一种破碎巷道膨胀型锚固剂设计方法

1.本发明涉及一种破碎巷道膨胀型锚固剂设计方法，属于矿井巷道支护领域。


背景技术：

2.在煤炭地下开采过程中，煤层破碎围岩巷道必须做好巷道支护和加固工作，围岩内部裂隙纹理发育，存在软弱结构面等会导致巷道围岩破碎。破碎围岩巷道进行锚固支护时，钻孔内部会存在较多裂隙，使得锚杆的锚固力大大降低。另外，树脂锚固剂进行固化反应时会产生6％-10％的体积收缩，严重影响了树脂锚固剂的锚固性能。为消除破碎围岩对锚固力的弱化和固化反应收缩效应的影响，在树脂锚固剂进行固化反应初期加入特定比例的膨胀材料，从而减小破碎围岩的裂隙对锚固力的影响，并彻底消除反应过程的收缩应力。
3.工程实际中膨胀锚固剂的成分配比常常凭借过往经验使用，缺少对不同实际情况的不同处理方式，缺少对成分配比与膨胀形变的量化设计。膨胀应力过大会导致破碎围岩受到挤压，不同的锚杆周围会面临不同的破碎围岩和不同的固结环境和不同的施工要求，因此需要对膨胀锚固剂的膨胀形变进行控制。松散破碎巷道需要新型锚固剂设计方法，才能有效提升松散破碎巷道锚固剂收缩、锚固力低、锚固可靠性差的支护需求。


