。
一种用于控制煤岩层剪切错动的抗剪让变锚杆具体的结构包括杆体1、托盘2、锁具螺母3和抗剪套筒4，杆体1上设置有抗剪套筒4，安装时抗剪套筒4和杆体1临时固定，安装后杆体1受力，杆体1与抗剪套筒4自由错动，从而提升锚杆的让变变形能力；抗剪套筒4设置的固定密封橡胶环和活动密封橡胶圈，从而保证抗剪锚固剂在抗剪套筒的位置锚固，充分发挥锚杆初期的销钉作用。
其中，抗剪套筒包括光滑段41、螺纹段42、固定密封环43、固定密封橡胶环44、活动密封圈45、活动密封橡胶圈46和齿刀47，该光滑段41和螺纹段42相连并与杆体1同轴，固定密封环43套设固定在光滑段41的端部，固定密封橡胶环44与固定密封环43相邻并套设在光滑段上。活动密封圈45套设在螺纹段42上，与螺纹段42通过螺纹连接，活动密封橡胶圈46和活动密封圈45相邻设置，同样与螺纹段42通过螺纹连接。固定密封环43和活动密封圈45之间设置有抗剪锚固剂5，光滑段上还设置有齿刀47，安装锚杆时，随杆体旋转，搅拌抗剪锚固剂5。
抗剪套筒4设置在杆体1中部，大约在其长度的1/4至3/4处，保证该部分在锚杆的中部左右的位置，从而可以更好的发挥锚杆的销钉作用(即销钉作用)。另外抗剪套筒4的长度为0.2～0.8m，抗剪套筒4安装定位于煤-岩层理面位置，抗剪套筒4的位置可以根据实际的层理面位置具体确定；该抗剪套筒4的长度范围可以根据实际地质环境及锚杆的设定倾角具体确定，经实际使用反馈该长度范围内的锚固效果更好。光滑段41和螺纹段42的长度比例在2:1至1:1之间，从而可以保证抗剪锚固剂5的设置长度，并方便固定密封环挤压套筒上固定的抗剪锚固剂5，使其充满钻孔壁与抗剪锚固套筒之间空间。抗剪套筒4套设并通过临时胶结剂材料固定在杆体上，所以杆体和抗剪套筒可以分别制作，组合使用，抗剪套筒在杆体上的位置也可以任意选取，其可以选用普通粘合胶粘合，粘合强度能够保证锚杆安装；胶结剂材料可以是环氧树脂或透水混凝土等材料。锚杆安装完成后，受围岩变形影响锚杆杆体与抗剪套筒间发生剪切错动，锚杆受拉时，胶结力约为2～8KN，不会阻止锚杆杆体与抗剪套筒之间错动，保证良好让变。
固定密封环43靠近锚杆的后端设置，固定密封橡胶环44设置在固定密封环的前方；活动密封圈45靠近锚杆的前端设置，活动密封橡胶圈46设置在活动密封圈的前方；其中杆体1的外露端为后端、锚固端为前端。活动密封橡胶圈46的外径大于活动密封圈的外径，活动密封橡胶圈46采用橡胶材料制作而成；固定密封橡胶环44的外径大于固定密封环的外径，固定密封橡胶环44采用橡胶材料制作而成；固定密封橡胶环44的外径大于钻孔的直径3～5mm，由于使用橡胶材料所以其外径大于锚杆钻孔的孔径不会影响锚杆导入锚杆钻孔。
抗剪锚固剂5包括锚固剂A料51和锚固剂B料52，其中锚固剂A料51和锚固剂B料52均呈环状，通过扎带等临时固定于抗剪套筒4上。锚固剂A料51套设在光滑段上，锚固剂B料52套设在锚固剂A料51上。齿刀47随杆体旋转，锚固剂A料51和锚固剂B料52混合后，反应凝固形成抗剪锚固剂。
