CN110552729B - 围岩支护系统及支护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及围岩支护技术领域，提供围岩支护系统及支护方法。其中，围岩支护系统包括锚杆索支护组件，所述锚杆索支护组件包括防护网，所述围岩支护系统还包括气囊，所述气囊固定在所述防护网与围岩之间。该种围岩支护，在锚杆索支护组件的基础上配合气囊进行高预紧力支护，在防护网和围岩之间设置气囊，向气囊注入气态介质或者液态介质使之膨胀，带动锚杆和/或锚索进行预紧。通过锚杆索支护组件联合气囊，可以有效提高锚杆索支护组件的预紧力水平，扩大预应力扩散面积，提升巷道围岩控制效果。此外，此种围岩支护系统特别适合于冲击地压巷道支护：气囊可柔性变形，冲击地压巷道冲击时，气囊气压柔性变形吸收冲击能，可以降低冲击危害。

Description

围岩支护系统及支护方法

技术领域

本发明涉及围岩支护技术领域，尤其涉及围岩支护系统及支护方法。

背景技术

锚杆索联合支护已经成为我国煤矿巷道支护的主体形式。理论研究和应用实践证明锚杆索预紧力的施加水平和预紧力扩散效果是决定支护效果的主导因素，是决定煤矿巷道锚杆索联合支护的关键因素。锚索一般通过千斤顶进行张拉预紧，锚杆一般通过拧紧杆尾螺母进行预紧。受锁片回弹，摩擦阻力的影响，以上两种预紧力的施加方式效率低。

经现场实测，一般锚索预紧力为200kN，锚杆预紧力为50kN，一般为锚杆索杆体屈服载荷的20％～30％，施加水平较低。另一方面，由于锚杆、锚索对围岩的作用力通过尾部托盘传递至围岩，预应力扩散范围局限于锚杆索托盘范围。受托盘面积限制，预应力扩散主要集中于锚杆索杆体附近范围，扩散面积小。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

本发明的其中一个目的是：提供一种围岩支护结构及支护方法，解决现有技术中存在的锚杆索预紧力水平低且预紧力扩散面积小的问题。

为了实现该目的，本发明提供了一种围岩支护系统，包括锚杆索支护组件，所述锚杆索支护组件包括防护网，所述围岩支护系统还包括气囊，所述气囊固定在所述防护网与围岩之间。

在一个实施例中，所述锚杆索支护组件还包括锚杆和/或锚索，所述锚杆和/或锚索第一端插入所述围岩，第二端外露于所述围岩，所述防护网固定于所述锚杆的第二端。

在一个实施例中，所述锚杆索支护组件还包括托盘和锁具，所述锚杆和/或锚索第二端沿着远离所述围岩的方向依次设置所述防护网、托盘和锁具。

在一个实施例中，所述锚杆索支护组件还包括钢带，一条所述钢带安装于同一排所述锚杆和/或锚索上。

在一个实施例中，所述气囊的数量为多个，且各所述气囊分别位于相邻所述钢带之间。

在一个实施例中，所述气囊通过挂装部挂装于所述锚杆和/或锚索的第二端，所述锚杆和/或锚索第二端沿着远离所述围岩的方向依次设置所述挂装部、防护网、托盘和锁具。

在一个实施例中，所述气囊上设置有调压口。

在一个实施例中，所述调压口包括进气口和排气口，所述进气口和排气口分别设置有气压阀。

为了实现该目的，本发明提供了一种围岩支护方法，包括：

将锚杆索支护组件中锚杆和/或锚索固定至围岩；

将气囊固定至锚杆和/或锚索；

将锚杆索支护组件中防护网安装至围岩表面并覆盖气囊；

将锚杆索支护组件的锁具锁紧于锚杆和/或锚索；

向气囊内充入气态介质或者液态介质，使得气囊对围岩表面作用力达到设定值。

为了实现该目的，本发明提供了一种围岩支护方法，包括：

将气囊固定至锚杆索支护组件中防护网的第一侧；

将防护网第一侧对应围岩表面，并将防护网通过锚杆索支护组件中其它部件固定至围岩表面；

向气囊内充入气态介质或者液态介质，使得气囊对围岩表面作用力达到设定值。

本发明的技术方案具有以下优点：本发明的该种围岩支护，在锚杆索支护组件的基础上配合气囊进行高预紧力支护，在防护网和围岩之间设置气囊，向气囊注入气态介质或者液态介质使之膨胀，带动锚杆和/或锚索进行预紧。通过锚杆索支护组件联合气囊，可以有效提高锚杆索支护组件的预紧力水平，扩大预应力扩散面积，提升巷道围岩控制效果。此外，此种围岩支护系统特别适合于冲击地压巷道支护：气囊可柔性变形，冲击地压巷道冲击时，气囊气压柔性变形吸收冲击能，可以降低冲击危害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中围岩支护系统安装的正视示意图；

