CN114876536B - 一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置及方法，包括锚杆支护装置和锚索支护装置，锚杆支护装置和锚索支护装置错开布置，先施工锚杆支护装置，固定围岩浅部岩层，再通过锚索支护装置固定围岩深部岩层，锚杆锚索联合支护能够加固深浅部岩层整体结构；锚杆支护装置包括套筒、螺母、锚杆杆体；锚索支护装置包括锚索杆体、锁具、锁夹片、锚索张拉器；锚杆锚索联合支护，不仅能够提高围岩峰后残余强度，而且能够将巷道浅部破碎围岩悬吊在深部完整性较好的稳定岩体内，充分发挥深部岩体承载性能，锚高预紧力，优化破碎岩体受力，锚固巷道围岩，抑制塑性区扩展。

Description

一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置及方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下高应力区的支护技术领域，尤其涉及深部巷道围岩破碎区及塑性区范围扩大的锚杆锚索联合支护装置及方法。

背景技术

随着井工煤矿高强度开采及开采深度的增加，巷道围岩控制难度逐步增大，造成巷道支护困难，巷道损坏、修复率加剧，因此，安全、可靠、高效的巷道支护技术是实现矿井安全高效生产的必要条件。

锚杆锚索支护具有施工速度快、支护效果好、劳动强度低、成本低等优点，被煤矿巷道普遍使用，1996年成功研制的适用煤矿条件的小孔径树脂锚固预应力锚索，进一步解决了原有煤矿复杂巷道支护难题，成为巷道支护与围岩加固的关键技术，锚杆锚索端部锚固剂的作用在于黏结锚杆锚索孔壁围岩，给锚杆锚索提供锚固力，通过对锚杆锚索支护系统施加预紧力，使围岩形成承载结构，改善掘进开挖后围岩的受力状态。

新《煤矿巷道锚杆支护技术规范》(GB/T35056-2018)要求，锚杆初始预紧力不小于锚杆(现场多使用MG400Φ22极限破断载荷为216kN左右)屈服载荷最低值的30％，现场实测锚杆初始预紧力基本在22-36kN左右，现场锚杆实际的初始预紧力值数倍小于锚杆杆体破断载荷及锚杆支护系统有效载荷所需要求。现场锚杆施工初始预紧力低，锚杆支护不能有效发挥其对巷道围岩承载、控制作用，现场锚杆支护效果差，当施加高预应力，锚固区位移差小，锚杆受力变化不大，支护效果好。如图1所示，图为锚杆受力实测曲线图，图中曲线①中锚杆预应力低，锚杆处于被动支护，锚杆受力小，锚杆支护不明显，曲线②、③、④为当施加一定预应力，但预应力小于临界值，锚杆不能有效控制围岩早期离层，曲线⑤为施加高预应力，锚固区位移差小，锚杆受力变化不大；由图1可知，通过高预紧力，使锚杆形成预应力结构，锚杆受力变化不大，支护效果好，锚杆支护能够有效发挥其对巷道围岩承载、控制作用。

锚杆支护是应对巷道围岩稳定，控制围岩位移、破坏的方法、措施，锚杆生根于稳定岩层中，施加初始高预紧力，对巷道围岩进行主动加固，实现承载、控制；被支护的巷道围岩位移变形量小，在控制允许范围内，支护有效，反之，不及时支护、锚杆不能生根稳定岩层中或者未对锚杆锚索施加初始高预紧力，未能及时实现加固、承载、控制作用，巷道围岩受应力影响围岩位移、变形量大、破坏，支护无效，巷道垮落。如图2所示，图为锚杆支护响应曲线图，图中曲线①中锚杆支护作用不明显，与无支护相差不大，曲线②为围岩较大位移后锚杆支护作用能趋于稳定，曲线③为锚杆破断前围岩位移较小，破断后围岩位移急剧增大，曲线④中围岩位移较大，不能稳定，曲线⑤为施加高预应力强力支护，有效控制围岩位移。由图2可知，锚杆支护主动，加固、承载、控制作用有效，锚杆支护响应效果好，围岩位移就小、巷道趋于稳定状态。

锚索(现场多使用Φ21.8mm-1*19股高强度、低松弛预应力钢绞线，极限破断载荷607kN左右)初始预紧力要求不小于锚索屈服载荷最低值的40％，现场锚索的张拉预紧多采用传统的矿用气动锚索张拉机具(MQ22-300/60)进行张拉。由于采用压气驱动，受风压和设备的限制，张拉速度慢，张拉机具易坏，难以保证锚索张拉效果，预紧力达不到要求。在使用锚杆钻机等气动工具进行顶板和侧帮的锚杆初始预紧时，达不到设计初始预紧力要求时，通常还需要借助扭矩扳手人工来实现。这种方法劳动强度大，效果也不理想，此外锚索初始预紧力还存在理论损失和施工损失，锚索张拉后实际预紧力损失达30-50％。现场实测锚索初始预紧力基本为80-100kN左右，锚索初始预紧力值也数倍小于锚索杆体破断载荷及锚索支护系统有效载荷的所需要求，造成锚索支护系统不能有效发挥对巷道围岩承载、控制作用。此外，巷道开掘后，受水平应力和应力集中影响锚杆锚索极易发生错动，锚杆锚索易破断、损坏失效，从而导致巷道变形、支护困难，造成修复工作高危，影响安全生产。

