CN1191929A - 井巷支护装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井巷支护装置和方法,它包括:拉杆、锚固端,锚固端为在围岩非冒落区倾斜设置的锚杆,拉杆设置在围岩外面,其两端与锚固端固定连接;拉杆、锚固端与围岩形成一体,构成整体构件。它还可包括张拉装置,抗剪节,混凝土,调长装置;它用拉杆承受拉应力,与围岩共同形成一个结构。它具有良好的经济性、便捷性和有效性,并且组合方式多,对各种类型巷道的适应性强。
Description
本发明涉及一种井巷支护的装置和方法。
依据地质状况、围岩硬度、巷道用途、服务年限、施工条件等,现有技术分别采用锚栓支护、架棚支护、喷射混凝支护或拱镟支护,有时采用双重支护。锚栓支护不能满足大部分巷道的复杂地质,服务年限;棚子和砌镟支护难以紧跟掘进工作面施工;喷射混凝土支护分别以吊挂,支承和固结三种不同的工作原理进行工作,三种原理无法互补,无法兼容。
本发明的目的是:提供一种井巷支护装置和方法。本发明将围岩视为受弯构件,利用了围岩特有的抗压和抗剪能力,对其受拉区抗拉能力的不足部分进行了补强,形成了新的支护装置和方法,具有良好的经济性、便捷性和有效性。本发明具有多种组合方式,从而能在更大范围内适应巷道对支护的不同需求。
本发明的目的是这样实现的:
一种井巷支护方法,其特征在于:它包括以下步骤:
(1)钻锚固端孔:在井巷围岩非冒落区倾斜钻锚端孔;
(2)锚固锚固端:将锚固端放入锚固端孔,对锚固端进行锚固,锚固端为在围岩非冒落区倾斜设置的锚栓;
(3)安装拉杆:拉杆设置在围岩外面,拉杆两端与锚固端固定连接;
(4)拉杆与围岩连接:连接方式可为以下几种方法之一或同时选用几种;
a.用连接件将锚固端和拉杆的两端有效固定:
b.水平张拉或下撑式张拉对拉杆施加预应力:
c.用剪力节将预应力传给围岩的有效部位,并将围岩变形反传给拉杆,剪力节为在围岩上设置的锚栓,锚栓下端头与拉杆固定连接;
d.在围岩外表面浇筑或喷射混凝土,利用混凝土做媒介完成应力传递。
一种井巷支护装置,它包括:拉杆、锚固端,其特征在于:锚固端为在围岩非冒落区倾斜设置的锚栓,拉杆设置在围岩外面,其两端与锚固端固定连接;拉杆、锚固端与围岩形成一体,构成整体结构。
它还可包括张拉装置,由单根或多根拉杆为一组,拉杆间由剪力节或撑棍间隔后,张紧或拉紧,使两根拉杆靠扰,拉杆被拉紧得到预应力。它还可包括剪力节,若干剪力节分布在拉杆上,剪力节为在围岩上设置的锚栓,其下端头用接件与拉杆固定连接。它还可包括混凝土,用混凝土浇筑或用喷射混凝土喷射在围岩外表面形成一层混凝土,将拉杆包裹在混凝土内。它还可包括调长装置,它安在拉杆与拉杆相接处,拉杆端头在不同长度重叠并用锚具固定,使拉杆支护装置的总长度可调。
本发明有以下优点和积极效果。
1.预应力拉杆支护在代替锚栓支护时,钻孔深度可减少三分之一,材料成本可节约十分之一,构件重量轻,操作省力,易于工厂化生产,工作安全可靠,易维修,当在此基础上采用工具式吊挂模板,局部灌抹水泥砂浆后可做到支护升级,代替架棚支护。
2.预应力拉杆支护代替架棚时,其成本仅为棚子的十分之一,巷道毛断面减小,劳动强度减小,成巷速度加快,保养维修方便,对围岩表面喷水泥浆后可做到支护升级代替喷射混凝土支护。
