一种巷道超静定防冲四维支护装置及其支护方法

《一种巷道超静定防冲四维支护装置及其支护方法》涉及一种巷道（硐室）支护加固装置及其支护方法，尤其是一种煤矿井下高应力区巷道超静定防冲四维支护装置及其支护方法。

随着煤矿开采深度的增加，覆岩运动和矿山压力都表现出了一些新特征。深部采场、巷道和硐室的围岩呈现应力高、温度高、地下水水压高、扰动强度高、冲击危险高、蠕变明显、变形大等特点，造成巷道和硐室支护困难，返修频繁，维护费用巨大等问题。

截至2012年3月，高应力区域的巷道和硐室支护主要采用普通锚网索、桁架锚杆、锚注、U形钢套棚等技术。这些采用补强等方法支护技术，比较适合浅部开采围岩变形控制，但对具有应力高、温度高、地下水水压高、扰动强度高、冲击危险高、蠕变明显、变形大等特点的深部围岩的变形控制，不能达到较好效果。

普通锚网索支护：主要提高巷道围岩部分区域径向的抗变形能力，不能对围岩施加沿巷道轴向和切向的作用力，无法较好控制锚杆间、锚索间和锚杆与锚索间围岩的变形；特别是当锚杆间围岩出现大变形而垮落后，会造成锚杆支护失效，引发冒顶等灾害。

专利号为200410041465.8公开的一种煤层巷道三维锚索网支护技术：

（1）有一个方向是一股钢绞线，会使各方向受力不均匀；

（2）锚索尾部钢绞线在锚索孔外沿水平面十字方向分开，张拉后，前、后钢绞线对锚索的力组成平衡力系，对煤岩沿巷道轴向没有挤压作用；

（3）沿巷道顶板中轴线单排间隔设置固定顶板岩层的锚索，只适用于断面较小的巷道；

（4）这种钢绞线连接方式，容易造成偏心拉伸，使得部分钢绞线由于载荷较大而破断；

（5）锚索和锚杆处于同一排，受锚杆外露部分和锁具的影响，无法紧接顶板，钢绞线无法对顶板施加径向力；

（6）由于护孔碗对锚索没有锁紧功能，当有钢绞线断股时就会减弱锚索对顶板变形的控制作用。

专利号为200410041386.7公开的一种控制煤岩顶帮变形的桁架支护技术：

（1）两根锚索联接控制整个帮或顶部煤岩，挤压范围大，作用有限，特别是对帮或顶部中间部分的煤岩几乎起不到作用；

（2）钢绞线绝大部分不能紧贴巷道表面，无法施加挤压力；

（3）对煤岩无沿巷道轴向的作用力；

（4）联接器承受偏载，容易损坏；

（5）锚索部分分力对围岩变形控制有作用，大部分力用于互相平衡，效率不高。

公告号为CN2564755Y公开的一种三维锚索：

（1）有一个方向是一股钢绞线，会使各方向受力不均匀；

（2）锚孔以外的绳索一分为四，由双向对拉锁具锁紧在两个锚孔相对应拉紧的绳索钢丝上。张拉后，前后钢丝、左右钢丝对锚索的力分别组成平衡力系，对煤岩沿巷道轴向和切向没有挤压作用；

（3）护孔碗为四瓣翼圆，当折弯钢丝进行联接、张拉和后期变形时，钢丝容易滑入槽口，割裂围岩；另外，由于护孔碗没有锁紧功能，当有钢丝断股时就会减弱绳索对顶板下沉的控制作用；

（4）绳索受护孔碗和锁具的影响，钢丝无法紧贴顶板，无法对顶板施加径向力；

（5）没有与其它绳索相联的钢丝，其固定难度很大；当固定不太好时，同样会减弱绳索对顶板下沉的控制作用。

图1是《一种巷道超静定防冲四维支护装置及其支护方法》巷道超静定防冲四维支护装置的立体示意图；

图2是该发明巷道超静定防冲四维支护装置的现场方案示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为锁具的结构示意图；