现有技术中，公布号为CN103899341A的中国发明专利《承压型端锚高预紧力锚杆支护方法》中公开了锚杆在孔底端部通过树脂药卷与锚杆孔底围岩充分黏结，实现端部锚固效果，并在自由段锚杆体上安装PVC套管或类似材料的套管，采用水泥砂浆将套管与锚杆孔之间的空间注满，砂浆体与锚杆孔围岩充分粘结，因套管的存在，砂浆体与锚杆无黏结，既能保证在不同时段对锚杆施加预紧力，同时可使锚杆的预紧力大幅度提高。公布号为CN102937030A的中国发明专利《深部巷道围岩分区破裂的锚注一体化支护方法》中公开了在巷道开挖后，及时喷砼封闭围岩,在第一破裂区内采用高预紧力超强锚杆进行支护,在巷道围岩内壁上设置挂网并再次喷砼；然后在巷道围岩顶板上施加预紧力锚索,锚索锚固端位于深部完整岩体内，紧贴围岩架设工字钢梁,锚索穿过喷砼、工字钢梁和让压环,用锚索锁具固定在巷道的围岩内壁上，实现锚杆锚索耦合支护；最后采用长短结合注浆管或中空分段螺旋式注浆锚杆对各个破裂分区进行注浆加固。

虽然，上述专利都能够对巷道实现支护，但是公布号为CN103899341A的中国发明专利《承压型端锚高预紧力锚杆支护方法》中只是大幅度提高了锚杆预紧力，当巷道围岩破碎区域及塑性区范围扩大时,长度较短的锚杆并不能锚固到完整性较好的岩体中,此时锚杆悬吊作用弱，不能有效发挥锚杆对巷道围岩承载、控制作用；而公布号为CN102937030A的中国发明专利《深部巷道围岩分区破裂的锚注一体化支护方法》中虽然对深部巷道围岩起到很好地支护作用，但是要求施工时锚杆锚固端位于完整区岩体中，当巷道围岩破碎区域及塑性区范围扩大时,长度较短的锚杆并不能锚固到完整岩体中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何解决当巷道围岩破碎区域及塑性区范围扩大，长度较短的锚杆不能锚固到完整性较好的岩体中时，将巷道浅部破碎围岩悬吊在深部完整性较好的稳定岩体内,锚固巷道围岩，抑制塑性区扩展。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置，包括锚杆支护装置和锚索支护装置，所述锚杆支护装置和所述锚索支护装置错开布置；

所述锚杆支护装置包括套筒、螺母、锚杆杆体；所述螺母与所述锚杆杆体尾部螺纹配合，所述套筒具有与所述螺母外轮廓一致的贯通孔，所述套筒套设在所述螺母上；驱动所述套筒转动带动所述螺母转动拧紧；

所述锚索支护装置包括锚索杆体、锁具、锁夹片、锚索张拉器；所述锚索张拉器中间是圆形空腔，空腔内有锁舌，所述锚索杆体尾部深入所述锚索张拉器空腔内，所述锁具、所述锁夹片依次套设在所述锚索杆体上，所述锁夹片位于所述锁具与所述锚索张拉器之间；驱动所述锚索张拉器推动所述锁具、所述锁夹片张拉锁紧。

所述锚杆支护装置和锚索支护装置，均是在围岩表面施加预紧力来控制岩体变形，当巷道围岩破碎区域及塑性区范围扩大时，长度较短的锚杆杆体不能锚固到完整性较好的岩体中，此时锚杆支护装置悬吊作用弱，采用锚杆锚索联合支护共同作用，不仅能够提高围岩峰后残余强度，而且能够将巷道浅部破碎围岩悬吊在深部完整性较好的稳定岩体内，充分发挥深部岩体承载性能。锚杆支护装置在浅部破碎围岩区域构成“人工承压拱”，锚杆托盘在围岩表面形成约束件，限制煤岩的变形，此时锚索支护装置可生根于围岩深部较完整和承载性较好的岩体中，通过长锚索的作用固定“人工承压拱”，锚高预紧力，优化破碎岩体受力，锚固巷道围岩，抑制塑性区扩展。

进一步地，所述锚杆支护装置还包括扭矩倍增器，所述扭矩倍增器的输出端套设在所述套筒的贯通孔内，并与贯通孔轮廓适配；所述锚杆支护装置还包括托盘，所述托盘中间孔比所述锚杆杆体直径大2-4mm，所述托盘套设在所述锚杆杆体上，所述托盘位于围岩壁与所述螺母之间。

