CN114970161B - 一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法 - Google Patents

一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法 Download PDF

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Abstract

一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法，采用三维激光扫描系统对巷道围岩进行岩体节理面信息的获取；通过对节理面信息进行分析与统计，构建出巷道岩体三维可视化模型；运用运动学方法对块体运动方式及稳定性进行分析，并确定块体为稳定块体或为会发生滑动的关键块体；对关键块体受压节理面进行分析，获得块体的滑动方式为塌落或为滑落；在关键块体中部位置，并垂直关键块体的临空面打入吸能锚杆进行支护；将各个锚杆通过光纤线缆连接到集中监测系统中形成支护监测网，完成节理化巷道块体稳定性分析及支护一体化过程。该方法能充分分析块体的类型及滑动方式，能避免盲目的支护作业，能通过针对性支护的方式提高巷道围岩的稳定性。

Description

一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法
技术领域
本发明属于地下巷道支护技术领域，具体是一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法。
背景技术
地下岩体在形成和发展过程中均会受到复杂的地质作用，使岩体产生了具有一定方向和弱力学强度的节理面，节理面将岩体切割成若干形状不同的岩石块体。节理面对巷道围岩的强度及变形特征起着非常重要的作用。此外，被节理面切割的块体对巷道的稳定性起着决定性因素，即块体的稳定性决定着巷道的稳定性。然而，以往的巷道支护方式，多采用传统的吸能锚杆进行支护，并以一定间排距在整个巷道中布设锚杆。这种传统的支护方式，主要具有以下两方面的不足：一方面没有对岩体节理面信息进行有效的获取，没有针对性的分析巷道块体的形态，未充分分析块体的类型及滑动方式，盲目性的在整个巷道布设了锚杆进行支护，不仅容易导致支护效果的不理想，而且造成了支护的过剩，也使得支护材料产生了较大的浪费。另一方面，传统的吸能锚杆在支护结构方面具有一定的不足，具体主要有以下两点不足。第一，大部分杆体尾部具有吸能机构的锚杆在支护过程中于杆体的头部使用了锚固剂，这样，锚固剂的性能会直接影响吸能机构的吸能效果，并且锚固剂在搅拌过程中产生的粉尘容易对人体造成伤害，锚固剂自身的化学物质对地下环境也容易造成污染。第二，传统的吸能锚杆只有一个吸能机构，只能完成一次吸能让压作业，进而只能应对一次高应力扰动，并不适用于长时间的高应力扰动，适用性具有一定的局限性。然而，现阶段，随着地下工程的深度逐渐增大，巷道围岩节理化的现象愈加明显，高应力扰动周期愈加频繁。因此，急需一种能适用于深部节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法，该方法能对岩体节理面信息进行有效的获取，并能充分分析块体的类型及滑动方式，不仅能避免盲目的支护作业，节省了支护资源，而且能通过针对性支护的方式提高巷道围岩的稳定性。
为了实现上述目的，本发明提供一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法，包括如下步骤：
步骤一：岩体节理面信息获取；
采用三维激光扫描系统对巷道围岩进行岩体节理面信息的获取；
步骤二：构建三维可视化模型；
通过对节理面信息进行分析与统计，构建出巷道岩体三维可视化模型；
步骤三：块体运动学分析；
通过岩体三维可视模型，运用运动学方法对块体运动方式及稳定性进行分析，并确定块体运动是否满足公式(1)，若不满足则块体为稳定块体，且不会发生滑动，不需要采取支护措施，结束节理化巷道块体稳定性分析及支护一体化过程；若满足则块体为关键块体，且会发生滑动，执行步骤四；
式中，为块体中任意第i个节理面指向块体(31)内部的法向量；i为节理面的数量，i＝1，2，…，n；/>为块体的位移矢量；
步骤四：分析关键块体滑动方式；
对关键块体受压节理面进行分析，先通过公式(2)获得关键块体受压节理面法向矢量与主动合力的关系，再分析关键块体的节理面是否满足公式(3)，以对关键块体的滑动方式进行分析；若不满足公式(3)，则关键块体会塌落，执行步骤五中的S10；若满足公式(3)，则关键块体会沿节理面滑落，执行步骤五中的S20；
Ri<0(3)；
式中，为块体所受主动合力矢量；
