一种用于破碎围岩的多点护表构件及其锚固支护方法

1.本发明涉及矿山巷道支护技术领域，具体是一种用于破碎围岩的多点护表构件及其锚固支护方法。


背景技术：

2.目前，随着我国西部煤炭开采深度逐年增加，西部软岩巷道在高应力作用下，其围岩易出现较大松动圈，巷道围岩变形破碎严重。破碎巷道围岩支护出现了锚杆预紧力施加不到位或预紧力较小等工程问题，导致巷道浅部岩石更易破碎，同时在钢带、钢筋梯等传统链接式护表构件施加条件下，巷道局部一点破坏往往导致锚杆支护条带式串联破坏失效，极大地增加了煤矿开采的成本和安全风险，因此急需一种针对软岩破碎巷道，可以提供高预紧力且护表构件合理的锚固支护方法。
3.为了实现对破碎软岩巷道围岩各种变形的有效控制，中国专利公开号cn 105178981b公开了一种破碎软岩巷道全断面封闭式深浅耦合让压锚注支护方法，主要通过四种支护手段组成多层次有效组合拱，提高支护结构的承载范围、整体性和承载能力，对破碎软岩巷道围岩有突出的控制效果。然而，软岩破碎巷道的变形量大导致其完整性极差，围岩表面岩块破碎松散且裂隙较多，该方法虽能显著提高支护结构的承载能力，但缺乏有效的护表支护设计，该方法锚杆预紧力为80kn(约为250n
·
m)，软岩巷道浅部围岩会发生进一步的破碎，导致锚杆托盘、钢带等支护构件失效，所以对破碎巷道加固时应注意提高护表构件的有效性。
4.为了限制围岩变形，实现对软岩巷道围岩大变形灾害的有效控制，中国专利公开号cn115387830a公开了一种软岩巷道高预应力恒阻耦合支护方法，通过npr锚索与围岩之间的耦合以及长短npr锚索之间的耦合，实现高预应力恒阻支护，最终增强围岩的整体稳定性。但是该方法严重依赖于npr锚索材料，这种材料制作工艺复杂、材料成本较高，并不适合于目前大多数的工程现场，同时，该方法使用的护表钢带仍存在传统链接式护表构件的弊端。
5.中国专利公开号cn113586081b公开了一种应用于高冲击地压的双桁架巷道主动动态修护方法，为了有效提高细长高强度钢筋锚杆的锚固稳定性，它在细长高强度钢筋锚杆的托盘与支护桁架之间夹持固定安装有钢结构板(也就是w形钢带)，所述的钢结构板竖直，并滑动套装固定在细长高强度钢筋锚杆(4)上，联结多根细长高强度钢筋锚杆(4)。该技术虽然在锚杆尾部套装有钢结构板并用托盘固紧，但是它是多个锚杆共用一个钢结构板，假若在软弱围岩情况下一根锚杆出现失效破坏，失效处岩体巨大的压力会沿链接钢板扩散传递至周围正常锚杆，导致周围未失效锚杆承担超出设计范围的力，从而发生牵连破坏，最终导致巷道发生破坏。
6.由于软岩巷道围岩变形量大、持续时间长、松动圈范围大，目前使用的软岩巷道支护方法对破碎围岩的加固针对性较差，若不及时提高锚杆预紧力，则会严重影响巷道的整体稳定性，且软岩巷道具有大变形、强流变等工程特征，围岩表面的破碎程度将影响锚杆支
护构件的工作状态，一旦护表支护不及时或预紧力不够，巷道就会出现严重的变形破坏。因此，针对软岩巷道破碎围岩支护难题，需采用高预紧力、多点护表、全断面加固支护结构来保证围岩的整体强度，同时应具备有效的护表支护构件，才能保证支护后的软岩破碎巷道围岩的长期稳定。


技术实现要素：

7.针对软岩巷道破碎围岩自身强度低、完整性差、围岩表面极易破碎等问题，本发明提供了一种适用于破碎巷道围岩的多点护表构件，以及利用该构件对破碎巷道围岩实现高预紧力的锚固支护方法，所采用的有高预紧力、多点护表特点的全断面锚固支护方法，能有效解决工程现场中锚杆预紧力施加不足、护表支护构件串联破坏等工程技术难题，一次支护便可保证高应力软岩巷道破碎围岩的长期稳定。
