一种用于被保护层破碎顶板的锚杆及其锚固方法

1.本发明涉及煤矿作业设备技术领域，特别是涉及一种用于被保护层破碎顶板的锚杆及其锚固方法。


背景技术：

2.我国很多矿区都具有极近距离煤层群的赋存特征，普遍都面临着被保护层巷道由于强烈的扰动影响而难以支护的难题。在上向极近距离保护层开采过程中，采空区空间不断增大，其下方的煤层和岩层原有的应力平衡被打破，三向应力转变为二向应力，煤岩层经历了原岩应力、应力增长、应力降低和应力恢复四个阶段，从而导致下伏煤岩层的剧烈膨胀变形甚至破坏，极近的被保护层产生的破坏程度更为严重，由此导致的巷道巨大变形、顶板下沉、底鼓严重、巷帮鼓帮、锚索锚具外退甚至脱落等的动力灾害现象频发。针对这一动力灾害，我国专家学者开展了大量研究，例如锚杆支护技术，锚杆、锚索、锚网联合支护技术，锚杆、锚索、桁架支护结构，锚喷网支护，可缩性金属支架等支护技术，这些技术有力的保障了巷道免受集中应力的侵害破坏，保证了巷道安全高效掘进，然而现阶段煤巷、岩巷事故依旧频发，为能实现安全掘进，只能以提高安全护巷成本与时间为代价，例如多种支护技术综合治理的方法，但是随着采深的增加，地应力升高；层间距的减小，采动应力扰动程度增强，巷道的维护仍然困难，返修率居高不下。
3.专利文件cn106050280a公开了锚杆支护装置，本发明公开了一种锚杆支护装置，包括:锚杆，且锚杆的第一端设置有螺纹，靠近锚杆第一端的一侧设置有螺旋翼片；用于压住煤柱外侧的金属网的托盘；与锚杆上的螺纹配合的用于压紧托盘的螺母。本发明提供的锚杆支护装置，使用时，锚杆插入煤柱，且托盘贴合金属网，并由螺母将其固定。锚杆上的托盘能够承托住煤柱外侧的金属网，在煤柱外侧施加一定的作用力，避免煤柱外侧松散及煤壁片帮此外，锚杆上的螺旋翼片能够通过旋转深入到外侧煤柱易松散的煤体内，限制煤体松散向外挤出，其仅利用锚杆对金属网压紧，并不能充分防止煤体松散导致巷道的变形。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于被保护层破碎顶板的锚杆及其锚固方法，以解决上述现有技术存在的问题，不仅可以快速的加固层间的破碎岩体，还能使保护层与被保护层之间的岩层形成压缩拱的受力结构，加强围岩的承载能力。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种被保护层破碎顶板的锚杆，包括锚杆本体，所述锚杆本体竖直设置在位于破碎岩体上的锚杆通道中，所述锚杆本体由上至下依次分为锚固段、注浆段、封堵段和预紧段，所述锚固段伸出所述锚杆通道的顶端，且所述锚固段上设有沿周向支撑在所述锚杆通道周围的弹性支撑体，所述注浆段位于所述锚杆通道内且呈中空状结构，且所述注浆段的外壁上开设有若干个与其内腔相连通的出浆孔，所述封堵段上设有用于将所述锚杆通道底端封堵的封堵结构，所述预紧段伸出所述锚杆通道的底端，所述预紧段上设有用于将所述锚杆本体朝下拉紧的拉紧结构，且所述
封堵段和所述预紧段上均开设有与所述注浆段的内腔相连通的注浆通道。
6.优选的，所述弹性支撑体包括沿所述锚固段周向分布的支撑杆，各所述支撑杆分别与所述锚固段之间均连接有用于将各所述支撑杆呈伞骨状打开的簧片结构。
7.优选的，所述锚固段沿周向开设有若干与所述支撑杆一一对应的条形槽，所述条形槽沿所述锚固段轴向延伸，所述支撑杆在所述锚固段穿过所述锚杆通道时收拢至所述条形槽内。
8.优选的，所述锚杆通道的内周壁环绕在所述注浆段周围，且与所述注浆段间隔设置。
9.优选的，所述各所述出浆孔沿所述注浆段轴向均匀间隔设置。
10.优选的，所述封堵结构为套接在所述封堵段上的环形气囊，所述环形气囊充气后封堵在所述封堵段和所述锚杆通道的内周壁之间。
11.优选的，所述注浆段的底端套接有第一挡环，所述第一挡环封盖在所述环形气囊的顶部。
12.优选的，所述预紧段的外周壁上设有螺纹结构，所述拉紧结构为转动连接在所述螺纹结构上的螺母，所述螺母抵接在所述锚杆通道底端的外周侧。
13.优选的，所述注浆段的顶端套接有第二挡环，所述第二挡环封盖在所述锚杆通道的顶端。
14.还提供一种被保护层破碎顶板的锚杆的锚固方法，包括如下步骤：
15.开孔：将位于被保护层和下保护层之间的破碎岩体上开设锚杆通道，锚杆通道沿竖直方向设置；
