破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统及其施工方法技术方案

破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，包括深度支护结构和周向表面支护结构；深度支护结构包括若干条三区协同支护组合锚杆；三区协同支护组合锚杆沿巷道的顶板、两帮和底板的周向均匀布置并贯穿锚固破裂区、塑性区和弹性区；周向表面支护结构包括钢梁、金属网和混凝土硬化层，钢梁和金属网配合沿巷道的顶板、两帮进行支护，混凝土硬化层铺设在巷道的底板上。本发明专利技术还公开了破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统的施工方法。本发明专利技术将“破裂区、塑性区和弹性区”三个区域组合成一个整体，有效提高了巷道围岩的整体承载能力和抗变形能力，可以有效避免破裂区或塑性区出现的垮冒现象，充分调动弹性区的承载能力，确保了巷道围岩的稳定性。

Collaborative Coupled Support System and Construction Method for Three Zones of Broken Surrounding Rock Roadway

Collaborative coupling support system of three zones in broken surrounding rock roadway includes deep support structure and circumferential surface support structure; deep support structure includes several combined bolts of three zones; combined bolts of three zones are uniformly arranged along the circumference of roof, two sides and floor of roadway and run through the anchorage fracture zone, plastic zone and elastic zone; circumferential surface support structure includes steel beam, steel beam and elastic zone. Metal mesh and concrete hardened layer, steel beam and metal mesh support along the roof and two sides of the roadway. Concrete hardened layer is laid on the floor of the roadway. The invention also discloses the construction method of the three-zone coordinated coupling support system for broken surrounding rock roadway. The invention combines the three zones of \rupture zone, plastic zone and elastic zone\ into a whole, effectively improves the overall bearing capacity and deformation resistance of roadway surrounding rock, effectively avoids the collapse phenomenon in rupture zone or plastic zone, fully mobilizes the bearing capacity of elastic zone, and ensures the stability of roadway surrounding rock.