8.本发明同时提供利用该多点护表构件对破碎巷道围岩实现高预紧力锚固支护的方法。
9.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
10.一种用于破碎巷道围岩的多点护表构件，它包括一个托盘，其特征在于，它还包括一个与托盘配套使用的带有中心孔的钢护板，在钢护板一面上围绕中心孔设有一圈不连续的凸槽，不连续的凸槽围成的形状与托盘外形相适应，使用时，在锚杆尾部套上钢护板再套上托盘，托盘刚好处于凸槽围成的空间内。
11.需要说明的是，上述一圈不连续的凸槽实际上是由四个等长的凸槽间隔设置的，四个等长的凸槽设计在正方形的四个边上，其对应的圆心角各为80度左右，这样便可保证整体强度，托盘与之贴合部位也为正方形，从而使得钢护板能够承接更高的预紧力。凸槽最主要的作用是卡位、限制托盘的侧向移动，其次在约束位移的同时能阻挡锚杆变形产生的水平分力，避免锚杆托盘错动引起锚杆支护形成的压缩拱失效。目前巷道支护中使用最多的托盘都是方形外形的，凸槽围成的形状是为了适配锚杆托盘，而凸槽四周不相连的设计是为了避免在连接角处产生应力集中从而降低钢板的整体强度，这样钢板整体无论是在强度还是适用性上都会更加符合工程现场的实际。
12.本发明由锚杆托盘和钢护板组成护表构件，在使用时每个锚杆对应一组护表构件，多个锚杆搭配多组护表构件，其整体起到多点护表的作用，所以起名字为多点护表构件，并不是一组护表构件本身具有多点护表作用。
13.本发明利用上述多点护表构件对破碎巷道围岩实现高预紧力锚固支护的方法，具体步骤如下：
14.s1.巷道开挖后，在巷道顶板及两帮打锚杆孔，铺钢筋网，安装高强锚杆，在锚杆尾部依次套入钢护板和托盘，用螺母固紧使托盘压紧钢护板，使其达到设定的高预紧力，最后布设长锚索并在巷道表面及时喷浆，快速形成具有高预紧力和强护表特性的锚网索喷支护；
15.s2.对巷道底板采用“反底拱+注浆”加固支护，施工时，首先对巷道底板超挖形成反底拱，在反底拱内架设钢筋网、布设注浆锚杆并注浆，最后回填矸石并浇筑混凝土；
16.s3.在巷道顶板及两帮再次挂设钢筋网，打孔安装注浆锚索并进行巷道表面二次喷浆；
17.s4.对巷道全断面注浆孔进行注浆，注浆顺序是先两帮后顶板，完成锚索注浆加固，最终与底板注浆范围组成巷道全断面注浆加固区。
18.进一步：需要说明的是，所述正方形带孔钢护板的尺寸并不是固定的，其尺寸应与所使用的高强锚杆托盘的形状相匹配，且其尺寸应不小于400
×
400mm，厚度不小于8mm。
19.进一步：所述的高强锚杆的长度为2.4m，且其配合钢护板使用时达到的预紧力不小于350n
·
m。
20.进一步：所述s3中，注浆锚索安放后，需采用橡胶管对注浆锚索的注浆孔绑扎保护，然后再进行喷浆，保护注浆孔以便后期按顺序进行注浆。
21.进一步：所述s4中，对巷道两帮和顶板注浆孔进行注浆操作时，参照巷道变形量变化曲线，注浆时间选择在巷道变形速率由大变小的转折点处，即当巷道围岩开始变形一段时间，巷道变形速率放缓后再进行注浆，此时注浆能够保证围岩有一定的裂隙发育，且注浆压力应控制在4.0～5.0mpa。
22.进一步：步骤s1～s4之间需控制一定的时间间隔,各个环节的施工时机是：软岩巷道开挖后，应立即完成步骤s1的支护施工，随着掌子面的推进，步骤s2应在掘进工作面的后方8米处开始施工，完成后可紧接着进行步骤s3的施工，最后等到达确定的注浆时间节点时，再进行步骤s4的锚固支护，最终形成全断面注浆加固。