3.预应力拉杆支护代替喷射混凝土支护时,金属拉杆,混凝土和巷道围岩形成类似建筑工程的钢筋混凝土式结构,巷道断面有可能由拱形改为矩形,减少了毛断面的开挖量;混凝土用量可减少到原来的五分之一至十分之一;混凝土喷射机可以用砂浆注浆罐代替,干喷可改为砂浆湿喷,通过以上改进,掘进和支护可以平行作业,提高单孔进度三分之一。
本发明有着广阔的开发前景,在一千万米巷道中使用,则每年直接经济效益在亿元以上。它以其独特的工作原理能将现有支护的施工工艺继承,利用抗弯原理的同时兼有支承、吊挂、粘结功能,加上配套技术后,即可以实现支护手段的改革,支护方法的更新和支护构件的换代,为采掘工作开创新局面。
图1是本发明的支护结构平面示意图。
图2是图1的剖面示意图。
图3是本发明的巷道断面示意图。
图4-6是本发明的锚固端、剪力节节点示意图。
图7-8是本发明的一种调长装置的示意图。
图9-11是本发明的预应力拉杆以剪力节形成正、水平、反拱的示意图。
图12-15是本发明的围岩表面不平整状态下垫平的施工方法示意图。
图16-17是本发明的锚固端的设置和构造示意图。
图18-21是本发明在拱形断面的巷道中实施的示意图。
图22-27是本发明的各种锚固端结构示意图。
图28-30是本发明的各种拉杆结构示意图。
图31-33是本发明的各种连接件结构示意图。
图34-35是本发明的各种剪力节结构示意图。
图34-39是本发明的各种张拉装置结构示意图。
图40-42是本发明的各种调长装置结构示意图。
图43-45是本发明的各种混凝土结构示意图。
下面结合附图及实施例详细说明本发明。
一.预应力拉杆支护的基本结构模型。
该模型如图1-3所示,其力学原理是将巷道围岩作为抗弯构件,利用预应力和工作应力补强其受拉区抗拉强度的不足。该模型中直接工作的构件是拉杆,能使该支护有效实施的关键在于拉杆是否能够和围岩共同工作。共同工作的标志有二:其一,是对拉杆施加预拉应力,该力作为压应力传递给围岩;其二,是当围岩发生弯曲变形产生挠度时,该变形传递给拉杆,在拉杆中产生拉力,该拉力将其反力再传递给围岩的受拉区,使其转化为压应力。
为实现拉杆与围岩共同工作,本模型中采用了以下技术手段:
1.通过锚固端和连接件将拉杆的两端做有效固定。
2.通过水平张拉或下撑式张拉对拉杆施加预拉应力。
3.通过剪力节将预应力传给围岩的有效部位,并将围岩变形反传给拉杆。
4.利用混凝土做媒介完成其应力传递。
基本模型是由八个部分组成的一个完整的工作体系,即锚固端1,拉杆2连接件3,剪力节4,张拉装置5,调长装置6,混凝土7,围岩8。
二.系统组成的各部分构件选用表及其组合方法:
基本模型是一种泛指的结构体系,当利用表(1)和其所附的组合方式代码表达,将具体的构件插入后,即可形成一种实用的装置。
在基础模型中包括围岩在内的八个部分都有若干不同的选择,因此用此方法可设计和制作多种预应拉杆支护的系列装置。
装置系统组成的构件选用表
表<1>
编号 | 部分 | 构件名称(节点) | 代码 | 特点 | |
1 | 锚固端 | 胀圈锚栓 | Mq | 应用广 | |
正楔式锚栓 | Mx | 便回收 | |||
倒楔缝锚栓 | Md | 成本低 | |||
砂浆锚栓 | Mj | 年限长 | |||
树脂锚栓 | Ms | 锚固强 | |||
组合式锚栓 | Mz | 年限长 | |||
2 | 拉杆 | O圆钢、L角钢、II槽钢组成单、双肢或多肢 | 水平 | Lp | 省空间 |
下撑 | Lc | 剪力大 | |||
