本发明涉及矿山支护工程技术领域，尤其涉及一种大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构及支护方法。
背景技术：
在矿山支护工程中，锚索支护是一种广泛使用的、经济有效的支护手段。在浅埋深、低应力作用巷道支护工程中，采用的锚索多为单体锚索，与相邻锚索形不成关联支护结构；但随着煤炭开采深度的增大，地应力显著增高，巷道变形量急剧增大，再采用单体锚索难以控制围岩的变形破坏，在此背景下，将相邻锚索通过组合构件连接起来的支护方法逐渐得到应用。目前，常用的锚索组合构件为钢筋托梁、槽钢，但是对于复杂困难条件的大变形巷道，主要存在以下问题：采用钢筋托梁作为连接件时，由于钢筋托梁柔性较大，锚索之间的围岩鼓出严重，难以有效控制围岩的整体变形；采用槽钢作为连接件时，在巷道矿压显现较为强烈时，仍然会发生严重的槽钢梁弯曲变形及锚索的剪切破断，锚索破断失效后，巷道围岩变形将持续加大直至巷道失稳。现场观测结果表明，锚索的剪切破断主要发生在锚索尾部，主要原因是锚索抗剪强度小、槽钢弯曲变形引起的滑动剪切或浅部围岩的岩层错动致使锚索发生剪切破断。因此，如何解决锚索尾部的剪切破断问题成为深部巷道围岩控制的关键技术之一。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构，旨在通过改变锚索组合构件抗弯能力、锚索抗剪强度以及锚索布置形态，从而解决锚索尾部的剪切破断问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构，包括组装到一起的组合式抗弯钢梁、孔口抗剪护管组件和加密锚索；
所述组合式抗弯钢梁包括第一型钢和第二型钢，所述第二型钢的开口一侧扣入到所述第一型钢内，所述第一型钢采用槽型钢，所述槽型钢的平面部分紧贴围岩表面；所述孔口抗剪护管组件的一端连接在所述槽型钢的平面部分，孔口抗剪护管组件的另一端进入围岩钻孔内；所述加密锚索包括锚索和锚索锁具，所述锚索的前端插入到围岩钻孔中并采用树脂锚固剂锚固，锚索的尾端依次贯穿所述第一型钢上的孔口抗剪护管组件、所述第二型钢，并将孔口抗剪护管组件的一端压入到围岩钻孔内，然后采用所述锚索锁具锁紧定位在所述第二型钢的外部。
进一步的，一个所述组合式抗弯钢梁上设置有多个所述加密锚索，所述加密锚索设置为三根时分别位于所述组合式抗弯钢梁的两端和中间。
进一步的，所述组合式抗弯钢梁设置为d形时，所述第一型钢采用的槽型钢截面设置为[形，所述槽型钢的平面部分设置有多个与所述孔口抗剪护管组件直径相匹配的腰形孔，所述腰形孔的长边沿着槽型钢的长度方向；所述第二型钢的截面设置为形，形型钢的沿长度方向的中心线上设置有多个与所述锚索相匹配的圆形孔。
进一步的，所述孔口抗剪护管组件包括垫板和圆形护管，所述圆形护管焊接在所述垫板的一侧面上，且所述垫板与所述圆形护管的中心对应处设置有通孔；所述垫板位于所述第一型钢的凹槽内，所述圆形护管贯穿所述腰形孔后进入围岩钻孔内；所述锚索安装时从所述通孔和圆形护管内孔中穿过。
进一步的，所述孔口抗剪护管组件包括圆形护管，所述圆形护管的一端穿过所述第一型钢上的腰形孔且高出凹槽一侧表面20～30mm，所述圆形护管的另一端贯穿所述腰形孔后进入围岩钻孔内；所述锚索安装时从所述圆形护管内孔中穿过且锚索索体紧贴圆形护管的内壁,并靠相互挤压形成的摩擦力固定。
进一步的，所述孔口抗剪护管组件包括圆形护管和垫板，所述圆形护管和垫板采用分体式结构，所述垫板连接在所述第一型钢的凹槽内，所述垫板上设置有锚索孔，所述锚索孔与所述第一型钢上的腰形孔重合，所述圆形护管的一端穿过所述第一型钢、垫板且高出凹槽一侧表面20～30mm，所述圆形护管的另一端贯穿所述腰形孔后进入围岩钻孔内；所述锚索安装时从所述圆形护管内孔中穿过且锚索索体紧贴圆形护管的内壁，并靠相互挤压形成的摩擦力固定。
进一步的，所述垫板采用平垫板或拱形垫板，所述垫板的宽度与所述槽型钢的内部宽度刚好适应，所述垫板的长度不小于300mm；所述圆形护管与所述锚索紧密接触并挤紧，圆形护管的长度不小于500mm。