23.下面根据作用机理说明本发明的优点。
24.1.在本发明对底板采用“反底拱+注浆”加固支护，采用注浆锚杆、钢筋网和混凝土组合结构进行支护，三者结合使得浆体的强抗压性与钢材的强抗拉性实现了有机互补，提升了巷道底板支护范围和强度，且其与锚网索喷支护和注浆加固组成了全断面多层次的整体支护结构，全面考虑到了破碎巷道所有部位上的支护需求，同时又由于交错在不同层次的锚网索喷支护范围和注浆加固范围的共同协调作用，所述软岩破碎巷道支护的整体性与有效性得到了大大增强。
25.2.本发明对巷道顶板及两帮使用了带有多点护表构件的高强锚杆支护，即在传统锚杆组合的常规托盘下部增加面积较大的护表专用钢护板，使其搭配组合形成了“锚杆托盘+钢护板”的多点护表支护结构，所述的钢护板的四条凸槽安装时起固定作用，用于限制托盘位置，而当锚杆受力挤压托盘，托盘变形并向四周产生一定的变形量，这时四条凸槽又用于承接其向外的水平分力，能够阻挡托盘产生进一步的严重形变，防止锚杆丧失支护能力，也就是说本发明的带有四个凸槽的钢板同时具备限位、承载和传递的作用。另外，本发明采用多点护表构件以代替传统的w型钢带、钢筋梯这类链接式护表构件，由于这类护表构件是细长条带状，面积大、厚度薄，会连接多个锚杆组合作用，虽然整体性较高但抗疲劳性及强度却远远低于较为短、厚的钢护板，当巷道某处锚杆变形严重致使支护失效时，这种链接式护表构件就会暴露出他的劣势：失效处锚杆破坏导致围岩扰动凸显，条带状护表构件在失效位置承受了围岩的压力，并影响牵连到临近的正常锚杆，使得周围未失效锚杆承担了超过设计范围的承载力，从而发生牵连破坏，而这种破坏一旦发生，极易连锁引发四周支护失效，最终导致软岩破碎巷道大变形的出现甚至彻底报废。而本发明这种单体式的护表措施恰好能够有效地避免软岩大巷道牵连破坏情况的出现，更加适合于围岩强度低、破碎情况严重的软岩巷道表面进行点对点的支护。
26.3.由于专用钢护板的添加大大增加了单根锚杆的护表受力面积，使其克服了传统
小托盘受力易嵌入松散岩体导致高预紧力无法施加的工程难题。本发明所述的多点护表构件能够在施加高预紧力的同时，避免托盘剪切钢筋网及嵌入松散破碎岩体等问题的出现，而且大面积钢护板使得锚杆支护形成的承载压缩区范围更大、承载能力更高。总之，钢护板实行分体式排布设计既起到了良好的护表效果，又大大提升了锚杆预紧力，很好地克服了传统链接式护表构件“一荣俱荣，一损俱损”式的弊端。
27.综上所述，本发明提出的多点护表构件采用了护表专用的钢护板，锚杆托盘+钢护板组合后大大增加了单个锚杆支护点的面积，克服了高预紧力无法施加的技术难题，同时，巷道内规则排布的带有上述构件的锚杆达到了多点护表、汇点成面的效果，大大提高了锚杆的护表能力，避免了因链接式护表构件(如钢带、钢筋梯)的牵连造成多根锚杆失效，从而引发巷道产生大范围的变形破坏，同时实现高预紧力、高强度、多点护表的全断面锚固支护，有针对性的解决了破碎围岩巷道(尤其是我国西部软岩巷道)自身强度低、完整性差、围岩表面极易破损等问题，且该多点护表支护结构结合高强锚杆使用能够施加高预紧力，对于软弱破碎围岩巷道具有显著的支护加固效果，可保证巷道的长期稳定。同时，本发明对巷道底板进行反底拱+注浆加固施工，能够保证巷道底板的强度与完整性；而锚网索喷支护和锚索注浆加固形成了高强度的双层支护，其与底板的支护结构同时组成了全断面综合锚注加固支护，显著提高了支护结构的整体性和承载能力，有效抑制了软岩巷道破碎围岩的持续变形破坏。