组合 | Lh | 综合性 | |||
3 | 连接件 | 斜垫式连接件 | Dx | 批量 | |
整体式连接点 | Dz | 钢丝束 | |||
特定设计连接点 | Ds | -- | |||
4 | 剪力节 | 斜垫式剪力节 | Qx | 批量 | |
特定设计剪力节 | Qs | -- | |||
5 | 张拉装置 | 工具弯钩拉紧件 | Yz | 批量 | |
撑开件 | Yc | 补张力 | |||
装置拉紧件 | Ys | 型钢 | |||
下撑式拉紧装置 | Yx | -- | |||
6 | 调长装置 | 整楔箍式锚具 | Tz | 现场制 | |
单楔箍式锚具 | Td | 工厂制 | |||
楔式锚具 | Ts | 便操作 | |||
7 | 混凝土 | 模板混凝土 | Hm | 无设备 | |
注浆混凝土 | Hz | 干扰少 | |||
喷射混凝土 | HP | 质量高 |
利用构件表组合设计拉杆支护装置,该支护为系列支护。
三.预应力拉杆支护的配套技术
1.在双肢圆钢拉杆中,锚固端锚栓与拉杆连接,剪力节锚栓与拉杆的连接,用铸铁斜垫实现(见图4-6),该铸铁斜垫有互换性,利于工厂化批量生产。
2.箍式专用锚具见(附图7-8),楔式专用锚具,除通用锚具可做拉杆的长度调节装置外,以上专用锚具更有适用性。
3.降低锚固成本的途径:
规范胀圈锚栓,形成工厂化生产,采用金属冲压、树脂或其它硬质塑料生产胀圈锚栓的圈瓣;加大锚杆直径;锚杆尾部螺杆采用滚齿工艺加工。
4.水平预应力拉杆中以剪力节形成反拱(见附图9-11)该技术可通过剪力节促使拉杆和围岩共同工作。
5.围岩表面不平整状态下的施工方法(见附图12-15),方法分别为:垫块调平、套管调平、下撑式调平、混凝土调平。
6.锚固端的位置的构造(见图16-17),图16为支承兼吊挂式锚固端,图17全支承无吊挂式锚固端,图中虚线圆弧表示冒落拱。
7.采用角钢,槽钢等型钢做预应力拉杆时,可以同时实现永久支护和临时支护。
8.在有侧压力和底压力的巷道中采用矩形断面时,对转角处的连接件给予专门设计,然后将巷道壁和巷道底用支护顶板的方法给予支护。
9.在拱形断面的巷道中实施预应力拉杆支扩时,可以通过复杂地质带或破碎带,实施办法见图18-21图19是图18的甲-甲剖面图,图20是图18的A放大图,图21是图19的拉杆大样图;在掘进过程中每延伸一定距离(1-2米),做一组由锚栓和型钢或锚栓和混凝土组成的拱圈,当用于竖井延伸时,该拱圈可做成壁座式,在拱圈上装设连接件,沿巷道(井筒)方向安装预应力拉杆,即可形成支护结构,混凝土可以浇灌、注灌,喷射或工具式模板浇抹,采用型钢做拱圈时可实现掘进和支护的连续作业,采用掘进和支护分段作业时很容易和可拆装的工具式临时支护配套,当用于大断面导坑开挖时,该拱圈在任何一个导坑的巷道一侧都可单独形成稳定结构。实施例一巷道条件:
巷宽2.7M;围岩普氏硬度系数f=4-6;服务年限20年;原支护为树脂锚栓,每米巷长3架,杆长1.7M。支护设计:
依据表(1)选择每米巷长一组支护;2个胀圈端固锚栓,杆长500mm,双肢Φ12mm圆钢筋拉条;2个剪力节,杆长250mm;工具式张拉。设计表达:
2Mg500-2Lop2500-2Dx-2Qx2500-3Yz实施例二巷道条件:
