一种基于顶板岩层水平挤压力监测的锚杆长度确定方法技术

本发明专利技术提供了一种基于顶板岩层水平挤压力监测的锚杆长度确定方法，涉及采矿工程技术领域，具体步骤包括：(1)在巷道顶板中部钻孔，通过钻孔电视确定围岩破裂范围；(2)根据围岩破裂范围选择水平挤压力测点的数目和位置；(3)利用顶板岩层水平挤压力监测装置监测并记录钻孔内的水平挤压力大小随时间的变化；(4)选择水平挤压力最大的位置作为锚杆锚固段的中心，确定锚固中心和顶板的距离；(5)计算锚杆的总长度。该方法解决了锚杆锚固段位置确定困难以及锚杆长度设计不合理的技术问题，本方法具有步骤简洁，施工方便，支护效果好等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于顶板岩层水平挤压力监测的锚杆长度确定方法
本专利技术涉及采矿工程
，尤其是一种基于顶板岩层水平挤压力监测的锚杆长度确定方法。
技术介绍
我国每年新掘大量的煤巷，锚杆支护的巷道占煤巷的80％以上，为保证锚杆支护安全性，必须合理确定锚杆支护参数。目前，煤矿锚杆支护参数的确定主要采用经验法、理论计算和动态信息设计等方法，而锚杆长度常用经验法和理论计算法来确定，经验法直接参照相似工程地质条件确定，精准性相对差。理论计算法主要应用于端部锚固锚杆，锚杆长度一般由锚固段长度、自由段长度和外露段长度三部分组成，其中锚固段根据药卷数量及长度确定，一般取0.5m左右，外露段由托盘和螺母结构决定，一般取0.2～0.3m，自由段长度取决于锚杆有效支护岩层范围，采用不同的支护理论，其取值范围也不尽相同，该方法对巷道范围较大条件下的支护适用性不佳。当锚杆锚固段位于破裂围岩内，粘结力和粘结长度对锚固效果的影响较大，锚固段长度设计不合理易造成锚杆实际锚固力小于设计锚固力，从而影响着锚杆的支护效果。将锚杆锚固段设计在水平压力最大处可以增大锚杆与锚固剂之间的粘结力，增强锚固效果，因此合理确定锚固段位置、提升锚杆支护效果首先需要测量水平应力的大小。煤矿井下围岩应力测试方法主要有水压致裂法和套筒致裂法，其中水压致裂法在指定位置采用止水封隔器密闭压裂点，用液压泵加压将孔壁压裂的方法测量围岩应力，测试仪器较笨重，对于围岩较为破碎的情况适应性不强；套筒致裂法采用向橡胶套筒加压使其压裂钻孔，依次来求得围岩应力，但是在测试完成后需进行计算，使用的地应力测试仪不能直接反应围岩应力大小，结果不够直观。围岩应力还可以通过钻孔应力计等仪器测量，中国专利CN203669931U提出的多点应力计可以实现多点应力实时测试，但是对于顶板应力的监测，其监测装置的推送和固定难度较大，因此难以满足顶板应力监测的要求。为准确测量顶板的水平应力，准确、简便的确定围岩应力大小，并且为锚杆长度等参数的设计提供依据，改善锚杆支护效果，需要对现有的锚杆长度确定方法做进一步的改进。
技术实现思路
为合理的确定锚杆的锚固段位置以及锚杆长度，本专利技术提供了一种基于顶板岩层水平挤压力监测的锚杆长度确定方法，具体技术方案如下。一种基于顶板岩层水平挤压力监测的锚杆长度确定方法，步骤包括：(1)在巷道顶板中部钻孔，通过钻孔电视确定围岩破裂范围；(2)根据围岩破裂范围选择水平挤压力测点的数目和位置；(3)监测并记录钻孔内各水平挤压力测点的水平挤压力大小随时间的变化；(4)选择水平挤压力最大的位置作为锚杆锚固段的中心，确定锚固中心和顶板的距离；(5)计算锚杆的总长度。优选的是，步骤(1)中钻孔深度取值为2～5m，钻孔直径的取值为70～100mm；所述步骤(2)中在距离顶板1m以上的部分设置水平挤压力测点，水平挤压力测点的间距小于0.5m。