进一步地，所述锚索支护装置还包括托盘，所述托盘中间孔比所述锚索杆体直径大2-4mm，所述托盘套设在所述锚索杆体上，所述托盘位于围岩壁与所述锁具之间。

进一步地，所述锚杆支护装置还包括尼龙减摩垫圈、钢垫圈；所述尼龙减摩垫圈、所述钢垫圈中间孔比所述锚杆杆体直径大2-4mm，所述尼龙减摩垫圈、所述钢垫圈依次套设在所述锚杆杆体上，所述尼龙减摩垫圈、所述钢垫圈位于所述托盘与所述螺母之间；所述锚索支护装置还包括调芯球垫，所述调芯球垫套设在所述锚索杆体上，所述调芯球垫位于所述托盘与所述锁具之间。

进一步地，所述扭矩倍增器输出端轴为六方杆体，所述套筒的贯通孔为为六方孔，所述扭矩倍增器与所述套筒直接插合连接；所述锚杆支护装置还包括锚杆钻机，所述锚杆钻机顶端内嵌六方套筒，所述扭矩倍增器输入端轴为六方杆体，所述锚杆钻机与所述扭矩倍增器直接插合连接。

进一步地，所述锚索支护装置还包括动力液压系统，所述动力液压系统与所述锚索张拉器通过高压油管连接；

所述动力液压系统包括机械压力表、增压缸、高压油管、过滤器、溢流阀、液压阀组；所述机械压力表布置在所述高压油管上，所述增压缸、所述过滤器、所述溢流阀、所述液压阀组依序布置在所述高压油管上；

所述过滤器包括第一过滤器和第二过滤器，所述第一过滤器连接在所述增压缸输入口与所述溢流阀之间的高压油管上，所述第二过滤器连接在所述增压缸回液输出口与所述液压阀组之间。

进一步地，所述锚杆支护装置还包括助力加长杆，所述助力加长杆与所述扭矩倍增器侧耳连接。

进一步地，所述锚杆杆体选用MG400锚杆，所述锚杆杆体屈服强度大于等于400MPa，抗拉强度大于等于540MPa，最大力总延伸率为12％；所述锚索杆体为Φ21.8mm-1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，抗拉强度等级大于等于1860Mpa，极限破断拉力为607KN，延伸率大于等于7％；

所述螺母为法兰式，其中无纵肋螺纹钢锚杆螺母组装件承载效率系数大于等于0.90，等强螺纹钢锚杆螺母组装件承载效率系数大于等于0.95；所述调芯球垫为圆锥形状，顶部与底部设计10度夹角；所述锁具规格为KM22-1860，锁具效率系数大于等于0.95，总伸长率大于等于2.0％；所述锁夹片静载锚固性能系数大于等于0.95。

进一步地，所述托盘钢材屈服强度大于等于235MPa，厚度大于等于6mm，所述托盘承载力大于等于所述锚杆杆体屈服力标准值的1.3倍。

进一步地，一种基于所述的一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置的联合支护方法，包括以下步骤：

S1、先施工所述锚杆支护装置，在围岩壁或帮部煤壁上施工锚杆孔，向锚杆孔内依次装入中速凝固树脂药卷，所述锚杆杆体顶部深入到锚杆孔内，驱动所述套筒带动所述锚杆杆体搅拌中速凝固树脂药卷，搅拌后40～60秒初凝固，凝固时间180秒，实现所述锚杆杆体与锚杆孔密实锚固；

S2、待中速凝固树脂药卷将所述锚杆杆体端部加长锚固后，驱动所述套筒转动带动所述螺母实施固定、加扭，实现初始高预紧力预紧；

S3、再施工所述锚索支护装置，所述锚索支护装置与所述锚杆支护装置错开布置，在围岩壁或帮部煤壁上施工锚索孔，向锚索孔内依次装入中速凝固树脂药卷，所述锚索杆体顶部深入到锚杆孔内，驱动所述锚索杆体搅拌中速凝固树脂药卷；

S4、待中速凝固树脂药卷将所述锚索杆体端部加长锚固后，驱动所述锚索张拉器张拉锁紧实施高预紧力张拉，所述锚索张拉器收缩时形成重复张拉，所述锚索支护装置安装预紧完成后，所述锚杆锚索联合支护装置安装完成。

本发明的优点在于：

1、锚杆支护装置和锚索支护装置，均是在围岩表面施加预应力来控制岩体变形，当巷道围岩破碎区域及塑性区范围扩大时，长度较短的锚杆杆体不能锚固到完整性较好的岩体中，此时锚杆支护装置悬吊作用弱，采用锚杆锚索联合支护共同作用，不仅能够提高围岩峰后残余强度，而且能够将巷道浅部破碎围岩悬吊在深部完整性较好的稳定岩体内，充分发挥深部岩体承载性能。预应力锚杆在浅部破碎围岩区域构成“人工承压拱”，锚杆托盘在围岩表面形成约束件，限制煤岩的变形，此时锚索支护装置可生根于围岩深部较完整和承载性较好的岩体中，通过长锚索的作用固定“人工承压拱”，锚高预紧力，优化破碎岩体受力，锚固巷道围岩，抑制塑性区扩展。