进一步的，相邻两个所述锚索的间距小于1000mm。
进一步的，所述组合式抗弯钢梁设置为异形时，所述第一型钢采用的槽型钢截面设置为[形，所述槽型钢的平面部分设置有多个与所述孔口抗剪护管组件直径相匹配的腰形孔，所述腰形孔的长边沿着槽型钢的长度方向；所述第二型钢的截面设置为非对称v形，非对称v形型钢的两个边一个为长边一个为短边，所述长边上设置有多个与所述锚索相匹配的圆形孔。
一种如上所述的大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构的支护方法，包括以下操作步骤，
步骤一、计算并备料：根据巷道围岩应力条件、围岩结构及力学性质参数、巷道断面形状及尺寸和生产技术条件，确定锚索的材质、直径、长度及间排距，组合式抗弯钢梁的材质、规格及尺寸，以及孔口抗剪护管组件的材质、规格及尺寸，并准备所有零件的材料；
步骤二、组合式抗弯钢梁的加工：依据锚索直径及间距，确定第一型钢上腰形孔和第二型钢上圆形孔的位置，根据锚杆的规格确定加工尺寸，然后加工制作相应的腰形孔和圆形孔；
步骤三、巷道围岩中锚索钻孔作业：依据锚索直径及长度，采用矿用锚索钻机在巷道围岩中打设锚索钻孔，锚索钻孔直径比锚索直径大8～12mm，锚索钻孔长度比锚索的长度小200～300mm；
步骤四、锚索的安装：锚索钻孔钻进完成后，采用锚索前端将树脂锚固剂送入孔底，之后采用锚索钻机配合搅拌器将树脂锚固剂一边推进一边搅拌，直至锚索前端进入钻孔孔底，搅拌时间为20～30s；
步骤五、整体组装：按照每根组合式抗弯钢梁配备的锚索数量，完成所有配备锚索锚固后，将第一型钢、孔口抗剪护管组件、第二型钢依次套入锚索的尾部，并将其托至紧贴顶板的位置，将锚索锁具安装套入锚索的尾部，然后对每根锚索采用张拉将张拉千斤顶套在锚索上，开泵进行张拉预紧，锚索预紧力不小于200kn；
步骤六、按照巷道抗剪锚索支护布置要求，依次完成整条巷道抗剪锚索支护结构的布置安装，最终形成高强抗剪支护结构。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明一种大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构，包括组装到一起的组合式抗弯钢梁、孔口抗剪护管组件和加密锚索；其中组合式抗弯钢梁包括第一型钢和第二型钢，第一型钢上设置有多个腰形孔，第二型钢上设置多个圆形孔，孔口抗剪护管组件包括垫板和圆形护管，加密锚索包括锚索和锚索锁具；支护施工时，包括计算并备料、组合式抗弯钢梁的加工、巷道围岩中锚索钻孔、锚索的安装、整体组装和最后整个巷道的支护完成总计六个步骤，其中整体组装时，将第一型钢、孔口抗剪护管组件、第二型钢依次套入锚索的尾部，最后通过锚索锁具锁紧定位。
第一，通过第一型钢([形的槽形钢)和第二型钢(形或非对称v形)组成d型抗弯钢梁或异形抗弯钢梁，其截面合理，抗弯截面模量大，抗弯刚度大，可以有效减小钢梁的弯曲变形引起的钢梁滑动，从而降低钢梁滑动对锚索产生的剪切破坏作用；d型抗弯钢梁或异形抗弯钢梁与围岩的接触面为宽度较大的平面，对围岩的护表面积大，有利于锚索支护力的扩散，从而减小锚索之间围岩的变形破坏；第二，通过增加孔口抗剪护管组件，可以实现对锚索的抗剪保护，提高其抗剪强度，从而阻止钢梁或岩层错动对锚索索体的直接剪切破坏；第三，通过“一梁多索”的加密锚索结构可以减小钢梁的弯曲变形而引起的锚索的剪切破断。总的来说，本发明构思巧妙，结构设计合理，钢梁的抗弯刚度较大，有效减小钢梁的弯曲变形及进一步产生的钢梁与锚索之间的滑动剪切，同时提高锚索索体抗剪强度，从而阻止钢梁或岩层错动对锚索的直接剪切破坏。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构截面示意图；
图2为本发明大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构立体结构示意图；
图3为本发明d型抗弯钢梁结构示意图；
图4为本发明d型抗弯钢梁截面示意图；
图5为本发明槽型钢示意图；
