专利名称：钢丝绳锚杆支护层状软岩巷道的方法
技术领域：
本发明属于地矿技术领域，涉及一种在倾斜层状软弱岩体中施工沿脉巷道支护的方法，具体涉及一种钢丝绳锚杆支护层状软岩巷道的方法。
背景技术：
某铜矿采场工程地质调查结果表明，沿脉巷道所处的岩体属于中寒武统的火山岩系的石英角斑凝灰岩，岩体中断层、节理不甚发育，但片理极为发育，为倾斜层状软弱凝灰岩，从巷道中所呈现的破坏特征可以看出它既不是硬岩的块体破坏，也不是软岩的整体变形破坏，而是层状岩体特有的破坏特征。目前，针对地压破坏的巷道所采用的锚杆支护形式有管缝式锚杆支护，楔管式锚杆支护，螺纹钢锚杆支护。但这些支护形式对上述岩体破坏形式的支护效果都不是特别理想，岩体破坏随时间的增长而加剧，而且有明显的初始位置和不对称性。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种钢丝绳锚杆支护层状软岩巷道的方法，将钢丝绳作为支护巷道的锚杆，使支护结构与围岩紧密结合，解决了倾斜层状软弱凝灰岩的支护问题。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种钢丝绳锚杆支护层状软岩巷道的方法，能对倾斜层状软弱凝灰岩进行有效加固，具有锚固力大、支护强度高的特点，该方法具体按以下步骤进行
步骤I :在层状岩体上钻凿锚杆孔，控制相邻两锚杆孔之间的距离为700mm IOOOmm ； 按重量百分比，分别取水泥65% 75%、白水泥18% 25%、减水剂1% 3%和石膏5% 7%，各组分总量100% ;将所取各组分搅拌均匀，装入包装袋内，制成水泥粘结剂卷体；
步骤2 :将步骤I制得的水泥粘结剂卷体浸入清水60s 90s后，送入步骤I钻凿的锚杆孔内；
步骤3 :取钢丝绳锚杆，将该钢丝绳锚杆插入步骤2放入水泥粘结剂卷体的锚杆孔内， 钢丝绳锚杆留在锚杆孔外的长度为1200mm 1700mm;
步骤4:对插入钢丝绳锚杆的锚杆孔孔口进行固定，使钢丝绳锚杆顺巷道方向搭接并用绳卡铰连在一起，完成对层状软岩巷道的支护。所述步骤I中的减水剂采用萘系减水剂。所述步骤I中的包装袋采用长纤维滤水纸制成。包装袋尺寸为Φ 30mmX 230mm Φ32臟X23Ctam。本发明方法采用钢丝绳作为锚杆对巷道进行支护，使支护结构与围岩紧密结合， 既有一定的刚度，以限制围岩变形自由发展，防止围岩松散破坏；又具有一定的柔性，以适应围岩适当的变形，使作用在支护结构上的变形压力不致过大。经试验，取得了较好的效果，并为软弱层状岩体中巷道的支护提供了一种新的方法。
图I是本发明方法中钢丝绳锚杆在锚杆孔孔内的布置示意图。
图2是本发明方法中使用的钢丝绳锚杆杆体形状图。
图3是本发明方法中钢丝绳锚杆在锚杆孔孔外连接示意图。
图4是对本发明中钢丝绳锚杆进行室内试验时，不同龄期钢丝绳锚杆的拉拔试验曲线图。
图5是管缝式锚杆及楔管式锚杆的拉拔曲线图。
图6是Φ18螺纹钢锚杆不同龄期的拉拔曲线图。
图7是Φ18螺纹钢锚杆和Φ16螺纹钢锚杆的拉拔曲线对比图。
图8是本发明方法中钢丝绳锚杆的拉拔曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。
倾斜层状软弱凝灰岩的破坏特征既不是硬岩的块体破坏，也不是软岩的整体变形
破坏，而是层状岩体特有的破坏特征，使得现有的巷道支护方法不能很好地起到支护作用， 岩体破坏随时间的增长而加剧，并有明显的初始位置和不对称性，加大了防护的难度。为此，本发明提供了一种用钢丝绳作为锚杆支护倾斜层状软弱凝灰岩沿脉巷道的方法，具有锚固力大、支护强度高的特点。该支护方法具体按以下步骤进行