步骤五：分析支护方案，并采用锚杆进行块体的吸能支护作业；所述锚杆为吸能锚杆，其包括主杆体、辅杆体、挡板、传感器、弹簧、挡圈、锥形杆体和膨胀套管；所述主杆体为等径杆体，其前端设置有外螺纹段；所述辅杆体为等径杆体，其前部的轴心处开设有轴向延伸的吸能腔体，其前端的轴心处开设有连通至吸能腔体的导向孔；所述导向孔的内径小于吸能腔体的内径，且与主杆体的外径相适配；在导向孔与吸能腔体的过渡部分形成环形限位部；所述吸能腔体通过导向孔同轴心的套设在主杆体后端的外部；所述挡板尺寸与吸能腔体的尺寸相适配，其轴向滑动的设置在吸能腔体中，且其前端与主杆体的后端固定连接；所述传感器为环形，其套设在主杆体的后端，且与挡板相贴合的设置；所述弹簧设置在吸能腔体中，且套设在主杆体的外部，其两端分别与传感器和环形限位部相抵接；所述主杆体的后端、辅杆体的前端、吸能腔体、弹簧、传感器和挡板形成一级吸能机构；所述挡圈的外径大于辅杆体的外径，且同轴心的固定连接在辅杆体的后端外部；所述锥形杆体为变径杆体，其由小圆柱段、过渡段和大圆柱段组成，所述小圆柱段的外径小于挡圈的外径，其前端与辅杆体的后端同轴心的固定连接；所述过渡段的大径端和小径端分别与大圆柱段的前端和小圆柱段的后端同轴心的固定连接；所述膨胀套管轴向滑动的套设在小圆柱段的外部，且其前端的外径小于挡圈的外径；膨胀套管管身的后部径向相对的开设有一对三角弧形开口，其管身的前端径向相对的开设有一对梯形凹槽，一对梯形凹槽和一对三角弧形开口前后相对应的布置，所述三角弧形开口为沿轴线对称式的结构，其由位于管身中部的弧形头部、位于管身后部的三角形身部和位于管身后端的梯形尾部组成，所述三角形身部的一个顶角为前端，且与弧形头部的后端连通，其顶角所对应的边为后端且与梯形尾部的上底边的中部连通；所述挡圈、膨胀套管和锥形杆体形成二级吸能机构；所述主杆体的杆身表面沿长度方向开设有线槽，所述线槽的断面呈V型；所述传感器为有线型传感器，其信号线通过线槽延伸到主杆体的前端；所述信号线为光纤线缆；
S10：分析对塌落块体的支护方式，并进行吸能支护作业；
分析关键块体在巷道临空面长度是否小于800mm；若小于800mm，则在关键块体中部位置，并垂直关键块体的临空面打入一根锚杆；若大于等于800mm，视情况以相邻锚杆800mm的间距，垂直临空面打入相应数量的锚杆；在完成锚杆支护工作后执行步骤六；
S20：分析对滑落块体的支护方式，并进行吸能支护作业；
分析关键块体在巷道临空面长度是否小于1000mm；若小于1000mm，则穿过关键块体滑动的节理面，并垂直于关键块体的临空面打入一根锚杆；若大于等于1000mm，除打入穿过节理面的一根锚杆外，视情况以相邻锚杆1000mm的间距，垂直临空面打入相应数量的锚杆；在完成锚杆支护工作后执行步骤六；
在S10和S20中，利用锚杆进行吸能支护的具体方法如下：
A1：先在巷道围岩表面开设垂直穿过块体的钻孔，并使钻孔的末端延伸至深部坚硬岩体中，同时，确保钻孔长度小于吸能锚杆的长度；
A2：再将单根吸能锚杆推进钻孔底部，并使二级吸能机构所在部分与围岩紧紧卡住形成锚固段，使主杆体前端的外螺纹段在钻孔口处外露一定长度；
A3：在外露的外螺纹段上进行配件的安装，依次安装托盘、橡胶垫圈和螺母，并将托盘与围岩紧密贴合，然后，利用锁具转动锁紧螺母，使吸能锚杆在钻孔内产生一定的预紧力，以完成单根吸能锚杆的施工；
A4：利用一级吸能机构的第一级吸能作用应对围岩浅部岩体的变形外突；
在高应力来压使围岩浅部岩体变形外突时，促使托盘带动主杆体在轴向上向外移动，进而带动挡板压缩弹簧并向靠近吸能腔体前端的方向滑动，使整根吸能锚杆的长度伸长，在弹簧的弹力克服被压缩的过程中，吸能锚杆中部的一级吸能机构起到第一级吸能的作用；随着高应力持续作用，弹簧持续被压缩，当弹簧的弹性达到极限时，一级吸能机构的第一级吸能作用失效，并作为一个刚性构件继续起到承担支护的作用，将围岩浅部破碎岩体锚固成一个整体；
A5：在高应力的多次扰动使一级吸能机构失效后，利用二级吸能机构的第二级吸能作用应对岩体的后续变形；
随着岩体变形产生的外拉力持续作用于主杆体，过渡段和大圆柱段开始沿轴向移动，并逐渐与膨胀套管发生相对滑动，其中，过渡段先逐渐被拉入膨胀套管中，膨胀套管受到径向挤压力的作用而沿径向发生膨胀产生塑性变形，膨胀套管的梯形尾部先膨胀涨开，随着大圆柱段逐渐进入膨胀套管，三角形身部会逐渐涨开，最后，弧形头部也逐渐涨开；在逐渐涨开产生的塑性变形过程中，吸能锚杆尾部的二级吸能机构起到第二级吸能的作用；当大圆柱段在膨胀套管中滑动至极限位置时，二级吸能机构的第二级吸能作用失效，此时，整根吸能锚杆成为一个刚性构件继续起到承担支护的作用，将浅部破碎围岩悬吊在深部坚硬岩体下；
步骤六：将各个锚杆通过光纤线缆连接到集中监测系统中形成支护监测网，完成节理化巷道块体稳定性分析及支护一体化过程。
进一步，为了使膨胀套管能稳固可靠的固定在深部坚硬的岩体中，在步骤五中，所述膨胀套管管身的前部周向均匀的固定连接有四个球形铆钉，其管身的后部于一对三角弧形开口的两侧相对的固定连接有两个条形铆钉。
进一步，为了有效提高吸能锚杆的支护能力和吸能效果，在步骤五中，所述主杆体、辅杆体、挡板、挡圈和锥形杆体均采用45号钢制成，所述膨胀套管采用奥氏体A2制成。