【技术实现步骤摘要】
破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统及其施工方法
本专利技术属于矿山支护工程锚索支护
，具体涉及破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统及其施工方法。
技术介绍
在煤矿巷道支护工程中，锚索支护是顶板支护的常用形式。煤矿常用的锚索是7股或19股的钢绞线结构，常用的锚索直径为15.2mm、17.8mm、20mm、22mm。与锚杆支护相比，锚索具有强度大、长度大的优点，锚索能够锚固到顶板深部稳定岩层中，因此锚索支护对顶板稳定性控制具有显著成效。但是，随着煤炭资源的逐步开采，巷道围岩应力环境逐渐恶化，在大变形巷道、软弱围岩巷道及高应力动压巷道中，锚索破断问题日益凸显。在一些复杂困难条件下，一些直径22mm的高强锚索甚至也出现了破断。现场观测表明，锚索破断的位置均出现靠近孔口的前1/3段，或者剪切错动的岩层的层理面处；由断口形态来看，锚索是在“剪破坏和拉破坏”共同作用下的破断。究其原因，当前锚索支护主要存在“局部应力集中、钢绞线在拉剪作用下被各个击破而逐根（股）破断”的技术难题，如何提高锚索应力集中段的抗拉强度、抗剪强度以及钢绞线的整体性，成为解决锚索破断的关键问题。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术存在的问题，提供一种破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统及其施工方法，旨在通过针对巷道围岩“破裂区、塑性区和弹性区”的三区协同耦合支护技术，有效解决现有技术中存在的“三区关联性差、顶板两帮及底板关联性差、注浆锚杆长度短、破裂区和塑性区极易垮冒”等技术难题。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，包括深度支护结构和周向表面支护结构；深度支护结构包括若干条三区协同支护组合锚杆，所述的三区为破裂区、塑性区和弹性区，紧邻巷道的为破裂区，破裂区内侧为塑性区，塑性区内侧为弹性区；三区协同支护组合锚杆沿巷道的顶板、两帮和底板的周向均匀布置并贯穿锚固破裂区、塑性区和弹性区；周向表面支护结构包括钢梁、金属网和混凝土硬化层，钢梁和金属网配合沿巷道的顶板、两帮进行支护，混凝土硬化层铺设在巷道的底板上。三区协同支护组合锚杆包括螺纹钢杆体、连接管、中空杆体、托盘和螺母，螺纹钢杆体的外端通过连接管与中空杆体的内端同轴向连接为一体，中空杆体上开设有若干个注浆孔，螺纹钢杆体内侧一段通过树脂锚固剂锚固在弹性区内，锚固在弹性区内的螺纹钢杆体这一段称为弹性区锚固段，螺纹钢杆体外侧一段与塑性区之间具有环形间隙，在环形间隙内的一段螺纹钢杆体称为塑性区自由段，中空杆体位于破裂区内，中空杆体内注入有水泥浆，水泥浆通过中空杆体上的注浆孔注入到破裂区内，水泥浆在破裂区内的这一段称为破裂区注浆段；托盘穿套在中空杆体外端部并压在钢梁和/或金属网上，螺母螺纹连接在中空杆体外端并与托盘压紧配合。所述连接管为内细外粗的变径管，中空杆体的外径大于螺纹钢杆体的外径，螺纹钢杆体的外端部和中空杆体内端部分别与连接管的内端口和外端口螺纹连接。破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统的施工方法，包括以下施工步骤：（1）根据巷道生产条件和地质力学条件、使用用途和服务年限，确定巷道断面设计参数，包括断面形态及其尺寸；（2）基于巷道断面设计参数，采用理论分析、数值模拟和工程调研方法，研究确定巷道顶板、两帮及底板的破裂区、塑性区、弹性区的边界及范围；（3）针对巷道顶板、两帮及底板沿周向向外延伸的三个区域：破裂区、塑性区、弹性区，采用三区协同支护组合锚杆将破裂区、塑性区和弹性区串联起来并配合金属网、钢梁进行主动支护，形成针对三个区域的互相联系的耦合承载结构；通过对顶板、两帮及底板采用三区协同支护组合锚杆配合金属网、钢梁进行主动支护，形成封闭的互相联系的耦合承载圈。步骤（3）的具体施工过程为，第一、依据巷道的生产地质条件以及顶板、两帮及底板的“破裂区、塑性区、弹性区”三个区域的边界及范围，确定顶板、两帮及底板所采用的三区协同支护组合锚杆的材质、直径、长度，树脂锚固剂的规格及用量，以及组合锚杆的位置及其间排距；第二、按照三区协同支护组合锚杆的位置及其间排距，采用锚杆钻机打设锚杆孔；第三、采用连接管将螺纹钢杆体的后端和中空杆体的前端连接起来，并采用螺纹钢杆体的前端将树脂锚固剂送入锚杆孔的孔底，并采用钻机对树脂锚固剂进行搅拌，形成弹性区锚固段；第四、树脂锚固剂锚固完成后，铺设金属网和钢梁并安装托盘和螺母，并对螺母按照设计扭矩进行预紧，对围岩进行主动支护；第五、采用注浆机具对三区协同支护组合锚杆的中空杆体进行注浆，形成破裂区注浆段；第六、三区协同支护组合锚杆施工完成后，对巷道的底板浇筑混凝土进行硬化处理。三区协同支护组合锚杆的弹性区锚固段、塑性区自由段和破裂区注浆段的长度应根据巷道围岩破裂区、塑性区和弹性区的范围确定。顶板、两帮及底板所采用的三区协同支护组合锚杆的规格，包括弹性区锚固段、塑性区自由段和破裂区注浆段的长度，应根据顶板、两帮及底板的破裂区、塑性区和弹性区的范围确定；通过对顶板、两帮及底板采用三区协同支护组合锚杆配合金属网、钢梁进行主动支护，形成由顶板、两帮及底板组成的封闭的耦合承载圈。采用上述技术方案，本专利技术具有以下有益效果：1）通过采用针对“破裂区、塑性区和弹性区”的三区协同耦合支护技术，将“破裂区、塑性区和弹性区”三个区域组合成一个整体，有效提高了巷道围岩的整体承载能力和抗变形能力，可以有效避免破裂区或塑性区出现的垮冒现象；2）通过采用“三区协同支护组合锚杆”，可以将“破裂区、塑性区和弹性区”串联起来，有效提高围岩的整体稳定性：通过对组合锚杆破裂区注浆段的注浆可以有效加固破裂区，提高破裂区的承载能力和抗变形能力；通过对组合锚杆塑性区自由段的预紧，不仅可以实现对围岩的主动支护，而且充分利用杆体的延伸率；通过对弹性区锚固段采用树脂锚固剂锚固可以将组合锚杆锚固到弹性区稳定岩层中，可以充分调动弹性区的承载能力。3）通过对顶板、两帮及底板采用三区协同支护组合锚杆支护技术，不仅提高了“破裂区、塑性区和弹性区”三个区域整体稳定性和关联性，而且形成了针对顶板、两帮及底板的封闭的耦合承载圈，有效避免了巷道出现“局部破坏→破坏扩展→巷道失稳”的失稳模式，确保了巷道围岩的稳定性。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为三区协同支护组合锚杆支护的结构使用图；图中附图标记分别为：1为巷道，2为顶板，3为两帮，4为底板，5为破裂区，6为塑性区，7为弹性区，8为三区协同支护组合锚杆，9为金属网，10为钢梁，11为混凝土硬化层，12为弹性区锚固段；13为塑性区自由段；14为破裂区注浆段；15为螺纹钢杆体；16为注浆孔；17为中空杆体；18为托盘；19为螺母；20为树脂锚固剂；21为连接管；22为锚杆孔。W为巷道高度，G为巷道宽度。具体实施方式如图1和图2所示，本专利技术具体实施方式如下：本专利技术的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，包括深度支护结构和周向表面支护结构；深度支护结构包括若干条三区协同支护组合锚杆8，所述的三区为破裂区5、塑性区6和弹性区7，紧邻巷道1的为破裂区5，破裂区5内侧为塑性区6，塑性区6内侧为弹性区7；三区协同支护组合锚杆8沿巷道1的顶板2、两帮3和底板4的周向均匀布置并贯穿锚固破裂区5、塑性区6和弹性区7；周向表面支护结构包括钢梁10、金属网9和混凝土硬化层11，钢梁10和金属网9本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，其特征在于：包括深度支护结构和周向表面支护结构；深度支护结构包括若干条三区协同支护组合锚杆，所述的三区为破裂区、塑性区和弹性区，紧邻巷道的为破裂区，破裂区内侧为塑性区，塑性区内侧为弹性区；三区协同支护组合锚杆沿巷道的顶板、两帮和底板的周向均匀布置并贯穿锚固破裂区、塑性区和弹性区；周向表面支护结构包括钢梁、金属网和混凝土硬化层，钢梁和金属网配合沿巷道的顶板、两帮进行支护，混凝土硬化层铺设在巷道的底板上。