优选的是，步骤(3)中利用顶板岩层水平挤压力监测装置监测并记录钻孔内各水平挤压力测点的水平挤压力大小随时间的变化，所述顶板岩层水平挤压力监测装置包括测压段、连接杆、液压泵、压力表、高压油管、压力控制阀、托盘、推杆和连接套管；所述连接杆和测压段相连，推杆前端和连接杆相连，推杆后端穿过托盘，连接套管和托盘相连；所述高压油管和液压泵相连，高压油管通过推杆和连接管的内腔伸至测压段；所述测压段包括主管、液压囊、固定圈、阻隔片、外枕壳和连接套；所述液压囊两端通过固定圈套设在主管上，主管上设置有注油口和液压囊相通；所述外枕壳套设在主管上，外枕壳外侧包裹有连接套，固定圈和外枕壳之间设置阻隔片。进一步优选的是，高压油管每条分为多段，高压油管之间通过油管接头连接，其中一段连接在液压泵上，一段设置在推杆和连接杆的内腔，还有一段设置在测压段内；所述连接套管内设置有油管接头；所述液压泵连接的高压油管上还设置有压力控制阀和压力表；所述连接杆连接有2个或多个测压段，每个测压段均设置一条连通的高压油管；所述高压油管长度的设计余量放置在连接套管内。进一步优选的是，高压油管和主管上的注油口通过油管接头相连，所述主管两端的管壁内侧设置有内螺纹和连接杆的外螺纹配合，主管两端管壁的外侧设置有外螺纹和阻隔片的内螺纹配合；所述托盘设置有通孔，连接杆穿过托盘的通孔；所述连接套管和托盘外凸部位的外螺纹连接；所述推杆通过连接套管推送连接管和测压段。进一步优选的是，外枕壳分为形状相同的4部分，外枕壳的组合体为圆柱状外壳；所述外枕壳在液压囊收缩状态下组合套设在主管上，在液压囊充液膨胀状态下外枕壳分为4部分胀开；所述连接套两端和主管紧密贴合，连接套压紧外枕壳两端和主管接触。还优选的是，利用所述顶板岩层水平挤压力监测装置监测并记录钻孔内水平挤压力大小随时间的变化，步骤包括：a.将连接杆和测压段连接，连接杆和测压段内腔的高压油管通过油管接头连接，固定托盘并安装连接套管；b.通过推杆将连接杆和测压段推送进入钻孔，当托盘和顶板固定后，拆卸掉连接套管和推杆；c.连接外露的高压油管，连接液压泵、压力控制阀和压力表；d.打开压力控制阀上的开关，使用液压泵注油加压，当压力表读数达到5～6MPa后，停止加压，液压油回流；重复本步骤2～5次，排空高压油管内的空气；e.使用液压泵注油加压，当压力表读数达到5～6MPa后，关闭压力控制阀；f.重复步骤d和步骤e分别给多个测压段加压注液压油；g.拆卸液压泵，监测并保存压力表的监测数据；h.打开压力控制阀，放出液压油；将连接套管和推杆连接，利用推杆连接并将连接杆和测压段从钻孔内取出。还进一步优选的是，步骤(5)中，计算锚杆长度包括计算锚杆的锚固段长度La1、锚杆的自由段长度La2和锚杆的总长度La，其中锚杆的自由段长度为锚固中心和顶板的距离为h，锚杆的锚固段长度La1取0.3～0.5m；锚杆的总长度La＝La1+La2+La3，锚杆的外露段长度为La3，La3取0.2～0.3m。本专利技术的有益效果包括：(1)本专利技术提供的一种基于顶板岩层水平挤压力监测的锚杆长度确定方法，该方法充分的利用了水平挤压力的监测结果，合理的确定锚杆锚固段长度，进而得到锚杆支护长度参数，大大提高了锚杆锚固段的粘结力和粘结长度，提升了锚杆锚固性能，巷道支护效果得到增强。(2)本专利技术提供的顶板岩层水平挤压力监测装置，设置液压泵和测压段对钻孔内的点进行水平应力的监测，通过设置一个钻孔即可监测多个钻孔深度的水平应力，并且各个测压段之间的监测互不干扰；高压油管设置在推杆和连接管的内腔，从而能够保护高压油管的安全；并且该监测装置方便拆卸，能够重复利用。