图6为本发明异型钢示意图；
图7为本发明孔口抗剪护管组件示意图；
图8为本发明异型抗弯钢梁结构示意图；
附图标记说明：1、第一型钢；2、第二型钢；3、腰形孔；4、圆形孔；5、垫板；6、圆形护管；7、锚索；8、锚索锁具。
具体实施方式
如图1-8所示，一种大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构，包括组装到一起的组合式抗弯钢梁、孔口抗剪护管组件和加密锚索；所述组合式抗弯钢梁包括第一型钢1和第二型钢2，所述第二型钢2的开口一侧扣入到所述第一型钢1内，所述第一型钢1采用槽型钢，所述槽型钢的平面部分紧贴围岩表面；所述孔口抗剪护管组件的一端连接在所述槽型钢的平面部分，孔口抗剪护管组件的另一端进入围岩钻孔内；所述加密锚索包括锚索7和锚索锁具8，所述锚索7的前端插入到围岩钻孔中并采用树脂锚固剂锚固，锚索7的尾端依次贯穿所述第一型钢1上的孔口抗剪护管组件、所述第二型钢2，并将孔口抗剪护管组件的一端压入到围岩钻孔内，然后采用所述锚索锁具8锁紧定位在所述第二型钢8的外部。具体的，一个所述组合式抗弯钢梁上设置有多个所述加密锚索，所述加密锚索设置为三根时分别位于所述组合式抗弯钢梁的两端和中间。相邻两个所述锚索的间距小于1000mm，每根组合式抗弯钢梁上所采用的锚索数量可以根据矿山压力、巷道变形量、锚索自身强度适当调整。
如图3-6所示，所述组合式抗弯钢梁设置为d形时，所述第一型钢采用的槽型钢截面设置为[形，所述槽型钢的平面部分设置有多个与所述孔口抗剪护管组件直径相匹配的腰形孔3，所述腰形孔的长边沿着槽型钢的长度方向；所述第二型钢的截面设置为形，形型钢的沿长度方向的中心线上设置有多个与所述锚索相匹配的圆形孔4。支护时，d型的组合式抗弯钢梁的槽型钢的平面部分与巷道围岩紧贴，实现对支护力的有效扩散；此外d型的组合式抗弯钢梁上设置有备用孔，当巷道变形超出预期50mm后，启用备用孔，在备用孔处补打锚索，减弱由于抗弯钢梁弯曲变形而引起的钢梁与锚索之间的滑动剪切作用。
如图7所示，所述孔口抗剪护管组件包括垫板5和圆形护管6，所述圆形护管6焊接在所述垫板5的一侧面上，且所述垫板5与所述圆形护管6的中心对应处设置有通孔；所述垫板位于所述第一型钢1的凹槽内，所述圆形护管贯穿所述腰形孔3后进入围岩钻孔内；所述锚索安装时从所述通孔和圆形护管内孔中穿过。当组合式抗弯钢梁与巷道表面发生错动或围岩内部发生剪切错动时，抗弯钢梁或围岩首先与圆形护管发生剪切作用，从而实现对锚索的抗剪保护，提高其抗剪强度，从而阻止钢梁或岩层错动对锚索索体的直接剪切破坏。
另一个实施例中，所述孔口抗剪护管组件仅包括圆形护管6，所述圆形护管的一端穿过所述第一型钢1上的腰形孔3且高出凹槽一侧表面20～30mm，所述圆形护管的另一端贯穿所述腰形孔后进入围岩钻孔内；所述锚索安装时从所述圆形护管内孔中穿过且锚索索体紧贴圆形护管的内壁,并靠相互挤压形成的摩擦力固定。
再一个实施例中，所述孔口抗剪护管组件包括圆形护管5和垫板6，所述圆形护管和垫板采用分体式结构，所述垫板6焊接或粘结连接在所述第一型钢1的凹槽内，其中所述垫板6与第一型钢1采用焊接连接方式要在巷道外完成，所述垫板6上设置有锚索孔，所述锚索孔与所述第一型钢上的腰形孔3重合，所述圆形护管5的一端穿过所述第一型钢1、垫板6且高出凹槽一侧表面20～30mm，所述圆形护管的另一端贯穿所述腰形孔后进入围岩钻孔内；所述锚索安装时从所述圆形护管内孔中穿过且锚索索体紧贴圆形护管的内壁，并靠相互挤压形成的摩擦力固定。圆形护管的设置可以提高锚索的抗剪强度，垫板的设置可以进一步加强第一型钢1的连接强度。
具体的，所述垫板采用平垫板或拱形垫板，所述垫板的宽度与所述槽型钢的内部宽度刚好适应，所述垫板的长度不小于300mm；所述圆形护管与所述锚索紧密接触并挤紧，圆形护管的长度不小于500mm。
