[發(fā)明專(zhuān)利]一種節(jié)理化巷道塊體穩(wěn)定性分析與吸能支護(hù)的一體化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210599385.2
• 申請(qǐng)日: 2022-05-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114970161B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-09-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 杜坤;畢瑞陽(yáng);周健;劉明暉
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/20
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/20;G06F30/13;G06F30/17;G06T17/00;E21D21/00;G06F119/02
• 代理公司: 徐州蘇越知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32543
• 代理人: 劉振祥

1.一種節(jié)理化巷道塊體穩(wěn)定性分析與吸能支護(hù)的一體化方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：巖體節(jié)理面信息獲取；

采用三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)巷道圍巖進(jìn)行巖體節(jié)理面信息的獲取；

步驟二：構(gòu)建三維可視化模型；

通過(guò)對(duì)節(jié)理面信息進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，構(gòu)建出巷道巖體三維可視化模型；

步驟三：塊體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；

通過(guò)巖體三維可視模型，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)方法對(duì)塊體(31)運(yùn)動(dòng)方式及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并確定塊體(31)運(yùn)動(dòng)是否滿足公式(1)，若不滿足則塊體(31)為穩(wěn)定塊體，且不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，不需要采取支護(hù)措施，結(jié)束節(jié)理化巷道塊體穩(wěn)定性分析及支護(hù)一體化過(guò)程；若滿足則塊體(31)為關(guān)鍵塊體，且會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，執(zhí)行步驟四；

式中，為塊體(31)中任意第i個(gè)節(jié)理面指向塊體(31)內(nèi)部的法向量；i為節(jié)理面的數(shù)量，i＝1，2，…，n；為塊體(31)的位移矢量；

步驟四：分析關(guān)鍵塊體滑動(dòng)方式；

對(duì)關(guān)鍵塊體受壓節(jié)理面進(jìn)行分析，先通過(guò)公式(2)獲得關(guān)鍵塊體受壓節(jié)理面法向矢量與主動(dòng)合力的關(guān)系，再分析關(guān)鍵塊體的節(jié)理面是否滿足公式(3)，以對(duì)關(guān)鍵塊體的滑動(dòng)方式進(jìn)行分析；若不滿足公式(3)，則關(guān)鍵塊體會(huì)塌落，執(zhí)行步驟五中的S10；若滿足公式(3)，則關(guān)鍵塊體會(huì)沿節(jié)理面滑落，執(zhí)行步驟五中的S20；