图5为图4的剖视图。

图中：1-中锚杆；2-顶角锚杆；3-边锁具；4-帮部锚杆；5-锚固锚索；6-护孔碗锁；7-中锁具；8-变形块；9-卸压孔；10-传感器；11-锁盘；12-锥形锁卡；13-锥形弹簧；14-挡片；15-锥形孔；16-钢绞线；17-销钉；18-底板锚杆。

2016年12月7日，《一种巷道超静定防冲四维支护装置及其支护方法》获得第十八届中国专利优秀奖。 2100433B

如图1、图2和图3所示，一种巷道超静定防冲四维支护装置，包括设置在巷顶的中锚杆1和顶角锚杆2，巷帮的帮部锚杆4，设置在底板的底板锚杆18和底角的顶角锚杆，还包括按照矩形阵列分布的设置在巷顶、巷帮和底板的锚固锚索5，所述的锚固锚索5裸露在巷道内的锚索拆散为若干组钢绞线16，所述的钢绞线16向不同方向通过锁具与相邻的锚杆连接或者锚固锚索的钢绞线连接，所述的钢绞线与煤岩体表面之间设置有变形块8，所述的锚固锚索的中心直钢绞线设置有用于无损检测仪的传感器10，所述的锚固锚索在锚索孔处设置有护孔碗锁6，所述的不同锚固锚索的钢绞线之间、钢绞线与锚杆之间通过中锁具7连接，所述的钢绞线与顶角锚杆之间通过边锁具3连接。如图4和图5所示，中锁具、边锁具包括锁盘11、锥形锁卡12、锥形弹簧13和挡片14，锁盘11上对称开有锥形孔15，锥形孔15内放入锥形锁卡12，锥形锁卡12尾部顶有锥形弹簧13，锥形弹簧尾部设置有挡片14，锥形孔15外侧设置有用于调节锥形锁卡锥度角的销钉17。通过调节销钉深入锥形孔的尺寸改变锥形锁卡与钢绞线之间的摩擦阻力，锥形锁卡的锥度角设定后能保证锥形锁卡与钢绞线之间的摩擦阻力恒定，能够动态控制锚固锚索的钢绞线内部张紧力，故中锁具、边锁具称为恒阻锁具，用于动态控制钢绞线内部张紧力，具有过载保护和欠载进补功能，护孔碗锁和锁具之间所连钢绞线可以在巷道围岩发生大变形时自适性滑移，并保持恒定的工作阻力，所述的变形块8可以根据受力情况不同改变颜色，给使用者提供警示。

一种巷道超静定防冲四维支护装置的支护方法，巷道掘进后，在临时支护的保护下，首先打设、安装巷顶中间位置的中锚杆1，其次打设、安装巷顶与巷帮顶角处的顶角锚杆2和巷帮的帮部锚杆4，底角的顶角锚杆和底板的底板锚杆18，最后沿垂直巷道表面方向打锚索孔，锚索孔矩形阵列分布，在锚索孔内装入锚固剂，搅拌锚固锚索5，根据设计锚索能承受的最大工作载荷选定相应锥度角的护孔碗锁，把护孔碗锁6套入锚固锚索5，并推入锚索孔内，所述的锚固锚索在锚索孔口处将锚索拆散，将拆散后的外侧钢绞线分为若干组，根据设计钢绞线能承受的最大工作载荷选定相应锥度角的锁具，朝不同方向通过边锁具3与顶角锚杆2连接，通过中锁具7与其它锚固锚索的钢绞线连接，在钢绞线与煤岩体之间安设变形块8，用张拉装置同时对各方向的钢绞线进行预紧，达到设定预紧力后将中心直钢绞线距孔口一定距离处剪断，在中心直钢绞线上安装能够监测锚索锚固状态的用于无损检测仪的传感器10；重复上述步骤完成帮部支护，巷道的锚杆通过锚固锚索的钢绞线连接牵拉为一个整体实现四维支护，滞后掘进头15米左右根据现场情况按单排或三花或五花布置方式打一定孔径和深度的卸压孔9，护孔碗锁6和中锁具7之间所连钢绞线可以在巷道围岩发生大变形时自动拉伸，并保持恒定的工作摩擦阻力，通过恒阻大变形吸收围岩能量，能够在围岩大变形条件下仍然具有较好的支护作用。