附图说明
28.图1是本发明锚杆托盘+钢护板护表构件示意图；
29.图2a是巷道全断面支护结构示意图；
30.图2b是图2a中a部放大图；
31.图3是围岩表面多点护表支护示意图；
32.图4是软岩破碎巷道变形量示意图；
33.1、凸槽；2、锚杆托盘；3、钢护板；4、混凝土；5、底板钢筋网；6、注浆锚杆；7、长锚索；8、高强锚杆；9、多点护表构件；10、钢筋网；11、喷浆；12、注浆锚索；13、锚网索喷支护范围；14、注浆加固范围。
具体实施方式
34.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
35.参照图1，本发明的用于破碎巷道围岩的多点护表构件9包括配套使用的锚杆托盘2和钢护板3，本例所述的正方形钢护板3的尺寸为400
×
400mm，厚度为8mm，其中心设有直径略大于锚杆杆径的中心孔，锚杆托盘2中心设有锚杆孔，使用时，通过中心孔和锚杆孔依次将钢护板3和锚杆托盘2套在锚杆8的尾部，从而使得锚杆托盘2紧紧贴合在钢护板3上，从图中可以看出，锚杆托盘2与钢护板3贴合的部位为正方形，在钢护板3上围绕锚杆托盘2正方形部位间隔对称分布有四个等长凸槽1，四个等长凸槽1所占据对应的圆心角各为80度左右，分别对应锚杆托盘2正方形部位的四个边，使得带有凸槽1的钢护板3同时具备限位、承载和传递的作用。
36.进一步，所述的钢护板3与凸槽1的固定方式为冲压、焊接或者通过铸造的方式使二者成为一体，优选铸造。冲压对钢护板3有损伤，焊接达到的整体强度较低，二者均不是优选方式。
37.下面结合图1-3说明利用上述多点护表构件对破碎巷道围岩的锚固支护方法，包括如下步骤：
38.s1.巷道开挖后，立即在巷道顶板及两帮打锚杆孔，铺钢筋网10，安装高强锚杆8，在锚杆尾部依次套入钢护板3和锚杆托盘2，用螺母固紧，令锚杆托盘2压紧钢护板3，使其达到设定的高预紧力，最后布设长锚索7并在巷道表面及时进行喷浆11，快速形成具有高预紧力和强护表作用效果的锚网索喷支护范围13；
39.所述高强锚杆8长度为2.4m，且其搭配钢护板3使用所达到的预紧力不小于350n
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m；
40.s2.巷道底板支护为“反底拱+注浆”加固
41.实施时，应在掘进工作面的后方8米处开始施工，首先对巷道底板超挖形成反底拱，在反底拱部位按照设计的排距和行距打锚杆孔安装注浆锚杆6并注浆，将注浆锚杆6的端部锚固在底板围岩中，然后在注浆锚杆6尾部挂底板钢筋网5，套上托盘，用螺母将托盘固紧在反底拱上，然后回填矸石并浇筑混凝土4将巷道反底拱加固至水平，最后形成巷道底板的“反底拱+注浆”加固支护结构；
42.s3.“锚网索喷”支护形成后，在巷道顶板及两帮再次挂设钢筋网10，打孔安装注浆锚索12并用橡胶管绑扎封堵注浆孔，以保护注浆孔以便后期按顺序进行注浆，最后进行巷道表面二次喷浆11；
43.s4.当到达巷道相应的注浆时间节点时，开始对巷道全断面注浆孔进行注浆，注浆顺序是先两帮后顶板，完成注浆锚索12的注浆加固，最终与底板注浆范围形成巷道全断面注浆加固区14，如图2a和2b所示。施工结果平面图见图3。要求对巷道两帮和顶板注浆孔进行注浆操作时，参照巷道变形量变化曲线，注浆时间选择在巷道变形速率由大变小的转折点处，如图4所示，即当巷道围岩开始变形一段时间，巷道变形速率放缓后再进行注浆，此时注浆能够保证围岩有一定的裂隙发育，且注浆压力应控制在4.0～5.0mpa。