R_i0????????(3)；

式中，為塊體(31)所受主動(dòng)合力矢量；

步驟五：分析支護(hù)方案，并采用錨桿進(jìn)行塊體(31)的吸能支護(hù)作業(yè)；所述錨桿為吸能錨桿(30)，其包括主桿體(1)、輔桿體(3)、擋板(19)、傳感器(21)、彈簧(18)、擋圈(4)、錐形桿體(27)和膨脹套管(7)；所述主桿體(1)為等徑桿體，其前端設(shè)置有外螺紋段(2)；所述輔桿體(3)為等徑桿體，其前部的軸心處開(kāi)設(shè)有軸向延伸的吸能腔體(24)，其前端的軸心處開(kāi)設(shè)有連通至吸能腔體(24)的導(dǎo)向孔(25)；所述導(dǎo)向孔(25)的內(nèi)徑小于吸能腔體(24)的內(nèi)徑，且與主桿體(1)的外徑相適配；在導(dǎo)向孔(25)與吸能腔體(24)的過(guò)渡部分形成環(huán)形限位部(26)；所述吸能腔體(24)通過(guò)導(dǎo)向孔(25)同軸心的套設(shè)在主桿體(1)后端的外部；所述擋板(19)尺寸與吸能腔體(24)的尺寸相適配，其軸向滑動(dòng)的設(shè)置在吸能腔體(24)中，且其前端與主桿體(1)的后端固定連接；所述傳感器(21)為環(huán)形，其套設(shè)在主桿體(1)的后端，且與擋板(19)相貼合的設(shè)置；所述彈簧(18)設(shè)置在吸能腔體(24)中，且套設(shè)在主桿體(1)的外部，其兩端分別與傳感器(21)和環(huán)形限位部(26)相抵接；所述主桿體(1)的后端、輔桿體(3)的前端、吸能腔體(24)、彈簧(18)、傳感器(21)和擋板(19)形成一級(jí)吸能機(jī)構(gòu)(S1)；所述擋圈(4)的外徑大于輔桿體(3)的外徑，且同軸心的固定連接在輔桿體(3)的后端外部；所述錐形桿體(27)為變徑桿體，其由小圓柱段(5)、過(guò)渡段(28)和大圓柱段(6)組成，所述小圓柱段(5)的外徑小于擋圈(4)的外徑，其前端與輔桿體(3)的后端同軸心的固定連接；所述過(guò)渡段(28)的大徑端和小徑端分別與大圓柱段(6)的前端和小圓柱段(5)的后端同軸心的固定連接；所述膨脹套管(7)軸向滑動(dòng)的套設(shè)在小圓柱段(5)的外部，且其前端的外徑小于擋圈(4)的外徑；膨脹套管(7)管身的后部徑向相對(duì)的開(kāi)設(shè)有一對(duì)三角弧形開(kāi)口(32)，其管身的前端徑向相對(duì)的開(kāi)設(shè)有一對(duì)梯形凹槽(14)，一對(duì)梯形凹槽(14)和一對(duì)三角弧形開(kāi)口(32)前后相對(duì)應(yīng)的布置，所述三角弧形開(kāi)口(32)為沿軸線對(duì)稱(chēng)式的結(jié)構(gòu)，其由位于管身中部的弧形頭部(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)組成，所述三角形身部(16)的一個(gè)頂角為前端，且與弧形頭部(17)的后端連通，其頂角所對(duì)應(yīng)的邊為后端且與梯形尾部(15)的上底邊的中部連通；所述擋圈(4)、膨脹套管(7)和錐形桿體(27)形成二級(jí)吸能機(jī)構(gòu)(S2)；所述主桿體(1)的桿身表面沿長(zhǎng)度方向開(kāi)設(shè)有線槽(12)，所述線槽(12)的斷面呈V型；所述傳感器(21)為有線型傳感器，其信號(hào)線(20)通過(guò)線槽(12)延伸到主桿體(1)的前端；所述信號(hào)線(20)為光纖線纜；

S10：分析對(duì)塌落塊體的支護(hù)方式，并進(jìn)行吸能支護(hù)作業(yè)；

分析關(guān)鍵塊體在巷道臨空面長(zhǎng)度是否小于800mm；若小于800mm，則在關(guān)鍵塊體中部位置，并垂直關(guān)鍵塊體的臨空面打入一根錨桿；若大于等于800mm，視情況以相鄰錨桿800mm的間距，垂直臨空面打入相應(yīng)數(shù)量的錨桿；在完成錨桿支護(hù)工作后執(zhí)行步驟六；

S20：分析對(duì)滑落塊體的支護(hù)方式，并進(jìn)行吸能支護(hù)作業(yè)；

分析關(guān)鍵塊體在巷道臨空面長(zhǎng)度是否小于1000mm；若小于1000mm，則穿過(guò)關(guān)鍵塊體滑動(dòng)的節(jié)理面，并垂直于關(guān)鍵塊體的臨空面打入一根錨桿；若大于等于1000mm，除打入穿過(guò)節(jié)理面的一根錨桿外，視情況以相鄰錨桿1000mm的間距，垂直臨空面打入相應(yīng)數(shù)量的錨桿；在完成錨桿支護(hù)工作后執(zhí)行步驟六；

在S10和S20中，利用錨桿進(jìn)行吸能支護(hù)的具體方法如下：

A1：先在巷道圍巖(13)表面開(kāi)設(shè)垂直穿過(guò)塊體(31)的鉆孔(11)，并使鉆孔(11)的末端延伸至深部堅(jiān)硬巖體中，同時(shí)，確保鉆孔(11)長(zhǎng)度小于吸能錨桿(30)的長(zhǎng)度；