一种巷道超静定防冲四维支护装置及其支护方法专利目的

《一种巷道超静定防冲四维支护装置及其支护方法》的目的在于针对2012年3月前技术的不足，提供一种巷道超静定防冲四维支护装置，该装置适用于高应力区、强扰动、有冲击倾向性的大断面工程围岩的变形控制及防护。该发明另外一个目的在于提供所述巷道超静定防冲四维支护装置的支护方法，该方法操作简便可靠，便于施工。

一种巷道超静定防冲四维支护装置及其支护方法技术方案

《一种巷道超静定防冲四维支护装置及其支护方法》的巷道超静定防冲四维支护装置，包括按照一定规律阵列分布的设置在巷顶、巷帮或底板的锚固锚索和设置在巷顶、巷帮或底板的锚杆，锚固锚索在锚索孔处设置有护孔碗锁，所述的锚固锚索裸露在巷道内的锚索拆散为若干组钢绞线，所述的钢绞线向不同方向通过锁具与相邻的锚杆连接或者锚固锚索的钢绞线连接，所述的钢绞线与煤岩体表面之间设置有变形块。

所述的锚固锚索的中心直钢绞线设置有用于无损检测仪的传感器。

所述的锁具包括锁盘、锥形锁卡、锥形弹簧和挡片，锁盘上对称开有锥形孔，锥形孔内放入锥形锁卡，锥形锁卡尾部顶有锥形弹簧，锥形弹簧尾部设置有挡片，锥形孔外侧设置有用于调节锥形锁卡锥度角的销钉。通过调节销钉深入锥形孔的尺寸改变锥形锁卡与钢绞线之间的摩擦阻力，锥形锁卡的锥度角设定后能保证锥形锁卡与钢绞线之间的摩擦阻力恒定，能够动态控制锚固锚索的钢绞线内部张紧力。

所述的变形块可以根据受力情况不同改变颜色。

一种巷道超静定防冲四维支护装置的支护方法巷道掘进后，在临时支护的保护下，首先打设、安装巷顶中间位置的中锚杆，其次打设、安装巷顶与巷帮顶角处的顶角锚杆、巷帮的帮部锚杆、底角的顶角锚杆和底板的底板锚杆，最后沿垂直巷道表面方向打锚索孔，装入锚固剂，搅拌锚固锚索，根据设计锚索能承受的最大工作载荷选定相应锥度角的护孔碗锁，把护孔碗锁套入锚固锚索，并推入锚索孔内，所述的锚固锚索在锚索孔口处将锚索拆散，将拆散后的外侧钢绞线分为若干组，根据设计钢绞线能承受的最大工作载荷选定相应锥度角的锁具，朝不同方向通过边锁具与顶角锚杆或底角锚杆连接，通过中锁具与其它锚固锚索的钢绞线连接，在钢绞线与煤岩体之间安设变形块，用张拉装置同时对各方向的钢绞线进行预紧，达到设定预紧力后将中心直钢绞线距孔口一定距离处剪断，在中心直钢绞线上安装能够监测锚固锚索状态的用于无损检测仪的传感器；重复上述步骤完成帮部支护，巷道的锚杆通过锚固锚索的钢绞线连接牵拉为一个整体。所述的锁具用于连接钢绞线与顶角锚杆的称为边锁具，用于连接钢绞线与钢绞线的称为中锁具。