44.所述锚杆8、注浆锚索12和长锚索7的区别在于：锚杆8为高强锚杆，长度为2.4m；长锚索7的长度为7m，锚固端深度远大于高强锚杆8锚固端深度，起到悬吊、挤压、加固范围内围岩的作用，从而提高围岩力学性能；而注浆锚索12的长度为4.5m，与普通锚索相比，进行注浆会更加契合松散破碎岩体的支护需求，能够显著提高锚固力与支护强度。
45.需要说明的是：本发明的创新点主要体现在对软岩破碎巷道进行高强锚杆8的布设过程中，使用了特殊的多点护表构件9(如图1所示)，即在锚杆托盘2下特别添加带有凸槽设计的护表钢护板3，解决了破碎围岩条件下高预紧力无法施加的工程难题，并且将所述带有多点护表构件9的锚杆合理布设，完成了对破碎围岩的多点护表锚固支护，最终实现了取代传统链接式护表构件的目的，至于长锚索7、注浆锚索12、高强锚杆8以及注浆锚杆6施工参数(包括间距、行距以及锚固长度等)是本领域公知常识，不是本发明保护的重点，技术人员根据现场工况和专业知识是完全可以选择适当的参数的。
46.下面陈述传统w型钢带、钢筋梯这类链接式护表构件在使用过程中的不足来进一步说明本发明的优点。
47.传统的w型钢带、钢筋梯这类链接式护表构件护表范围较广，且会连接多个锚杆组合作用，具有较为单调的整体性，当巷道某处锚杆变形严重致使支护失效时，这种链接式的构件就会暴露出他的劣势：
48.失效处锚杆破坏导致围岩扰动凸显，条带状护表构件在失效位置承受了围岩的压力，并影响牵连到临近的正常锚杆，使得周围未失效锚杆承担了超过设计范围的承载力，从而发生牵连破坏，而这种破坏一旦发生，极易连锁引发四周支护失效，最终导致软岩破碎巷道大变形的出现甚至彻底报废。而本发明这种单体式的护表措施恰好能够有效地避免软岩巷道牵连破坏情况的出现，更加适合于围岩强度低、破碎情况严重的软岩巷道表面的支护。
49.同时，由于本发明专用钢护板3的添加大大增加了单根锚杆的护表受力面积，使其在施加更高预紧力的同时，又避免高预紧力下托盘剪切钢筋网、嵌入破碎岩体情况的出现，分体式钢护板既起到了良好的护表效果，又大大提升了锚杆预紧力，很好地克服了传统链接式护表构件的弊端。将这类使用了多点护表构件的锚杆在巷道表面上合理布设，使其汇点成面，能够大大地增强护表效果，提高整个承载压缩区的承载能力，针对表面破碎的软岩巷道(尤其是我国西部深埋软岩巷道)的支护效果显著，更加契合软岩巷道破碎围岩支护的实际施工需要。
50.其中，锚网索喷支护范围13和注浆加固范围14深浅交错在不同层次，钢筋网10、喷浆11、长锚索7、矿用锚杆8、注浆锚索12、注浆锚杆6多种支护结构共同协调作用，形成了多层次组合支护结构，同时又与底板的支护结构连接组成一个封闭统一的整体，既显著提高了支护结构的承载范围、整体性和承载能力，又全面地考虑到了破碎巷道所有位置上的支护需求。
51.总体来说，此种高预紧力、多点护表锚固支护方法对软岩破碎巷道出现的围岩变形量大、破坏范围广、表面易垮塌、底鼓明显等工程难题具有非常显著的改善效果，能够大大提高软岩巷道支护的有效性和可靠性，保证支护后的软岩破碎巷道围岩长期稳定。
