可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法与流程

【技术领域】

本发明涉及巷道围岩加固技术领域，具体是可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法。

背景技术：

在煤矿开采过程中，因围岩条件的复杂性和多变性，使锚杆和锚索等支护结构在巷道围岩支护方面发挥了重要作用，使资源开采和机械、人员安全得到保障。调查发现，目前国内外在深部巷道围岩控制时最主要的支护方式仍为锚杆、锚索配合喷射混凝土支护的方式。预应力锚杆能够给予浅部破碎岩体较强的支护力，维持巷道结构稳定；预应力锚索在结构长度和支护强度方面具有良好优势，锚固范围大。两者都以主动支护为支护理念，能够较充分地发挥围岩的自身承载能力，一定程度上能够有效地控制岩体剧烈变形，为煤矿开采提供安全环境。与被动支护的方式相比较，预应力锚杆(索)支护不论是从材料成本、操作简易性和支护效果上都明显优于被动支护方式。

然而，随着资源开采向深部转移，巷道埋深越来越大，围岩应力不断增大，普通锚杆(索)支护技术的支护效果越发不明显，甚至失效。在现有的深部巷道锚杆(索)支护技术中，通常采取局部锚固、局部注浆形式，仅施加一次或者不施加预紧力，难以对不同深度的岩体进行差异性支护，忽视了深部高应力状态下巷道围岩力学结构的差异性，支护效果较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法，解决现有技术中局部锚固局部注浆的支护方式因不能根据不同深度巷道围岩力学结构进行空间差异化支护导致的支护效果差的问题。

本发明提供技术方案如下：

可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法，包括以下步骤：

步骤1：钻孔，并根据孔内岩体破碎情况将岩体分为第一区段、第二区段、第三区段和第四区段；

步骤2：第一区段的锚固：将锚固剂置入至第一区段内，将基础支护结构沿孔道伸入，旋转搅拌使位于基础支护结构首端的搅拌锚固头与锚固剂充分混合粘结，待锚固剂凝固后，对锚索施加第一次预紧力，其中，所述基础支护结构包括多根并排设置的锚索和设于多根所述的锚索上依次设置的用于将锚索经过的围岩分成四个区段的第一挡板、第二挡板和第三挡板；

步骤3：第二区段的锚固：将一级注浆套管沿孔道伸入并与基础支护结构中的第二挡板结合，对第二区段注浆，待浆液凝固后，撤出一级注浆套管，对锚索施加第二次预紧力；

步骤4：第三区段的锚固：将二级注浆套管沿孔道伸入并与基础支护结构中的第三挡板结合，对第三区段注满浆液，待浆液凝固后，撤出二级注浆套管，对锚索施加第三次预紧力；

步骤5：第四区段的锚固：在锚索末端安装锚索垫板，将锚固剂沿孔道置入至基础支护结构中第三挡板后端，将锚杆沿锚索垫板伸入并旋转搅拌，使锚杆端部与锚固剂充分混合粘结，待锚固剂凝固后，安装锚杆垫板，沿锚杆向第四区段注满浆液，待浆液凝固后，对锚杆施加第四次预紧力。

如上所述的可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法，所述步骤3中一级注浆套管包括依次连接的第一端部套管、拼接套管和尾部套管，所述步骤4中二级注浆套管包括第二端部套管和所述尾部套管，所述第二端部套管和所述尾部套管的端部连接，所述第一端部套管、拼接套管和第二端部套管上均设有与尾部套管贯通的注浆通道，所述尾部套管上设有注浆口，所述注浆口与所述注浆通道连通，所述第一端部套管上设有用于连接所述第二挡板的第一连接部，所述第二端部套管上设有用于连接所述第三挡板的第二连接部。

如上所述的可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法，所述第一端部套管、拼接套管和第二端部套管上均设有与尾部套管贯通的渗流通道，所述渗流通道内设有用于反馈注浆情况的活塞组件。

如上所述的可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法，所述第一端部套管上设有第一连接部的一端设有向所述渗流通道流入方向凸起的第一限位凸台，所述第一端部套管的渗流通道内设有与第一限位凸台相对的第一限位挡片，所述第一限位凸台上设有与渗流通道连通的第一凸台通孔。

如上所述的可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法，所述第二端部套管上设有第二连接部的一端设有向所述渗流通道流入方向凸起的第二限位凸台，所述尾部套管的渗流通道内设有第二限位挡片，所述第二限位凸台上设有与渗流通道连通的第二凸台通孔。

如上所述的可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法，所述第一连接部包括设于第一端部套管外表面的第一卡扣，所述第二连接部包括设于第二端部套管外表面的第二卡扣和限位挡板。