如图8所示，另一个实施例中，所述组合式抗弯钢梁设置为异形时，所述第一型钢采用的槽型钢截面设置为[形，所述槽型钢的平面部分设置有多个与所述孔口抗剪护管组件直径相匹配的腰形孔，所述腰形孔的长边沿着槽型钢的长度方向；所述第二型钢的截面设置为非对称v形，非对称v形型钢的两个边一个为长边一个为短边，所述长边上设置有多个与所述锚索相匹配的圆形孔。该异型抗弯钢梁的设计主要是加工成与锚索垂直的平面，例如该非对称v形的长边，可以有效避免锚索张拉预紧时或巷道围岩径向变形时产生的支护阻力部分转化为剪切力而将锚索剪断。
一种如上所述的大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构的支护方法，包括以下操作步骤，
步骤一、计算并备料：根据巷道围岩应力条件、围岩结构及力学性质参数、巷道断面形状及尺寸和生产技术条件，确定锚索的材质、直径、长度及间排距，组合式抗弯钢梁的材质、规格及尺寸，以及孔口抗剪护管组件的材质、规格及尺寸，并准备所有零件的材料；
步骤二、组合式抗弯钢梁的加工：依据锚索直径及间距，确定第一型钢上腰形孔和第二型钢上圆形孔的位置，根据锚杆的规格确定加工尺寸，然后加工制作相应的腰形孔和圆形孔；
步骤三、巷道围岩中锚索钻孔作业：依据锚索直径及长度，采用矿用锚索钻机在巷道围岩中打设锚索钻孔，锚索钻孔直径比锚索直径大8～12mm，锚索钻孔长度比锚索的长度小200～300mm；
步骤四、锚索的安装：锚索钻孔钻进完成后，采用锚索前端将树脂锚固剂送入孔底，之后采用锚索钻机配合搅拌器将树脂锚固剂一边推进一边搅拌，直至锚索前端进入钻孔孔底，搅拌时间为20～30s；
步骤五、整体组装：按照每根组合式抗弯钢梁配备的锚索数量，完成所有配备锚索锚固后，将第一型钢、孔口抗剪护管组件、第二型钢依次套入锚索的尾部，并将其托至紧贴顶板的位置，将锚索锁具安装套入锚索的尾部，然后对每根锚索采用张拉将张拉千斤顶套在锚索上，开泵进行张拉预紧，锚索预紧力不小于200kn；
步骤六、按照巷道抗剪锚索支护布置要求，依次完成整条巷道抗剪锚索支护结构的布置安装，最终形成高强抗剪支护结构。
此外，所有零件的装配过程在巷道内完成，单独连接为组件的零件需要在巷道外完成焊接连接，在整个抗剪锚索支护结构实施过程中，还需要加强对巷道围岩及支护结构稳定性的观测，以便动态调整抗剪锚索支护结构参数，保证施工作业的安全性。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
1.一种大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构，其特征在于：包括组装到一起的组合式抗弯钢梁、孔口抗剪护管组件和加密锚索；
所述组合式抗弯钢梁包括第一型钢和第二型钢，所述第二型钢的开口一侧扣入到所述第一型钢内，所述第一型钢采用槽型钢，所述槽型钢的平面部分紧贴围岩表面；所述孔口抗剪护管组件的一端连接在所述槽型钢的平面部分，孔口抗剪护管组件的另一端进入围岩钻孔内；所述加密锚索包括锚索和锚索锁具，所述锚索的前端插入到围岩钻孔中并采用树脂锚固剂锚固，锚索的尾端依次贯穿所述第一型钢上的孔口抗剪护管组件、所述第二型钢，并将孔口抗剪护管组件的一端压入到围岩钻孔内，然后采用所述锚索锁具锁紧定位在所述第二型钢的外部。
2.根据权利要求1所述的大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构，其特征在于：一个所述组合式抗弯钢梁上设置有多个所述加密锚索，所述加密锚索设置为三根时分别位于所述组合式抗弯钢梁的两端和中间。
3.根据权利要求1所述的大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构，其特征在于：所述组合式抗弯钢梁设置为d形时，所述第一型钢采用的槽型钢截面设置为[形，所述槽型钢的平面部分设置有多个与所述孔口抗剪护管组件直径相匹配的腰形孔，所述腰形孔的长边沿着槽型钢的长度方向；所述第二型钢的截面设置为
4.根据权利要求3所述的大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构，其特征在于：所述孔口抗剪护管组件包括垫板和圆形护管，所述圆形护管焊接在所述垫板的一侧面上，且所述垫板与所述圆形护管的中心对应处设置有通孔；所述垫板位于所述第一型钢的凹槽内，所述圆形护管贯穿所述腰形孔后进入围岩钻孔内；所述锚索安装时从所述通孔和圆形护管内孔中穿过。