滞后掘进头15米左右根据现场情况按单排或三花或五花布置方式打一定孔径和深度的卸压孔。

一种巷道超静定防冲四维支护装置及其支护方法有益效果

（1）使巷道或硐室围岩在新的平衡结构中处于三向等压状态，充分发挥围岩自身的承载能力，有利于保持顶板的完整性，护孔碗锁和中锁具之间所连钢绞线可以在巷道围岩发生大变形时自动拉伸，并保持恒定的工作摩擦阻力，通过恒阻大变形吸收围岩能量，能够在围岩大变形条件下仍然具有较好的支护作用；

（2）使用护孔碗锁和中、边锁具，提高了支护的安全性；

（3）达到设定预紧力后将锚索中间直钢绞线距孔口一定距离处剪断安装传感器，可以实现对锚固锚索长度和受力进行无损检测；

（4）护孔碗锁、锁具都有过载保护和欠载进补功能，可根据围岩变形情况定期进行调节，能够实现等强协调支护；

（5）通过打卸压孔，实现应力向深部转移和保持巷道表面整体平直，降低冲击危险性。

1.一种巷道超静定防冲四维支护装置，包括按照规律阵列分布的设置在巷顶、巷帮或底板的锚固锚索和设置在巷顶、巷帮或底板的锚杆，其特征在于：锚固锚索在锚索孔处设置有护孔碗锁，所述的锚固锚索裸露在巷道内的锚索拆散为若干组钢绞线，所述的钢绞线向不同方向通过锁具与相邻的锚杆连接或者锚固锚索的钢绞线连接，所述的钢绞线与煤岩体表面之间设置有变形块；

所述的锚固锚索的中心直钢绞线设置有用于无损检测仪的传感器；

所述的锁具包括锁盘、锥形锁卡、锥形弹簧和挡片，锁盘上对称开有锥形孔，锥形孔内放入锥形锁卡，锥形锁卡尾部顶有锥形弹簧，锥形弹簧尾部设置有挡片，锥形孔外侧设置有用于调节锥形锁卡锥度角的销钉 ；

所述的变形块可以根据受力情况不同改变颜色；巷道掘进后，在临时支护的保护下，首先打设、安装巷顶中间位置的中锚杆（1），其次打设、安装巷顶与巷帮顶角处的顶角锚杆（2）、巷帮的帮部锚杆（4）、底角的顶角锚杆和底板的底板锚杆，最后沿垂直巷道表面方向打锚索孔，装入锚固剂，搅拌锚固锚索（5），根据设计锚索能承受的最大工作载荷选定相应锥度角的护孔碗锁，把护孔碗锁（6）套入锚固锚索（5），并推入锚索孔内，所述的锚固锚索在锚索孔口处将锚索拆散，将拆散后的外侧钢绞线分为若干组，根据设计钢绞线能承受的最大工作载荷选定相应锥度角的锁具，朝不同方向通过边锁具（3）与顶角锚杆（2）连接，过中锁具（7）与其它锚固锚索的钢绞线连接，在钢绞线与煤岩体之间安设变形块（8），用张拉装置同时对各方向的钢绞线进行预紧，达到设定预紧力后将中心直钢绞线距孔口可实现对锚固锚索长度和受力进行无损检测的距离处剪断，在中心直钢绞线上安装能够监测锚固锚索状态的用于无损检测仪的传感器（10）；重复上述步骤完成帮部支护，巷道的锚杆通过锚固锚索的钢绞线连接牵拉为一个整体；滞后掘进头15米根据现场情况按单排或三花或五花布置方式打向深部转移和保持巷道表面整体平直的卸压孔（9）。

在井巷支护过程中和支护后，对巷道围岩稳定性、支护工作状况进行的监控和测试工作。支护监测的任务是预报支护的安全程度，及时调整支护参数，修改支护设计，有效地维护好井巷工程。