作为一种优选，在步骤五中，所述主杆体的直径为28mm，其长度为900mm；所述辅杆体的外径为38mm，其长度为700mm；所述导向孔的内径为28mm，其厚度为4mm；所述吸能腔体的长度为230mm，其内径为34mm；所述弹簧的外径为32mm，其常态下的轴向长度为180mm；所述挡板的直径为32mm，其长度为20mm；所述传感器的外径为32mm，其内径为28mm，其长度为10mm；所述挡圈的直径为38，其长度为20mm；所述小圆柱段的直径为32mm，其长度250mm；所述大圆柱段的直径为40mm，其长度为250mm；所述膨胀套管的外径为40mm，其内径为34mm，其长度为350mm；所述外螺纹段的直径为28mm，其长度为250～300mm；所述条形铆钉的高度为1mm，所述球形铆钉的高度为1mm；所述托盘的长度80mm，其宽度为80mm，其厚度为8mm；所述橡胶垫圈的内径为28mm，其外径为48mm；所述螺母为六角形，其外径为48mm，其内径为28mm。
进一步，为了使吸能锚杆的吸能效果最佳，同时，又能保证吸能锚杆具有最好的支护能力，在步骤五中，所述一级吸能机构的长度不超过锚杆整体长度的五分之一，所述二级吸能机构的长度不超过锚杆整体长度的三分之一。
进一步，为了起到更好的支护效果，在步骤五中，钻孔的直径为42mm，钻孔的长度比吸能锚杆的长度小150～200mm；外螺纹段的外露长度为150～200mm。
本发明采用三维激光扫描系统对巷道围岩进行扫描，可以充分的获取到岩体节理面信息，这样，能充分的考虑到节理面对巷道围岩的强度及变形特征所能起到的作用。通过对节理面信息进行分析与统计并构建出巷道岩体三维可视化模型，这样能方便通过运动学方法对巷道块体的运动方式及稳定性进行针对性分析，进而可获知当前块体为不会发生滑动的稳定块体，或是为会发生滑动的关键块体，同时，通过对关键块体受压节理面进行分析，可以准确的获得关键块体的滑动方式，再通过不同的滑动方式，通过针对性的吸能支护措施进行支护，不仅可以显著提高巷道围岩的稳定性和支护强度，而且还能避免盲目的支护作业，从而能在有效确保支护效果的前提下，节省支护资源。对于会发生滑动的关键块体，采用垂直于关键块体的临空面的方式打入吸能锚杆的方式，可以将块体稳定的悬吊在深部岩体中，从而可以有效提高支护强度。对于本申请中的吸能锚杆，在辅杆体的前部开设吸能腔体，并于吸能腔体中滑动的设置挡板，同时，使主杆体的后端穿过导向孔与挡板固定连接，使主杆体于吸能腔体中的部分套设有弹簧，可以在主杆体相对于辅杆体被拉动的过程中，通过压缩弹簧的方式来进行第一级吸能作用；通过在弹簧和挡板之间设置传感器，能便于实时采集到压力和位移信号，进而便于实时获得压力值和位移值；通过在辅杆体的后端固定连接有锥形杆体，并于锥形杆体的小圆柱段外部套设膨胀套管，可以在辅杆体相对于膨胀套管被拉动的过程中，利用膨胀套管的塑性变形来进行第二级吸能作用；通过在辅杆体的后端外部装配挡圈，可以对膨胀套管的前端进行限位；使膨胀套管的后部由前向后依次设置有弧形头部、三角形身部和梯形尾部，可以使膨胀套管拥有多级连续的塑性变形能力，且逐级连续的吸能效果依次增强，同时，使膨胀套管的前端设置一对梯形凹槽，可以在膨胀套管的塑性变性过程中使膨胀套管还能具有一定的收缩趋势，从而能使膨胀套管的整体长度进一步缩短，并使膨胀体积进一步增加，进一步提高了第二级吸能作用的效果。这样，该锚杆保具有双重吸能机构，在吸能锚杆中部的一级吸能机构作用结束后，吸能锚杆后部的二级吸能机构能够继续让压吸能，显著提高了吸能锚杆的支护能力与使用寿命。同时，本发明中吸能锚杆的中部采用了弹性吸能机理，吸能锚杆的后部采用了滑动膨胀式吸能机理，两次不同的吸能作业，分别将组合拱与悬吊梁作用机理进行了结合，提高了支护效果，适用于深部多种应力扰动场。该吸能锚杆结构简单、制作成本低，吸能效果好，支护能力可靠，可有效控制围岩大变形，防治岩爆和冲击地压带来的灾害，能适用于深部多种应力场扰动的工况使用。这样，该方法能充分利用一级吸能机构中的弹性吸能机理将会发生滑动的块体与浅部岩体进行锚固形成一个整体，类似组合拱理论，增强了岩体的强度和完整性，进一步的，还能利用二级吸能机构中的滑动膨胀式吸能机理起到悬吊梁的作用，将会发生滑动的块体悬吊在深部坚硬岩体下，进而进一步增强了岩体的强度和完整性，因此，打入块体中的每一根吸能锚杆均可以完成两次吸能作业，进而可多次的应对高应力扰动，并且能将组合拱与悬吊梁作用的机理进行了有效结合，大大提高了吸能锚杆的让压吸能效果，并且显著提高了支护效果，可有效控制关键块体的滑落情况发生，可以有效防治巷道围岩节理化问题所带来的灾害。另外，在支护过程中，锚固段与围岩嵌入式的进行了结合，避免了传统锚固剂锚固段与围岩表面锚固脱节，使得锚固更加牢固，且不会影响吸能过程。同时，避免了传统使用锚固剂作业搅拌时，造成的粉尘与刺鼻气体对人体的伤害；以及传统锚固剂所含有的化学物质，对地下水的污染。该方法步骤简单，能有效提高支护工程的吸能效果和支护能力，能有效应对高应力的频繁扰动，同时，其环保性好，适用性广泛，便于大面积应用于各类工程支护中。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是本发明中单个块体受力示意图；