2、锚杆锚索联合支护形成高预应力承载结构，给围岩提供高压应力，应力扩散范围大、易形成骨架网状结构，提高承载结构的稳定性，充分调动深部围岩的承载能力，更大范围内地实现岩体共同承载；施加的高预紧力，可提高锚杆锚索的工作阻力，能充分发挥锚杆锚索自身高预应力和支护强度，主动支护消除岩层内裂缝空隙，使岩层锁紧为一个整体。

3、锚杆锚索联合支护施加的高预紧力通过钢带、锚索梁(T型钢带)、托盘等护表构件的有效扩散，提高锚固体的整体刚度，保持顶板完整性、支护整体性和有效性，避免巷道顶板锚杆锚索体受应力影响变形剪切破坏，具有控制围岩变形和离层的优点，能够充分改善和发挥围岩自身的承载能力，避免巷道维修，适应深部高应力区支护。

4、锚杆支护装置中采用扭矩倍增器加扭锚杆杆体施加初始高预紧力，很好地解决了锚杆钻机扭矩小，锚杆支护达不到初始预紧力设计要求的难题。扭矩倍增器采用行星变速机构输出力矩，使用扭矩倍增器可锚杆钻机扭矩放大4-8倍，比单独使用锚杆钻机时提高4-8倍初始预紧力，提高了“扭矩-预紧力”转化效率，增强锚杆杆体的预应力，更好地达到锚杆主动支护顶板及侧帮的作用。增强锚杆杆体的预应力，增大支护安全系数，提高锚杆支护的主动性和有效性。实现锚杆杆体高预应力的可靠施加与有效扩散，主动控制顶板浅部层位错动，有效降低顶板浅部锚索剪切破断、孔内崩断和弹出机率风险。现场实测顶板锚杆预紧力达到83-98kN，帮部锚杆预紧力达到62kN以上，支护安全系数增大，提高了支护的主动性和有效性。

5、锚索支护装置中利用动力液压系统(掘进机供液压力20-22MPa)上安装液压张拉锚索增压装置可升压2.5倍以上，替代原有气动、低效的锚索张拉仪，现掘进迎头采用动力液压张拉锚索增压装置张拉一根锚索仅需5-10秒，每小班进尺3米，需要时间＜10min，节省110min，效率提升11倍，降低工人劳动强度，提升掘进效率及工效，很好地解决矿用气动锚索张拉机具张拉初始预紧力小，锚索支护达不到初始预紧力要求的难题，使锚索初始预紧力提高2.5倍以上。现场实测顶板锚索初始预紧力达到220-240kN以上，提高锚索支护的主动性和有效性。

6、锚杆锚索联合支护装置施工工艺简单，既能用于顶板支护，又能用于侧帮支护，结构紧凑，重量较轻，比扭矩板手、矿用气动锚索张拉机具操作更简捷。

附图说明

图1为井下锚杆受力实测曲线图；

图2为井下锚杆支护响应曲线图；

图3为本发明锚杆杆体与煤壁固定的位置示意图；

图4为本发明锚杆支护装置结构示意图；

图5为本发明锚索杆体与煤壁固定的位置示意图；

图6为本发明锚索支护装置中动力液压系统结构示意图；

图7为本发明锚索支护装置结构示意图；

图8为本发明锚索支护装置中动力液压系统低压冲液阶段高压油流向图；

图9为本发明锚索支护装置中动力液压系统增压阶段高压油流向图；

图中：1扭矩倍增器、2锚杆杆体、3锚杆托盘、4套筒、5锚杆钻机、6尼龙减摩垫圈、7钢垫圈、8螺母、9助力加长杆、10围岩壁或帮部煤壁、11中速凝固树脂药卷、12锚索杆体、13锚索托盘、14调芯球垫、15锁具、16锁夹片、17锚索张拉器、18动力液压系统、181机械压力表、182增压缸、183高压油管、184过滤器、1841第一过滤器、1842第二过滤器、185溢流阀、186液压阀组、1861液控单向阀、1862进液单向阀、1863出液单向阀、1864升压换向阀、18641升压换向阀T口、1865电磁换向阀、A进液油管、B回液油管、P高压油输入口、T高压油回液输出口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置包括锚杆支护装置和锚索支护装置，锚杆支护装置和锚索支护装置错开布置。