步骤I :采用YT-28型气腿式凿岩机在层状岩体上钻凿锚杆孔，控制锚杆孔的孔径为 40mm、孔深为1500mm 1800mm,相邻两锚杆孔之间的距离为700 IOOOmm ；
制备水泥粘结剂，按重量百分比，分别取水泥65 75%、白水泥18 25%、减水剂I 3%和石膏5 7%，各组分总量100% ;将所取各组分搅拌均匀，装入长纤维滤水纸制成的包装袋内，用线将该包装袋缝合成筒形，制成水泥粘结剂卷体，封存该粘结剂卷体；
包装袋的通常尺寸为Φ30 32mmX230mm。减水剂采用萘系减水剂。步骤2 :将步骤I制得的水泥粘结剂卷体浸入清水60 90s后，送入步骤I钻凿的锚杆孔内；
步骤3 :为确保锚杆与钢丝绳网联结成一个整体，取长度为3000mm 3200mm的钢丝绳锚杆，然后将该钢丝绳锚杆插入步骤2放入水泥粘结剂卷体的锚杆孔中，使钢丝绳插入锚杆孔的一端达到锚杆孔孔底，钢丝绳锚杆留在锚杆孔外的长度为1200mm 1700mm，如图I 所示；
钢丝绳锚杆采用废旧提升钢丝绳，常用的废旧提升钢丝绳为直径Φ22πιπι和直径 Φ28πιπι两种，该两种钢丝绳的内部结构均为6X19S+FC，钢丝绳每米重量分别为I. 748公斤和2. 890公斤，钢丝绳最小破断力分别为266. 7ΚΝ和432. 1ΚΝ，钢丝绳破断拉力分别为 317. 64ΚΝ和514. 63ΚΝ。破股后的单股钢丝的形状为空间波形，其波状分布规律在空间上下和前后两个方向的分布基本一样，即钢丝锚杆的杆体为等轴麻花状，如图2所示，钢丝绳锚杆的这种形状比单一波状更有利于提高锚杆体的插入钢度。采用水泥卷粘结剂钢丝绳锚杆的困难之处在于怎样将钢丝绳顺利插入水泥粘结剂卷体，这主要取决于钢丝绳的刚度和水泥粘结剂卷体的阻力。当锚杆孔内只有一卷水泥卷时，钢丝绳可顺利贯入，这时锚固深度为132mm，贯入时间为30秒；当锚杆孔内有2 3卷水泥卷时，锚固深度为266 410mm，贯入时间为I 2分钟；当锚杆孔内有4 5卷水泥卷时，锚固深度为532 720_，贯入时间为3 4分钟。因此，随着锚杆孔中水泥卷数量的增加，钢丝绳的贯入时间也随之增加，但无论怎样，钢丝绳均能顺利的贯入孔底，同时当钢丝绳直径变粗后，钢丝绳贯入难度也有所降低。步骤4:对插入钢丝绳锚杆的锚杆孔孔口进行固定，使锚杆顺巷道方向搭接并用绳卡铰连在一起，完成对层状软岩巷道的支护。水泥卷粘结剂的钢丝绳锚杆同树脂锚杆一样，属于点固式锚杆，需要对锚杆孔孔口进行固定，固定方式采用如图3所示的钢丝绳锚杆与钢丝网绳卡连起来固定的方式。图4是对钢丝绳锚杆进行室内试验时，不同龄期(钢丝绳锚杆插入水泥卷粘结剂I 天、3天和7天)钢丝绳锚杆的拉拔试验曲线图，从图中可以看出钢丝绳锚杆最初的位移较大，这是钢丝绳由弯变直所致，钢丝绳拉直后的拉拔曲线变得较为陡直。因此钢丝绳锚杆可以最大限度的发挥岩石自身的作用，对于软弱岩体所产生的地压更为有利，这一点不同于其它锚杆从开始加载直至破坏时的变形模式，使得钢丝绳锚杆的支架性好。室内试验的拉拔力为29KN，其锚固长度为300mm，平均每米锚固力达到96. 7KN。由于所有的钢丝绳锚杆铰连在一起，使所有钢丝绳锚杆能同时承载，并使各锚杆之间的岩石也得到了有效的加固。这对于软弱层状岩体，变形不对称性的破坏，可以尽可能使破坏较为严重的上盘帮壁和稳定性较好的下盘帮壁通过锚杆达到较好的关联，能对较大面积的岩体进行支护，有效地防止了大面积岩石的移动。钢丝绳锚杆加工方便。钢丝绳锚杆只需要将废旧提升钢丝绳破股后即可使用，而螺纹钢锚杆还需要加工出丝扣，螺帽和垫板，管缝式和楔式加工就更加复杂。钢丝绳锚杆成本低，重量轻，运输方便。经测定，长度相等的钢丝绳锚杆重量仅为Φ18_螺纹钢锚杆的十分之一，因而井下运输十分容易。由于基本上有废旧钢丝绳构成，其成本显著降低。实施例I
