《一種巷道超靜定防沖四維支護裝置及其支護方法》是中國礦業大學於2012年3月19日申請的專利，該專利的申請號為2012100707672，公布號為CN102606181A，授權公布日為2012年7月25日，發明人是馬占國、張帆、馬雲靖。
《一種巷道超靜定防沖四維支護裝置及其支護方法》公開了一種巷道超靜定防沖四維支護裝置。該裝置包括按照一定規律陣列分布的設定在巷頂、巷幫或底板的錨固錨索和設定在巷頂、巷幫或底板的錨桿，錨固錨索在錨索孔處設定有護孔碗鎖，所述的錨固錨索裸露在巷道內的錨索拆散為若干組鋼絞線，所述的鋼絞線向不同方向通過鎖具與相鄰的錨桿連線或者錨固錨索的鋼絞線連線，所述的鋼絞線與煤岩體表面之間設定有變形塊。採用該技術方案的巷道超靜定防沖四維支護裝置，可以控制巷道的軸向、切向和徑向的作用力，適用於高應力區、強擾動、有衝擊傾向性的工程圍岩的大變形控制。該發明還公開了所述巷道超靜定防沖四維支護裝置的支護方法，該方法操作簡便、可靠，便於施工。
2016年12月7日，《一種巷道超靜定防沖四維支護裝置及其支護方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種巷道超靜定防沖四維支護裝置及其支護方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種巷道超靜定防沖四維支護裝置及其支護方法
- 公布號：CN102606181A
- 授權日：2012年7月25日
- 申請號：2012100707672
- 申請日：2012年3月19日
- 申請人：中國礦業大學
- 地址：江蘇省徐州市大學路1號中國礦業大學科技處
- 發明人：馬占國、張帆、馬雲靖
- Int.Cl.：E21D21/02(2006.01)I
- 代理機構：江蘇聖典律師事務所
- 代理人：程化銘
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著煤礦開採深度的增加，覆岩運動和礦山壓力都表現出了一些新特徵。深部采場、巷道和硐室的圍岩呈現應力高、溫度高、地下水水壓高、擾動強度高、衝擊危險高、蠕變明顯、變形大等特點，造成巷道和硐室支護困難，返修頻繁，維護費用巨大等問題。
截至2012年3月，高應力區域的巷道和硐室支護主要採用普通錨網索、桁架錨桿、錨注、U形鋼套棚等技術。這些採用補強等方法支護技術，比較適合淺部開採圍岩變形控制，但對具有應力高、溫度高、地下水水壓高、擾動強度高、衝擊危險高、蠕變明顯、變形大等特點的深部圍岩的變形控制，不能達到較好效果。
普通錨網索支護：主要提高巷道圍岩部分區域徑向的抗變形能力，不能對圍岩施加沿巷道軸向和切向的作用力，無法較好控制錨桿間、錨索間和錨桿與錨索間圍岩的變形；特別是當錨桿間圍岩出現大變形而垮落後，會造成錨桿支護失效，引發冒頂等災害。
專利號為200410041465.8公開的一種煤層巷道三維錨索網支護技術：
（1）有一個方向是一股鋼絞線，會使各方向受力不均勻；
（2）錨索尾部鋼絞線在錨索孔外沿水平面十字方向分開，張拉後，前、後鋼絞線對錨索的力組成平衡力系，對煤岩沿巷道軸向沒有擠壓作用；
（3）沿巷道頂板中軸線單排間隔設定固定頂板岩層的錨索，只適用於斷面較小的巷道；
（4）這種鋼絞線連線方式，容易造成偏心拉伸，使得部分鋼絞線由於載荷較大而破斷；
（5）錨索和錨桿處於同一排，受錨桿外露部分和鎖具的影響，無法緊接頂板，鋼絞線無法對頂板施加徑向力；