巷宽3.0M,巷高2.0M;沿煤层顶板掘进,无侧压;采区运输巷道;顶板岩石普氏硬度系数f=4~6;使用年限10年以下。原支护为临时和永久双重支护:临时支护为树脂锚栓,每米巷长3架,杆长1.6M;永久支护为钢梁木腿组合棚。由于顶板上0.4M高处有一煤线,形成伪顶,所以选用密集板刹顶。支护设计:
取巷长0.8M一组拉杆支护。
根据表<1>选择:2个树脂端固锚栓,杆长0.5M;
双肢Φ12mm圆钢水平拉杆;
4个剪力节,杆长250mm;
连接垫与剪力节垫均采用45°斜垫;
工具式张拉;
不选用拉杆的调长装置和混凝土。设计表达:
2Ms500-2LOp2800-2Dx-4Qx250-5Yz实施例三巷道条件:
原设计为拱形巷道;巷净宽4.33M,毛宽4.5M,全高4.5M;树脂锚栓,喷射混凝土支护;岩石普氏硬度系数为f=4~6;石门轨道巷;使用年限60年。支护设计:
1.采用组合式拉杆支护后将巷道改为宽×高=4.33M×2.8M的矩形断面;
2.采用中心导坑掘进,导坑宽2.5M,先架设水平拉杆,扩帮后增设下撑式拉杆;
3.混凝土厚度为能喷没金属构件即可,因此以小型砂浆的注浆罐代替混凝土喷射机。
根据表<1>选择:4个组合式锚栓,杆长0.75M;
2个Φ12mm长度2.3M圆钢水平拉杆;
2个Φ14mm长度4.1M圆钢下撑拉杆;
8个斜垫式连接件;
4个斜垫式剪力节,锚杆长度0.5M;
2个特定设计剪力节,锚杆长度0.5M;
5个工具式弯钓拉紧件;
2个下撑式拉紧装置;
1个单楔箍式锚具;
注浆混凝土,厚度0.01M。设计表达:
4Mz750-2LpΦ12 2300-8Dx-4Qx500-5Yz-1Td-Hz10
2LcΦ14 4100 2Qs500 2Yx
Claims (6)
1、一种井巷支护方法,其特征在于:它包括以下步骤:
(1)钻锚固端孔:在井巷围岩非冒落区倾斜钻锚固端孔;
(2)锚固锚固端:将锚固端放入锚固端孔,对锚端进行锚固,锚固端为在围岩非冒落区倾斜设置的锚栓;
(3)安装拉杆:拉杆设置在围岩外面,拉杆两端与锚固端固定连接;
(4)拉杆与围岩连接:连接方式可为以下几种方法之一或同时选用几种;
a.用连接件将锚固端和拉杆的两端有效固定;
b.水平张拉或下撑式张拉对拉杆施加预应力;
c.用剪力节将预应力传给围岩的有效部位,并将围岩变形反传给拉杆,剪力节为在围岩上设置的锚栓,锚栓下端头与拉杆固定连接;
d.在围岩外表面浇筑或喷射混凝土,利用混凝土做媒介完成应力传递。
2、一种井巷支护装置,它包括:拉杆、锚固端,其特征在于:锚固端为在围岩非冒落区倾斜设置的锚栓,拉杆设置在围岩外面,其两端与锚固端固定连接;拉杆、锚固端与围岩形成一体,构成整体结构。
3、根据权利要求2所述的支护装置,其特征在于:它还包括张拉装置,由单根或多根拉杆为一组,拉杆间由剪力节或撑棍间隔后,张紧或拉紧,使两根拉杆靠拢,拉杆被拉紧得到预应力。
4、根据权利要求2所述的支护装置,其特征在于:它还包括剪力节,若干剪力节分布在拉杆上,剪力节为在围岩上设置的锚栓,锚栓下端头用连接件与拉杆固定连接。
5、根据权利要求2所述的支护装置,其特征在于:它还包括混凝土,用混凝土浇筑或用喷射混凝土喷射在围岩外表面形成一层混凝土,将拉杆包裹在混凝土内。
6、根据权利要求2所述的支护装置,其特征在于:它还包括调长装置,它安在拉杆与拉杆相接处,拉杆端头在不同长度重叠并用锚具固定,使拉杆支护装置的总长度可调。
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