如图3-4所示，锚杆支护装置包括扭矩倍增器1、锚杆杆体2、锚杆托盘3、套筒4、锚杆钻机5、尼龙减摩垫圈6、钢垫圈7、螺母8、助力加长杆9；采用常用的锚杆钻机在围岩壁或帮部煤壁10上施工锚杆孔，孔径大于锚杆杆体2直径6～10mm，向锚杆孔内依次装入中速凝固树脂药卷11，锚杆杆体2顶部深入到锚杆孔内，锚杆托盘3、尼龙减摩垫圈6、钢垫圈7中间有孔且比锚杆杆体2直径大2-4mm，在锚杆杆体2的尾端依次套上锚杆托盘3、尼龙减摩垫圈6、钢垫圈7和螺母8，螺母8与锚杆杆体2尾部螺纹配合，套筒4具有与螺母8外轮廓一致的贯通孔，套筒4套设在螺母8上，扭矩倍增器1输出端轴为六方杆体与套筒4的六方贯通孔直接插合连接。锚杆钻机5顶端为内嵌六方套筒与扭矩倍增器1输入端轴六方杆体直接插合连接，锚杆钻机5转动带动扭矩倍增器1推动套筒4带动螺母8，推动钢垫圈7、尼龙减摩垫圈6、锚杆托盘3实施固定、加扭，实现初始高预紧力预紧。

助力加长杆9与扭矩倍增器1侧耳采用螺丝连接，在扭矩倍增器1外壳内的圆周齿轮与环绕内部行星齿轮接合时，助力加长杆9可防止内齿圈主体旋转，使行星齿轮绕中心齿轮旋转带动驱动头旋转输出扭矩力。

扭矩倍增器1工作时，采用高能行星变速机构作为主传动，变径齿轮变速放大倍率。扭矩力经由中心齿轮输入较小的力，中心齿轮咬合带动三个行星组合齿轮旋转，带动高能行星齿轮减速机构齿轮咬合旋转传动，通过变径齿轮变速放大扭矩倍率增加扭矩力，再由中心齿轮输出放大倍率的扭矩力，变径齿轮直径大小变化可形成比倍1：4-8倍。

如图5-7所示，锚索支护装置包括锚索杆体12、锚索托盘13、调芯球垫14、锁具15、锁夹片16、锚索张拉器17、动力液压系统18，采用常用的锚杆钻机在围岩壁或帮部煤壁10上施工锚索孔，孔径大于锚索杆体1直径6～10mm，向锚索孔内依次装入中速凝固树脂药卷11，锚索杆体12顶部深入到锚索孔内，在锚索杆体12的尾端依次套上锚索托盘13、调芯球垫14、锁具15、锁夹片16，锚索张拉器17中间是圆形空腔，锚索杆体12深入圆形空腔不少于80mm，空腔内有锁舌，张拉时锁舌锁紧锚索杆体12，锚索张拉器17张拉伸出，推动锁具15和锁夹片16前移，张拉到设定值后，锁夹片16楔入锁具15，对锚索杆体12锁紧、固定；调芯球垫14调整锚索杆体12处于垂直受力方向和最佳受力状态；锚索张拉器17与动力液压系统18通过高压油管183连接，动力液压系统7工作时，锚索张拉器17张拉锁紧，推动锁夹片16、锁具15、调芯球垫14、锚索托盘13实施高预紧力张拉。

动力液压系统18包括：机械压力表181、增压缸182、高压油管183、过滤器184、溢流阀185、液压阀组186。机械压力表181通过高压油管183连接到管路三通中，增压缸182、过滤器184、液压阀组186通过高压油管183相连接，连接处用螺母固定。

增压缸182是自动化升压缸，低压活塞LP的面积大于高压活塞HP的面积，低压压力将推动低压活塞LP向上运动并压缩高压活塞HP端的液柱，产生高压，高压压力与低压压力的比值等于低压活塞LP与高压活塞HP的面积比即升压比。

过滤器184包括第一过滤器1841和第二过滤器1842，第一过滤器1841连接在增压缸182输入口P与溢流阀185之间的高压油管183上，第二过滤器1842连接在增压缸182回液输出口T与管路三通的的连接螺母之间。

如图8-9所示，液压阀组186包括：液控单向阀1661、进液单向阀1862、出液单向阀1863、升压换向阀1864、升压换向阀T口18641、电磁换向阀1865，液控单向阀1861、进液单向阀1862、出液单向阀1863、升压换向阀1864、电磁换向阀1865均安装在高压油管183管路上，升压阀T口18641位于升压换向阀1864内。

锚杆杆体2选用MG400锚杆，相当于4级建筑螺纹钢，屈服强度不小于400MPa，抗拉强度不小于540MPa，最大力总延伸率12％；锚杆托盘3选用钢板冲压而成，屈服强度不小于235MPa，厚度不小于6mm，承载力不小于配套锚杆杆体屈服力标准值的1.3倍；螺母8选用法兰式，螺母组装件承载效率系数(η)：尾部螺纹、螺母组装件承载力与杆体母材最大力实测平均值之比，其中无纵肋螺纹钢锚杆≥0.90，等强螺纹钢锚杆≥0.95。

