CN113294185A - 一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法，对钻孔内围岩裂隙分形特征进行逐段评价，找到稳定锚固段围岩，确定钻孔深度L，设计“内预紧力‑机械化学锚固力”联合提升套筒，在锚固剂化学作用下，联合提升套筒与稳定锚固围岩段紧密锚固在钻孔孔底，锚杆杆体与联合提升套筒的多线密集螺纹完全咬合，且圆形扩径器将机械增压段撑开，使其紧密贴合钻孔内壁，实现机械锚固力的施加，通过改变预紧力施加位置，实现化学锚固力与机械预紧力在相同位置的同时加载、联动提升，其将锚杆预紧、锚固位置均转移至稳定锚固区域。上述过程中，机械力胀推产生机械锚固力，提高锚杆锚固效果；锚杆锚固效果的提升，反过来有利于预紧力“保值”。
Description
技术领域
本发明涉及采矿工程巷道支护方法技术领域，具体涉及一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法。
背景技术
在煤矿开采过程的煤巷中，由于巷道帮部本身就是由裂隙发育的煤体组成，加之受采动影响，煤帮内裂隙迅速发育形成一定范围的碎裂煤体，有时破裂范围会远远大于常规锚杆长度。在碎裂煤帮内，按照常规技术程序钻孔、锚固、预紧流程施工进行锚杆支护，若设计的钻孔刚好位于碎裂煤帮内，由于钻孔孔壁煤体较为碎裂、空隙较大且深，将导致锚固剂向裂隙内大量流失，使得设计锚固长度减少，锚固质量降低；待锚杆安装完毕后，采用拉力计进行锚固力测试，易会出现锚固力不合格、锚杆拉出等现象，即便锚杆安装完毕初期锚固力测试合格，但随着时间增长，煤体碎裂程度加剧，亦会造成锚固力的逐渐下降，进而导致锚杆预紧力的降低，使得锚杆处于“无效”工作状态。
针对碎裂煤体内锚固失效问题，常规做法是通过大范围注浆加固改善围岩力学特性，再进行锚杆安装，但注浆工序劳工、费时、成本高、效果差。本发明将提出了一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法，首先对碎裂煤帮内煤体裂隙分形特征进行评价，确定锚杆锚固区域；然后通过改变施工方法和工艺，实现锚杆预紧力和锚固力在时间、空间和效果的同步加载、相互作用和有效联动，进而提高碎裂煤帮条件下锚杆支护效果。
发明内容
针对碎裂煤帮条件下锚固力不足、预紧锚固配合效果差、预紧形式单一的问题，本发明专利提出一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法。
本发明采用的技术方案是：一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法，其具体步骤为：
步骤1)巷道煤帮煤体裂隙分形特征评价，利用钻孔窥视技术对钻孔内围岩裂隙分形特征进行逐段评价，直至找到稳定锚固段围岩
步骤1.1)确定观测起始长度w
自巷道表面，由浅至深，进行钻孔施工，若钻孔过程中出现吸钻、卡钻、夹钻或塌孔现象，则该范围内钻孔不适合锚固，继续钻孔，直至钻孔能够完整成型的煤体区域，确定观测起始长度w；
步骤1.2)确定基本锚固观测尺度l
基本锚固观测尺度l根据巷道的煤体赋存情况确定，若煤体夹矸层数在0-3层，则基本锚固观测尺度l选为20-30cm；若煤体夹矸层数在4-6层，则基本锚固观测尺度l选为40-50cm；
步骤1.3)判断钻孔内煤体裂隙分形特征，以单个裂隙发育情况与裂隙劣化比两个指标判断基本锚固观测尺度内煤体裂隙发育程度
步骤1.3.1)若单个裂隙的长度或者宽度贯穿钻孔基本锚固观测尺度或者单个裂隙的长度或者宽度大于5cm，判断为无法锚固围岩段，否则进行下一步判断；
步骤1.3.2)判断计算裂隙劣化比，裂隙劣化比是指裂隙面积占测量尺度面积的比例，其表达式为：
式中，k为围岩劣化比；l为基本锚固观测尺度；r为钻孔直径；a’为裂隙长度；b’为裂隙宽度；i代表裂隙条数；
根据煤体裂隙劣化比判断该基本锚固观测段是否能够进行锚固，当0≤k＜0.3时，为稳定围岩，即该基本锚固观测段能够进行锚固；k≥0.3时，为破裂围岩，即该基本锚固观测段不能进行锚固；
重复步骤1.1)-步骤1.3)，逐段进行钻孔窥视判断围岩稳定性，直至找到稳定锚固段，最终确定钻孔深度L，其表达式为：
L＝w+nl (2)
其中，w为观测起始长度；l为基本锚固观测尺度；n为观测段数；