图2是本发明实施例中围岩支护系统安装的侧视示意图；

图3是本发明实施例中气囊的结构示意图；

图4是本发明实施例中锚杆索支护组件的安装示意图；

图中：1、防护网；2、气囊；3、围岩；4、锚杆和/或锚索；5、托盘；6、锁具；7、钢带；8、进气口；9、排气口；10、锚固剂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参见图1和图2，根据本发明的实施例，提供围岩支护，包括锚杆索支护组件，锚杆索支护组件包括防护网1，围岩支护还包括气囊2，气囊2固定在防护网1与围岩3之间。

该种围岩支护，在锚杆索支护组件的基础上配合气囊2进行高预紧力支护，在防护网1和围岩3之间设置气囊2，向气囊2注入气态介质或者液态介质使之膨胀，带动锚杆和/或锚索4进行预紧。通过锚杆索支护组件联合气囊2，可以有效提高锚杆索支护组件的预紧力水平，扩大预应力扩散面积，提升巷道围岩3控制效果。此外，此种围岩支护系统特别适合于冲击地压巷道支护：气囊2可柔性变形，冲击地压巷道冲击时，气囊2气压柔性变形吸收冲击能，可以降低冲击危害。

更详细的，该种围岩支护具备以下有益效果：

第一、能够有效提高单根锚杆和/或锚索4的预紧力，在预紧阶段即能使锚杆和/或锚索4充分发挥支护作用。

第二、将预紧力的扩散范围由点提升到全接触断面。气囊2与围岩3全断面接触，对围岩3施加均匀面力，提高预应力的扩散面积。

第三、此种围岩支护的支护形式具有很强的适应性。由于气囊2为柔性支护，可以很好的贴合巷道凹凸不平的表面。

第四、此种围岩支护具有较强的抵抗冲击变形能力。气囊2可柔性变形，冲击地压巷道冲击时，气囊2气压升高吸收冲击能力。

第五、气囊2支护是一种定量支护手段，通过研究获取气囊2气压与气囊2对围岩3作用力之间的关系后即可通过气囊2气压的监测实时获取气囊2对围岩3的支护力。

第六、气囊2可回收再利用。顺槽巷道可将工作面附近的气囊2卸压，从而将锚杆和/或锚索4卸压，拆除锚杆索支护组件，回收锚杆索支护组件和气囊2，进行重复利用。

第七、便于修巷。若复杂困难条件下巷道出现大变形，需要修巷，可将气囊2卸压，拆除锚杆索支护组件，卸下锚杆索支护组件和气囊2，进行修巷，修巷完毕后，仅需剪断过长外露锚杆和/或锚索4，重新安装包括防护网1在内的锚杆索支护组件其它部件，以及气囊2，再次向气囊2充入气态介质或者液态介质即可。

其中，根据一般的解释，“气囊2”指代的是一种柔性胶囊，可以通过向该种柔性胶囊当中充入气态介质或者液态介质以调节气囊2内部的压力，进而控制气囊2对围岩3的作用力大小。需要说明的是，此处的气囊2，其材质一般采用橡胶但是不局限为橡胶，只要向气囊2当中充入介质(包括气态介质和液态介质)后气囊2可以发生柔性变形并且可以调整气囊2对围岩3的压力即可。其中，气囊2的结构可以参考图3。当然，气囊2的结构不受附图3的限制，例如气囊2的形状可以根据锚杆索支护组件的安装位置进行相应调整，既可以大致呈方形，也可以呈椭球状、球状甚至异形等。

请再次参见图1和图2，锚杆索支护组件包括锚杆和/或锚索4(本发明中锚杆和/或锚索4指代的是锚杆或者锚索，或者，锚杆和锚索，等同于锚杆索)，锚杆和/或锚索4第一端插入围岩3，第二端外露于围岩3，防护网1固定于锚杆的第二端。该种情况下，气囊2将力传递给防护网1，防护网1将受力传递给锚杆和/或锚索4第二端，以达到提高锚杆索支护组件的预紧力水平，扩大预应力扩散面积的效果。