（6）由於護孔碗對錨索沒有鎖緊功能，當有鋼絞線斷股時就會減弱錨索對頂板變形的控制作用。
專利號為200410041386.7公開的一種控制煤岩頂幫變形的桁架支護技術：
（1）兩根錨索聯接控制整個幫或頂部煤岩，擠壓範圍大，作用有限，特別是對幫或頂部中間部分的煤岩幾乎起不到作用；
（2）鋼絞線絕大部分不能緊貼巷道表面，無法施加擠壓力；
（3）對煤岩無沿巷道軸向的作用力；
（4）聯接器承受偏載，容易損壞；
（5）錨索部分分力對圍岩變形控制有作用，大部分力用於互相平衡，效率不高。
公告號為CN2564755Y公開的一種三維錨索：
（1）有一個方向是一股鋼絞線，會使各方向受力不均勻；
（2）錨孔以外的繩索一分為四，由雙向對拉鎖具鎖緊在兩個錨孔相對應拉緊的繩索鋼絲上。張拉後，前後鋼絲、左右鋼絲對錨索的力分別組成平衡力系，對煤岩沿巷道軸向和切向沒有擠壓作用；
（3）護孔碗為四瓣翼圓，當折彎鋼絲進行聯接、張拉和後期變形時，鋼絲容易滑入槽口，割裂圍岩；另外，由於護孔碗沒有鎖緊功能，當有鋼絲斷股時就會減弱繩索對頂板下沉的控制作用；
（4）繩索受護孔碗和鎖具的影響，鋼絲無法緊貼頂板，無法對頂板施加徑向力；
（5）沒有與其它繩索相聯的鋼絲，其固定難度很大；當固定不太好時，同樣會減弱繩索對頂板下沉的控制作用。
發明內容
專利目的
《一種巷道超靜定防沖四維支護裝置及其支護方法》的目的在於針對2012年3月前技術的不足，提供一種巷道超靜定防沖四維支護裝置，該裝置適用於高應力區、強擾動、有衝擊傾向性的大斷面工程圍岩的變形控制及防護。該發明另外一個目的在於提供所述巷道超靜定防沖四維支護裝置的支護方法，該方法操作簡便可靠，便於施工。
技術方案
《一種巷道超靜定防沖四維支護裝置及其支護方法》的巷道超靜定防沖四維支護裝置，包括按照一定規律陣列分布的設定在巷頂、巷幫或底板的錨固錨索和設定在巷頂、巷幫或底板的錨桿，錨固錨索在錨索孔處設定有護孔碗鎖，所述的錨固錨索裸露在巷道內的錨索拆散為若干組鋼絞線，所述的鋼絞線向不同方向通過鎖具與相鄰的錨桿連線或者錨固錨索的鋼絞線連線，所述的鋼絞線與煤岩體表面之間設定有變形塊。
所述的錨固錨索的中心直鋼絞線設定有用於無損檢測儀的感測器。
所述的鎖具包括鎖盤、錐形鎖卡、錐形彈簧和擋片，鎖盤上對稱開有錐形孔，錐形孔內放入錐形鎖卡，錐形鎖卡尾部頂有錐形彈簧，錐形彈簧尾部設定有擋片，錐形孔外側設定有用於調節錐形鎖卡錐度角的銷釘。通過調節銷釘深入錐形孔的尺寸改變錐形鎖卡與鋼絞線之間的摩擦阻力，錐形鎖卡的錐度角設定後能保證錐形鎖卡與鋼絞線之間的摩擦阻力恆定，能夠動態控制錨固錨索的鋼絞線內部張緊力。
所述的變形塊可以根據受力情況不同改變顏色。
一種巷道超靜定防沖四維支護裝置的支護方法巷道掘進後，在臨時支護的保護下，首先打設、安裝巷頂中間位置的中錨桿，其次打設、安裝巷頂與巷幫頂角處的頂角錨桿、巷幫的幫部錨桿、底角的頂角錨桿和底板的底板錨桿，最後沿垂直巷道表面方向打錨索孔，裝入錨固劑，攪拌錨固錨索，根據設計錨索能承受的最大工作載荷選定相應錐度角的護孔碗鎖，把護孔碗鎖套入錨固錨索，並推入錨索孔內，所述的錨固錨索在錨索孔口處將錨索拆散，將拆散後的外側鋼絞線分為若干組，根據設計鋼絞線能承受的最大工作載荷選定相應錐度角的鎖具，朝不同方向通過邊鎖具與頂角錨桿或底角錨桿連線，通過中鎖具與其它錨固錨索的鋼絞線連線，在鋼絞線與煤岩體之間安設變形塊，用張拉裝置同時對各方向的鋼絞線進行預緊，達到設定預緊力後將中心直鋼絞線距孔口一定距離處剪斷，在中心直鋼絞線上安裝能夠監測錨固錨索狀態的用於無損檢測儀的感測器；重複上述步驟完成幫部支護，巷道的錨桿通過錨固錨索的鋼絞線連線牽拉為一個整體。所述的鎖具用於連線鋼絞線與頂角錨桿的稱為邊鎖具，用於連線鋼絞線與鋼絞線的稱為中鎖具。