步骤2)预紧锚固联动提升方案
步骤2.1)设计“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒
“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒长度与基本锚固观测尺度l相适应，其结构为一端封闭一端开口的管状结构，其封闭端为锚固段，锚固段包括安装锚固剂的化学锚固常规段和位于端部的化学锚固增强段，化学锚固增强段的直径略大于化学锚固常规段的直径，锚固段外周设置化学锚固剂圆形释放孔，所述化学锚固剂圆形释放孔沿锚固段周向及轴向均布；其后为机械预紧段和变径保护段，机械预紧段设置内多线密集螺纹，用于与锚杆外多线密集螺纹连接，变径保护段连接机械增压段，所述机械增压段管体周向至少开设成四片，其尾部逐渐向外张开；锚杆对应“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒内多线密集螺纹的部位设有外多线密集螺纹，并设置用于对机械增压段起到扩张支撑作用的圆形扩径器；所述化学锚固增强段和化学锚固常规段的长度之和等于机械预紧段、变径保护段和机械增压段的长度之和；所述机械预紧段、变径保护段和机械增压段的长度相等；所述机械预紧段、变径保护段和化学锚固增强段的直径相等；所述圆形扩径器与锚杆固连，圆形扩径器的直径小于机械增压段尾部的直径，大于机械增压段和变径保护段连接处的直径，当锚杆杆体外多线密集螺纹与“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒内多线密集螺纹完全咬合，圆形扩径器位于机械增压段和变径保护段连接处；
步骤2.2)初步锚固
将化学锚固剂放入“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒的锚固段内，锚固段与机械预紧段之间设置有焊接隔板，然后把“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒与锚杆套在一起，缓慢推入至钻孔孔底，钻孔外锚杆尾部通过连接套与风动钻机连接，首先开动钻机捅破化学锚固常规段与机械预紧段之间的焊接隔板，然后搅拌锚固剂，边搅拌边推进，直至锚杆旋转推入至其外多线密集螺纹与中部预紧段的内多线密集螺纹的起始端接近，搅拌一段时间停机，锚固剂通过锚固剂圆形释放孔释放，该过程中，在锚固剂化学作用下，“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒与稳定锚固围岩段紧密锚固在钻孔孔底；
步骤2.3)内部预紧力与机械、化学锚固力联动加载
步骤2.3.1)调整降低风动锚杆钻机转速后继续开动钻机，缓慢搅拌锚固剂，锚杆旋转推入至孔底，使得锚杆杆体外多线密集螺纹与“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒内多线密集螺纹完全咬合，同时使得圆形扩径器将机械增压段撑开，使其紧密贴合钻孔内壁，实现机械锚固力的施加；
步骤2.3.2)风动锚杆钻机旋转推入锚杆直至外侧锁紧装置挤压钢带微变形，达到设计预紧力后，撤下钻具。
有益效果：(1)不同于以往采用大范围注浆加固碎裂煤帮的方法，本发明提出的裂隙分形特征围岩破裂评价方法，能够准确研判钻孔内部围岩裂隙分形特征情况，可以精准确定钻孔内部的稳定锚固区域，长度20-40cm不等，作为锚杆支护锚固基础，锚固可靠，锚固质量优，省时、省力、经济节约。
(2)常规锚杆支护流程中，先锚固后预紧，预紧工艺滞后于锚固工艺，即先有锚固力，后有预紧力。本发明中提出了一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法，通过改变预紧力施加位置，实现了化学锚固力与机械预紧力在相同位置的同时加载、联动提升，其将锚杆预紧、锚固位置均转移至稳定锚固区域，锚杆预紧的过程中，通过机械力胀推产生机械锚固力，显著提高锚杆锚固效果；锚杆锚固效果的提升，反过来有利于预紧力“保值”。
(3)本发明提出的一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法，在碎裂煤帮内的稳定锚固区域内实现了预紧力、锚固力的联动提升，能够在大范围碎裂煤帮内达到短距离、强力锚固效果。
附图说明