A2：再將單根吸能錨桿(30)推進(jìn)鉆孔(11)底部，并使二級(jí)吸能機(jī)構(gòu)(S2)所在部分與圍巖(13)緊緊卡住形成錨固段，使主桿體(1)前端的外螺紋段(2)在鉆孔(11)口處外露一定長(zhǎng)度；

A3：在外露的外螺紋段(2)上進(jìn)行配件的安裝，依次安裝托盤(pán)(8)、橡膠墊圈(9)和螺母(10)，并將托盤(pán)(8)與圍巖(13)緊密貼合，然后，利用鎖具轉(zhuǎn)動(dòng)鎖緊螺母(10)，使吸能錨桿(30)在鉆孔(11)內(nèi)產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，以完成單根吸能錨桿(30)的施工；

A4：利用一級(jí)吸能機(jī)構(gòu)(S1)的第一級(jí)吸能作用應(yīng)對(duì)圍巖(13)淺部巖體的變形外突；

在高應(yīng)力來(lái)壓使圍巖(13)淺部巖體變形外突時(shí)，促使托盤(pán)(8)帶動(dòng)主桿體(1)在軸向上向外移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)擋板(19)壓縮彈簧(18)并向靠近吸能腔體(24)前端的方向滑動(dòng)，使整根吸能錨桿(30)的長(zhǎng)度伸長(zhǎng)，在彈簧(18)的彈力克服被壓縮的過(guò)程中，吸能錨桿(30)中部的一級(jí)吸能機(jī)構(gòu)(S1)起到第一級(jí)吸能的作用；隨著高應(yīng)力持續(xù)作用，彈簧(18)持續(xù)被壓縮，當(dāng)彈簧(18)的彈性達(dá)到極限時(shí)，一級(jí)吸能機(jī)構(gòu)(S1)的第一級(jí)吸能作用失效，并作為一個(gè)剛性構(gòu)件繼續(xù)起到承擔(dān)支護(hù)的作用，將圍巖(13)淺部破碎巖體錨固成一個(gè)整體；

A5：在高應(yīng)力的多次擾動(dòng)使一級(jí)吸能機(jī)構(gòu)(S1)失效后，利用二級(jí)吸能機(jī)構(gòu)(S2)的第二級(jí)吸能作用應(yīng)對(duì)巖體的后續(xù)變形；

隨著巖體變形產(chǎn)生的外拉力持續(xù)作用于主桿體(1)，過(guò)渡段(28)和大圓柱段(6)開(kāi)始沿軸向移動(dòng)，并逐漸與膨脹套管(7)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，其中，過(guò)渡段(28)先逐漸被拉入膨脹套管(7)中，膨脹套管(7)受到徑向擠壓力的作用而沿徑向發(fā)生膨脹產(chǎn)生塑性變形，膨脹套管(7)的梯形尾部(15)先膨脹漲開(kāi)，隨著大圓柱段(6)逐漸進(jìn)入膨脹套管(7)，三角形身部(16)會(huì)逐漸漲開(kāi)，最后，弧形頭部(17)也逐漸漲開(kāi)；在逐漸漲開(kāi)產(chǎn)生的塑性變形過(guò)程中，吸能錨桿尾部的二級(jí)吸能機(jī)構(gòu)(S2)起到第二級(jí)吸能的作用；當(dāng)大圓柱段(6)在膨脹套管(7)中滑動(dòng)至極限位置時(shí)，二級(jí)吸能機(jī)構(gòu)(S2)的第二級(jí)吸能作用失效，此時(shí)，整根吸能錨桿(30)成為一個(gè)剛性構(gòu)件繼續(xù)起到承擔(dān)支護(hù)的作用，將淺部破碎圍巖懸吊在深部堅(jiān)硬巖體下；

步驟六：將各個(gè)錨桿通過(guò)光纖線纜連接到集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中形成支護(hù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，完成節(jié)理化巷道塊體穩(wěn)定性分析及支護(hù)一體化過(guò)程。