一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法技术

一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法，采用三维激光扫描系统对巷道围岩进行岩体节理面信息的获取；通过对节理面信息进行分析与统计，构建出巷道岩体三维可视化模型；运用运动学方法对块体运动方式及稳定性进行分析，并确定块体为稳定块体或为会发生滑动的关键块体；对关键块体受压节理面进行分析，获得块体的滑动方式为塌落或为滑落；在关键块体中部位置，并垂直关键块体的临空面打入吸能锚杆进行支护；将各个锚杆通过光纤线缆连接到集中监测系统中形成支护监测网，完成节理化巷道块体稳定性分析及支护一体化过程。该方法能充分分析块体的类型及滑动方式，能避免盲目的支护作业，能通过针对性支护的方式提高巷道围岩的稳定性。道围岩的稳定性。道围岩的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法


[0001]本专利技术属于地下巷道支护
，具体是一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法。

技术介绍

[0002]地下岩体在形成和发展过程中均会受到复杂的地质作用，使岩体产生了具有一定方向和弱力学强度的节理面，节理面将岩体切割成若干形状不同的岩石块体。节理面对巷道围岩的强度及变形特征起着非常重要的作用。此外，被节理面切割的块体对巷道的稳定性起着决定性因素，即块体的稳定性决定着巷道的稳定性。然而，以往的巷道支护方式，多采用传统的吸能锚杆进行支护，并以一定间排距在整个巷道中布设锚杆。这种传统的支护方式，主要具有以下两方面的不足：一方面没有对岩体节理面信息进行有效的获取，没有针对性的分析巷道块体的形态，未充分分析块体的类型及滑动方式，盲目性的在整个巷道布设了锚杆进行支护，不仅容易导致支护效果的不理想，而且造成了支护的过剩，也使得支护材料产生了较大的浪费。另一方面，传统的吸能锚杆在支护结构方面具有一定的不足，具体主要有以下两点不足。第一，大部分杆体尾部具有吸能机构的锚杆在支护过程中于杆体的头部使用了锚固剂，这样，锚固剂的性能会直接影响吸能机构的吸能效果，并且锚固剂在搅拌过程中产生的粉尘容易对人体造成伤害，锚固剂自身的化学物质对地下环境也容易造成污染。第二，传统的吸能锚杆只有一个吸能机构，只能完成一次吸能让压作业，进而只能应对一次高应力扰动，并不适用于长时间的高应力扰动，适用性具有一定的局限性。然而，现阶段，随着地下工程的深度逐渐增大，巷道围岩节理化的现象愈加明显，高应力扰动周期愈加频繁。因此，急需一种能适用于深部节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法。