在一个实施例中，请参见图4(该图中未示出气囊2)，锚杆索支护组件还包括托盘5和锁具6，锚杆和/或锚索4第二端沿着远离围岩3的方向依次设置防护网1、托盘5和锁具6。托盘5安装在每根锚杆和/或锚索4上的锁具6和防护网1之间，锁紧锁具6时托盘5压紧防护网1，将锚杆和/或锚索4预紧力经过防护网1传递给巷道围岩3，并扩散到锚杆和/或锚索4周围围岩，改善围岩3应力状态，抑制围岩3的离层、结构面滑动和节理裂隙张开。当围岩3变形时，托盘5反向将围岩3变形作用力传递给锚杆和/或锚索4，使锚杆和/或锚索4工作阻力增大，充分发挥锚杆和/或锚索4控制围岩3变形的作用。

其中，锁具6可以采用锁紧螺母的形式。拧紧锁紧螺母时托盘5压紧防护网1，将锚杆和/或锚索4预紧力经过防护网1传递给巷道围岩3。此外，防护网1一般采用金属网，例如钢筋网，以保证防护网1的结构强度。同样的，气囊2可以选择耐受高压的高压气囊2。

进一步的，请再次参见图4，锚杆索支护组件还包括钢带7，一条钢带7安装于同一排锚杆和/或锚索4上。例如，钢带7(钢筋托梁)平行于巷道断面，整条安装在同一排锚杆和/或锚索4上，与一排锚杆和/或锚索4形成组合支护体系，均衡不同锚杆和/或锚索4之间的受力，提高整体支护作用。并且，钢带7沿着每排锚杆和/或锚索4压紧巷道表面铺设的防护网1，扩散锚杆和/或锚索4支护围岩3的作用力范围，同时抑制浅部岩层裂隙张开，保持岩层表面结构完整性。

其中，当锚杆索支护组件包括钢带7的时候，对应的气囊2的数量为多个，且不同的气囊2分别位于相邻钢带7之间。进而根据钢带7的设置位置对围岩3进行划分，不同围岩3区域通过各自的气囊2实现预紧力的提高以及预应力扩散面机的增大。

当然，即使设置有钢带7，围岩支护中气囊2也可以是一个，进而在气囊2上对应锚杆索支护组件设置有相应的避让结构，防止锚杆索支护组件和气囊2之间的干涉。例如，对应设置有钢带7的地方，气囊2设置缺口，进而即便向气囊2当中注入介质使得气囊2撑开，气囊2也不会和钢带7发生干涉。当然，在不设置有钢带7的情况下，如果气囊2采用的是一个整体式的结构，那么气囊2则需要避开锚杆和/或锚索4以及安装在锚杆和/或锚索4上的其它部件(例如托盘5、锁具6等)。

在一个实施例中，为了便于气囊2的安装，气囊2设置有挂装部，进而气囊2通过挂装部挂装于锚杆和/或锚索4的第二端。该种情况下，在防护网1安装之前，锚杆和/或锚索4第一端插入围岩3之后，就可以通过挂装部将气囊2安装至围岩3表面。其中，挂装部的结构形式不受限制，只要可以将气囊2安装至锚杆和/或锚索4即可，例如挂装部可以采用挂钩、挂环、挂链等。

当气囊2设置有挂装部的时候，锚杆和/或锚索4第二端沿着远离所述围岩3的方向依次设置所述挂装部、防护网1、托盘5和锁具6。具体的，锁紧锁具6的时候，托盘5向防护网1施加压紧力，将防护网1和挂装部均固定至围岩3的表面。该种情况下，气囊2可以直接通过挂装部将力传递至锚杆和/或锚索4。

值得一提的是，即使不设置挂装部，也可以通过托盘5或者钢带7等将气囊2压紧在围岩3的表面，进而气囊2除了通过防护网1传递力至锚杆和/或锚索4，也可以通过气囊2的压紧区域(对应托盘5或者钢带7)将力传递至锚杆和/或锚索4。

在一个实施例中，气囊2上设置有调压口。通过调压口调节气囊2内部压力，气囊2与围岩3全断面接触，对围岩3均匀施加力，提高预应力的扩散面积。并且，通过气囊2的设置，将围岩支护预紧力的扩散范围由点提升到全接触断面。