图1为巷道煤帮钻孔内裂隙分形特征评价流程图；
图2为预紧力与机械化学锚固力联动提升整体式锚杆；
图3为“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒；
图4为机械增压段A-A剖面图；
图5为碎裂煤帮内预紧力与机械、化学锚固力联动提升过程；
图中，1-外侧锁紧装置；2-锚杆杆体；3-圆形扩径器；4-外多线密集螺纹；5-内多线密集螺纹；6-焊接隔板；7-圆形释放孔；8-机械增压段；9-变径保护段；10-机械预紧段；11-化学锚固常规段；12-化学锚固强化段；13-开槽；14-扩径片；15-稳定锚固围岩段；16-锚固剂；17-煤帮碎裂围岩段。
具体实施方式
实施例1
一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法，利用钻孔窥视方法对钻孔内围岩碎裂程度进行评估，确定钻孔深度L；然后，通过改造锚杆结构，增加锚固方式，改变预紧力施加的时间和空间位置，实现内预紧与机械、化学锚固力联动提升，其具体步骤为：
步骤1)巷道煤帮煤体裂隙分形特征评价，利用钻孔窥视技术对钻孔内围岩裂隙分形特征进行逐段评价，直至找到稳定锚固段围岩(如图1所示)
步骤1.1)确定观测起始长度w
自巷道表面，由浅至深，进行钻孔施工，若钻孔过程中出现吸钻、卡钻、夹钻或塌孔现象，则该范围内钻孔不适合锚固，继续钻孔，直至钻孔能够完整成型的煤体区域，确定观测起始长度w；
步骤1.2)确定基本锚固观测尺度l
基本锚固观测尺度l根据巷道的煤体赋存情况确定，若煤体夹矸层数在0-3层，则基本锚固观测尺度l选为20-30cm；若煤体夹矸层数在4-6层，则基本锚固观测尺度l选为40-50cm；
步骤1.3)判断钻孔内煤体裂隙分形特征，以单个裂隙发育情况与裂隙劣化比两个指标判断基本锚固观测尺度内煤体裂隙发育程度
步骤1.3.1)若单个裂隙的长度或者宽度贯穿钻孔基本锚固观测尺度或者单个裂隙的长度或者宽度大于5cm，判断为无法锚固围岩段，否则进行下一步判断；
步骤1.3.2)判断计算裂隙劣化比，裂隙劣化比是指裂隙面积占测量尺度面积的比例，其表达式为：
式中，k为围岩劣化比；l为基本锚固观测尺度；r为钻孔直径；a’为裂隙长度；b’为裂隙宽度；i代表裂隙条数；
根据煤体裂隙劣化比判断该基本锚固观测段是否能够进行锚固，当0≤k＜0.3时，为稳定围岩，即该基本锚固观测段能够进行锚固；k≥0.3时，为破裂围岩，即该基本锚固观测段不能进行锚固；
重复步骤1.1)-步骤1.3)，逐段进行钻孔窥视判断围岩稳定性，直至找到稳定锚固段，最终确定钻孔深度L，其表达式为：
L＝w+nl (2)
其中，w为观测起始长度；l为基本锚固观测尺度；n为观测段数；
步骤2)预紧锚固联动提升方案
步骤2.1)设计“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒(如图2和图3所示)
“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒长度与基本锚固观测尺度l相适应，长度关系满足“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒的长度等于基本锚固观测尺度l的长度。“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒包括化学锚固强化段12，化学锚固常规段11，机械预紧段10，变径保护段9和机械增压段8。机械预紧段10、变径保护段9和机械增压段8的长度相等，即a＝b＝c，机械预紧段10、变径保护段9和机械增压段8的长度之和等于锚固强化段12和化学锚固常规段11的长度之和，即a+b+c＝h，机械预紧段10、变径保护段9、机械增压段8、锚固强化段12和化学锚固常规段11的长度之和等于基本锚固观测尺度l，即a+b+c+h＝l。化学锚固强化段12直径小于钻孔直径1mm，长度e为1～2cm，其目的是便于锚固剂释放后，迅速将化学锚固强化段12与稳定锚固围岩段15锚固在一起，将“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒固定在孔底；化学锚固常规段11长度为dcm，内部为中空，储存锚固剂，并设置多组锚固剂释放孔，释放孔直径为2cm；机械预紧段10直径小于钻孔直径3mm，长度c为3～8cm，其结构上内表面为内多线密集螺纹，用来减少预紧力施加过程中摩擦系数，增大预紧力力矩与预紧力转化系数；机械预紧段10与机械增压段8中有变径保护段9，其长度b为3～8cm，作用是防止圆形扩径器3上移过程中破坏机械预紧段10结构，影响预紧力效果；机械增压段8呈圆台形状，并且在筒壁上设有4个开槽13，将机械增压段分成4片(如图4所示)，机械增压段直径从上至下逐渐增大，最终机械增压段直径小于钻孔直径1mm，长度a为3～8cm。