技术实现思路

[0003]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法，该方法能对岩体节理面信息进行有效的获取，并能充分分析块体的类型及滑动方式，不仅能避免盲目的支护作业，节省了支护资源，而且能通过针对性支护的方式提高巷道围岩的稳定性。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术提供一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法，包括如下步骤：
[0005]步骤一：岩体节理面信息获取；
[0006]采用三维激光扫描系统对巷道围岩进行岩体节理面信息的获取；
[0007]步骤二：构建三维可视化模型；
[0008]通过对节理面信息进行分析与统计，构建出巷道岩体三维可视化模型；
[0009]步骤三：块体运动学分析；
[0010]通过岩体三维可视模型，运用运动学方法对块体运动方式及稳定性进行分析，并
确定块体运动是否满足公式(1)，若不满足则块体为稳定块体，且不会发生滑动，不需要采取支护措施，结束节理化巷道块体稳定性分析及支护一体化过程；若满足则块体为关键块体，且会发生滑动，执行步骤四；
[0011][0012]式中，为块体中任意第i个节理面指向块体(31)内部的法向量；i为节理面的数量，i＝1，2，
…
，n；为块体的位移矢量；
[0013]步骤四：分析关键块体滑动方式；
[0014]对关键块体受压节理面进行分析，先通过公式(2)获得关键块体受压节理面法向矢量与主动合力的关系，再分析关键块体的节理面是否满足公式(3)，以对关键块体的滑动方式进行分析；若不满足公式(3)，则关键块体会塌落，执行步骤五中的S10；若满足公式(3)，则关键块体会沿节理面滑落，执行步骤五中的S20；
[0015][0016]R
i
<0(3)；
[0017]式中，为块体所受主动合力矢量；
[0018]步骤五：分析支护方案，并采用锚杆进行块体的吸能支护作业；所述锚杆为吸能锚杆，其包括主杆体、辅杆体、挡板、传感器、弹簧、挡圈、锥形杆体和膨胀套管；所述主杆体为等径杆体，其前端设置有外螺纹段；所述辅杆体为等径杆体，其前部的轴心处开设有轴向延伸的吸能腔体，其前端的轴心处开设有连通至吸能腔体的导向孔；所述导向孔的内径小于吸能腔体的内径，且与主杆体的外径相适配；在导向孔与吸能腔体的过渡部分形成环形限位部；所述吸能腔体通过导向孔同轴心的套设在主杆体后端的外部；所述挡板尺寸与吸能腔体的尺寸相适配，其轴向滑动的设置在吸能腔体中，且其前端与主杆体的后端固定连接；所述传感器为环形，其套设在主杆体的后端，且与挡板相贴合的设置；所述弹簧设置在吸能腔体中，且套设在主杆体的外部，其两端分别与传感器和环形限位部相抵接；所述主杆体的后端、辅杆体的前端、吸能腔体、弹簧、传感器和挡板形成一级吸能机构；所述挡圈的外径大于辅杆体的外径，且同轴心的固定连接在辅杆体的后端外部；所述锥形杆体为变径杆体，其由小圆柱段、过渡段和大圆柱段组成，所述小圆柱段的外径小于挡圈的外径，其前端与辅杆体的后端同轴心的固定连接；所述过渡段的大径端和小径端分别与大圆柱段的前端和小圆柱段的后端同轴心的固定连接；所述膨胀套管轴向滑动的套设在小圆柱段的外部，且其前端的外径小于挡圈的外径；膨胀套管管身的后部径向相对的开设有一对三角弧形开口，其管身的前端径向相对的开设有一对梯形凹槽，一对梯形凹槽和一对三角弧形开口前后相对应的布置，所述三角弧形开口为沿轴线对称式的结构，其由位于管身中部的弧形头部、位于管身后部的三角形身部和位于管身后端的梯形尾部组成，所述三角形身部的一个顶角为前端，且与弧形头部的后端连通，其顶角所对应的边为后端且与梯形尾部的上底边的中部连通；所述挡圈、膨胀套管和锥形杆体形成二级吸能机构；所述主杆体的杆身表面沿长度方向开设有线槽，所述线槽的断面呈V型；所述传感器为有线型传感器，其信号线通过线槽延伸到主杆体的前端；所述信号线为光纤线缆；
[0019]S10：分析对塌落块体的支护方式，并进行吸能支护作业；
[0020]分析关键块体在巷道临空面长度是否小于800mm；若小于800mm，则在关键块体中
部位置，并垂直关键块体的临空面打入一根锚杆；若大于等于800mm，视情况以相邻锚杆800mm的间距，垂直临空面打入相应数量的锚杆；在完成锚杆支护工作后执行步骤六；
[0021]S20：分析对滑落块体的支护方式，并进行吸能支护作业；
[0022]分析关键块体在巷道临空面长度是否小于1000mm；若小于1000mm，则穿过关键块体滑动的节理面，并垂直于关键块体的临空面打入一根锚杆；若大于等于1000mm，除打入穿过节理面的一根锚杆外，视情况以相邻锚杆1000mm的间距，垂直临空面打入相应数量的锚杆；在完成锚杆支护工作后执行步骤六；
[0023]在S10和S20中，利用锚杆进行吸能支护的具体方法如下：
[0024]A1：先在巷道围岩表面开设垂直穿过块体的钻孔，并使钻孔的末端延伸至深部坚硬岩体中，同时，确保钻孔长度小于吸能锚杆的长度；