其中，通过调压口的设置，可以使得围岩支护实现柔性恒压支护，一旦围岩3变形使得气囊2受压，且气囊2到达一定压力值时就进行卸压。并且，当将该种围岩支护适用于冲击地压巷道时，冲击地压巷道冲击时，气囊2气压升高吸收冲击能力，随后通过调压口卸载，从而有效延长能量的吸收的释放过程，降低冲击危害。

进一步的，调压口包括进气口8和排气口9，进而通过进气口8向气囊2内部充气，通过排气口9向气囊2外部排气。其中，可以在进气口8和排气口9分别设置有气压阀，进而通过气压阀的开闭实现充气和卸压的目的。其中，设置在排气口9的气压阀也即卸压阀，而设置在进气口8处的气压阀也即进气阀。

其中，可以采用气泵连通进气口8，以达到向气囊2当中充气的目的。此外，可以采用负压泵连通排气口9，以达到从气囊2内部向外排气的目的。

根据本发明的其中一个实施例，提供一种围岩支护方法，包括：

将锚杆索支护组件中锚杆和/或锚索4固定至围岩3；

将气囊2固定至锚杆和/或锚索4；

将锚杆索支护组件中防护网1安装至围岩3表面并覆盖气囊2；

将锚杆索支护组件的锁具6锁紧于锚杆和/或锚索4；

向气囊2内充入气态介质或者液态介质，使得气囊2对围岩3表面作用力达到设定值。

其中，步骤“将气囊2固定至锚杆和/或锚索4”中，可以通过在气囊2设置挂装部，并通过挂装部将气囊2固定至锚杆和/或锚索4来实现。

该种围岩支护方法中，在锚杆和/或锚索4固定至围岩3之后，将气囊2固定至锚杆和/或锚索4，之后再安装防护网1。也即防护网1和气囊2的安装是相对独立的过程。其中，由于气囊2固定至锚杆和/或锚索4，进而可以保证气囊2受压过程当中，不同锚杆和/或锚索4受到气囊2作用力的均衡性。

例如，对于大致呈方形的气囊2，可以将气囊的四个角部分别固定至不同的锚杆和/或锚索4上。该种情况下，至少对应气囊四个角部的这四根锚杆和/或锚索4，其彼此之间的受力收到气囊2的作用大致呈一个平衡的状态。当然，一个气囊也可对应任意多根锚杆和/或锚索4设置，该种情况下，和同一个气囊对应的多根锚杆和/或锚索4受力大致均衡。

根据本发明的另一个实施例，提供一种围岩支护方法，包括：

将气囊2固定至锚杆索支护组件中防护网1的第一侧；

将防护网1第一侧对应围岩3表面，并将防护网1通过锚杆索支护组件中其它部件固定至围岩3表面；

向气囊2内充入气态介质或者液态介质，使得气囊2对围岩3表面作用力达到设定值。

其中，步骤“将防护网1第一侧对应围岩3表面，并将防护网1通过锚杆索支护组件中其它部件固定至围岩3表面”中，锚杆索支护组件中其它部件一般包括锚杆和/或锚索4、托盘5、锁具6和钢带7等。

该种围岩支护方法中，先将气囊2固定至防护网1上，进而在将防护网1安装至围岩3表面的同时，也完成了气囊2的安装。由此，该种围岩支护方法施工方便，气囊2在防护网1上的安装可以在出厂之前或者是到达施工地之前完成，进而可以简化施工地操作，降低施工工人的劳动强度。

上述围岩支护方法中，锚杆和/或锚索4固定的过程中，可以采用树脂锚固剂10将锚杆和/或锚索4锚固于围岩3(例如，煤岩体，当然申请文件中围岩3不限为煤岩体)内。并且，通过锁具6将锚杆索支护组件固定于围岩3的时候，可以在防护网1和围岩3表面之间预留一定的可供气囊2膨胀的体积。进而，可以通过气泵向气囊2充气直到气囊2对围岩3作用力达到设定压力。

上述围岩支护及支护方法，在锚杆索支护组件支护基础上增加气囊2，将气囊2置于围岩3和防护网1间隙内，通过气囊2膨胀带动锚杆索支护组件预紧。按照气囊2对围岩3的支护面力为0.1MPa进行核算，每一平米可提供100kN支护面力，将有效提供支护系统预紧力的施加水平和扩散效果，从而明显提升支护效果。由于气囊2具备强柔性变形能力，可以贴合巷道凹凸不平表面，因此可以实现全断面支护。并且，当气囊2设置有调压口的时候，该种围岩支护为大变形恒阻支护，可以在调压口位置设置卸压阀，气囊2气压达到设定值时即卸压。随着围岩3变形，气囊2受挤压，气压升高，达到卸压值时卸压，实现快增阻、恒阻大变形支护。