如上所述的可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法，所述第二挡板上设有用于连接一级注浆套管的套管连接槽，所述套管连接槽内设有多个贯通第二挡板且用于供浆液通过的注浆通孔。

如上所述的可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法，所述第二挡板上设有与套管连接槽贯通的卡槽，所述套管连接槽侧壁上设有与卡槽侧壁连通的第一滑道。

如上所述的可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法，所述第三挡板上设有用于供一级注浆套管穿过的套管通孔，以及与套管通孔贯通且用于连接二级注浆套管的卡孔，套管通孔侧壁上设有与卡孔连通的第二滑道。

如上所述的可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法，所述第二挡板和第三挡板之间设有多根与锚索并排设置的加固段，所述锚索与所述加固段数量均为四根，所述锚索与加固段间隔排布，每根所述锚索均由四根高强度的钢绞线缠绕而成。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

本发明所提供的可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法，通过按岩体空间差异性将岩体划分为四个区段，对不同区段采用不同的支护结构及支护方式，以实现对空间差异性岩体的差异化支护，本方法不仅采用锚杆与锚索支护相结合的支护结构，而且采用锚固剂锚固与注浆锚固相结合的方式，更加能适用于深部高应力巷道的施工环境，比普通单一的锚杆或锚索的锚固支护方式以及单一的锚固剂锚固或注浆锚固更加牢靠，锚固效果更加明显。

【附图说明】

图1为本发明实施例的基础支护结构的结构示意图。

图2为本发明实施例的基础支护结构与一级注浆套管结合的结构示意图。

图3为本发明实施例的基础支护结构与二级注浆套管结合的结构示意图。

图4为本发明实施例的主体支护结构的结构示意图。

图5为本发明实施例的锚杆与锚索锚杆固定组件的剖面图。

图6为本发明实施例的主体支护结构的立体图。

图7为本发明实施例的第一挡板的结构示意图。

图8为本发明实施例的第三挡板的结构示意图。

图9为本发明实施例的第二挡板的结构示意图一。

图10为本发明实施例的第二挡板的结构示意图二。

图11为本发明实施例的一级注浆套管的剖面图。

图12为本发明实施例的一级注浆套管的爆炸图一。

图13为本发明实施例的一级注浆套管的爆炸图二。

图14为本发明实施例的二级注浆套管的剖面图。

图15为本发明实施例的二级注浆套管的爆炸图一。

图16为本发明实施例的二级注浆套管的爆炸图二。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

请参阅附图1至附图16，本实施例提供一种可分级施加预紧力的巷道围岩支护结构。所述可分级施加预紧力的巷道围岩支护结构包括应用于巷道围岩支护的主体支护结构和应用于巷道围岩支护的可拆卸注浆套管。本发明所提供的可分级施加预紧力的巷道围岩支护结构，通过在主体支护结构上对不同区段的围岩采用适应性的支护结构，并应用不同长度的注浆套管对不同深度岩体进行注浆锚固，实现对空间差异性岩体的差异化支护，取得更好的支护效果。

应用于巷道围岩支护的主体支护结构包括主体支护结构1，所述主体支护结构1包括多根并排设置的锚索14，多根所述的锚索14上依次设有用于将锚索14经过的围岩分成四个区段的第一挡板11、第二挡板12和第三挡板13，四个所述区段包括用于分级施加预紧力的依次设置的第一区段、第二区段、第三区段和第四区段；所述第一区段内设有与锚索14的首端固定连接且用于搅拌锚固剂和用于锚固锚索14首端的搅拌锚固头15；所述第三区段内设有多根与第二挡板12和第三挡板13连接且与锚索14并排设置的加固段16；所述第四区段内设有锚杆17及锚索锚杆固定组件18，所述锚杆17设于多根所述锚索14之间，所述锚索锚杆固定组件18设于锚索14末端；通过在锚索上设置第一挡板11、第二挡板12和第三挡板13，将锚索14经过的围岩分成可分级施加预紧力的依次设置的第一区段、第二区段、第三区段和第四区段，在第一区段中采用搅拌锚固头15支护结构进行锚固支护，以适用于深部完整岩体的锚固支护；在第二区段中采用锚索14支护，以适用于较完整岩体的锚固支护；在第三区段中采用锚索14与加固段16相结合的支护结构进行支护，以适用于较破碎岩体的锚固支护，在第四区段采用锚索14与锚杆17相结合的支护结构进行支护，以适用于浅层破碎岩体的锚固支护；通过主体支护结构1对不同区段采用不同的支护结构，以实现对空间差异性岩体的差异化支护，更能适应多层次的岩体的锚固，可靠性高，且结构简单，安装便捷，支护效果好。

