井巷支护装置和方法 本发明涉及一种井巷支护的装置和方法。
依据地质状况、围岩硬度、巷道用途、服务年限、施工条件等，现有技术分别采用锚栓支护、架棚支护、喷射混凝支护或拱镟支护，有时采用双重支护。锚栓支护不能满足大部分巷道的复杂地质，服务年限；棚子和砌镟支护难以紧跟掘进工作面施工；喷射混凝土支护分别以吊挂，支承和固结三种不同的工作原理进行工作，三种原理无法互补，无法兼容。
本发明的目的是：提供一种井巷支护装置和方法。本发明将围岩视为受弯构件，利用了围岩特有的抗压和抗剪能力，对其受拉区抗拉能力的不足部分进行了补强，形成了新的支护装置和方法，具有良好的经济性、便捷性和有效性。本发明具有多种组合方式，从而能在更大范围内适应巷道对支护的不同需求。
本发明的目的是这样实现的：
一种井巷支护方法，其特征在于：它包括以下步骤：
(1)钻锚固端孔：在井巷围岩非冒落区倾斜钻锚端孔；
(2)锚固锚固端：将锚固端放入锚固端孔，对锚固端进行锚固，锚固端为在围岩非冒落区倾斜设置的锚栓；
(3)安装拉杆：拉杆设置在围岩外面，拉杆两端与锚固端固定连接；
(4)拉杆与围岩连接：连接方式可为以下几种方法之一或同时选用几种；
a.用连接件将锚固端和拉杆的两端有效固定：
b.水平张拉或下撑式张拉对拉杆施加预应力：
c.用剪力节将预应力传给围岩的有效部位，并将围岩变形反传给拉杆，剪力节为在围岩上设置的锚栓，锚栓下端头与拉杆固定连接；
d.在围岩外表面浇筑或喷射混凝土，利用混凝土做媒介完成应力传递。
一种井巷支护装置，它包括：拉杆、锚固端，其特征在于：锚固端为在围岩非冒落区倾斜设置的锚栓，拉杆设置在围岩外面，其两端与锚固端固定连接；拉杆、锚固端与围岩形成一体，构成整体结构。
它还可包括张拉装置，由单根或多根拉杆为一组，拉杆间由剪力节或撑棍间隔后，张紧或拉紧，使两根拉杆靠扰，拉杆被拉紧得到预应力。它还可包括剪力节，若干剪力节分布在拉杆上，剪力节为在围岩上设置的锚栓，其下端头用接件与拉杆固定连接。它还可包括混凝土，用混凝土浇筑或用喷射混凝土喷射在围岩外表面形成一层混凝土，将拉杆包裹在混凝土内。它还可包括调长装置，它安在拉杆与拉杆相接处，拉杆端头在不同长度重叠并用锚具固定，使拉杆支护装置的总长度可调。
本发明有以下优点和积极效果。
1.预应力拉杆支护在代替锚栓支护时，钻孔深度可减少三分之一，材料成本可节约十分之一，构件重量轻，操作省力，易于工厂化生产，工作安全可靠，易维修，当在此基础上采用工具式吊挂模板，局部灌抹水泥砂浆后可做到支护升级，代替架棚支护。
2.预应力拉杆支护代替架棚时，其成本仅为棚子的十分之一，巷道毛断面减小，劳动强度减小，成巷速度加快，保养维修方便，对围岩表面喷水泥浆后可做到支护升级代替喷射混凝土支护。
3.预应力拉杆支护代替喷射混凝土支护时，金属拉杆，混凝土和巷道围岩形成类似建筑工程的钢筋混凝土式结构，巷道断面有可能由拱形改为矩形，减少了毛断面的开挖量；混凝土用量可减少到原来的五分之一至十分之一；混凝土喷射机可以用砂浆注浆罐代替，干喷可改为砂浆湿喷，通过以上改进，掘进和支护可以平行作业，提高单孔进度三分之一。
本发明有着广阔的开发前景，在一千万米巷道中使用，则每年直接经济效益在亿元以上。它以其独特的工作原理能将现有支护的施工工艺继承，利用抗弯原理的同时兼有支承、吊挂、粘结功能，加上配套技术后，即可以实现支护手段的改革，支护方法地更新和支护构件的换代，为采掘工作开创新局面。
图1是本发明的支护结构平面示意图。
图2是图1的剖面示意图。
图3是本发明的巷道断面示意图。
图4-6是本发明的锚固端、剪力节节点示意图。
