一种用于顶板围岩失稳预警的疏水型防腐锚杆及使用方法与流程

本发明涉及锚杆支护，具体涉及一种用于顶板围岩失稳预警的疏水型防腐锚杆及使用方法。

背景技术：

1、在富水岩层巷道支护工程中，顶板含水层地下水长期渗流不仅会弱化围岩力学强度、加剧裂隙发育，大幅提升顶板失稳垮落的风险，还会直接侵蚀金属支护构件，造成锚杆腐蚀失效，严重缩短支护体系服役寿命，是制约井下安全高效生产的关键难题之一。

2、目前，针对富水顶板巷道的治理与支护技术仍存在诸多不足。首先，疏水降压与巷道支护相互独立，施工工序繁琐冗余，现有工程中排水与支护两套工序独立开展，这样就导致钻孔施工次数多、人工与设备成本高，无法实现“一孔多用”，工程经济性差。其次，顶板围岩失稳预警存在滞后性，监测结果可靠性不足，现有顶板监测多以位移、应力传感器为主，仅能在围岩产生宏观变形、应力显著变化后捕捉到失稳信号，超前预警能力差；同时多数监测系统需要布置传输线缆，井下潮湿多尘环境下设备故障率高、维护难度大，难以实现全断面长期实时在线监测。再者，富水环境下金属构建腐蚀速率快，现有主流防腐方案中，热镀锌、热喷锌等金属涂层防腐工艺需专用热加工生产线，锌材原材料损耗大、加工能耗高，单根锚杆的防腐处理成本显著提升，缺乏经济性与实用性。

3、综上，亟需一种能实现“支护-疏水-预警-防腐”的一体化集成的多功能锚杆，以解决现场施工工序多、预警滞后、防腐成本高等系列问题，从而满足富水顶板巷道长期安全使用的工程需求。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明公开了一种用于顶板围岩失稳预警的疏水型防腐锚杆及方法，集疏水降压、低成本防腐与失稳预警功能于一体，施工便捷、系统监测效率高、数据可靠性强。

2、根据本发明的目的提出的一种用于顶板围岩失稳预警的疏水型防腐锚杆，包括疏水锚杆、监测预警组件与排水组件；

3、所述疏水锚杆包括中空杆体、托盘和螺母，所述中空杆体表面沿轴向均匀布设有多组导流孔，中空杆体外壁覆有环氧树脂防腐外涂层，中空杆体内壁安装有若干镁合金阳极块；

4、所述监测预警组件包括第一水压传感器、第二水压传感器、流量传感器以及显示面板；所述第一水压传感器位于中空杆体上部，所述第二水压传感器位于中空杆体轴向中点处，所述流量传感器位于中空杆体下部；所述第一水压传感器、第二水压传感器和流量传感器均安装于中空杆体内，并与显示面板无线通信连接；所述显示面板通过显示面板固定套安装于中空杆体外露端，内置微控制器、数据存储模块和分级预警模块；

5、所述排水组件包括排水接口、导水管和排水槽；所述排水接口设置于中空杆体底端，与中空杆体内部连通；所述排水接口内设有电磁阀；所述导水管一端与排水接口可拆卸连接，另一端与排水槽连通。

6、优选的，所述中空杆体内壁镶嵌有第一滤网，所述镁合金阳极块设置于第一滤网外表面和中空杆体内壁之间；所述第一滤网内侧通过卡扣连接有第二滤网，所述第一水压传感器、第二水压传感器和流量传感器均镶嵌于第二滤网内表面。

7、优选的，所述第一滤网为不锈钢滤网，与中空杆体内壁过盈配合镶嵌固定；所述第二滤网为无纺布复合滤网，第二滤网的过滤孔径小于第一滤网的过滤孔径。

8、优选的，所述中空杆体的下部杆体上套设有遇水密封膨胀套，所述遇水密封膨胀套设置于托盘上方。

9、优选的，所述中空杆体顶部外壁一体成型有限位环，所述中空杆体顶部套设有胀壳本体和锥型胀头，所述胀壳本体设置于限位环上方，内径小于限位环外径，所述胀壳本体外表面设防滑齿纹；所述锥型胀头设置于胀壳本体与中空杆体之间，所述锥形胀头内表面设有内螺纹与中空杆体螺纹连接，外表面设置有止转限位块，所述胀壳本体内表面设置有与止转限位块相配合的限位槽。