所述应用于巷道围岩支护的可拆卸注浆套管包括第一端部套管21、拼接套管22、尾部套管23和第二端部套管31，所述第一端部套管21、拼接套管22和第二端部套管31上均设有与尾部套管23贯通的注浆通道24，所述尾部套管23上设有注浆口231，所述注浆口231与所述注浆通道24连通，所述第一端部套管21、拼接套管22和尾部套管23依次连接形成所述一级注浆套管2，所述第二端部套管31和尾部套管23连接形成所述二级注浆套管3，所述第一端部套管21上设有用于连接主体支护结构中第二挡板12的第一连接部211，所述第二端部套管31上设有用于连接主体支护结构中第三挡板13的第二连接部311。所述一级注浆套管2与第二挡板12可拆卸连接用于对第二区段注浆，所述二级注浆套管3与第三挡板13可拆卸连接用于对第三区段注浆。通过采用第一端部套管21、拼接套管22和尾部套管23依次连接形成一级注浆套管2，对较深部的岩体进行注浆锚固，并通过第二端部套管31和尾部套管23连接形成二级注浆套管3，对浅层岩体进行注浆锚固。通过不同部件的拼接形成不同长度的所述一级注浆套管2和所述二级注浆套管3，能够为实现在不同深度的巷道围岩施加多次预紧力和加强支护效果提供了应用基础；；同时其部件结构简单，生产和使用成本低，不同部件可拆接拼合重复利用，适用范围广。

进一步地，所述第一端部套管21、拼接套管22和第二端部套管31上均设有与尾部套管23贯通的渗流通道25，所述渗流通道25内设有用于反馈注浆情况的活塞组件26。当浆液注满时，浆液进入渗流通道25中，并推动活塞组件26移动，操作人员通过活塞组件26的移动状态能便捷且准确地获悉浆液注满的时间，提高施工效率。

进一步地，所述活塞组件26包括活塞头261和活塞杆262，所述活塞头261设于活塞杆262的一端且活塞头261的直径大于活塞杆262的直径。所述活塞头261的直径与渗流通道25的直径相等，能有效阻挡浆液进入渗流通道25中，同时活塞头261可在渗流通道25内移动以反馈注浆情况。

进一步地，所述一级注浆套管2中的活塞杆262包括可拆卸连接的拼接活塞杆2621和锚杆，所述二级注浆套管3中的活塞杆262为锚杆。所述一级注浆套管2中的活塞杆262可采用不同长度的拼接活塞杆2621与锚杆拼接组合而成，以适用于不同深度的岩体注浆，适用范围广。

进一步地，所述第一端部套管21上设有第一连接部211的一端设有向所述渗流通道25流入方向凸起的第一限位凸台212，所述第一端部套管21的渗流通道25内设有与第一限位凸台212相对的第一限位挡片213，所述第一限位凸台212上设有与渗流通道25连通的第一凸台通孔2121。在形成一级注浆套管2时，活塞组件26中的活塞头261置于第一端部套管21中的第一限位凸台212与第一限位挡片213之间以限制活塞组件26的移动行程；在注浆时，活塞头261抵设在第一限位凸台212的后方，从而有效限制活塞头261向前移动而脱离第一端部套管21；当浆液注满时，浆液通过第一凸台通孔2121进入并推动活塞头261向后移动，当活塞头261接触到第一限位挡片213时停止移动，从而方便操作人员准确判断注浆情况，同时有效阻挡浆液进入渗流通道25中。

进一步地，所述第二端部套管31上设有第二连接部311的一端设有向所述渗流通道25流入方向凸起的第二限位凸台312，所述尾部套管23的渗流通道25内设有第二限位挡片232，所述第二限位凸台312上设有与渗流通道25连通的第二凸台通孔3121。在形成二级注浆套管3时，活塞组件26中的活塞头261置于第二端部套管31中的第二限位凸台312与尾部套管23中的第二限位挡片232之间以限制活塞组件26的移动行程；在注浆时，活塞头261抵设在第二限位凸台312的后方，从而有效限制活塞头261向前移动而脱离第二端部套管31；当浆液注满时，浆液通过第二凸台通孔3121进入并推动活塞头261向后移动，当活塞头261接触到第二限位挡片232时停止移动，从而方便操作人员准确判断注浆情况，同时有效阻挡浆液进入渗流通道25中。