锚索杆体12采用Φ21.8mm-1×19股高强度低松弛预应力钢绞线制成，抗拉强度等级不低于1860Mpa,极限破断拉力为607KN，延伸率不小于7％；锚索托盘13规格为150mm×150mm×16mm，选用钢板冲压而成,抗拉强度大于490Mpa，强度与锚索杆体12强度相配套；调芯球垫14采用铸铁制成，为圆锥形状，顶部与底部设计10度夹角，安装调芯球垫14用于调整锚索杆体12处于垂直受力方向和最佳受力状态，使锚索杆体12处于拉应力状态。

锁具15规格为KM22-1860，效率系数不小于0.95，总伸长率不低于2.0％；锁夹片16静载锚固性能系数不小于0.95；安装锁夹片16、锁具15，通过动力液压系统18、锚索张拉器17推动，锚索杆体12初始预紧力达到设定值180kN以上，确保锚索支护装置具有较高的预紧力。

采用上述锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置进行联合支护的方法包括以下步骤：

S1、先施工锚杆支护装置，固定围岩浅部岩层，在围岩壁或帮部煤壁10上施工锚杆孔，向锚杆孔内依次装入中速凝固树脂药卷11，锚杆杆体2顶部深入到锚杆孔内，通过锚杆钻机5或帮部钻机转动套筒4带动锚杆杆体2搅拌中速凝固树脂药卷11，搅拌后40～60秒初凝固，凝固时间180秒，实现锚杆杆体2与锚杆孔密实锚固；

S2、待中速凝固树脂药卷11将锚杆杆体2端部加长锚固后，通过锚杆钻机5或帮部钻机转动带动扭矩倍增器1推动套筒4带动螺母8，推动钢垫圈7、尼龙减摩垫圈6、锚杆托盘3实施固定、加扭，实现初始高预紧力预紧。锚杆支护装置安装完成后，对围岩壁或帮部煤壁10产生高预紧力，形成高预紧力承载结构；

S3、再施工锚索支护装置，锚索支护装置与锚杆支护装置错开布置，通过锚索支护装置固定围岩深部岩层，在围岩壁或帮部煤壁10上施工锚索孔，向锚索孔内依次装入中速凝固树脂药卷11，锚索杆体12顶部深入到锚杆孔内，通过搅拌设备转动带动锚索杆体12搅拌中速凝固树脂药卷11；

S4、待中速凝固树脂药卷11将锚索杆体12端部加长锚固后，通过掘进机油泵液压系统输入的18-20Mpa高压油经液压阀组186、溢流阀185、第一过滤器1841从高压油输入口P进入增压缸182，升压40-45Mpa，通过锚索张拉器17张拉锁紧，锚索张拉器17推动锁夹片16、锁具15、调芯球垫14、锚索托盘13实施高预紧力张拉；锚索张拉器17收缩时，高压油从高压油回液输出口T经高压油管183回至液压阀组186，形成重复张拉。锚索杆体12通过端部加长锚固，尾部的锚索托盘13、锁具15、锁夹片16张拉预紧对支护围岩产生高预紧力，调芯球垫14调整锚索杆体12处于垂直受力方向和最佳受力状态，锚索支护装置安装预紧完成后，对围岩壁或帮部煤壁10产生高预紧力，形成高预紧力承载结构；锚杆锚索联合支护能够加固深浅部岩层整体结构。

工作原理：

锚杆支护装置和锚索支护装置错开布置，先施工锚杆支护装置，固定围岩浅部岩层，再通过锚索支护装置固定围岩深部岩层，锚杆锚索联合支护能够加固深浅部岩层整体结构。

先在围岩壁或帮部煤壁10上施工锚杆孔，向锚杆孔内依次装入中速凝固树脂药卷11，锚杆杆体2顶部深入到锚杆孔内，通过锚杆钻机5或帮部钻机转动套筒4带动锚杆杆体2搅拌中速凝固树脂药卷11，搅拌后40～60秒初凝固，凝固时间180秒，实现锚杆杆体2与锚杆孔密实锚固，待中速凝固树脂药卷11将锚杆杆体2端部加长锚固后，通过锚杆钻机5或帮部钻机转动带动扭矩倍增器1推动套筒4带动螺母8，推动钢垫圈7、尼龙减摩垫圈6、锚杆托盘3实施固定、加扭，实现初始高预紧力预紧。锚杆支护装置安装完成后，对围岩壁或帮部煤壁10产生高预紧力，形成高预紧力承载结构。