[0025]A2：再将单根吸能锚杆推进钻孔底部，并使二级吸能机构所在部分与围岩紧紧卡住形成锚固段，使主杆体前端的外螺纹段在钻孔口处外露一定长度；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种节理化巷道块体稳定性分析与吸能支护的一体化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：岩体节理面信息获取；采用三维激光扫描系统对巷道围岩进行岩体节理面信息的获取；步骤二：构建三维可视化模型；通过对节理面信息进行分析与统计，构建出巷道岩体三维可视化模型；步骤三：块体运动学分析；通过岩体三维可视模型，运用运动学方法对块体(31)运动方式及稳定性进行分析，并确定块体(31)运动是否满足公式(1)，若不满足则块体(31)为稳定块体，且不会发生滑动，不需要采取支护措施，结束节理化巷道块体稳定性分析及支护一体化过程；若满足则块体(31)为关键块体，且会发生滑动，执行步骤四；式中，为块体(31)中任意第i个节理面指向块体(31)内部的法向量；i为节理面的数量，i＝1，2，
…
，n；为块体(31)的位移矢量；步骤四：分析关键块体滑动方式；对关键块体受压节理面进行分析，先通过公式(2)获得关键块体受压节理面法向矢量与主动合力的关系，再分析关键块体的节理面是否满足公式(3)，以对关键块体的滑动方式进行分析；若不满足公式(3)，则关键块体会塌落，执行步骤五中的S10；若满足公式(3)，则关键块体会沿节理面滑落，执行步骤五中的S20；R
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(3)；式中，为块体(31)所受主动合力矢量；步骤五：分析支护方案，并采用锚杆进行块体(31)的吸能支护作业；所述锚杆为吸能锚杆(30)，其包括主杆体(1)、辅杆体(3)、挡板(19)、传感器(21)、弹簧(18)、挡圈(4)、锥形杆体(27)和膨胀套管(7)；所述主杆体(1)为等径杆体，其前端设置有外螺纹段(2)；所述辅杆体(3)为等径杆体，其前部的轴心处开设有轴向延伸的吸能腔体(24)，其前端的轴心处开设有连通至吸能腔体(24)的导向孔(25)；所述导向孔(25)的内径小于吸能腔体(24)的内径，且与主杆体(1)的外径相适配；在导向孔(25)与吸能腔体(24)的过渡部分形成环形限位部(26)；所述吸能腔体(24)通过导向孔(25)同轴心的套设在主杆体(1)后端的外部；所述挡板(19)尺寸与吸能腔体(24)的尺寸相适配，其轴向滑动的设置在吸能腔体(24)中，且其前端与主杆体(1)的后端固定连接；所述传感器(21)为环形，其套设在主杆体(1)的后端，且与挡板(19)相贴合的设置；所述弹簧(18)设置在吸能腔体(24)中，且套设在主杆体(1)的外部，其两端分别与传感器(21)和环形限位部(26)相抵接；所述主杆体(1)的后端、辅杆体(3)的前端、吸能腔体(24)、弹簧(18)、传感器(21)和挡板(19)形成一级吸能机构(S1)；所述挡圈(4)的外径大于辅杆体(3)的外径，且同轴心的固定连接在辅杆体(3)的后端外部；所述锥形杆体(27)为变径杆体，其由小圆柱段(5)、过渡段(28)和大圆柱段(6)组成，所述小圆柱段(5)的外径小于挡圈(4)的外径，其前端与辅杆体(3)的后端同轴心的固定连接；所述过渡段(28)的大径端和小径端分别与大圆柱段(6)的前端和小圆柱段(5)的后端同轴心的固定连
接；所述膨胀套管(7)轴向滑动的套设在小圆柱段(5)的外部，且其前端的外径小于挡圈(4)的外径；膨胀套管(7)管身的后部径向相对的开设有一对三角弧形开口(32)，其管身的前端径向相对的开设有一对梯形凹槽(14)，一对梯形凹槽(14)和一对三角弧形开口(32)前后相对应的布置，所述三角弧形开口(32)为沿轴线对称式的结构，其由位于管身中部的弧形头部(17)、位于管身后部的三角形身部(16)和位于管身后端的梯形尾部(15)组成，所述三角形身部(16)的一个顶角为前端，且与弧形头部(17)的后端连通，其顶角所对应的边为后端且与梯形尾部(15)的上底边的中部连通；所述挡圈(4)、膨胀套管(7)和锥形杆体(27)形成二级吸能机构(S2)；所述主杆体(1)的杆身表面沿长度方向开设有线槽(12)，所述线槽(12)的断面呈V型；所述传感器(21)为有线型传感器，其信号线(20)通过线槽(12)延伸到主杆体(1)的前端；所述信号线(20)为光纤线缆；S10：分析对塌落块体的支护方式，并进行吸能支护作业；分析关键块体在巷道临空面长度是否小于800mm；若小于800mm，则在关键块体中部位置，并垂直关键块体的临空面打入一根锚杆；若大于等于800mm，视情况以相邻锚杆800mm的间距，垂直临空面打入相应数量的锚杆；在完成锚杆支护工作后执行步骤六；S20：分析对滑落块体的支护方式，并进行吸能支护作业；分析关键块体在巷道临空面长度是否小于1000mm；若小于1000mm，则穿过关键块体滑动的节理面，并垂直于关键块体的临空面打入一根锚杆；若大于等于1000mm，除打入穿过节理面的一根锚杆外，视情况以相邻锚杆1000mm的间距，垂直临空面打入相应数量的锚杆；在完成锚杆支护工作后执行步骤六；在S10和S...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜坤，毕瑞阳，周健，刘明晖，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：