进一步地，所述注浆通道24和注浆口231数量为四个，四个所述注浆通道24沿管壁周向均匀分布，所述注浆口231的注浆方向与注浆通道24的轴向垂直，使注浆操作更加方便，相对于单一的注浆口231和注浆通道24，其注浆效率更高，有利于节省注浆时间，加快工程进度。

进一步地，所述第一连接部211包括设于第一端部套管21外表面的第一卡扣。在形成一级注浆套管2时，第一连接部211与主体支护结构1中的第二挡板12结合固定，以便对第二区段进行注浆。

进一步地，所述第二连接部311包括设于第二端部套管31外表面的第二卡扣3111和限位挡板3112。在形成二级注浆套管3时，第二连接部311与主体支护结构1中的第三挡板12结合固定，其中第二卡扣3111卡入第三挡板12中，限位挡板3112顶设于第三挡板12后端以限制二级注浆套管3向前移动，使二级注浆套管3与第三挡板12连接更加稳定牢固，有利于注浆顺利平稳进行。

进一步地，所述第一端部套管21上远离第一连接部211的一端设有第一连接扣214，所述第二端部套管31上远离第二连接部311的一端设有第二连接扣313，所述拼接套管22一端设有第三连接扣221，另一端设有用于与第一连接扣214连接的第一连接孔222，所述尾部套管23上设有与第二连接扣313或第三连接扣221连接的第二连接孔233。在形成一级注浆套管2时，第一端部套管21上的第一连接扣214与拼接套管22上的第一连接孔222连接，拼接套管22上的第三连接扣221与尾部套管23上的第二连接孔233连接；在形成二级注浆套管3时，第二端部套管31上的第二连接扣313与尾部套管23上的第二连接孔233连接，结构简单，连接紧固，安装便捷。

进一步地，所述第二挡板12上设有用于连接一级注浆套管2的套管连接槽121，所述套管连接槽121内设有多个贯通第二挡板12且用于供浆液通过的注浆通孔124。所述第二挡板12上设有与套管连接槽121贯通的卡槽122，所述套管连接槽121侧壁上设有与卡槽122侧壁连通的第一滑道123。当一级注浆套管2与第二挡板12连接时，一级注浆套管2的一端进入套管连接槽121中，同时，一级注浆套管2上的第一连接部211与卡槽122结合，旋转一级注浆套管2，使一级注浆套管2的注浆通道24与第二挡板12中的注浆通孔124相对，保障浆液从一级注浆套管2的注浆通道24通过第二挡板12中的注浆通孔124进入第二区段中，以对第二区段进行注浆锚固，同时使一级注浆套管2与第二挡板12的连接更加稳固。

进一步地，所述套管连接槽121内设有渗流通孔125，多个所述注浆通孔124沿渗流通孔125外周均匀等距排布。本实施例中，注浆通孔124和注浆通道24的数量均为4个，相比与单一的注浆通道24和注浆通孔124，其注浆效率更高；同时本实施例中第二挡板12上设有渗流通孔125，与一级注浆套管2中的渗流通道25相对，有利于为多余的浆液流入渗流通道25提供流通渠道。

进一步地，所述第三挡板13上设有用于供一级注浆套管穿过的套管通孔131，以及与套管通孔131贯通且用于连接二级注浆套管的卡孔132，套管通孔131侧壁上设有与卡孔132连通的第二滑道133。当一级注浆套管2与第二挡板12连接时，一级注浆套管2穿过第三挡板13中的套管通孔131，从而与前端的第二挡板12相连；当二级注浆套管3与第三挡板13连接时，二级注浆套管3的一端进入套管通孔131中，同时，二级注浆套管3上的第二卡扣3111与卡孔132结合，二级注浆套管3上的限位挡板3112抵设于第三挡板13的后端，旋转二级注浆套管3，从而使二级注浆套管3与第三挡板13形成更稳定的连接，浆液从二级注浆套管3的注浆通道24进入第三区段中，以对第三区段进行注浆锚固。

进一步地，所述第一滑道123长度为套管连接槽121侧壁周长的四分之一；所述第二滑道133长度为套管通孔131侧壁周长的四分之一。如图8和图9所示，所述第二挡板12中的卡槽122和第一滑道123数量均为两个，所述第三挡板13中的卡孔132和第二滑道133数量均为两个，且两个所述第一滑道123和两个所述第二滑道133均为旋转对称，在施工操作时，仅需将第一注浆套管2或第二注浆套管3旋转90度实现与第二挡板12或第三挡板13的连接，其结构简单，操作方便。