16.插设锚杆：将支撑杆收拢至条形槽内，将锚杆整体朝上插入所述锚杆通道中，所述支撑杆伸出所述锚杆通道的顶端，并朝外撑开，将螺母套接在预紧段上，旋进螺母对锚杆整体朝下拉动，所述支撑杆顶紧在所述锚杆通道顶端的外周侧，并对环形气囊进行充气，将其封堵在所述锚杆通道和所述锚杆之间；
17.注浆：通过注浆通道朝注浆段内注浆，注浆材料从出浆孔流出，并渗透至破碎岩层的缝隙中。
18.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
19.第一，锚固段伸出锚杆通道的顶端，且锚固段上设有沿周向支撑在锚杆通道周围的弹性支撑体，注浆段位于锚杆通道内且呈中空状结构，且注浆段的外壁上开设有若干个与其内腔相连通的出浆孔，封堵段上设有用于将锚杆通道底端封堵的封堵结构，预紧段伸出锚杆通道的底端，预紧段上设有用于将锚杆本体朝下拉紧的拉紧结构，且封堵段和预紧段上均开设有与注浆段的内腔相连通的注浆通道，首先其通过锚固段的弹性支撑体支撑在锚杆通道顶端的外周侧，并利用拉紧结构将整个锚杆本体朝下拉紧，使得弹性支撑体抵紧破碎岩体，再者通过封堵结构将锚杆通道的底端封堵，进而通过出浆孔对锚杆通道和破碎岩体进行灌浆，不仅可以快速的加固层间的破碎岩体，还能使保护层与被保护层之间的岩层形成压缩拱的受力结构，加强围岩的承载能力。
20.第二，弹性支撑体包括沿锚固段周向分布的支撑杆，各支撑杆分别与锚固段之间均连接有用于将各支撑杆呈伞骨状打开的簧片结构，通过簧片结构使得支撑杆伸出锚杆通道后，各个支撑杆整体朝外撑开，并形成伞骨状结构，保证了其支撑在锚杆通道外周侧的施
力均匀性，提高了对破碎岩层压缩的效果。
21.第三，锚固段沿周向开设有若干与支撑杆一一对应的条形槽，条形槽沿锚固段轴向延伸，支撑杆在锚固段穿过锚杆通道时收拢至条形槽内，通过设置条形槽，使得支撑杆能够在锚固段插入锚杆通道的过程中，收拢至条形槽中，减少支撑杆与锚杆通道内周壁之间的摩擦，避免支撑杆在插入的过程中受损，保证其后续对岩层的抵紧强度。
22.第四，锚杆通道的内周壁环绕在注浆段周围，且与注浆段间隔设置，进而在锚杆通道和注浆段之间形成环形的出浆空间，使得浆液从出浆孔流出后能够均匀的朝外周侧伸入岩层的间隙中，保证了岩层中注浆材料分布的均匀度。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明整体结构示意图；
25.其中，1-锚固段、2-注浆段、3-封堵段、4-支撑杆、5-第一挡环、6-环形气囊、7-注浆通道、8-螺母、9-托板。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.本发明的目的是提供一种用于被保护层破碎顶板的锚杆及其锚固方法，以解决上述现有技术存在的问题，不仅可以快速的加固层间的破碎岩体，还能使保护层与被保护层之间的岩层形成压缩拱的受力结构，加强围岩的承载能力。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
29.请参考图1，本实施例提供一种被保护层破碎顶板的锚杆，包括锚杆本体，锚杆本体竖直设置在位于破碎岩体上的锚杆通道中，锚杆本体由上至下依次分为锚固段1、注浆段2、封堵段3和预紧段，锚固段1伸出锚杆通道的顶端，且锚固段1上设有沿周向支撑在锚杆通道周围的弹性支撑体，注浆段2位于锚杆通道内且呈中空状结构，例如，注浆段2为厚壁钢管，且注浆段2的外壁上开设有若干个与其内腔相连通的出浆孔，优选的注浆段2长度可以根据煤层间距进行调整，封堵段3上设有用于将锚杆通道底端封堵的封堵结构，预紧段伸出锚杆通道的底端，预紧段上设有用于将锚杆本体朝下拉紧的拉紧结构，且封堵段3和预紧段上均开设有与注浆段2的内腔相连通的注浆通道7，首先其通过锚固段1的弹性支撑体支撑在锚杆通道顶端的外周侧，并利用拉紧结构将整个锚杆本体朝下拉紧，使得弹性支撑体抵紧破碎岩体，再者通过封堵结构将锚杆通道的底端封堵，进而通过出浆孔对锚杆通道和破碎岩体进行灌浆，不仅可以快速的加固层间的破碎岩体，还能使保护层与被保护层之间的
岩层形成压缩拱的受力结构，加强围岩的承载能力。