图3是巷道典型块体支护方式的示意图；
图4是本发明中吸能锚杆未装配膨胀套管的结构示意图；
图5是本发明中吸能锚杆在围岩中的装配示意图；
图6是本发明中吸能锚杆在围岩中的截面示意图；
图7是本发明中吸能锚杆中一级吸能机构的结构示意图；
图8是本发明中吸能锚杆中主杆体、弹簧、传感器和挡板的装配示意图；
图9是图5中主杆体中部的断面示意图；
图10是本发明中吸能锚杆中二级吸能机构的结构示意图；
图11是本发明中吸能锚杆中膨胀套管的结构示意图；
图12是本发明中吸能锚杆中托盘的结构示意图；
图13是本发明中吸能锚杆中橡胶垫圈的结构示意图；
图14是本发明中吸能锚杆中螺母的结构示意图。
图中：1、主杆体，2、外螺纹段，3、辅杆体，4、挡圈，5、小圆柱段，6、大圆柱段，7、膨胀套管，8、托盘，9、橡胶垫圈，10、螺母，11、钻孔，12、线槽，13、围岩，14、梯形凹槽，15、梯形尾部，16、三角形身部，17、弧形头部，18、弹簧，19、挡板，20、信号线，21、传感器，22、球形铆钉，23、条形铆钉，24、吸能腔体，25、导向孔，26、环形限位部，27、锥形杆体,28、过渡段，29、巷道，30、吸能锚杆，31、块体，32、三角弧形开口，S1、一级吸能机构，S2、二级吸能机构。
具体实施方式
具体结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法，包括如下步骤：
步骤一：岩体节理面信息获取；
采用三维激光扫描系统对巷道围岩进行岩体节理面信息的获取；
步骤二：构建三维可视化模型；
通过对节理面信息进行分析与统计，构建出巷道岩体三维可视化模型；
步骤三：块体运动学分析；
通过岩体三维可视模型，运用运动学方法对块体31运动方式及稳定性进行分析，并确定块体31运动是否满足公式(1)，若不满足则块体31为稳定块体，且不会发生滑动，不需要采取支护措施，结束节理化巷道块体稳定性分析及支护一体化过程；若满足则块体31为关键块体，且会发生滑动，执行步骤四；
式中，为块体中任意第i个节理面指向块体(31)内部的法向量；i为节理面的数量，i＝1，2，…，n；/>为块体31的位移矢量；
步骤四：分析关键块体滑动方式；
对关键块体受压节理面进行分析，先通过公式(2)获得关键块体受压节理面法向矢量与主动合力的关系，再分析关键块体的节理面是否满足公式(3)，以对关键块体的滑动方式进行分析；若不满足公式(3)，则关键块体会塌落，执行步骤五中的S10；若满足公式(3)，则关键块体会沿节理面滑落，执行步骤五中的S20；
Ri<0(3)；
式中，为块体31所受主动合力矢量；
步骤五：分析支护方案，并采用锚杆进行块体的吸能支护作业；如图4至图14所示，所述锚杆为吸能锚杆30，其包括主杆体1、辅杆体3、挡板19、传感器21、弹簧18、挡圈4、锥形杆体27和膨胀套管7；所述主杆体1为直杆体，且为等径杆体，其前端设置有外螺纹段2；所述辅杆体3为直杆体，且为等径杆体，其前部的轴心处开设有轴向延伸的吸能腔体24，其前端的轴心处开设有连通至吸能腔体24的导向孔25；所述导向孔25的内径小于吸能腔体24的内径，且与主杆体1的外径相适配；在导向孔25与吸能腔体24的过渡部分形成环形限位部26；所述吸能腔体24通过导向孔25同轴心的套设在主杆体1后端的外部；所述挡板19尺寸与吸能腔体24的尺寸相适配，其轴向滑动的设置在吸能腔体24中，且其前端与主杆体1的后端固定连接；所述传感器21为具有采集应力信号和位移信号功能的传感器，其为环形，其套设在主杆体1的后端，且与挡板19相贴合的设置；所述弹簧18设置在吸能腔体24中，且套设在主杆体1的外部，其两端分别与传感器21和环形限位部26相抵接；所述主杆体1的后端、辅杆体3的前端、吸能腔体24、弹簧18、传感器21和挡板19形成一级吸能机构S1；所述挡圈4的外径大于辅杆体3的外径，且同轴心的固定连接在辅杆体3的后端外部；所述锥形杆体27为变径杆体，其由小圆柱段5、过渡段28和大圆柱段6组成，所述小圆柱段5的外径小于挡圈4的外径，其前端与辅杆体3的后端同轴心的固定连接；作为进一步优选，小圆柱段5的外径小于辅杆体3的外径；所述过渡段28的大径端和小径端分别与大圆柱段6的前端和小圆柱段5的后端同轴心的固定连接；所述膨胀套管7轴向滑动的套设在小圆柱段5的外部，且其前端的外径小于挡圈4的外径；膨胀套管7管身的后部径向相对的开设有一对三角弧形开口32，其管身的前端径向相对的开设有一对梯形凹槽14，一对梯形凹槽14和一对三角弧形开口32前后相对应的布置，所述三角弧形开口32为沿轴线对称式的结构，其由位于管身中部的弧形头部17、位于管身后部的三角形身部16和位于管身后端的梯形尾部15组成，所述三角形身部16呈倾倒设置的等腰三角形，所述梯形尾部15呈倾倒设置的等腰梯形，三角形身部16的一个顶角为前端，且与弧形头部17的后端连通，其顶角所对应的边为后端且与梯形尾部15的上底边的中部连通；为了更好的提高吸能效果，作为一种优选，所述弧形头部17为带有一个条形缺口的圆形，并通过条形缺口与三角形身部16的前端连通；所述挡圈4、膨胀套管7和锥形杆体27形成二级吸能机构S2；为了方便传感器数据的实时传输，所述主杆体的杆身表面沿长度方向开设有线槽，所述主杆体1的杆身表面沿长度方向开设有线槽12，所述线槽12的断面呈V型；所述传感器21为有线型传感器，其信号线20通过线槽12延伸到主杆体1的前端；所述信号线20为光纤线缆；