图7-8是本发明的一种调长装置的示意图。
图9-11是本发明的预应力拉杆以剪力节形成正、水平、反拱的示意图。
图12-15是本发明的围岩表面不平整状态下垫平的施工方法示意图。
图16-17是本发明的锚固端的设置和构造示意图。
图18-21是本发明在拱形断面的巷道中实施的示意图。
图22-27是本发明的各种锚固端结构示意图。
图28-30是本发明的各种拉杆结构示意图。
图31-33是本发明的各种连接件结构示意图。
图34-35是本发明的各种剪力节结构示意图。
图34-39是本发明的各种张拉装置结构示意图。
图40-42是本发明的各种调长装置结构示意图。
图43-45是本发明的各种混凝土结构示意图。
下面结合附图及实施例详细说明本发明。
一.预应力拉杆支护的基本结构模型。
该模型如图1-3所示，其力学原理是将巷道围岩作为抗弯构件，利用预应力和工作应力补强其受拉区抗拉强度的不足。该模型中直接工作的构件是拉杆，能使该支护有效实施的关键在于拉杆是否能够和围岩共同工作。共同工作的标志有二：其一，是对拉杆施加预拉应力，该力作为压应力传递给围岩；其二，是当围岩发生弯曲变形产生挠度时，该变形传递给拉杆，在拉杆中产生拉力，该拉力将其反力再传递给围岩的受拉区，使其转化为压应力。
为实现拉杆与围岩共同工作，本模型中采用了以下技术手段：
1.通过锚固端和连接件将拉杆的两端做有效固定。
2.通过水平张拉或下撑式张拉对拉杆施加预拉应力。
3.通过剪力节将预应力传给围岩的有效部位，并将围岩变形反传给拉杆。
4.利用混凝土做媒介完成其应力传递。
基本模型是由八个部分组成的一个完整的工作体系，即锚固端1，拉杆2连接件3，剪力节4，张拉装置5，调长装置6，混凝土7，围岩8。
二.系统组成的各部分构件选用表及其组合方法：
基本模型是一种泛指的结构体系，当利用表(1)和其所附的组合方式代码表达，将具体的构件插入后，即可形成一种实用的装置。
在基础模型中包括围岩在内的八个部分都有若干不同的选择，因此用此方法可设计和制作多种预应拉杆支护的系列装置。
结构模型和构件组成实用装置的组合方式代码表达
装置系统组成的构件选用表
表<1> 编号 部分构件名称(节点) 代码 特点 1 锚 固 端胀圈锚栓 Mq 应用广正楔式锚栓 Mx 便回收倒楔缝锚栓 Md 成本低砂浆锚栓 Mj 年限长树脂锚栓 Ms 锚固强组合式锚栓 Mz 年限长 2 拉 杆O圆钢、L角钢、II槽钢组成单、双肢或多肢 水平 Lp 省空间 下撑 Lc 剪力大 组合 Lh 综合性 3 连 接 件斜垫式连接件 Dx 批量整体式连接点 Dz 钢丝束特定设计连接点 Ds -- 4 剪 力 节斜垫式剪力节 Qx 批量特定设计剪力节 Qs -- 5 张 拉 装 置工具弯钩拉紧件 Yz 批量撑开件 Yc 补张力装置拉紧件 Ys 型钢下撑式拉紧装置 Yx -- 6 调 长 装 置整楔箍式锚具 Tz 现场制单楔箍式锚具 Td 工厂制楔式锚具 Ts 便操作 7 混 凝 土模板混凝土 Hm 无设备注浆混凝土 Hz 干扰少喷射混凝土 HP 质量高
利用构件表组合设计拉杆支护装置，该支护为系列支护。
三.预应力拉杆支护的配套技术
1.在双肢圆钢拉杆中，锚固端锚栓与拉杆连接，剪力节锚栓与拉杆的连接，用铸铁斜垫实现(见图4-6)，该铸铁斜垫有互换性，利于工厂化批量生产。
2.箍式专用锚具见(附图7-8)，楔式专用锚具，除通用锚具可做拉杆的长度调节装置外，以上专用锚具更有适用性。
3.降低锚固成本的途径：
规范胀圈锚栓，形成工厂化生产，采用金属冲压、树脂或其它硬质塑料生产胀圈锚栓的圈瓣；加大锚杆直径；锚杆尾部螺杆采用滚齿工艺加工。
