[发明专利]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

权利要求书

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_i0        (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S20中，利用锚杆进行吸能支护的具体方法如下：

A1：先在巷道围岩(13)表面开设垂直穿过块体(31)的钻孔(11)，并使钻孔(11)的末端延伸至深部坚硬岩体中，同时，确保钻孔(11)长度小于吸能锚杆(30)的长度；

A2：再将单根吸能锚杆(30)推进钻孔(11)底部，并使二级吸能机构(S2)所在部分与围岩(13)紧紧卡住形成锚固段，使主杆体(1)前端的外螺纹段(2)在钻孔(11)口处外露一定长度；

A3：在外露的外螺纹段(2)上进行配件的安装，依次安装托盘(8)、橡胶垫圈(9)和螺母(10)，并将托盘(8)与围岩(13)紧密贴合，然后，利用锁具转动锁紧螺母(10)，使吸能锚杆(30)在钻孔(11)内产生一定的预紧力，以完成单根吸能锚杆(30)的施工；

A4：利用一级吸能机构(S1)的第一级吸能作用应对围岩(13)浅部岩体的变形外突；

在高应力来压使围岩(13)浅部岩体变形外突时，促使托盘(8)带动主杆体(1)在轴向上向外移动，进而带动挡板(19)压缩弹簧(18)并向靠近吸能腔体(24)前端的方向滑动，使整根吸能锚杆(30)的长度伸长，在弹簧(18)的弹力克服被压缩的过程中，吸能锚杆(30)中部的一级吸能机构(S1)起到第一级吸能的作用；随着高应力持续作用，弹簧(18)持续被压缩，当弹簧(18)的弹性达到极限时，一级吸能机构(S1)的第一级吸能作用失效，并作为一个刚性构件继续起到承担支护的作用，将围岩(13)浅部破碎岩体锚固成一个整体；

A5：在高应力的多次扰动使一级吸能机构(S1)失效后，利用二级吸能机构(S2)的第二级吸能作用应对岩体的后续变形；

随着岩体变形产生的外拉力持续作用于主杆体(1)，过渡段(28)和大圆柱段(6)开始沿轴向移动，并逐渐与膨胀套管(7)发生相对滑动，其中，过渡段(28)先逐渐被拉入膨胀套管(7)中，膨胀套管(7)受到径向挤压力的作用而沿径向发生膨胀产生塑性变形，膨胀套管(7)的梯形尾部(15)先膨胀涨开，随着大圆柱段(6)逐渐进入膨胀套管(7)，三角形身部(16)会逐渐涨开，最后，弧形头部(17)也逐渐涨开；在逐渐涨开产生的塑性变形过程中，吸能锚杆尾部的二级吸能机构(S2)起到第二级吸能的作用；当大圆柱段(6)在膨胀套管(7)中滑动至极限位置时，二级吸能机构(S2)的第二级吸能作用失效，此时，整根吸能锚杆(30)成为一个刚性构件继续起到承担支护的作用，将浅部破碎围岩悬吊在深部坚硬岩体下；

步骤六：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。