S10：分析对塌落块体的支护方式，并进行吸能支护作业；
分析关键块体在巷道临空面长度是否小于800mm；若小于800mm，则在关键块体中部位置，并垂直关键块体的临空面打入一根锚杆；若大于等于800mm，视情况以相邻锚杆800mm的间距，垂直临空面打入相应数量的锚杆；在完成锚杆支护工作后执行步骤六；
S20：分析对滑落块体的支护方式，并进行吸能支护作业；
分析关键块体在巷道临空面长度是否小于1000mm；若小于1000mm，则穿过关键块体滑动的节理面，并垂直于关键块体的临空面打入一根锚杆；若大于等于1000mm，除打入穿过节理面的一根锚杆外，视情况以相邻锚杆1000mm的间距，垂直临空面打入相应数量的锚杆；在完成锚杆支护工作后执行步骤六；
在S10和S20中，利用锚杆进行吸能支护的具体方法如下：
A1：先在巷道围岩13表面开设垂直穿过块体31的钻孔11，并使钻孔11的末端延伸至深部坚硬岩体中，同时，确保钻孔11长度小于吸能锚杆30的长度；
A2：再将单根吸能锚杆30推进钻孔11底部，并使二级吸能机构S2所在部分与围岩13紧紧卡住形成锚固段，使主杆体1前端的外螺纹段2在钻孔11口处外露一定长度；
A3：在外露的外螺纹段2上进行配件的安装，依次安装托盘8、橡胶垫圈9和螺母10，并将托盘8与围岩13紧密贴合，然后，利用锁具转动锁紧螺母10，使吸能锚杆30在钻孔11内产生一定的预紧力，以完成单根吸能锚杆30的施工；
A4：利用一级吸能机构S1的第一级吸能作用应对围岩13浅部岩体的变形外突；
在高应力来压使围岩13浅部岩体变形外突时，促使托盘8带动主杆体1在轴向上向外移动，进而带动挡板19压缩弹簧18并向靠近吸能腔体24前端的方向滑动，使整根吸能锚杆30的长度伸长，在弹簧18的弹力克服被压缩的过程中，吸能锚杆30中部的一级吸能机构S1起到第一级吸能的作用；随着高应力持续作用，弹簧18持续被压缩，当弹簧18的弹性达到极限时，一级吸能机构S1的第一级吸能作用失效，并作为一个刚性构件继续起到承担支护的作用，将围岩13浅部破碎岩体锚固成一个整体；
A5：在高应力的多次扰动使一级吸能机构S1失效后，利用二级吸能机构S2的第二级吸能作用应对岩体的后续变形；
随着岩体变形产生的外拉力持续作用于主杆体1，过渡段28和大圆柱段6开始沿轴向移动，并逐渐与膨胀套管7发生相对滑动，其中，过渡段28先逐渐被拉入膨胀套管7中，膨胀套管7受到径向挤压力的作用而沿径向发生膨胀产生塑性变形，膨胀套管7的梯形尾部15先膨胀涨开，随着大圆柱段6逐渐进入膨胀套管7，三角形身部16会逐渐涨开，最后，弧形头部17也逐渐涨开；在逐渐涨开产生的塑性变形过程中，吸能锚杆尾部的二级吸能机构S2起到第二级吸能的作用；当大圆柱段6在膨胀套管7中滑动至极限位置时，二级吸能机构S2的第二级吸能作用失效，此时，整根吸能锚杆30成为一个刚性构件继续起到承担支护的作用，将浅部破碎围岩悬吊在深部坚硬岩体下；
步骤六：将各个锚杆通过光纤线缆连接到集中监测系统中形成支护监测网，完成节理化巷道块体稳定性分析及支护一体化过程。这样可以便于实时集中的获取到吸能锚杆30所承受的应力值，同时，也能获得位移值，进而能方便的判断出当前锚杆的状态，便于在失效后及时进行更换，并可以实时了解到所支护区域的岩体变形及稳定情况。
为了使膨胀套管能稳固可靠的固定在深部坚硬的岩体中，在步骤五中，所述膨胀套管7管身的前部周向均匀的固定连接有四个球形铆钉22，其管身的后部于一对三角弧形开口32的两侧相对的固定连接有两个条形铆钉23。作为一种优选，为了能使膨胀套管更稳固的卡在深部坚硬的岩体中，四个球形铆钉22位于一对梯形凹槽14和弧形头部17之间，两个条形铆钉23位于梯形尾部15的中段。
为了有效提高吸能锚杆的支护能力和吸能效果，在步骤五中，所述主杆体1、辅杆体3、挡板19、挡圈4和锥形杆体27均采用45号钢制成，所述膨胀套管7采用奥氏体A2制成。
