[发明专利]破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统及其施工方法

权利要求书

1.破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，其特征在于：包括深度支护结构和周向表面支护结构；

深度支护结构包括若干条三区协同支护组合锚杆，所述的三区为破裂区、塑性区和弹性区，紧邻巷道的为破裂区，破裂区内侧为塑性区，塑性区内侧为弹性区；三区协同支护组合锚杆沿巷道的顶板、两帮和底板的周向均匀布置并贯穿锚固破裂区、塑性区和弹性区；

周向表面支护结构包括钢梁、金属网和混凝土硬化层，钢梁和金属网配合沿巷道的顶板、两帮进行支护，混凝土硬化层铺设在巷道的底板上。

2.如权利要求1所述的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，其特征在于：三区协同支护组合锚杆包括螺纹钢杆体、连接管、中空杆体、托盘和螺母，螺纹钢杆体的外端通过连接管与中空杆体的内端同轴向连接为一体，中空杆体上开设有若干个注浆孔，螺纹钢杆体内侧一段通过树脂锚固剂锚固在弹性区内，锚固在弹性区内的螺纹钢杆体这一段称为弹性区锚固段，螺纹钢杆体外侧一段与塑性区之间具有环形间隙，在环形间隙内的一段螺纹钢杆体称为塑性区自由段，中空杆体位于破裂区内，中空杆体内注入有水泥浆，水泥浆通过中空杆体上的注浆孔注入到破裂区内，水泥浆在破裂区内的这一段称为破裂区注浆段；托盘穿套在中空杆体外端部并压在钢梁和/或金属网上，螺母螺纹连接在中空杆体外端并与托盘压紧配合。

3.如权利要求2所述的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统，其特征在于：所述连接管为内细外粗的变径管，中空杆体的外径大于螺纹钢杆体的外径，螺纹钢杆体的外端部和中空杆体内端部分别与连接管的内端口和外端口螺纹连接。

4.如权利要求3所述的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统的施工方法，其特征在于：包括以下施工步骤：

（1）根据巷道生产条件和地质力学条件、使用用途和服务年限，确定巷道断面设计参数，包括断面形态及其尺寸；

（2）基于巷道断面设计参数，采用理论分析、数值模拟和工程调研方法，研究确定巷道顶板、两帮及底板的破裂区、塑性区、弹性区的边界及范围；

（3）针对巷道顶板、两帮及底板沿周向向外延伸的三个区域：破裂区、塑性区、弹性区，采用三区协同支护组合锚杆将破裂区、塑性区和弹性区串联起来并配合金属网、钢梁进行主动支护，形成针对三个区域的互相联系的耦合承载结构；通过对顶板、两帮及底板采用三区协同支护组合锚杆配合金属网、钢梁进行主动支护，形成封闭的互相联系的耦合承载圈。

5.如权利要求4所述的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统的施工方法，其特征在于：步骤（3）的具体施工过程为，

第一、依据巷道的生产地质条件以及顶板、两帮及底板的“破裂区、塑性区、弹性区”三个区域的边界及范围，确定顶板、两帮及底板所采用的三区协同支护组合锚杆的材质、直径、长度，树脂锚固剂的规格及用量，以及组合锚杆的位置及其间排距；

第二、按照三区协同支护组合锚杆的位置及其间排距，采用锚杆钻机打设锚杆孔；

第三、采用连接管将螺纹钢杆体的后端和中空杆体的前端连接起来，并采用螺纹钢杆体的前端将树脂锚固剂送入锚杆孔的孔底，并采用钻机对树脂锚固剂进行搅拌，形成弹性区锚固段；

第四、树脂锚固剂锚固完成后，铺设金属网和钢梁并安装托盘和螺母，并对螺母按照设计扭矩进行预紧，对围岩进行主动支护；

第五、采用注浆机具对三区协同支护组合锚杆的中空杆体进行注浆，形成破裂区注浆段；

第六、三区协同支护组合锚杆施工完成后，对巷道的底板浇筑混凝土进行硬化处理。

6.如权利要求5所述的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统的施工方法，其特征在于：三区协同支护组合锚杆的弹性区锚固段、塑性区自由段和破裂区注浆段的长度应根据巷道围岩破裂区、塑性区和弹性区的范围确定。

7.如权利要求5所述的破碎围岩巷道三区协同耦合支护系统的施工方法，其特征在于顶板、两帮及底板所采用的三区协同支护组合锚杆的规格，包括弹性区锚固段、塑性区自由段和破裂区注浆段的长度，应根据顶板、两帮及底板的破裂区、塑性区和弹性区的范围确定；通过对顶板、两帮及底板采用三区协同支护组合锚杆配合金属网、钢梁进行主动支护，形成由顶板、两帮及底板组成的封闭的耦合承载圈。