基于以上围岩支护以及支护方法，使得围岩3支护的形式具有多方面的发展潜能：

第一、对于条件相对简单的巷道，可通过定量提升单根锚杆和/或锚索4的预紧力水平，扩大预紧力的扩散面积，提高单根锚杆和/或锚索4的支护效果，降低支护密度，从而提高成巷速度；

第二、对于冲击地压巷道，可通过气囊2吸收冲击能量，降低冲击事件对巷道支护体的破坏。对于单纯锚杆索支护来说，由于支护体刚度较大，其吸收冲击功较低，容易发生冲击破坏。而锚杆索和气囊2联合支护则抗冲击能力较强。在冲击能量时间发生时，柔性的气囊2可迅速变形，它所用的工作介质—空气(当然也可以采用其它介质)，可以成倍地压缩。锚杆索联合高压气囊2支护相当于在全巷道表面安装了一个大型空气弹簧，在冲击载荷来临时可迅速收缩，吸收冲击载荷的能量，并能相应迅速增加其支撑阻力，达到平衡状态。

第三、对于深部高地应力大变形巷道，可通过气囊2对围岩3施加有效的支护面力，提高围岩3控制效果。气囊2支护为高预紧力恒阻大变形支护，可以通过在气囊2上设置卸压阀实现。另外，气囊2支护便于修巷，具体的，巷道变形量过大需要修巷时，可依次将气囊2放气，将锚索卸压，将防护网1拆除，挑顶扩帮后，依次将气囊2、防护网1按顺序安装，将气囊2再次充气，锚索过长外露剪断即可。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种围岩支护系统，包括锚杆索支护组件，所述锚杆索支护组件包括防护网，其特征在于，所述围岩支护系统还包括气囊，所述气囊固定在所述防护网与围岩之间；所述气囊与所述围岩全断面接触，对所述围岩施加均匀面力；

所述锚杆索支护组件还包括锚杆和/或锚索，所述锚杆和/或锚索第一端插入所述围岩，第二端外露于所述围岩，所述防护网固定于所述锚杆的第二端；

所述气囊注入气态介质或者液态介质使之膨胀，带动所述锚杆和/或所述锚索进行预紧；

所述气囊通过挂装部挂装于所述锚杆和/或锚索的第二端，所述锚杆和/或锚索第二端沿着远离所述围岩的方向依次设置所述挂装部、防护网、托盘和锁具；

所述气囊上设置有调压口。

2.根据权利要求1所述的围岩支护系统，其特征在于，所述锚杆索支护组件还包括托盘和锁具，所述锚杆和/或锚索第二端沿着远离所述围岩的方向依次设置所述防护网、托盘和锁具。

3.根据权利要求2所述的围岩支护系统，其特征在于，所述锚杆索支护组件还包括钢带，一条所述钢带安装于同一排所述锚杆和/或锚索上。

4.根据权利要求3所述的围岩支护系统，其特征在于，所述气囊的数量为多个，且各所述气囊分别位于相邻所述钢带之间。

5.根据权利要求1所述的围岩支护系统，其特征在于，所述调压口包括进气口和排气口，所述进气口和排气口分别设置有气压阀。

6.一种围岩支护方法，其特征在于，应用于权利要求1至5中任一项所述的围岩支护系统，包括：

将锚杆索支护组件中锚杆和/或锚索固定至围岩；

将气囊固定至锚杆和/或锚索；

将锚杆索支护组件中防护网安装至围岩表面并覆盖气囊；

将锚杆索支护组件的锁具锁紧于锚杆和/或锚索；

向气囊内充入气态介质或者液态介质，使得气囊对围岩表面作用力达到设定值，所述气囊与所述围岩全断面接触，对所述围岩施加均匀面力。

7.一种围岩支护方法，其特征在于，应用于权利要求1至5中任一项所述的围岩支护系统，包括：

将气囊固定至锚杆索支护组件中防护网的第一侧；

将防护网第一侧对应围岩表面，并将防护网通过锚杆索支护组件中其它部件固定至围岩表面；

向气囊内充入气态介质或者液态介质，使得气囊对围岩表面作用力达到设定值，所述气囊与所述围岩全断面接触，对所述围岩施加均匀面力。