O试验地点试验选择在西部1621水平750行线下盘主沿脉联络道中，该地段主要是较为松弱的石英角斑凝灰岩，岩层中裂隙水较少，小节理较为发育，主要节理有三组 ①32° Z 26°②90° Z 85°③240° Z 44° 60°，但延伸不大，多数呈闭合状态，而片理十分发育。片理产状210° Z 60°，表面强度低，用手搬动即可脱落。上部对1645水平和1633水平采用了单一螺纹钢锚杆支护，未能有效的阻止岩石的片落和顶部掉块，加之后期采矿影响，巷道破坏更为严重，有些锚杆都露出孔外，致使部分矿量无法回收。据此，经过论证采用钢丝绳锚杆支护。2)锚杆长度设计
该矿沿脉巷道处于倾斜层状岩体中，锚杆支护需符合加固层状岩体特殊松动的条件。 根据岩体声波测试，测得西部巷道开挖成形半年后岩体的松动深度I. 2 I. 3m，I年后岩体的松动深度I. 5 I. 7m, 2年后岩体的松动深度I. 8 2m，2年半至3. 5年后岩体的松动深度2 2. 4m。根据锚杆的抗拉能力和砂浆粘结力相等的原则，最终确定锚杆的最大深度为 I. 8m。3)锚杆的间距受层状岩体结构的影响，由于松动带在巷道断面上呈非对称结构，靠上盘方向明显大于下盘方向的松动深度，因此锚杆的间距也是不相等的，上盘密，下盘稀，从700 1100_不等。锚杆的方向尽可能垂直片理方向，这是由于巷道开挖后大部分的片理直接暴露在巷道中，垂直片理方向布置有利于发挥锚杆的组合梁作用，提高层装岩体的强度。不能垂直片理方向时，则呈水平方向。4)锚杆孔施工使用YT-28型气腿式凿岩机，孔深为1500mm 1800mm，孔径40mm。 水泥卷一定放置到孔底，再将钢丝绳缓慢地插入孔中，有困难时可稍微将钢丝绳旋转一下， 实验表明，每根钢丝绳都能顺利地插入到孔底，待水泥卷充分凝固后或一天后进行孔口连网。5)现场拉拔试验现场对管缝式锚杆、楔管式锚杆、螺纹钢锚杆及钢丝绳锚杆进行拉拔试验，试验锚杆孔位于巷道上盘壁上，锚杆孔方向垂直于片理面，采用ML20型锚杆拉力计进行拉拔试验，对每根锚杆做了两次拉拔，试验时采用分级加载，并记录每级载荷时的位移，然后绘出几种不同锚杆的拉拔力-位移曲线。管缝式锚杆及楔管式锚杆的拉拔曲线图，如图5所示，管缝式锚杆为全长摩擦式锚杆，经试验最大拉拔力只有56. 9KN，楔管式锚杆在管缝式锚杆的基础上增加了楔头，最大拉拔力可达到130. 8KN。Φ18螺纹钢锚杆不同龄期的拉拔曲线，如图6所示，图中显示了拉拔力与钢丝绳锚杆位移的关系，说明了拉拔力随着位移的增加逐渐增大，并且逐渐趋于稳定。螺纹钢水泥卷锚杆的拉拔力与杆体直径有较大关系，如图7所示，Φ18螺纹钢锚杆和Φ16螺纹钢锚杆的拉拔曲线对比图，从图中可看出，Φ 18mm普通螺纹钢锚杆的平均锚固力达到104. 4KN,平均位移量15mm ； Φ 16螺纹钢锚杆的平均锚固力为76. 7KN，平均位移量13mm ;螺纹钢锚杆大部分破坏形式为上扣处拉断或杆体外露出被拉长变细，而本发明方法中采用废旧钢丝绳作为锚杆，废旧钢丝绳没有强度弱段，并且钢丝绳锚杆呈麻花状嵌套在水泥卷中，不但有一定的摩擦力，而且有较高的内聚力，锚杆杆体在外力作用下，向孔口移动时整个水泥卷均受外力作用，这一点不同于8号低碳镀锌钢丝锚杆和螺纹钢锚杆在锚杆孔内的握裹力主要依赖于螺纹钢与水泥卷之间的凝结力，因而钢丝绳锚杆具有很高的抗拉强度、较大的锚固力和较高的支护强度，钢丝绳锚杆现场试验的拉拔曲线图如图8所示,其拉拔力为144. 8KN，平均每米189. 2KN。实施例2