【技术特征摘要】
1.破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，其特征在于：包括深度支护结构和周向表面支护结构；深度支护结构包括若干条三区协同支护组合锚杆，所述的三区为破裂区、塑性区和弹性区，紧邻巷道的为破裂区，破裂区内侧为塑性区，塑性区内侧为弹性区；三区协同支护组合锚杆沿巷道的顶板、两帮和底板的周向均匀布置并贯穿锚固破裂区、塑性区和弹性区；周向表面支护结构包括钢梁、金属网和混凝土硬化层，钢梁和金属网配合沿巷道的顶板、两帮进行支护，混凝土硬化层铺设在巷道的底板上。2.如权利要求1所述的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，其特征在于：三区协同支护组合锚杆包括螺纹钢杆体、连接管、中空杆体、托盘和螺母，螺纹钢杆体的外端通过连接管与中空杆体的内端同轴向连接为一体，中空杆体上开设有若干个注浆孔，螺纹钢杆体内侧一段通过树脂锚固剂锚固在弹性区内，锚固在弹性区内的螺纹钢杆体这一段称为弹性区锚固段，螺纹钢杆体外侧一段与塑性区之间具有环形间隙，在环形间隙内的一段螺纹钢杆体称为塑性区自由段，中空杆体位于破裂区内，中空杆体内注入有水泥浆，水泥浆通过中空杆体上的注浆孔注入到破裂区内，水泥浆在破裂区内的这一段称为破裂区注浆段；托盘穿套在中空杆体外端部并压在钢梁和/或金属网上，螺母螺纹连接在中空杆体外端并与托盘压紧配合。3.如权利要求2所述的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，其特征在于：所述连接管为内细外粗的变径管，中空杆体的外径大于螺纹钢杆体的外径，螺纹钢杆体的外端部和中空杆体内端部分别与连接管的内端口和外端口螺纹连接。4.如权利要求3所述的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统的施工方法，其特征在于：包括以下施工步骤：（1）根据巷道生产条件和地质力学条件、使用用途和服务年限，确定巷道断面设计参数，包括断面形态及其尺寸；（2）基于巷道断面设计参数，采用理论分析、数值模拟和工程调研方法，研究确定巷道顶板、两帮及底板的破裂区、塑性区、弹性区的边界及范围；（3）针对巷道顶板、两帮及底板沿周向向外...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖同强，李宝富，陈恒光，韩小光，李化敏，尹士花，王文，王子林，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南,41