(3)顶板岩层水平挤压力监测装置的测压段采用组合式的外枕壳更好的和钻孔内的围岩接触，压力测量的准确性更高；使用推杆和连接杆的组合方便在不同深度的钻孔使用，不同长度的推杆和连接杆组合从而扩大监测范围；在固定圈和外枕壳之间设置阻隔片，两侧的阻隔片有效的防止了液压囊沿主管的方向膨胀，从而保证监测的准确性。另外本专利技术还具有施工量少，方法简洁，计算简单快捷，适用性强等优点。附图说明图1是锚杆长度确定方法步骤示意图；图2是顶板岩层水平挤压力监测装置结构示意图；图3是钻孔内外安装结构示意图；图4是测压段结构示意图；图5是测压段剖面结构示意图；图6是测压段截面结构示意图；图7是主管剖面结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于顶板岩层水平挤压力监测的锚杆长度确定方法，其特征在于，步骤包括：(1)在巷道顶板中部钻孔，通过钻孔电视确定围岩破裂范围；(2)根据围岩破裂范围选择水平挤压力测点的数目和位置；(3)监测并记录钻孔内各水平挤压力测点的水平挤压力大小随时间的变化；(4)选择水平挤压力最大的位置作为锚杆锚固段的中心，确定锚固中心和顶板的距离；(5)计算锚杆的总长度。

【技术特征摘要】
1.一种基于顶板岩层水平挤压力监测的锚杆长度确定方法，其特征在于，步骤包括：(1)在巷道顶板中部钻孔，通过钻孔电视确定围岩破裂范围；(2)根据围岩破裂范围选择水平挤压力测点的数目和位置；(3)监测并记录钻孔内各水平挤压力测点的水平挤压力大小随时间的变化；(4)选择水平挤压力最大的位置作为锚杆锚固段的中心，确定锚固中心和顶板的距离；(5)计算锚杆的总长度。2.根据权利要求1所述的一种基于顶板岩层水平挤压力监测的锚杆长度确定方法，其特征在于，所述步骤(1)中钻孔深度取值为2～5m，钻孔直径的取值为70～100mm；所述步骤(2)中在距离顶板1m以上的部分设置水平挤压力测点，水平挤压力测点的间距小于0.5m。3.根据权利要求1所述的一种基于顶板岩层水平挤压力监测的锚杆长度确定方法，其特征在于，所述步骤(3)中利用顶板岩层水平挤压力监测装置监测并记录钻孔内各水平挤压力测点的水平挤压力大小随时间的变化，所述顶板岩层水平挤压力监测装置包括测压段、连接杆、液压泵、压力表、高压油管、压力控制阀、托盘、推杆和连接套管；所述连接杆和测压段相连，推杆前端和连接杆相连，推杆后端穿过托盘，连接套管和托盘相连；所述高压油管和液压泵相连，高压油管通过推杆和连接管的内腔伸至测压段；所述测压段包括主管、液压囊、固定圈、阻隔片、外枕壳和连接套；所述液压囊两端通过固定圈套设在主管上，主管上设置有注油口和液压囊相通；所述外枕壳套设在主管上，外枕壳外侧包裹有连接套，固定圈和外枕壳之间设置阻隔片。4.根据权利要求3所述的一种基于顶板岩层水平挤压力监测的锚杆长度确定方法，其特征在于，所述高压油管每条分为多段，高压油管之间通过油管接头连接，其中一段连接在液压泵上，一段设置在推杆和连接杆的内腔，还有一段设置在测压段内；所述连接套管内设置有油管接头；所述液压泵连接的高压油管上还设置有压力控制阀和压力表；所述连接杆连接有2个或多个测压段，每个测压段均设置一条连通的高压油管；所述高压油管长度的设计余量放置在连接套管内。5.根据权利要求3所述的一种基于顶板岩层水平挤压力监测的锚杆长度确定方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭云亮，周凯，于凤海，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37