用凿岩机在层状岩体上钻凿孔径40mm、孔深1500mm的锚杆孔，相邻两锚杆孔之间的距离为700mm ;按重量百分比，分别取水泥65%、白水泥25%、萘系减水剂3%和石膏7% ;将所取各组分搅拌均匀，装入长纤维滤水纸制成的尺寸为O30mmX230mm的包装袋内，用线将该包装袋缝合成筒形，制成水泥粘结剂卷体；将该水泥粘结剂卷体浸入清水60s后，送入钻凿的锚杆孔内；为确保锚杆与钢丝绳网联结成一个整体，取长度为3200mm的钢丝绳锚杆，并插入放入水泥粘结剂卷体的锚杆孔内，将钢丝绳锚杆插到锚杆孔孔底，钢丝绳锚杆留在锚杆孔外的长度为1700mm ;对插入钢丝绳锚杆的锚杆孔孔口进行固定，使钢丝绳锚杆顺巷道方向搭接并用绳卡铰连在一起，完成对层状软岩巷道的支护。实施例3
用凿岩机在层状岩体上钻凿孔径40mm、孔深1800mm的锚杆孔，相邻两锚杆孔之间的距离为IOOOmm ;按重量百分比，分别取水泥75%、白水泥18%、萘系减水剂2%和石膏5% ;将所取各组分搅拌均匀，装入长纤维滤水纸制成的尺寸为O32mmX230mm的包装袋内，用线将该包装袋缝合成筒形，制成水泥粘结剂卷体；将该水泥粘结剂卷体浸入清水90s后，送入钻凿的锚杆孔内；为确保锚杆与钢丝绳网联结成一个整体，取长度为3000mm的钢丝绳锚杆，并插入放入水泥粘结剂卷体的锚杆孔内，将钢丝绳锚杆插到锚杆孔孔底，钢丝绳锚杆留在锚杆孔外的长度为1200mm ;对插入钢丝绳锚杆的锚杆孔孔口进行固定，使钢丝绳锚杆顺巷道方向搭接并用绳卡铰连在一起，完成对层状软岩巷道的支护。实施例4
用凿岩机在层状岩体上钻凿孔径40mm、孔深1650mm的锚杆孔，相邻两锚杆孔之间的距离为850mm ;按重量百分比，分别取水泥70%、白水泥21. 5%、萘系减水剂2. 5%和石膏6% ； 将所取各组分搅拌均匀，装入长纤维滤水纸制成的尺寸为Φ31_Χ230_的包装袋内，用线将该包装袋缝合成筒形，制成水泥粘结剂卷体；将该水泥粘结剂卷体浸入清水75s后，送入钻凿的锚杆孔内；为确保锚杆与钢丝绳网联结成一个整体，取长度为3100mm的钢丝绳锚杆，并插入放入水泥粘结剂卷体的锚杆孔内，将钢丝绳锚杆插到锚杆孔孔底，钢丝绳锚杆留在锚杆孔外的长度为1450mm ;对插入钢丝绳锚杆的锚杆孔孔口进行固定，使钢丝绳锚杆顺巷道方向搭接并用绳卡铰连在一起，完成对层状软岩巷道的支护。实施例5
用凿岩机在层状岩体上钻凿孔径40mm、孔深1750mm的锚杆孔，相邻两锚杆孔之间的距离为800mm ;按重量百分比，分别取水泥68%、白水泥24%、萘系减水剂1%和石膏7% ;将所取各组分搅拌均匀，装入长纤维滤水纸制成的尺寸为O30mmX230mm的包装袋内，用线将该包装袋缝合成筒形，制成水泥粘结剂卷体；将该水泥粘结剂卷体浸入清水65s后，送入钻凿的锚杆孔内；为确保锚杆与钢丝绳网联结成一个整体，取长度为3150mm的钢丝绳锚杆，并插入放入水泥粘结剂卷体的锚杆孔内，将钢丝绳锚杆插到锚杆孔孔底，钢丝绳锚杆留在锚杆孔外的长度为1400mm ;对插入钢丝绳锚杆的锚杆孔孔口进行固定，使钢丝绳锚杆顺巷道方向搭接并用绳卡铰连在一起，完成对层状软岩巷道的支护。实施例6
用凿岩机在层状岩体上钻凿孔径40mm、孔深1550mm的锚杆孔，相邻两锚杆孔之间的距离为900mm ;按重量百分比，分别取水泥72. 5%、白水泥20. 5%、萘系减水剂I. 5%和石膏 5. 5% ;将所取各组分搅拌均勻，装入长纤维滤水纸制成的尺寸为Φ31ι πιΧ230mm的包装袋内，用线将该包装袋缝合成筒形，制成水泥粘结剂卷体；将该水泥粘结剂卷体浸入清水85s 后，送入钻凿的锚杆孔内；为确保锚杆与钢丝绳网联结成一个整体，取长度为3050mm的钢丝绳锚杆，并插入放入水泥粘结剂卷体的锚杆孔内，将钢丝绳锚杆插到锚杆孔孔底，钢丝绳锚杆留在锚杆孔外的长度为1500mm ;对插入钢丝绳锚杆的锚杆孔孔口进行固定，使钢丝绳锚杆顺巷道方向搭接并用绳卡铰连在一起，完成对层状软岩巷道的支护。实施例7