步骤2.2)初步锚固
将化学锚固剂16放入“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒的端部化学锚固正常段11内，然后把“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒(图3)下部与锚杆杆体2套在一起，缓慢推入至钻孔孔底。钻孔外锚杆尾部通过连接套与风动钻机连接，首先开动钻机捅破化学锚固正常段11与机械预紧段10之间的焊接隔板6，然后搅拌锚固剂，边搅拌边推进，直至锚杆旋转推入(a+b)cm，搅拌一段时间，锚固剂16通过锚固剂圆形释放孔7释放，该过程中，在锚固剂化学作用下，“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒(图3)与稳定锚固围岩段15紧密锚固在钻孔孔底，如图5a；
步骤2.3)内部预紧力与机械、化学锚固力联动加载
步骤2.3.1)调整降低风动锚杆钻机转速后继续开动钻机，继续缓慢搅拌锚固剂，锚杆旋转推入至孔底，使得锚杆杆体外多线密集螺纹4与“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒中的内多线密集螺纹5相互咬合，外多线密集螺纹5位于距锚杆首端hcm杆体处，其长度为ccm。同时使得位于距锚杆首段(b+c+h)cm处的圆形扩径器3能够将机械增压段8撑开，使其紧密贴合钻孔内壁，实现机械锚固力的施加，如图5b；
步骤2.3.2)风动锚杆钻机旋转推入锚杆直至外侧锁紧装置1挤压钢带微变形，达到设计预紧力后，撤下钻具，如图5c。
Claims (9)
1.一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1)利用钻孔窥视技术对钻孔内围岩裂隙分形特征进行逐段评价，根据煤体区域内钻孔是否能够完整成型确定观测起始长度w；根据巷道的煤体赋存情况确定基本锚固观测尺度l；以单个裂隙发育情况与裂隙劣化比两个指标判断基本锚固观测尺度内煤体裂隙发育程度，从而判断基本锚固观测段是否能够进行锚固，重复上述步骤，逐段进行钻孔窥视判断围岩稳定性，直至找到稳定锚固段，最终确定钻孔深度L；
步骤2)预紧锚固联动提升方案
步骤2.1)设计“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒
“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒长度与基本锚固观测尺度l相适应，其结构为一端封闭一端开口的管状结构，其封闭端为锚固段，锚固段包括安装锚固剂的化学锚固常规段和位于端部的化学锚固增强段，化学锚固增强段的直径略大于化学锚固常规段的直径，锚固段外周设置化学锚固剂圆形释放孔；其后为机械预紧段和变径保护段，机械预紧段设置内多线密集螺纹，用于与锚杆外多线密集螺纹连接，变径保护段连接机械增压段，所述机械增压段管体周向至少开设成四片，其尾部逐渐向外张开；锚杆对应“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒内多线密集螺纹的部位设有外多线密集螺纹，并设置用于对机械增压段起到扩张支撑作用的圆形扩径器以及安装于锚杆尾端的外侧锁紧装置；所述锚固段的长度等于机械预紧段、变径保护段和机械增压段的长度之和；
步骤2.2)初步锚固