为了即可以早期充分发挥其抗剪能力，又具有足够的让变能力，使锚杆和层理面尽可能同时达到其抗剪强度峰值，充分发挥抗剪力叠加作用，有效控制巷道剪切错动变形，还提供一种抗剪让变层间剪切错动控制方法，利用上述的一种抗剪让变层间剪切错动控制锚杆，步骤包括：
步骤一：在巷帮沿设定倾角钻设与煤-岩层理面斜交的锚杆钻孔，钻孔与层理面之间的夹角为30～60°。钻孔的间距根据实际地质情况确定，钻孔的孔径根据锚杆的尺寸确定。
步骤二：通过钻孔电视或利用地测报告理论计算等方式，确定锚杆钻孔内煤-岩层理面的位置，主要是层理面在钻孔内的长度位置。
步骤三：安装端头锚固剂和抗剪锚固剂，将抗剪让变层间剪切错动控制锚杆放入钻孔中，抗剪套筒光滑段的中部置于煤-岩层理面处。
步骤四：连接锚杆钻机和锚杆杆体，转动杆体后活动密封橡胶圈和活动密封圈向固定密封环一侧移动，同时齿刀搅碎抗剪锚固剂A料和锚固剂B料的包装膜，并搅拌锚固剂A料和锚固剂B料使之均匀混合，反应凝固后形成抗剪锚固剂。
步骤五：安装托盘和锁具螺母，施加预紧力。
步骤六：锚固后抗剪让变层间剪切错动控制锚杆，在层理面错动初期，锚杆发挥销钉作用(即销钉作用)来控制层理面抗剪；层理面错动后期抗剪套筒和杆体之间的临时胶结剂材料失效，杆体沿抗剪套筒错动，发挥杆体锚固端至锁具端的抗剪让变能力。
其中锚杆的锚固端设置在稳定岩层内；若巷道埋深大，减小锚杆的设置间距；若煤体强度低等，减小锚杆的设置间距。
对半煤岩巷道的巷帮层理面剪切错动的控制如图8所示，由于巷道上部煤体强度较小，巷道下部岩体强度较大，在支承压力作用下，巷道上部煤体横向变形大于巷道下部岩体，在半煤岩巷道帮部煤岩界面容易发生剪切错动，这种错动在巷帮形成台阶状结构，降低围岩稳定性，加大巷道围岩变形。根据抗剪让变层间剪切错动控制锚杆的原理，在原有巷道支护方案条件下，于巷帮层理面进行补强支护，在普通水平锚杆排距间补打抗剪让变层间剪切错动控制锚杆，加强煤岩层理面抗剪强度，抑制煤岩层理面剪切错动，增加围岩稳定性。具体是在巷道上部煤体范围内分别沿45°和135°倾角钻孔，贯穿煤岩层理面钻至坚硬岩层(一般为顶板或底板岩层)，锚杆数量根据巷道深度、地应力大小、煤体强度等地质条件确定，具体是：巷道埋深大、地应力大、煤体强度低等，增大设置密度，在常规锚杆排距间设置多排抗剪让变层间剪切错动锚杆。根据现场实测，若增加抗剪让变层间剪切错动控制锚杆后，巷帮煤岩层理面仍错动明显则继续加大补强密度，反之密度减小。
对于软弱夹矸巷道巷帮层理面剪切错动的控制如图9所示，煤体中部含软弱夹矸，煤体强度较大，夹矸强度低，在支承压力作用下，夹矸横向变形大于煤体，在夹矸与煤体界面容易发生剪切错动，导致夹矸挤出，降低围岩稳定性，加大巷道围岩变形。根据抗剪让变层间剪切错动控制锚杆的原理，在原有支护方案下，于巷帮夹矸与煤体界面进行补强支护，在普通水平锚杆排距间补打抗剪让变层间剪切错动控制锚杆，加强煤岩层理面抗剪强度，抑制煤岩层理面剪切错动，增加围岩稳定性。在巷道夹矸范围内间隔沿45°和135°倾角钻孔，贯穿煤岩层理面钻至坚硬岩层(一般为煤体)，锚杆数量根据巷道深度、地应力大小、煤体强度等地质条件确定，具体是：巷道埋深大、地应力大、煤体强度低等，增大设置密度，在常规锚杆排距间设置多排抗剪让变层间剪切错动锚杆。根据现场实测，若增加抗剪让变层间剪切错动控制锚杆后，巷帮煤岩层理面仍错动明显则继续加大补强密度，反之密度减小。