10、本发明另外公开的一种如上述用于顶板围岩失稳预警的疏水型防腐锚杆的使用方法，包括以下步骤：

11、s1、在顶板围岩设计位置钻孔，将组装好的疏水锚杆插入钻孔内，顺时针旋转中空杆体，使锥型胀头沿中空杆体轴向向下移动，推动胀壳本体径向张开，卡紧孔壁实现锚固；

12、s2、先套设遇水密封膨胀套，再安装托盘和螺母，最后拧紧螺母使托盘固定；

13、s3、将排水接口与导水管连接，导水管接入排水槽，系统自动进入初始化模式，完成静水压测量和初始基准渗透系数k0的标定；

14、s4、进入正常监测模式，第二水压传感器和流量传感器实时采集数据并无线传输至显示面板，微控制器计算实时渗透系数k及比值k/k0，再将信息传输至分级预警模块进行预警；

15、s5、根据不同的破坏等级采取对应的分级处置措施；

16、s6、定期利用加长尼龙刷对杆体内滤网间堵塞物进行清理，清理时需拆除排水接口，清理完成后装上排水接口，重新执行s3-s5操作。

17、优选的，s3中，初始化模式，包括以下步骤：

18、s31、微控制器关闭电磁阀，围岩中的积水通过导流孔进入中空杆体内部；

19、s32、流量传感器实时监测中空杆体内流量变化，当连续三次流量读数均为0且保持五分钟以上时，判定中空杆体已完全充满水且水流静止；

20、s33、此时第一水压传感器测量围岩原始静水压p1并传输至显示面板；

21、s34、测量完成后，微控制器自动打开电磁阀，系统进入初始基准渗透系数测量模式；

22、s35、读取流量传感器的测量值q和计算总水头差δh，待流量q和总水头差δh稳定后，计算实时渗透系数k值，当连续五次测量的实时渗透系数k值变化率小于5%时，取该五次测量的平均值作为初始过程数k0并存储。

23、优选的，总水头差δh计算方法，包括以下步骤：

24、s351、确定基准面为巷道底板水平面；

25、s352、预先测量并存储第一水压传感器的安装高度z1和第二水压传感器的安装高度z2；

26、s353、读取第二水压传感器的测量值p2；

27、s354、分别计算第一总水头h1=z1+p1/(ρg)和第二总水头h2=z2+p2/(ρg)，其中ρ为水的密度，g为重力加速度；

28、s355、计算总水头差δh=h1-h2。

29、优选的，实时渗透系数k值计算公式为k=q•ln(r/r0)/(2πl•δh)，其中r为疏干影响半径，通过现场抽水试验确定；r0为锚杆内径；l为中空杆体轴向长度。

30、优选的，s4中分级预警具体为：当k/k0≤1.5时，判定为正常状态，无指示灯亮起；当1.5

31、与现有技术相比，本发明公开的一种用于顶板围岩失稳预警的疏水型防腐锚杆及使用方法的优点是：

32、1、本发明将锚固支护与主动疏水功能集成于单根锚杆，实现一杆多用，省去单独施工疏水孔的独立工序，减少钻孔工程量，显著降低人工与设备成本。

33、2、本发明以围岩地下水为核心监测介质，多传感器同步采集渗流数据计算渗透系数，监测维度更全面、准确，同时配套分级预警机制，精准匹配现场多维度工程需求。

34、3、本发明采用环氧树脂外涂层+内嵌镁合金阳极块的双重防腐方案，无需高能耗、高耗材的热镀锌加工工艺，大幅降低材料与施工成本，安装便捷并能延长支护寿命。