再在围岩壁或帮部煤壁10上施工锚索孔，向锚索孔内依次装入中速凝固树脂药卷11，锚索杆体12顶部深入到锚杆孔内，通过搅拌设备转动带动锚索杆体12搅拌中速凝固树脂药卷11，待中速凝固树脂药卷11将锚索杆体12端部加长锚固后，通过掘进机油泵液压系统输入的18-20Mpa高压油经液压阀组186、溢流阀185、第一过滤器1841从高压油输入口P进入增压缸182，升压40-45Mpa，通过锚索张拉器17张拉锁紧，锚索张拉器17推动锁夹片16、锁具15、调芯球垫14、锚索托盘13实施高预紧力张拉；锚索张拉器17收缩时，高压油从高压油回液输出口T经高压油管183回至液压阀组186，形成重复张拉。锚索杆体12通过端部加长锚固，尾部的锚索托盘13、锁具15、锁夹片16张拉预紧对支护围岩产生高预紧力，调芯球垫14调整锚索杆体12处于垂直受力方向和最佳受力状态，锚索支护装置安装预紧完成后，对围岩壁或帮部煤壁10产生高预紧力，形成高预紧力承载结构。

如图8所示，动力液压系统低压充液阶段：高压油从P口进入升压换向阀1864，大部分通过液控单向阀1861、出液单向阀1863直接到增压缸182的油缸无杆腔；其余通过进液单向阀1862到达油缸无杆腔，实现快速供油。

如图9所示，动力液压系统增压阶段：液控单向阀1861因压力平衡自动关闭，高压油通过进液单向阀1862到达增压缸182的活塞HP顶端，推动增压缸182的活塞LP一起下移到底部,此时升压换向阀T口18641为闭合状态。活塞HP到底部后，高压油将与升压阀换向阀1864的阀芯上部接通，推动阀芯向下运动。换向后，高压油通过升压阀换向阀1864达到活塞LP底部，此时升压换向阀T口18641为开启状态，推动活塞HP向上运动，输出高压油,直接到达增压缸182的油缸无杆腔；活塞HP到顶部后，升压阀换向阀1864顶部与升压换向阀T口18641连接，升压换向阀1864再次换向，回到图中高压油从高压油输入口P口进入时的初始位置，此时升压换向阀T口18641为开启状态，如此自动循环，升压阀换向阀1864可以实现高频动作并连续输出高压油。

动力液压系统自动保压：高压端压力使高压活塞HP与低压活塞LP达到力学平衡后，活塞将停止动作，当高压侧因负载减小或者泄漏等因素造成压力降低时，高低压活塞将失去力学平衡而自动循环补压。

动力液压系统卸荷功能:电磁换向阀1865换向，高压油回液输出口T的进油将打开液控单向阀1861，油缸无杆腔的高压油通过液控单向阀1861流回高压油输入口P，再通过电磁换向阀1865回到系统油箱。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置，其特征在于，包括锚杆支护装置和锚索支护装置，所述锚杆支护装置和所述锚索支护装置错开布置；

所述锚杆支护装置包括套筒、螺母、锚杆杆体；所述螺母与所述锚杆杆体尾部螺纹配合，所述套筒具有与所述螺母外轮廓一致的贯通孔，所述套筒套设在所述螺母上；驱动所述套筒转动带动所述螺母转动拧紧；

所述锚索支护装置包括锚索杆体、锁具、锁夹片、锚索张拉器；所述锚索张拉器中间是圆形空腔，空腔内有锁舌，所述锚索杆体尾部深入所述锚索张拉器空腔内，所述锁具、所述锁夹片依次套设在所述锚索杆体上，所述锁夹片位于所述锁具与所述锚索张拉器之间；驱动所述锚索张拉器推动所述锁具、所述锁夹片张拉锁紧；

所述锚索支护装置还包括动力液压系统，所述动力液压系统与所述锚索张拉器连接；

所述动力液压系统还包括机械压力表、增压缸、高压油管、过滤器、溢流阀、液压阀组；所述机械压力表布置在所述高压油管上，所述增压缸、所述过滤器、所述溢流阀、所述液压阀组依序布置在所述高压油管上；

所述过滤器包括第一过滤器和第二过滤器，所述第一过滤器连接在所述增压缸输入口与所述溢流阀之间的高压油管上，所述第二过滤器连接在所述增压缸回液输出口与所述液压阀组之间；

液压阀组包括：液控单向阀、进液单向阀、出液单向阀、升压换向阀、升压换向阀T口、电磁换向阀，液控单向阀、进液单向阀、出液单向阀、升压换向阀、电磁换向阀均安装在高压油管管路上，升压阀T口位于升压换向阀内；