30.作为本发明优选的实施方式，弹性支撑体包括沿锚固段1周向分布的支撑杆4，优选的支撑杆4采用钢条制作，各支撑杆4分别与锚固段1之间均连接有用于将各支撑杆4呈伞骨状打开的簧片结构，通过簧片结构使得支撑杆4伸出锚杆通道后，各个支撑杆4整体朝外撑开，并形成伞骨状结构，保证了其支撑在锚杆通道外周侧的施力均匀性，提高了对破碎岩层压缩的效果。优选的簧片结构连接条形槽和支撑杆4的顶端，以保证支撑杆4朝外周侧撑开的充分性。
31.进一步的，锚固段1沿周向开设有若干与支撑杆4一一对应的条形槽，条形槽沿锚固段1轴向延伸，支撑杆4在锚固段1穿过锚杆通道时收拢至条形槽内，通过设置条形槽，使得支撑杆4能够在锚固段1插入锚杆通道的过程中，收拢至条形槽中，减少支撑杆4与锚杆通道内周壁之间的摩擦，避免支撑杆4在插入的过程中受损，保证其后续对岩层的抵紧强度。
32.其中，锚杆通道的内周壁环绕在注浆段2周围，且与注浆段2间隔设置，进而在锚杆通道和注浆段2之间形成环形的出浆空间，使得浆液从出浆孔流出后能够均匀的朝外周侧伸入岩层的间隙中，保证了岩层中注浆材料分布的均匀度。
33.为保证出浆均匀性，各出浆孔沿注浆段2轴向均匀间隔设置，进而使得注浆材料能够沿轴向均匀的伸入岩层中的缝隙中，充分保证破碎岩体的强度。
34.进一步的，封堵结构为套接在封堵段3上的环形气囊6，环形气囊6充气后封堵在封堵段3和锚杆通道的内周壁之间，通过设置环形气囊6，以将锚杆通道的底端进行封堵，避免注浆的过程中，注浆材料容易受自身重力影响，从锚杆通道的底端渗出，造成岩体中注浆材料分布不均匀，或者造成注浆材料浪费等情况的发生。
35.作为本发明优选的实施方式，注浆段2的底端套接有第一挡环5，第一挡环5封盖在环形气囊6的顶部，通过第一挡环5，使得环形气囊6的顶部不受注浆材料的影响，能够保证其充分膨胀，避免因后续注浆材料的流动等因素导致其受损。
36.进一步的，预紧段的外周壁上设有螺纹结构，拉紧结构为转动连接在螺纹结构上的螺母8，螺母8抵接在锚杆通道底端的外周侧，或者在螺母8与岩层之间套设托板9，托板9结构大于锚杆通道的截面结构，螺母8抵接在托板9上，以形成对岩层的支撑，通过简单的螺杆螺母8配套的结构，仅通过螺母8的旋进即能够保证锚杆本体的整体下移，并使得支撑杆4能够紧抵岩层，降低了使用成本，且使用简单、方便。
37.优选在注浆段2的顶端套接有第二挡环，第二挡环封盖在锚杆通道的顶端，通过第二挡环使得锚杆通道的顶端形成封闭状结构，进而在注浆材料在锚杆通道中流动的过程中，尽可能的朝外周侧的破碎岩体进行流动，避免朝上溢出，导致注浆材料的均匀度降低。优选第一挡环5和第二挡环具有一定的厚度，能够充分保证注浆段2与两侧的隔断。
38.还提供一种被保护层破碎顶板的锚杆的锚固方法，包括如下步骤：
39.开孔：将位于被保护层和下保护层之间的破碎岩体上开设锚杆通道，锚杆通道沿竖直方向设置；优选的，在被保护层巷道顶板利用单体锚杆钻机透过巷道支护钢梁孔位施工竖直向上的锚杆通道；
40.插设锚杆：将支撑杆4收拢至条形槽内，将锚杆整体朝上插入锚杆通道中，支撑杆4伸出锚杆通道的顶端，并朝外撑开，将螺母8套接在预紧段上，旋进螺母8对锚杆整体朝下拉动，支撑杆4顶紧在锚杆通道顶端的外周侧，并对环形气囊6进行充气，将其封堵在锚杆通道
和锚杆之间；优选将锚杆本体利用单体锚杆钻机推进锚杆孔内；为保证岩层结构的稳定性，在完成环形气囊6的充气后，向锚杆通道底端周围喷射混凝土，加强锚杆本体的封堵及支护效果
41.注浆：通过注浆通道7朝注浆段2内注浆，注浆材料从出浆孔流出，并渗透至破碎岩层的缝隙中。优选等到巷道围岩变形稳定后，巷道顶板不再发生剧烈破坏后开始注浆，使注浆材料从出浆孔流出，融入进破碎稳定后的岩体之中，使注浆效果最大化。而且不使用锚固剂，降低了施工成本，简化了施工程序，缩短了施工时间；另外，先安锚后注浆。在巷道围岩破坏稳定后开始注浆使注浆效果最大化。
42.根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
43.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
44.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。