4.水平预应力拉杆中以剪力节形成反拱(见附图9-11)该技术可通过剪力节促使拉杆和围岩共同工作。
5.围岩表面不平整状态下的施工方法(见附图12-15)，方法分别为：垫块调平、套管调平、下撑式调平、混凝土调平。
6.锚固端的位置的构造(见图16-17)，图16为支承兼吊挂式锚固端，图17全支承无吊挂式锚固端，图中虚线圆弧表示冒落拱。
7.采用角钢，槽钢等型钢做预应力拉杆时，可以同时实现永久支护和临时支护。
8.在有侧压力和底压力的巷道中采用矩形断面时，对转角处的连接件给予专门设计，然后将巷道壁和巷道底用支护顶板的方法给予支护。
9.在拱形断面的巷道中实施预应力拉杆支扩时，可以通过复杂地质带或破碎带，实施办法见图18-21图19是图18的甲-甲剖面图，图20是图18的A放大图，图21是图19的拉杆大样图；在掘进过程中每延伸一定距离(1-2米)，做一组由锚栓和型钢或锚栓和混凝土组成的拱圈，当用于竖井延伸时，该拱圈可做成壁座式，在拱圈上装设连接件，沿巷道(井筒)方向安装预应力拉杆，即可形成支护结构，混凝土可以浇灌、注灌，喷射或工具式模板浇抹，采用型钢做拱圈时可实现掘进和支护的连续作业，采用掘进和支护分段作业时很容易和可拆装的工具式临时支护配套，当用于大断面导坑开挖时，该拱圈在任何一个导坑的巷道一侧都可单独形成稳定结构。实施例一巷道条件：
巷宽2.7M；围岩普氏硬度系数f＝4-6；服务年限20年；原支护为树脂锚栓，每米巷长3架，杆长1.7M。支护设计：
依据表(1)选择每米巷长一组支护；2个胀圈端固锚栓，杆长500mm，双肢Φ12mm圆钢筋拉条；2个剪力节，杆长250mm；工具式张拉。设计表达：
2Mg500-2Lop2500-2Dx-2Qx2500-3Yz实施例二巷道条件：
巷宽3.0M，巷高2.0M；沿煤层顶板掘进，无侧压；采区运输巷道；顶板岩石普氏硬度系数f＝4～6；使用年限10年以下。原支护为临时和永久双重支护：临时支护为树脂锚栓，每米巷长3架，杆长1.6M；永久支护为钢梁木腿组合棚。由于顶板上0.4M高处有一煤线，形成伪顶，所以选用密集板刹顶。支护设计：
取巷长0.8M一组拉杆支护。
根据表<1>选择：2个树脂端固锚栓，杆长0.5M；
双肢Φ12mm圆钢水平拉杆；
4个剪力节，杆长250mm；
连接垫与剪力节垫均采用45°斜垫；
工具式张拉；
不选用拉杆的调长装置和混凝土。设计表达：
2Ms500-2LOp2800-2Dx-4Qx250-5Yz实施例三巷道条件：
原设计为拱形巷道；巷净宽4.33M，毛宽4.5M，全高4.5M；树脂锚栓，喷射混凝土支护；岩石普氏硬度系数为f＝4～6；石门轨道巷；使用年限60年。支护设计：
1.采用组合式拉杆支护后将巷道改为宽×高＝4.33M×2.8M的矩形断面；
2.采用中心导坑掘进，导坑宽2.5M，先架设水平拉杆，扩帮后增设下撑式拉杆；
3.混凝土厚度为能喷没金属构件即可，因此以小型砂浆的注浆罐代替混凝土喷射机。
根据表<1>选择：4个组合式锚栓，杆长0.75M；
2个Φ12mm长度2.3M圆钢水平拉杆；
2个Φ14mm长度4.1M圆钢下撑拉杆；
8个斜垫式连接件；
4个斜垫式剪力节，锚杆长度0.5M；
2个特定设计剪力节，锚杆长度0.5M；
5个工具式弯钓拉紧件；
2个下撑式拉紧装置；
1个单楔箍式锚具；
注浆混凝土，厚度0.01M。设计表达：
4Mz750-2LpΦ12 2300-8Dx-4Qx500-5Yz-1Td-Hz10
2LcΦ14 4100 2Qs500 2Yx