52.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于破碎巷道围岩的多点护表构件，它包括一个托盘，其特征在于，它还包括一个与托盘配套使用的带有中心孔的钢护板，在钢护板一面上围绕中心孔设有一圈不连续的凸槽，不连续的凸槽围成的形状与托盘外形相适应，使用时，在锚杆尾部套上钢护板再套上托盘，托盘刚好处于凸槽围成的空间内；所述一圈不连续的凸槽实际上是由四个等长的凸槽间隔设置的，四个等长的凸槽设计在正方形的四个边上，托盘与之贴合部位也为正方形。2.如权利要求1所述的用于破碎巷道围岩的多点护表构件，其特征在于，所述钢护板的尺寸不小于400
×
400mm，厚度不小于8mm，所述的四个等长凸槽对应占据的圆心角各为80度。3.一种利用权利要求1或2所述的多点护表构件对破碎巷道围岩锚固支护的方法，其特征在于，具体步骤如下：s1.巷道开挖后，在巷道顶板及两帮打锚杆孔，铺钢筋网，安装高强锚杆，在锚杆尾部依次套入钢护板和托盘，用螺母固紧使托盘压紧钢护板，使其达到的预紧力不小于350n
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m，最后布设长锚索并在巷道表面及时喷浆，快速形成具有高预紧力和强护表的锚网索喷支护；s2.对巷道底板采用反底拱+注浆加固支护，施工时，对巷道底板超挖形成反底拱，在反底拱内架设钢筋网、布设注浆锚杆并注浆再回填；s3.在巷道顶板及两帮再次挂设钢筋网，打孔安装注浆锚索并进行巷道表面二次喷浆；s4.对巷道全断面注浆孔进行注浆，注浆顺序是先两帮后顶板，完成锚索注浆加固，最终与底板注浆形成巷道全断面注浆加固区。4.如权利要求3所述的利用多点护表构件对破碎巷道围岩锚固支护的方法，其特征在于，所述s3中，注浆锚索安放后，需采用橡胶管对注浆锚索的注浆孔绑扎保护，然后再进行喷浆，保护注浆孔以便后期按顺序进行注浆。5.如权利要求3所述的利用多点护表构件对破碎巷道围岩锚固支护的方法，其特征在于，所述步骤s4中，对巷道两帮和顶板注浆孔进行注浆操作时，参考巷道变形量变化曲线，注浆时间选择在巷道变形速率由大变小的转折点处，此时注浆能够保证围岩有一定的裂隙发育，且注浆压力控制在4.0～5.0mpa。6.如权利要求3所述的利用多点护表构件对破碎巷道围岩锚固支护的方法，其特征在于，步骤s1～s4的施工时机是：软岩巷道开挖后，应立即完成步骤s1的支护施工，随着巷道的开挖掘进，步骤s2应在掘进工作面的后方8米处开始施工，完成后可紧接着进行步骤s3的施工，最后等到达确定的注浆时间节点时，再进行步骤s4的锚固支护，最终形成全断面注浆加固。

技术总结
本发明公开了一种用于破碎围岩的多点护表构件及其锚固支护方法，所述的多点护表构件包括一个锚杆托盘和与托盘配套使用的带有中心孔的钢护板，在钢护板上围绕中心孔设有四个等长的凸槽，使用时，在锚杆尾部套上钢护板再套上托盘，托盘刚好处于凸槽围成的空间内，该构件能够解决破碎围岩条件下高预紧力无法施加的技术问题；所述的支护方法是利用带有上述护表构件的锚杆对破碎巷道围岩实现多点护表锚固支护，使用该锚杆合理排布的同时结合多种支护手段构成全断面组合支护结构，克服了传统链接式护表构件的缺陷，有针对性的解决了软岩破碎巷道围岩自身强度低、变形量大、表面极易破碎等工程难题，保证了支护后软岩破碎巷道围岩的长期稳定。岩的长期稳定。岩的长期稳定。


技术研发人员：张玉宝 付建业 赵同彬 吴兴忠 于凤海 邢明录 尹延春
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/6