作为一种优选，在步骤五中，所述主杆体1的直径为28mm，其长度为900mm；所述辅杆体3的外径为38mm，其长度为700mm；所述导向孔25的内径为28mm，其厚度为4mm；所述吸能腔体24的长度为230mm，其内径为34mm；所述弹簧18的外径为32mm，其常态下的轴向长度为180mm；所述挡板19的直径为32mm，其长度为20mm；所述传感器21的外径为32mm，其内径为28mm，其长度为10mm；所述挡圈4的直径为38，其长度为20mm；所述小圆柱段5的直径为32mm，其长度250mm；所述大圆柱段6的直径为40mm，其长度为250mm；所述膨胀套管7的外径为40mm，其内径为34mm，其长度为350mm；所述外螺纹段2的直径为28mm，其长度为250～300mm；所述条形铆钉23的高度为1mm，所述球形铆钉22的高度为1mm；所述托盘80的长度80mm，其宽度为80mm，其厚度为8mm；所述橡胶垫圈9的内径为28mm，其外径为48mm；所述螺母10为六角形，其外径为48mm，其内径为28mm。
为了使吸能锚杆的吸能效果最佳，同时，又能保证吸能锚杆具有最好的支护能力，在步骤五中，所述一级吸能机构S1的长度不超过锚杆整体长度的五分之一，所述二级吸能机构S2的长度不超过锚杆整体长度的三分之一。
为了起到更好的支护效果，在步骤五中，钻孔11的直径为42mm，钻孔11的长度比吸能锚杆的长度小150～200mm；外螺纹段2的外露长度为150～200mm。
本发明采用三维激光扫描系统对巷道围岩进行扫描，可以充分的获取到岩体节理面信息，这样，能充分的考虑到节理面对巷道围岩的强度及变形特征所能起到的作用。通过对节理面信息进行分析与统计并构建出巷道岩体三维可视化模型，这样能方便通过运动学方法对巷道块体的运动方式及稳定性进行针对性分析，进而可获知当前块体为不会发生滑动的稳定块体，或是为会发生滑动的关键块体，同时，通过对关键块体受压节理面进行分析，可以准确的获得关键块体的滑动方式，再通过不同的滑动方式，通过针对性的吸能支护措施进行支护，不仅可以显著提高巷道围岩的稳定性和支护强度，而且还能避免盲目的支护作业，从而能在有效确保支护效果的前提下，节省支护资源。对于会发生滑动的关键块体，采用垂直于关键块体的临空面的方式打入吸能锚杆的方式，可以将块体稳定的悬吊在深部岩体中，从而可以有效提高支护强度。对于本申请中的吸能锚杆，在辅杆体的前部开设吸能腔体，并于吸能腔体中滑动的设置挡板，同时，使主杆体的后端穿过导向孔与挡板固定连接，使主杆体于吸能腔体中的部分套设有弹簧，可以在主杆体相对于辅杆体被拉动的过程中，通过压缩弹簧的方式来进行第一级吸能作用；通过在弹簧和挡板之间设置传感器，能便于实时采集到压力和位移信号，进而便于实时获得压力值和位移值；通过在辅杆体的后端固定连接有锥形杆体，并于锥形杆体的小圆柱段外部套设膨胀套管，可以在辅杆体相对于膨胀套管被拉动的过程中，利用膨胀套管的塑性变形来进行第二级吸能作用；通过在辅杆体的后端外部装配挡圈，可以对膨胀套管的前端进行限位；使膨胀套管的后部由前向后依次设置有弧形头部、三角形身部和梯形尾部，可以使膨胀套管拥有多级连续的塑性变形能力，且逐级连续的吸能效果依次增强，同时，使膨胀套管的前端设置一对梯形凹槽，可以在膨胀套管的塑性变性过程中使膨胀套管还能具有一定的收缩趋势，从而能使膨胀套管的整体长度进一步缩短，并使膨胀体积进一步增加，进一步提高了第二级吸能作用的效果。这样，该锚杆保具有双重吸能机构，在吸能锚杆中部的一级吸能机构作用结束后，吸能锚杆后部的二级吸能机构能够继续让压吸能，显著提高了吸能锚杆的支护能力与使用寿命。同时，本发明中吸能锚杆的中部采用了弹性吸能机理，吸能锚杆的后部采用了滑动膨胀式吸能机理，两次不同的吸能作业，分别将组合拱与悬吊梁作用机理进行了结合，提高了支护效果，适用于深部多种应力扰动场。该吸能锚杆结构简单、制作成本低，吸能效果好，支护能力可靠，可有效控制围岩大变形，防治岩爆和冲击地压带来的灾害，能适用于深部多种应力场扰动的工况使用。这样，该方法能充分利用一级吸能机构中的弹性吸能机理将会发生滑动的块体与浅部岩体进行锚固形成一个整体，类似组合拱理论，增强了岩体的强度和完整性，进一步的，还能利用二级吸能机构中的滑动膨胀式吸能机理起到悬吊梁的作用，将会发生滑动的块体悬吊在深部坚硬岩体下，进而进一步增强了岩体的强度和完整性，因此，打入块体中的每一根吸能锚杆均可以完成两次吸能作业，进而可多次的应对高应力扰动，并且能将组合拱与悬吊梁作用的机理进行了有效结合，大大提高了吸能锚杆的让压吸能效果，并且显著提高了支护效果，可有效控制关键块体的滑落情况发生，可以有效防治巷道围岩节理化问题所带来的灾害。另外，在支护过程中，锚固段与围岩嵌入式的进行了结合，避免了传统锚固剂锚固段与围岩表面锚固脱节，使得锚固更加牢固，且不会影响吸能过程。同时，避免了传统使用锚固剂作业搅拌时，造成的粉尘与刺鼻气体对人体的伤害；以及传统锚固剂所含有的化学物质，对地下水的污染。该方法步骤简单，能有效提高支护工程的吸能效果和支护能力，能有效应对高应力的频繁扰动，同时，其环保性好，适用性广泛，便于大面积应用于各类工程支护中。

Claims (6)

1.一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：岩体节理面信息获取；
采用三维激光扫描系统对巷道围岩进行岩体节理面信息的获取；
