(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210599385.2 (22)申请日 2022.05.30 (71)申请人 中南大学 地址 410012 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路932号 (72)发明人 杜坤　毕瑞阳　周健　刘明晖　 (74)专利代理 机构 徐州苏越知识产权代理事务 所(普通合伙) 32543 专利代理师 刘振祥 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/13(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06T 17/00(2006.01) E21D 21/00(2006.01)G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 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， 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； 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； 运用运动学方法对块体运动方式及稳定 性进行分析， 并确定块体为稳定块体或为会发生 滑动的关键块体； 对关键块体受压节理面进行分 析， 获得块体的滑动方式为塌落或为滑落； 在关 键块体中部位置， 并垂直关键块体的临空面打入 吸能锚杆进行支护； 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。 该方 法能充分分析块体的类型及滑动方式， 能避免盲 目的支护作业， 能通过针对性支护的方式提高巷 道围岩的稳定性。 权利要求书3页 说明书9页 附图7页 CN 114970161 A 2022.08.30 CN 114970161 A 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； Ri<0        (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权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114970161 A 2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800 mm， 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1000 mm， 除打入穿过节 理面的一根锚杆外， 视情况以相 邻锚杆1000 mm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(1 1)长度小于吸能锚杆(3 0)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(1 1)内产生 一定的预紧力， 以完成单根吸能锚杆(3 0)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权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114970161 A 3