用凿岩机在层状岩体上钻凿孔径40mm、孔深1600mm的锚杆孔，相邻两锚杆孔之间的距离为950mm ;按重量百分比，分别取水泥67%、白水泥23. 5%、萘系减水剂3%和石膏6. 5% ； 将所取各组分搅拌均匀，装入长纤维滤水纸制成的尺寸为O31mmX230mm的包装袋内，用线将该包装袋缝合成筒形，制成水泥粘结剂卷体；将该水泥粘结剂卷体浸入清水70s后，送入钻凿的锚杆孔内；为确保锚杆与钢丝绳网联结成一个整体，取长度为3200mm的钢丝绳锚杆，并插入放入水泥粘结剂卷体的锚杆孔内，将钢丝绳锚杆插到锚杆孔孔底，钢丝绳锚杆留在锚杆孔外的长度为1600mm ;对插入钢丝绳锚杆的锚杆孔孔口进行固定，使钢丝绳锚杆顺巷道方向搭接并用绳卡铰连在一起，完成对层状软岩巷道的支护。
权利要求
1.一种钢丝绳锚杆支护层状软岩巷道的方法，能对倾斜层状软弱凝灰岩进行有效加固，具有锚固力大、支护强度高的特点，其特征在于，该方法具体按以下步骤进行步骤I :在层状岩体上钻凿锚杆孔，控制相邻两锚杆孔之间的距离为700mm IOOOmm ；按重量百分比，分别取水泥65% 75%、白水泥18% 25%、减水剂1% 3%和石膏5% 7%，各组分总量100%;将所取各组分搅拌均匀，装入包装袋内，用线将该包装袋缝合成筒形，制成水泥粘结剂卷体；步骤2 :将步骤I制得的水泥粘结剂卷体浸入清水60s 90s后，送入步骤I钻凿的锚杆孔内；步骤3 :取钢丝绳锚杆，将该钢丝绳锚杆插入步骤2放入水泥粘结剂卷体的锚杆孔内， 钢丝绳锚杆留在锚杆孔外的长度为1200mm 1700mm ；步骤4 :对插入钢丝绳锚杆的锚杆孔孔口进行固定，使钢丝绳锚杆顺巷道方向搭接并用绳卡铰连在一起，完成对层状软岩巷道的支护。
2.根据权利要求I所述的钢丝绳锚杆支护层状软岩巷道的方法，其特征在于，所述步骤I中的减水剂采用萘系减水剂。
3.根据权利要求I所述的钢丝绳锚杆支护层状软岩巷道的方法，其特征在于，所述步骤I中的包装袋采用长纤维滤水纸制成。
4.根据权利要求3所述的钢丝绳锚杆支护层状软岩巷道的方法，其特征在于，所述的包装袋尺寸为 Φ30mmX230mm C>32mmX230mm。
全文摘要
本发明公开了一种钢丝绳锚杆支护层状软岩巷道的方法，在层状岩体上钻凿锚杆孔，控制相邻两锚杆孔之间的距离为700～1000mm；按重量百分比，将水泥、白水泥、减水剂和石膏搅拌均匀，装入包装袋内，制成水泥粘结剂卷体；将该水泥粘结剂卷体浸水后，送入锚杆孔内；在该锚杆孔内插入钢丝绳锚杆；并对锚杆孔孔口进行固定，使锚杆顺巷道方向搭接并用绳卡铰连在一起，完成对层状软岩巷道的支护。本发明方法使支护结构与围岩紧密结合，既能限制围岩变形自由发展，防止围岩松散破坏；又能适应围岩适当变形，使作用在支护结构上的变形压力不致过大，对倾斜层状软弱凝灰岩进行有效加固，为软弱层状岩体中巷道的支护提供了一种新的方法。
文档编号E21D21/00GK102606180SQ201110431968
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月21日 优先权日2011年12月21日
发明者刘武团, 刘沈宁, 洪艳霞, 焦满岱, 陈小平, 雷明礼 申请人:西北矿冶研究院