步骤二：构建三维可视化模型；
通过对节理面信息进行分析与统计，构建出巷道岩体三维可视化模型；
步骤三：块体运动学分析；
通过岩体三维可视模型，运用运动学方法对块体(31)运动方式及稳定性进行分析，并确定块体(31)运动是否满足公式(1)，若不满足则块体(31)为稳定块体，且不会发生滑动，不需要采取支护措施，结束节理化巷道块体稳定性分析及支护一体化过程；若满足则块体(31)为关键块体，且会发生滑动，执行步骤四；
式中，为块体(31)中任意第i个节理面指向块体(31)内部的法向量；i为节理面的数量，i＝1，2，…，n；/>为块体(31)的位移矢量；
步骤四：分析关键块体滑动方式；
对关键块体受压节理面进行分析，先通过公式(2)获得关键块体受压节理面法向矢量与主动合力的关系，再分析关键块体的节理面是否满足公式(3)，以对关键块体的滑动方式进行分析；若不满足公式(3)，则关键块体会塌落，执行步骤五中的S10；若满足公式(3)，则关键块体会沿节理面滑落，执行步骤五中的S20；
Ri<0 (3)；
式中，为块体(31)所受主动合力矢量；
步骤五：分析支护方案，并采用锚杆进行块体(31)的吸能支护作业；所述锚杆为吸能锚杆(30)，其包括主杆体(1)、辅杆体(3)、挡板(19)、传感器(21)、弹簧(18)、挡圈(4)、锥形杆体(27)和膨胀套管(7)；所述主杆体(1)为等径杆体，其前端设置有外螺纹段(2)；所述辅杆体(3)为等径杆体，其前部的轴心处开设有轴向延伸的吸能腔体(24)，其前端的轴心处开设有连通至吸能腔体(24)的导向孔(25)；所述导向孔(25)的内径小于吸能腔体(24)的内径，且与主杆体(1)的外径相适配；在导向孔(25)与吸能腔体(24)的过渡部分形成环形限位部(26)；所述吸能腔体(24)通过导向孔(25)同轴心的套设在主杆体(1)后端的外部；所述挡板(19)尺寸与吸能腔体(24)的尺寸相适配，其轴向滑动的设置在吸能腔体(24)中，且其前端与主杆体(1)的后端固定连接；所述传感器(21)为环形，其套设在主杆体(1)的后端，且与挡板(19)相贴合的设置；所述弹簧(18)设置在吸能腔体(24)中，且套设在主杆体(1)的外部，其两端分别与传感器(21)和环形限位部(26)相抵接；所述主杆体(1)的后端、辅杆体(3)的前端、吸能腔体(24)、弹簧(18)、传感器(21)和挡板(19)形成一级吸能机构(S1)；所述挡圈(4)的外径大于辅杆体(3)的外径，且同轴心的固定连接在辅杆体(3)的后端外部；所述锥形杆体(27)为变径杆体，其由小圆柱段(5)、过渡段(28)和大圆柱段(6)组成，所述小圆柱段(5)的外径小于挡圈(4)的外径，其前端与辅杆体(3)的后端同轴心的固定连接；所述过渡段(28)的大径端和小径端分别与大圆柱段(6)的前端和小圆柱段(5)的后端同轴心的固定连接；所述膨胀套管(7)轴向滑动的套设在小圆柱段(5)的外部，且其前端的外径小于挡圈(4)的外径；膨胀套管(7)管身的后部径向相对的开设有一对三角弧形开口(32)，其管身的前端径向相对的开设有一对梯形凹槽(14)，一对梯形凹槽(14)和一对三角弧形开口(32)前后相对应的布置，所述三角弧形开口(32)为沿轴线对称式的结构，其由位于管身中部的弧形头部(17)、位于管身后部的三角形身部(16)和位于管身后端的梯形尾部(15)组成，所述三角形身部(16)的一个顶角为前端，且与弧形头部(17)的后端连通，其顶角所对应的边为后端且与梯形尾部(15)的上底边的中部连通；所述挡圈(4)、膨胀套管(7)和锥形杆体(27)形成二级吸能机构(S2)；所述主杆体(1)的杆身表面沿长度方向开设有线槽(12)，所述线槽(12)的断面呈V型；所述传感器(21)为有线型传感器，其信号线(20)通过线槽(12)延伸到主杆体(1)的前端；所述信号线(20)为光纤线缆；
S10：分析对塌落块体的支护方式，并进行吸能支护作业；
分析关键块体在巷道临空面长度是否小于800mm；若小于800mm，则在关键块体中部位置，并垂直关键块体的临空面打入一根锚杆；若大于等于800mm，视情况以相邻锚杆800mm的间距，垂直临空面打入相应数量的锚杆；在完成锚杆支护工作后执行步骤六；
S20：分析对滑落块体的支护方式，并进行吸能支护作业；
分析关键块体在巷道临空面长度是否小于1000mm；若小于1000mm，则穿过关键块体滑动的节理面，并垂直于关键块体的临空面打入一根锚杆；若大于等于1000mm，除打入穿过节理面的一根锚杆外，视情况以相邻锚杆1000mm的间距，垂直临空面打入相应数量的锚杆；在完成锚杆支护工作后执行步骤六；
在S10和S20中，利用锚杆进行吸能支护的具体方法如下：
A1：先在巷道围岩(13)表面开设垂直穿过块体(31)的钻孔(11)，并使钻孔(11)的末端延伸至深部坚硬岩体中，同时，确保钻孔(11)长度小于吸能锚杆(30)的长度；
A2：再将单根吸能锚杆(30)推进钻孔(11)底部，并使二级吸能机构(S2)所在部分与围岩(13)紧紧卡住形成锚固段，使主杆体(1)前端的外螺纹段(2)在钻孔(11)口处外露一定长度；