以喷锚支护为例，支护监测有下列几方面的应用：(1)按测得的围岩允许的最大变形量，设计支护结构的合理的柔性。(2)按测得的围岩松动圈尺寸设计锚杆的合理长度。(3)按测得的围岩变形时间效应，确定两种支护合理间隔时间。(4)按一次支护喷层应力大小设计二次喷层厚度。(5)按测得的锚杆受力情况，调整其参数。

监测方法：包括测试位移量和收敛量两种方法。位移量测试包括测试巷道周边收敛值和围岩内部位移值。

1、新奥法支护理论：采用光面爆破; 采用早强喷射混凝土及时封闭巷道周边，实施密贴支护; 采用锚喷支护，主动加固围岩，提高其自承能力，在围岩内形成承载圈; 实施二次支护; 对破碎围岩实施注浆加固; 实施动态设计和动态施工等。

2、联合支护理论：对于复杂困难巷道，只提高支护体刚度难以有效控制围岩变形，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。

3、松动圈支护理论：道开挖后一般会出现松动圈，围岩最大变形载荷是松动圈产生过程中的碎胀变形，围岩破裂过程中岩石碎胀变形是支护对象。松动圈越大，碎胀变形越大，围岩变形量越大，巷道支护也越困难。

4、围岩强度强化理论：强化围岩应力状态，增加围压，提高围岩承载能力。

巷道支护木支架

优点：重量轻、加工 容易、架设方便、有破坏信号。

缺点：强度低、易破坏、不防火、易腐蚀、风阻大。

适用条件：巷道服务期较短、压力小、断面积不大。

巷道支护工字钢支架

全名工字钢可缩性梯形支架，适用于围岩比较稳定，受动压影响，变形200—500mm的巷道。

巷道支护U型钢支架

1、U型钢可缩性拱形支架，适用于服务时间长，围岩不稳定，受动压影响大，变形大于400mm，无底鼓的巷道。

2、U型钢可缩性圆形支架，适用于服务时间长，围岩不稳定，受动压影响大，变形大于800mm，有底鼓的巷道。

3、U型钢方环形可缩性环形支架，适用于服务时间长，围岩不稳定，受动压影响大，变形大于1000mm，有底鼓的巷道。

巷道支护锚杆支护

有锚杆支护梯形巷道，锚杆支护拱形巷道等类型。锚杆支护已经成为我国煤矿巷道首选的、安全高效的主要支护方式，显著提高了巷道支护效果，保证了采煤工作面的安全、快速推进，促进了煤炭产量的大幅度增长。

我国煤矿锚杆支护技术经历了从低强度、高强度到高预应力、强力支护的发展过程。早期采用的锚杆支护 强 度刚度低，支护原理上仍属于被动支护。1996—1997年我国引进澳大利亚锚杆支护技术，高强度锚杆支护技术得到广泛认可。2005 年以来，为解决深部高地应力、受强烈采动影响、沿空留巷等复杂困难巷道支护难题，又开发出高预应力、强力锚杆与锚索支护技术，真正实现了锚杆的主动、及时支护，大幅度减少了巷道围岩变形与破坏，支护状况发生了本质改变。2009 年，煤炭行业标准“煤巷锚杆支护技术规范”( MT/T1104 － 2009) 发布，标志着煤巷锚杆支护技术已经逐渐成熟。我国很多矿区煤巷锚杆支护率达到 60% ，有些矿区超过了 90% ，甚至达到 100% 。我国煤矿已经形成了有中国特色的煤巷锚杆支护成套技术体系，锚杆支护已经成为煤矿巷道首选的、安全高效的主要支护方式。

锚杆支护理论归纳起来有3种模式：① 被动地悬吊破坏或潜在破坏范围的煤岩体；② 在锚固区内形成某种结构( 梁、层、拱、壳等) ；③ 改善锚固区围岩力学性能与应力状态，控制围岩变形与破坏。