高压油从P口进入升压换向阀，大部分通过液控单向阀、出液单向阀直接到增压缸的油缸无杆腔；其余通过进液单向阀到达油缸无杆腔；

液控单向阀因压力平衡自动关闭，高压油通过进液单向阀到达增压缸的活塞HP顶端，推动增压缸的活塞LP一起下移到底部,此时升压换向阀T口为闭合状态；活塞HP到底部后，高压油将与升压阀换向阀的阀芯上部接通，推动阀芯向下运动；换向后，高压油通过升压阀换向阀达到活塞LP底部，此时升压换向阀T口为开启状态，推动活塞HP向上运动，输出高压油,直接到达增压缸的油缸无杆腔；活塞HP到顶部后，升压阀换向阀顶部与升压换向阀T口连接，升压换向阀再次换向，回到高压油从高压油输入口P口进入时的初始位置，升压换向阀T口为开启状态，自动循环。

2.根据权利要求1所述的一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置，其特征在于，所述锚杆支护装置还包括扭矩倍增器，所述扭矩倍增器的输出端套设在所述套筒的贯通孔内，并与贯通孔轮廓适配；所述锚杆支护装置还包括托盘，所述托盘中间孔比所述锚杆杆体直径大2-4mm，所述托盘套设在所述锚杆杆体上，所述托盘位于围岩壁与所述螺母之间。

3.根据权利要求2所述的一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置，其特征在于，所述锚索支护装置还包括托盘，所述托盘中间孔比所述锚索杆体直径大2-4mm，所述托盘套设在所述锚索杆体上，所述托盘位于围岩壁与所述锁具之间。

4.根据权利要求3所述的一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置，其特征在于，所述锚杆支护装置还包括尼龙减摩垫圈、钢垫圈；所述尼龙减摩垫圈、所述钢垫圈中间孔比所述锚杆杆体直径大2-4mm，所述尼龙减摩垫圈、所述钢垫圈依次套设在所述锚杆杆体上，所述尼龙减摩垫圈、所述钢垫圈位于所述托盘与所述螺母之间；所述锚索支护装置还包括调芯球垫，所述调芯球垫套设在所述锚索杆体上，所述调芯球垫位于所述托盘与所述锁具之间。

5.根据权利要求2所述的一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置，其特征在于，所述扭矩倍增器输出端轴为六方杆体，所述套筒的贯通孔为为六方孔，所述扭矩倍增器与所述套筒直接插合连接；所述锚杆支护装置还包括锚杆钻机，所述锚杆钻机顶端内嵌六方套筒，所述扭矩倍增器输入端轴为六方杆体，所述锚杆钻机与所述扭矩倍增器直接插合连接。

6.根据权利要求5所述的一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置，其特征在于，所述锚杆支护装置还包括助力加长杆，所述助力加长杆与所述扭矩倍增器侧耳连接。

7.根据权利要求4所述的一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置，其特征在于，所述锚杆杆体选用MG400锚杆，所述锚杆杆体屈服强度大于等于400MPa，抗拉强度大于等于540MPa，最大力总延伸率为12％；所述锚索杆体为Φ21.8mm-1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，抗拉强度等级大于等于1860Mpa，极限破断拉力为607KN，延伸率大于等于7％；

所述螺母为法兰式，其中无纵肋螺纹钢锚杆螺母组装件承载效率系数大于等于0.90，等强螺纹钢锚杆螺母组装件承载效率系数大于等于0.95；所述调芯球垫为圆锥形状，顶部与底部设计10度夹角；所述锁具规格为KM22-1860，锁具效率系数大于等于0.95，总伸长率大于等于2.0％；所述锁夹片静载锚固性能系数大于等于0.95。

8.根据权利要求2所述的一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置，其特征在于，所述托盘钢材屈服强度大于等于235MPa，厚度大于等于6mm，所述托盘承载力大于等于所述锚杆杆体屈服力标准值的1.3倍。

9.一种基于权利要求1至8任一项所述的一种锚高预紧力锚杆锚索联合支护装置的联合支护方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、先施工所述锚杆支护装置，在围岩壁或帮部煤壁上施工锚杆孔，向锚杆孔内依次装入中速凝固树脂药卷，所述锚杆杆体顶部深入到锚杆孔内，驱动所述套筒带动所述锚杆杆体搅拌中速凝固树脂药卷，搅拌后40～60秒初凝固，凝固时间180秒，实现所述锚杆杆体与锚杆孔密实锚固；

S2、待中速凝固树脂药卷将所述锚杆杆体端部加长锚固后，驱动所述套筒转动带动所述螺母实施固定、加扭，实现初始高预紧力预紧；

S3、再施工所述锚索支护装置，所述锚索支护装置与所述锚杆支护装置错开布置，在围岩壁或帮部煤壁上施工锚索孔，向锚索孔内依次装入中速凝固树脂药卷，所述锚索杆体顶部深入到锚杆孔内，驱动所述锚索杆体搅拌中速凝固树脂药卷；

S4、待中速凝固树脂药卷将所述锚索杆体端部加长锚固后，驱动所述锚索张拉器张拉锁紧实施高预紧力张拉，所述锚索张拉器收缩时形成重复张拉，所述锚索支护装置安装预紧完成后，所述锚杆锚索联合支护装置安装完成。