技术实现要素：

4.针对松散破碎巷道锚固支护难题，本发明提供一种破碎巷道膨胀型锚固剂设计方法，可以有效地提升松散破碎巷道锚杆锚固力和锚固可靠性，大幅提高松散破碎巷道锚固安全系数。
5.为实现上述技术目的，本发明的一种破碎巷道膨胀型锚固剂膨胀剂比例的设计方法，通过对围岩内的裂隙分布进行探测，计算在锚固剂对钻孔孔壁的压应力和无约束情况下锚固剂固结后的半径，只有计算得到所需的膨胀比例，最后按照膨胀比例调配锚固剂，所述锚固剂为圆柱结构；
6.包括以下步骤：
7.步骤s1：在巷道顶板或两帮施工钻孔，采用超声波围岩裂隙探测仪探测钻孔裂隙深度l；
8.步骤s2：测试巷道周围岩石的天然密度ρ，未添加膨胀剂的锚固剂固化后的剪切模量g，未添加膨胀剂的锚固剂固结收缩率ψ；
9.步骤s3：采用理论计算方法，计算锚固剂对钻孔孔壁的压应力p
外
，其最小值即为钻孔裂隙深度范围内的围岩重力，计算公式为：
[0010][0011]
步骤s4：采用弹性力学的计算方法，计算无约束情况下锚固剂固结后的半径r2；
[0012]
步骤s5：采用理论计算的方法，计算树脂锚固剂所需的膨胀比例：
[0013][0014]
式中，r3为所用锚杆的半径，r
孔
为锚杆钻孔的半径；
[0015]
步骤s6：设计膨胀性锚固剂中uea膨胀剂的比例，uea膨胀剂包括硫酸铝、氧化铝、硫酸铝钾，其它锚固剂材料包括树脂材料、高强填料、固化剂、促进剂。
[0016]
进一步，在分析锚固剂受力状态时使用弹性力学方式分析锚固剂固结后的应力状态：认定膨胀锚固剂固结后所受钻孔孔壁和锚杆杆体的压应力使之处于弹性阶段，且此时的锚固剂是一个各向同性的均匀弹性受力体，受内部锚杆杆体和外部孔壁的压应力，联立应力分量的函数表示式和极坐标中的相容方程，可以得到其通解，代入边界条件可得：
[0017][0018]
令ρ＝r2，所以
[0019]
式中，r2为没有围岩约束情况下锚固剂固结后的外径，r
孔
为锚杆钻孔的内径，在破碎围岩中为锚固剂固结后达到设计压应力时的半径，p
外
为设计的锚固剂固化后对破碎围岩的压应力。
[0020]
进一步，所述步骤s6中，膨胀比例的确定方法：采用锚固剂是否添加膨胀剂两种条件下固结后的体积比作为膨胀剂添加量的依据。
[0021]
进一步，当膨胀型锚固剂使用的巷道为极破碎环境时，膨胀型锚固剂的参数需要乘以一个系数，该系数通过对环境监测获得，与巷道壁内破碎程度相关。
[0022]
有益效果：
[0023]
普通锚固剂存在固结收缩现象，极大的影响了锚杆支护的效果，在松散破碎巷道里固结收缩的危害更加明显，故常常使用添加膨胀剂的膨胀型锚固剂，但缺乏对其中膨胀剂含量的科学计算方法。该专利能够更加科学合理地计算出破碎围岩巷道使用的锚固剂中所需的膨胀剂含量。通过控制锚固剂中膨胀剂的占比，达到控制锚固剂膨胀固结后的膨胀形变和孔壁压应力的效果，提高了锚杆的锚固效果和围岩的整体性，阻止破碎围岩进一步产生变形。
附图说明
[0024]
图1为本发明设计的锚固剂受力示意图，
[0025]
图2为巷道中破碎围岩受力示意图。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明：
[0027]
如图1所示，本发明的一种破碎巷道膨胀型锚固剂膨胀剂比例的设计方法，通过对围岩内的裂隙分布进行探测，计算在锚固剂对钻孔孔壁的压应力和无约束情况下锚固剂固结后的半径，只有计算得到所需的膨胀比例，最后按照膨胀比例调配锚固剂，所述锚固剂为圆柱结构；
[0028]
具体步骤如下：
[0029]
步骤s1：在巷道顶板或两帮施工钻孔，采用超声波围岩裂隙探测仪探测钻孔裂隙深度l；
[0030]
步骤s2：测试巷道周围岩石的天然密度ρ，未添加膨胀剂的锚固剂固化后的剪切模量g，未添加膨胀剂的锚固剂固结收缩率ψ；
[0031]
步骤s3：采用理论计算方法，计算锚固剂对钻孔孔壁的压应力p
外
，其最小值即为钻孔裂隙深度范围内的围岩重力，计算公式为：
[0032][0033]
步骤s4：采用弹性力学的计算方法，计算无约束情况下锚固剂固结后的半径r2；
[0034]
步骤s5：采用理论计算的方法，计算树脂锚固剂所需的膨胀比例：
[0035][0036]
式中，r3为所用锚杆的半径，r
孔
为锚杆钻孔的半径；
[0037]
步骤s6：设计膨胀性锚固剂中uea膨胀剂的比例，uea膨胀剂包括硫酸铝、氧化铝、硫酸铝钾，其它锚固剂材料包括树脂材料、高强填料、固化剂、促进剂；膨胀比例的确定方法：采用锚固剂是否添加膨胀剂两种条件下固结后的体积比作为膨胀剂添加量的依据。
[0038]
步骤s7：将锚固剂放入钻孔，开动锚杆钻机搅拌树脂药卷并施加指定大小的预紧力。
[0039]
在分析锚固剂受力状态时使用弹性力学方式分析锚固剂固结后的应力状态：认定膨胀锚固剂固结后所受钻孔孔壁和锚杆杆体的压应力使之处于弹性阶段，且此时的锚固剂是一个各向同性的均匀弹性受力体，受内部锚杆杆体和外部孔壁的压应力，联立应力分量的函数表示式和极坐标中的相容方程，可以得到其通解，代入边界条件可得：
[0040][0041]
令ρ＝r2，所以
[0042]
式中，r2为没有围岩约束情况下锚固剂固结后的外径，r
孔
为锚杆钻孔的内径，在破碎围岩中为锚固剂固结后达到设计压应力时的半径，p
外
为设计的锚固剂固化后对破碎围岩的压应力。
[0043]
当膨胀型锚固剂使用的巷道为极破碎环境时，膨胀型锚固剂的参数需要乘以一个系数，该系数通过对环境监测获得，与巷道壁内破碎程度相关。
[0044]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。