滯後掘進頭15米左右根據現場情況按單排或三花或五花布置方式打一定孔徑和深度的卸壓孔。
有益效果
（1）使巷道或硐室圍岩在新的平衡結構中處於三向等壓狀態，充分發揮圍岩自身的承載能力，有利於保持頂板的完整性，護孔碗鎖和中鎖具之間所連鋼絞線可以在巷道圍岩發生大變形時自動拉伸，並保持恆定的工作摩擦阻力，通過恆阻大變形吸收圍岩能量，能夠在圍岩大變形條件下仍然具有較好的支護作用；
（2）使用護孔碗鎖和中、邊鎖具，提高了支護的安全性；
（3）達到設定預緊力後將錨索中間直鋼絞線距孔口一定距離處剪斷安裝感測器，可以實現對錨固錨索長度和受力進行無損檢測；
（4）護孔碗鎖、鎖具都有過載保護和欠載進補功能，可根據圍岩變形情況定期進行調節，能夠實現等強協調支護；
（5）通過打卸壓孔，實現應力向深部轉移和保持巷道表面整體平直，降低衝擊危險性。
附圖說明
圖1是《一種巷道超靜定防沖四維支護裝置及其支護方法》巷道超靜定防沖四維支護裝置的立體示意圖；
圖2是該發明巷道超靜定防沖四維支護裝置的現場方案示意圖；
圖3為圖2的俯視圖；
圖4為鎖具的結構示意圖；
圖5為圖4的剖視圖。
圖中：1-中錨桿；2-頂角錨桿；3-邊鎖具；4-幫部錨桿；5-錨固錨索；6-護孔碗鎖；7-中鎖具；8-變形塊；9-卸壓孔；10-感測器；11-鎖盤；12-錐形鎖卡；13-錐形彈簧；14-擋片；15-錐形孔；16-鋼絞線；17-銷釘；18-底板錨桿。
技術領域
《一種巷道超靜定防沖四維支護裝置及其支護方法》涉及一種巷道（硐室）支護加固裝置及其支護方法，尤其是一種煤礦井下高應力區巷道超靜定防沖四維支護裝置及其支護方法。
權利要求
1.一種巷道超靜定防沖四維支護裝置，包括按照規律陣列分布的設定在巷頂、巷幫或底板的錨固錨索和設定在巷頂、巷幫或底板的錨桿，其特徵在於：錨固錨索在錨索孔處設定有護孔碗鎖，所述的錨固錨索裸露在巷道內的錨索拆散為若干組鋼絞線，所述的鋼絞線向不同方向通過鎖具與相鄰的錨桿連線或者錨固錨索的鋼絞線連線，所述的鋼絞線與煤岩體表面之間設定有變形塊；
所述的錨固錨索的中心直鋼絞線設定有用於無損檢測儀的感測器；
所述的鎖具包括鎖盤、錐形鎖卡、錐形彈簧和擋片，鎖盤上對稱開有錐形孔，錐形孔內放入錐形鎖卡，錐形鎖卡尾部頂有錐形彈簧，錐形彈簧尾部設定有擋片，錐形孔外側設定有用於調節錐形鎖卡錐度角的銷釘 ；
所述的變形塊可以根據受力情況不同改變顏色；巷道掘進後，在臨時支護的保護下，首先打設、安裝巷頂中間位置的中錨桿（1），其次打設、安裝巷頂與巷幫頂角處的頂角錨桿（2）、巷幫的幫部錨桿（4）、底角的頂角錨桿和底板的底板錨桿，最後沿垂直巷道表面方向打錨索孔，裝入錨固劑，攪拌錨固錨索（5），根據設計錨索能承受的最大工作載荷選定相應錐度角的護孔碗鎖，把護孔碗鎖（6）套入錨固錨索（5），並推入錨索孔內，所述的錨固錨索在錨索孔口處將錨索拆散，將拆散後的外側鋼絞線分為若干組，根據設計鋼絞線能承受的最大工作載荷選定相應錐度角的鎖具，朝不同方向通過邊鎖具（3）與頂角錨桿（2）連線，過中鎖具（7）與其它錨固錨索的鋼絞線連線，在鋼絞線與煤岩體之間安設變形塊（8），用張拉裝置同時對各方向的鋼絞線進行預緊，達到設定預緊力後將中心直鋼絞線距孔口可實現對錨固錨索長度和受力進行無損檢測的距離處剪斷，在中心直鋼絞線上安裝能夠監測錨固錨索狀態的用於無損檢測儀的感測器（10）；重複上述步驟完成幫部支護，巷道的錨桿通過錨固錨索的鋼絞線連線牽拉為一個整體；滯後掘進頭15米根據現場情況按單排或三花或五花布置方式打向深部轉移和保持巷道表面整體平直的卸壓孔（9）。