该抗剪让变层间剪切错动控制方法，通过钻孔电视或利用地测报告理论计算等方法勘测煤-岩层理面的位置，从而可以保证抗剪套筒准确的安装在层理面的位置，保证抗剪套筒发挥作用；另外在层理面错动初期，锚杆可以充分发挥销钉作用，控制层理面抗剪，层理面错动后期抗剪套筒和杆体之间的临时胶结剂材料失效，杆体沿抗剪套筒错动，锚杆让变段为端头锚固区至端部锁具区，让变范围大，让变能力强，可以通过加装恒阻大变形机构，实现恒阻大变形，防止锚杆被拉剪破坏，提高抗剪让变能力。
表1不同支护方式支护参数及支护效果
为了进一步的说明该抗剪让变层间剪切错动控制锚杆及控制方法的支护效果，以某矿1201回风顺槽支护为例，对比端锚支护、全锚支护、抗剪让变层间剪切错动控制锚杆支护的支护参数及支护效果。本工作面长1000m，埋深650m，为薄煤层开采，煤厚1.5m，巷道沿顶板掘进，巷道高度2.8m，卧底1.3m，巷道整体为半煤岩巷。为验证抗剪让变层间剪切错动控制锚杆控制效果，分别于回风顺槽分段采用不同支护，分段长度150m，对比分析巷道支护效果。不同支护方式支护参数及支护效果如表1所示。
结合表1和图10所示，方案三中抗剪让变层间剪切错动控制锚杆通过控制层理面的变形，充分发挥锚杆的抗剪能力，提高巷道整体强度，有效控制巷道剪切错动变形，降低巷道返修量，保证安全生产。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种用于控制煤岩层剪切错动的抗剪让变锚杆，包括杆体、托盘、锁具螺母和抗剪套筒，其特征在于，所述抗剪套筒包括光滑段、螺纹段、固定密封环、固定密封橡胶环、活动密封圈、活动密封橡胶圈和齿刀，所述光滑段和螺纹段相连并与杆体同轴，所述固定密封环套设固定在光滑段的端部，固定密封橡胶环与固定密封环相邻并套设在光滑段上；所述活动密封圈套设在螺纹段上，活动密封橡胶圈和活动密封圈相邻设置；所述固定密封环和活动密封圈之间设置有抗剪锚固剂，所述光滑段上还设置有齿刀；
所述抗剪套筒设置在杆体长度的1/4至3/4处；所述抗剪套筒的长度为0.2~0.8m，抗剪套筒安装定位于煤-岩层理面位置；
所述固定密封环设置锚杆的后部，固定密封橡胶环设置在固定密封环的前方；所述活动密封圈设置在锚杆的后部，活动密封橡胶圈设置在活动密封圈的前方；其中杆体的外露端为后端,杆体的锚固端为前端；
所述活动密封橡胶圈的外径大于活动密封圈的外径；所述固定密封橡胶环的外径大于固定密封环的外径；所述固定密封橡胶环的外径比钻孔的直径大3~5mm。
2.根据权利要求1所述的一种用于控制煤岩层剪切错动的抗剪让变锚杆，其特征在于，所述光滑段和螺纹段的长度比例在2:1至1:1之间，所述抗剪套筒套设并通过胶结剂材料固定在杆体上。
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