将化学锚固剂放入“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒的锚固段内，然后把“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒与锚杆套在一起，缓慢推入至钻孔孔底，开动钻机捅破化学锚固常规段与机械预紧段之间的焊接隔板，然后搅拌锚固剂，边搅拌边推进，直至锚杆旋转推入至其外多线密集螺纹与中部预紧段的内多线密集螺纹的起始端接近，搅拌一段时间停机，锚固剂通过锚固剂圆形释放孔释放，上述过程中，在锚固剂化学作用下，“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒与稳定锚固围岩段紧密锚固在钻孔孔底；
步骤2.3)内部预紧力与机械、化学锚固力联动加载
步骤2.3.1)调整降低风动锚杆钻机转速后继续开动钻机，缓慢搅拌锚固剂，锚杆旋转推入至孔底，使得锚杆杆体外多线密集螺纹与“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒内多线密集螺纹完全咬合，同时使得圆形扩径器将机械增压段撑开，使其紧密贴合钻孔内壁，实现机械锚固力的施加；
步骤2.3.2)风动锚杆钻机旋转推入锚杆直至外侧锁紧装置挤压钢带微变形，达到设计预紧力后，撤下钻具。
2.根据权利要求1所述的一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法，其特征在于，步骤1)中，确定观测起始长度w的步骤为：自巷道表面，由浅至深，进行钻孔施工，若钻孔过程中出现吸钻、卡钻、夹钻或塌孔现象，则该范围内钻孔不适合锚固，继续钻孔，直至钻孔能够完整成型的煤体区域，确定观测起始长度w。
3.根据权利要求1所述的一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法，其特征在于，步骤1)中，确定基本锚固观测尺度l的步骤为：若煤体夹矸层数在0-3层，则基本锚固观测尺度l选为20-30cm；若煤体夹矸层数在4-6层，则基本锚固观测尺度l选为40-50cm。
4.根据权利要求1所述的一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法，其特征在于，步骤1)中，判断基本锚固观测段是否能够进行锚固的步骤为：判断钻孔内煤体裂隙分形特征，以单个裂隙发育情况与裂隙劣化比两个指标判断基本锚固观测尺度内煤体裂隙发育程度
A.若单个裂隙的长度或者宽度贯穿钻孔基本锚固观测尺度或者单个裂隙的长度或者宽度大于5cm，判断为无法锚固围岩段，否则进行下一步判断；
B.判断计算裂隙劣化比，裂隙劣化比是指裂隙面积占测量尺度面积的比例，其表达式为：
式中，k为围岩劣化比；l为基本锚固观测尺度；r为钻孔直径；a’为裂隙长度；b’为裂隙宽度；i代表裂隙条数；
C.根据煤体裂隙劣化比判断该基本锚固观测段是否能够进行锚固，当0≤k＜0.3时，为稳定围岩，即该基本锚固观测段能够进行锚固；k≥0.3时，为破裂围岩，即该基本锚固观测段不能进行锚固。
5.根据权利要求1所述的一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法，其特征在于，步骤1)中，确定钻孔深度L的表达式为：
L＝w+nl (2)
其中，w为观测起始长度；l为基本锚固观测尺度；n为观测段数。
6.根据权利要求1所述的一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法，其特征在于，步骤2)中，所述机械预紧段、变径保护段和机械增压段的长度相等。
7.根据权利要求1所述的一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法，其特征在于，步骤2)中，所述机械预紧段、变径保护段和化学锚固增强段的直径相等。
8.根据权利要求1所述的一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法，其特征在于，步骤2)中，所述圆形扩径器与锚杆固连，圆形扩径器的直径小于机械增压段尾部的直径，大于机械增压段和变径保护段连接处的直径，当锚杆杆体外多线密集螺纹与“内预紧力-机械化学锚固力”联合提升套筒内多线密集螺纹完全咬合，圆形扩径器位于机械增压段和变径保护段连接处。
9.根据权利要求1所述的一种基于裂隙分形特征的碎裂煤帮锚杆加固方法，其特征在于，步骤2)中，所述化学锚固剂圆形释放孔沿锚固段周向及轴向均布。
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