實施方式
如圖1、圖2和圖3所示，一種巷道超靜定防沖四維支護裝置，包括設定在巷頂的中錨桿1和頂角錨桿2，巷幫的幫部錨桿4，設定在底板的底板錨桿18和底角的頂角錨桿，還包括按照矩形陣列分布的設定在巷頂、巷幫和底板的錨固錨索5，所述的錨固錨索5裸露在巷道內的錨索拆散為若干組鋼絞線16，所述的鋼絞線16向不同方向通過鎖具與相鄰的錨桿連線或者錨固錨索的鋼絞線連線，所述的鋼絞線與煤岩體表面之間設定有變形塊8，所述的錨固錨索的中心直鋼絞線設定有用於無損檢測儀的感測器10，所述的錨固錨索在錨索孔處設定有護孔碗鎖6，所述的不同錨固錨索的鋼絞線之間、鋼絞線與錨桿之間通過中鎖具7連線，所述的鋼絞線與頂角錨桿之間通過邊鎖具3連線。如圖4和圖5所示，中鎖具、邊鎖具包括鎖盤11、錐形鎖卡12、錐形彈簧13和擋片14，鎖盤11上對稱開有錐形孔15，錐形孔15內放入錐形鎖卡12，錐形鎖卡12尾部頂有錐形彈簧13，錐形彈簧尾部設定有擋片14，錐形孔15外側設定有用於調節錐形鎖卡錐度角的銷釘17。通過調節銷釘深入錐形孔的尺寸改變錐形鎖卡與鋼絞線之間的摩擦阻力，錐形鎖卡的錐度角設定後能保證錐形鎖卡與鋼絞線之間的摩擦阻力恆定，能夠動態控制錨固錨索的鋼絞線內部張緊力，故中鎖具、邊鎖具稱為恆阻鎖具，用於動態控制鋼絞線內部張緊力，具有過載保護和欠載進補功能，護孔碗鎖和鎖具之間所連鋼絞線可以在巷道圍岩發生大變形時自適性滑移，並保持恆定的工作阻力，所述的變形塊8可以根據受力情況不同改變顏色，給使用者提供警示。
一種巷道超靜定防沖四維支護裝置的支護方法，巷道掘進後，在臨時支護的保護下，首先打設、安裝巷頂中間位置的中錨桿1，其次打設、安裝巷頂與巷幫頂角處的頂角錨桿2和巷幫的幫部錨桿4，底角的頂角錨桿和底板的底板錨桿18，最後沿垂直巷道表面方向打錨索孔，錨索孔矩形陣列分布，在錨索孔內裝入錨固劑，攪拌錨固錨索5，根據設計錨索能承受的最大工作載荷選定相應錐度角的護孔碗鎖，把護孔碗鎖6套入錨固錨索5，並推入錨索孔內，所述的錨固錨索在錨索孔口處將錨索拆散，將拆散後的外側鋼絞線分為若干組，根據設計鋼絞線能承受的最大工作載荷選定相應錐度角的鎖具，朝不同方向通過邊鎖具3與頂角錨桿2連線，通過中鎖具7與其它錨固錨索的鋼絞線連線，在鋼絞線與煤岩體之間安設變形塊8，用張拉裝置同時對各方向的鋼絞線進行預緊，達到設定預緊力後將中心直鋼絞線距孔口一定距離處剪斷，在中心直鋼絞線上安裝能夠監測錨索錨固狀態的用於無損檢測儀的感測器10；重複上述步驟完成幫部支護，巷道的錨桿通過錨固錨索的鋼絞線連線牽拉為一個整體實現四維支護，滯後掘進頭15米左右根據現場情況按單排或三花或五花布置方式打一定孔徑和深度的卸壓孔9，護孔碗鎖6和中鎖具7之間所連鋼絞線可以在巷道圍岩發生大變形時自動拉伸，並保持恆定的工作摩擦阻力，通過恆阻大變形吸收圍岩能量，能夠在圍岩大變形條件下仍然具有較好的支護作用。
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種巷道超靜定防沖四維支護裝置及其支護方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