进一步地，所述锚索14与所述加固段16数量均为四根，所述锚索14与加固段16间隔排布，每根所述锚索14均由四根高强度的钢绞线缠绕而成。通过锚索14与加固段16支护相结合，且锚索14与加固段16间隔排布，受力更加均匀，有利于取得更好的支护效果。

进一步地，所述搅拌锚固头15包括搅拌头挡板151和设于搅拌头挡板151两端的搅拌杆152。如图6所示，搅拌杆152均匀设置在搅拌头挡板151的两端，其结构简单，搅拌锚固效果好。

进一步地，所述锚杆17为中空结构且侧壁上设有多个供浆液流通的锚杆通孔171，所述锚杆17靠近第三挡板13的一端设有活塞172，另一端设有止浆塞173。通过锚杆17与锚索14支护相结合，取得更好的支护效果。本实施例中，在对第二区段进行一级注浆时，锚杆17与拼接活塞杆2621拼接组成用于一级注浆套管2的活塞杆262，在对第三区段进行二级注浆时，锚杆17可作为活塞杆262，有利于提高锚杆的利用率。

进一步地，所述锚索锚杆固定组件18包括用于固定所述锚索14的锚索垫板181和锚索螺母182，所述锚索垫板181上设有用于固定锚杆17的锚杆垫板183和锚杆螺母184，所述锚杆垫板183靠近锚索垫板181的一端设有供锚索螺母182嵌入的锚索螺母槽1831。锚索垫板181上设有分别供锚索14和锚杆17通过的通孔，通过锚索垫板181和锚索螺母182将锚索14固定，锚杆垫板183安装在锚索垫板181后方，使锚杆17同时穿过锚索垫板181和锚杆垫板183，进入第四区段中与锚索14共同支护，最后通过锚杆螺栓184对锚杆17进行固定，使主体支护结构1更加稳定和牢固。

采用上述可分级施加预紧力的巷道围岩支护结构进行支护的可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法，包括以下步骤：

步骤1：钻孔，并根据孔内岩体破碎情况将岩体分为第一区段、第二区段、第三区段和第四区段。

其中，所述第一区段为深部完整岩体，标记为x1米，第二区段为较完整岩体，标记为x2米，第三区段为较破碎岩体，标记为x3米，第四区段为浅层破碎岩体，标记为x4米，根据x1、x2、x3、x4确定锚索的长度以及第一挡板11、第二挡板12和第三挡板13在锚索14上的相对位置，将第一挡板11、第二挡板12、第三挡板13、搅拌锚固头15焊接在锚索14的相应位置上，以形成基础支护结构。

步骤2：第一区段的锚固：将锚固剂置入至第一区段内，将基础支护结构沿孔道伸入，旋转搅拌使位于基础支护结构首端的搅拌锚固头15与锚固剂充分混合粘结，待锚固剂凝固后，对锚索14施加第一次预紧力。

步骤3：第二区段的锚固：将一级注浆套管沿孔道伸入并与基础支护结构中的第二挡板12结合，对第二区段注浆，待浆液凝固后，撤出一级注浆套管2，对锚索14施加第二次预紧力。其中，在注浆时，当活塞组件26中活塞头移动至第一限位挡片213时停止注浆。

步骤4：第三区段的锚固：将二级注浆套管3沿孔道伸入并与基础支护结构中的第三挡板13结合，对第三区段注满浆液，待浆液凝固后，撤出二级注浆套管3，对锚索14施加第三次预紧力；其中，在注浆时，当活塞组件26中活塞头移动至第二限位挡片232时停止注浆。

步骤5：第四区段的锚固：在锚索14末端安装锚索垫板181，将锚固剂沿孔道置入至基础支护结构中第三挡板13后端，将锚杆17沿锚索垫板181伸入并旋转搅拌，使锚杆17端部与锚固剂充分混合粘结，待锚固剂凝固后，安装锚杆垫板183，沿锚杆17向第四区段注满浆液，待浆液凝固后，对锚杆17施加第四次预紧力；通过锚杆17和锚索锚杆固定组件18与基础支护结构结合，最终形成主体支护结构1。

本实施例提供的可分级施加预紧力的巷道围岩支护方法，通过按岩体空间差异性将岩体划分为四个区段，对不同区段采用不同的支护结构及支护方式，以实现对空间差异性岩体的差异化支护，本方法不仅采用锚杆与锚索支护相结合的支护结构，而且采用锚固剂锚固与注浆锚固相结合的方式，更加能适用于深部高应力巷道的施工环境，比普通单一的锚杆或锚索的锚固支护方式以及单一的锚固剂锚固或注浆锚固更加牢靠，锚固效果更加明显。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。