A3：在外露的外螺纹段(2)上进行配件的安装，依次安装托盘(8)、橡胶垫圈(9)和螺母(10)，并将托盘(8)与围岩(13)紧密贴合，然后，利用锁具转动锁紧螺母(10)，使吸能锚杆(30)在钻孔(11)内产生一定的预紧力，以完成单根吸能锚杆(30)的施工；
A4：利用一级吸能机构(S1)的第一级吸能作用应对围岩(13)浅部岩体的变形外突；
在高应力来压使围岩(13)浅部岩体变形外突时，促使托盘(8)带动主杆体(1)在轴向上向外移动，进而带动挡板(19)压缩弹簧(18)并向靠近吸能腔体(24)前端的方向滑动，使整根吸能锚杆(30)的长度伸长，在弹簧(18)的弹力克服被压缩的过程中，吸能锚杆(30)中部的一级吸能机构(S1)起到第一级吸能的作用；随着高应力持续作用，弹簧(18)持续被压缩，当弹簧(18)的弹性达到极限时，一级吸能机构(S1)的第一级吸能作用失效，并作为一个刚性构件继续起到承担支护的作用，将围岩(13)浅部破碎岩体锚固成一个整体；
A5：在高应力的多次扰动使一级吸能机构(S1)失效后，利用二级吸能机构(S2)的第二级吸能作用应对岩体的后续变形；
随着岩体变形产生的外拉力持续作用于主杆体(1)，过渡段(28)和大圆柱段(6)开始沿轴向移动，并逐渐与膨胀套管(7)发生相对滑动，其中，过渡段(28)先逐渐被拉入膨胀套管(7)中，膨胀套管(7)受到径向挤压力的作用而沿径向发生膨胀产生塑性变形，膨胀套管(7)的梯形尾部(15)先膨胀涨开，随着大圆柱段(6)逐渐进入膨胀套管(7)，三角形身部(16)会逐渐涨开，最后，弧形头部(17)也逐渐涨开；在逐渐涨开产生的塑性变形过程中，吸能锚杆尾部的二级吸能机构(S2)起到第二级吸能的作用；当大圆柱段(6)在膨胀套管(7)中滑动至极限位置时，二级吸能机构(S2)的第二级吸能作用失效，此时，整根吸能锚杆(30)成为一个刚性构件继续起到承担支护的作用，将浅部破碎围岩悬吊在深部坚硬岩体下；
步骤六：将各个锚杆通过光纤线缆连接到集中监测系统中形成支护监测网，完成节理化巷道块体稳定性分析及支护一体化过程。
2.根据权利要求1所述的一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法，其特征在于，在步骤五中，所述膨胀套管(7)管身的前部周向均匀的固定连接有四个球形铆钉(22)，其管身的后部于一对三角弧形开口(32)的两侧相对的固定连接有两个条形铆钉(23)。
3.根据权利要求2所述的一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法，其特征在于，在步骤五中，所述主杆体(1)、辅杆体(3)、挡板(19)、挡圈(4)和锥形杆体(27)均采用45号钢制成，所述膨胀套管(7)采用奥氏体A2制成。
4.根据权利要求3所述的一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法，其特征在于，在步骤五中，所述主杆体(1)的直径为28mm，其长度为900mm；所述辅杆体(3)外径为38mm，其长度为700mm；所述导向孔(25)的内径为28mm，其厚度为4mm；所述吸能腔体(24)的长度为230mm，其的内径为34mm；所述弹簧(18)的外径为32mm，其常态下的轴向长度为180mm；所述挡板(19)的直径为32mm，其长度为20mm；所述传感器(21)的外径为32mm，其内径为28mm，其长度为10mm；所述挡圈(4)的直径为38，其长度为20mm；所述小圆柱段(5)的直径为32mm，其长度250mm；所述大圆柱段(6)的直径为40mm，其长度为250mm；所述膨胀套管(7)的外径为40mm，其内径为34mm，其长度为350mm；所述外螺纹段(2)的直径为28mm，其长度为250～300mm；所述条形铆钉(23)的高度为1mm，所述球形铆钉(22)的高度为1mm；所述托盘(8)的长度80mm，其宽度为80mm，其厚度为8mm；所述橡胶垫圈(9)的内径为28mm，其外径为48mm；所述螺母(10)为六角形，其外径为48mm，其内径为28mm。
5.根据权利要求4所述的一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法，其特征在于，在步骤五中，所述一级吸能机构(S1)的长度不超过锚杆整体长度的五分之一，所述二级吸能机构(S2)的长度不超过锚杆整体长度的三分之一。
6.根据权利要求5所述的一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法，其特征在于，在步骤五中，钻孔(11)的直径为42mm，钻孔(11)的长度比吸能锚杆的长度小150～200mm；外螺纹段(2)的外露长度为150～200mm。
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