5.根据权利要求3所述的大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构，其特征在于：所述孔口抗剪护管组件包括圆形护管，所述圆形护管的一端穿过所述第一型钢上的腰形孔且高出凹槽一侧表面20～30mm，所述圆形护管的另一端贯穿所述腰形孔后进入围岩钻孔内；所述锚索安装时从所述圆形护管内孔中穿过且锚索索体紧贴圆形护管的内壁,并靠相互挤压形成的摩擦力固定。
6.根据权利要求3所述的大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构，其特征在于：所述孔口抗剪护管组件包括圆形护管和垫板，所述圆形护管和垫板采用分体式结构，所述垫板连接在所述第一型钢的凹槽内，所述垫板上设置有锚索孔，所述锚索孔与所述第一型钢上的腰形孔重合，所述圆形护管的一端穿过所述第一型钢、垫板且高出凹槽一侧表面20～30mm，所述圆形护管的另一端贯穿所述腰形孔后进入围岩钻孔内；所述锚索安装时从所述圆形护管内孔中穿过且锚索索体紧贴圆形护管的内壁，并靠相互挤压形成的摩擦力固定。
7.根据权利要求4或6所述的大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构，其特征在于：所述垫板采用平垫板或拱形垫板，所述垫板的宽度与所述槽型钢的内部宽度刚好适应，所述垫板的长度不小于300mm；所述圆形护管与所述锚索紧密接触并挤紧，圆形护管的长度不小于500mm。
8.根据权利要求1所述的大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构，其特征在于：相邻两个所述锚索的间距小于1000mm。
9.根据权利要求1所述的大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构，其特征在于：所述组合式抗弯钢梁设置为异形时，所述第一型钢采用的槽型钢截面设置为[形，所述槽型钢的平面部分设置有多个与所述孔口抗剪护管组件直径相匹配的腰形孔，所述腰形孔的长边沿着槽型钢的长度方向；所述第二型钢的截面设置为非对称v形，非对称v形型钢的两个边一个为长边一个为短边，所述长边上设置有多个与所述锚索相匹配的圆形孔。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的大变形巷道采用的抗剪锚索支护结构的支护方法，其特征在于：包括以下操作步骤，
步骤一、计算并备料：根据巷道围岩应力条件、围岩结构及力学性质参数、巷道断面形状及尺寸和生产技术条件，确定锚索的材质、直径、长度及间排距，组合式抗弯钢梁的材质、规格及尺寸，以及孔口抗剪护管组件的材质、规格及尺寸，并准备所有零件的材料；
步骤二、组合式抗弯钢梁的加工：依据锚索直径及间距，确定第一型钢上腰形孔和第二型钢上圆形孔的位置，根据锚杆的规格确定加工尺寸，然后加工制作相应的腰形孔和圆形孔；
步骤三、巷道围岩中锚索钻孔作业：依据锚索直径及长度，采用矿用锚索钻机在巷道围岩中打设锚索钻孔，锚索钻孔直径比锚索直径大8～12mm，锚索钻孔长度比锚索的长度小200～300mm；
步骤四、锚索的安装：锚索钻孔钻进完成后，采用锚索前端将树脂锚固剂送入孔底，之后采用锚索钻机配合搅拌器将树脂锚固剂一边推进一边搅拌，直至锚索前端进入钻孔孔底，搅拌时间为20～30s；
步骤五、整体组装：按照每根组合式抗弯钢梁配备的锚索数量，完成所有配备锚索锚固后，将第一型钢、孔口抗剪护管组件、第二型钢依次套入锚索的尾部，并将其托至紧贴顶板的位置，将锚索锁具安装套入锚索的尾部，然后对每根锚索采用张拉将张拉千斤顶套在锚索上，开泵进行张拉预紧，锚索预紧力不小于200kn；
步骤六、按照巷道抗剪锚索支护布置要求，依次完成整条巷道抗剪锚索支护结构的布置安装，最终形成高强抗剪支护结构。
技术总结