CN104047613A - 煤矿巷道底板用锚固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿巷道底板用锚固方法，其通过锚注支护在巷道底板形成承压拱结构以防止巷道底鼓，适用于煤矿巷道支护工程。其基本步骤为：巷道掘进完成并施加顶帮支护后，在巷道底板开挖垂直于巷道轴线方向的仰拱沟槽，在此沟槽内施工垂直于反拱弧线的注浆锚索，在锚索互相作用影响范围之内形成的一个承压拱结构，该承压拱结构拱脚作用在巷道两帮稳定范围内，能起到屏蔽巷道底板荷载的作用，可以有效控制巷道底板变形。

Description

煤矿巷道底板用锚固方法

技术领域

本发明涉及控制煤矿巷道底板变形的方法，尤其涉及一种避免煤矿井巷工程底板剧烈变形的煤矿巷道底板用锚固方法。

背景技术

巷道底鼓作为矿山压力显现的一种形式，在深部巷道，底板岩性较差巷道及受采动影响的巷道内普遍发生。大量实测资料表明，巷道底鼓量可占到巷道顶底板移近量的2/3～3/4，同时，底板的稳定性显著影响着两帮及顶板的变形和破坏。巷道底鼓如得不到有效的控制，不仅显著增加了巷道维护费用，而且影响着矿井的正常生产。目前，国内外控制巷道底鼓的方法可分为改善底板力学环境、优化底板岩性和提高底板支护强度三类，具体方法包括：切缝、打钻孔、爆破、开掘卸压巷等卸压法；底板锚杆(索)、底板注浆、封闭式支架等支护加固法，以及各种联合支护法。其中，采用注浆配合锚索控制底鼓的方法，由于控制效果好，操作性高，应用较多。

然而，在实际使用过程中，为了在底板形成仰拱结构，往往需要在巷道底板开挖很深的反底拱，施工锚注支护后再用混凝土回填，费时费力，存在井下混凝土浇筑，材料搬运等大量复杂工序，工期长成本高，且施工期间巷道完全丧失通行能力，严重影响正常生产。

现有方法对于底板注浆和锚索支护参数取值无依据，巷道底鼓支护设计主要依靠工程类比法来实现，缺乏理论依据，支护效果不佳，为了追求支护效果，也只有一味增加支护强度，导致支护成本剧增，浪费严重。

此外，现有底板支护方法一般将巷道底板独立出来单独支护，没有考虑巷道顶底板以及两帮的相互作用，当地应力较大时底板容易整体破坏，继而引发帮顶失稳。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿巷道底板用锚固方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿巷道底板用锚固方法，其工序简单，操作便利，通过注浆和预应力锚索优化底板岩性，改善底板力学环境，形成底板承压拱结构，屏蔽巷道底板荷载的破坏作用，能有效解决复杂地质条件下的巷道底板变形严重的问题，避免了巷道重复返修，降低巷道维护成本。该方法步骤简单，实现方便且投入成本低，使用效果好。

为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿巷道底板用锚固方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一、在巷道底板挖设多条平行设置的反拱形沟槽；

其中，所述反拱形沟槽为半椭圆形；

步骤二、在所述反拱形沟槽内设置多个垂直于沟槽底部弧线的锚索钻孔，在各锚索钻孔内下放绑扎有注浆管的中空注浆锚索并封孔，通过注浆和锚索预应力作用形成底板的承压拱结构；

对所述巷道底部支护体系所采用的反拱形沟槽、承压拱结构及锚索钻孔位置确定时，其确定过程如下：

步骤201、承压拱结构跨度的确定：承压拱结构的拱脚需作用在巷道两帮破坏范围以外，反拱形沟槽的跨度取巷道跨度和两帮破坏厚度之和，即根据公式：L＝l+2b计算出承压拱结构的跨度L；式中，l为巷道跨度；b为巷道帮部破坏厚度；

步骤202、承压拱结构轴线的确定：其轴线根据公式：确定，式中q_x，q_y分别为巷道底板处水平地应力和竖向地应力；

步骤203、承压拱拱圈厚度的确定：结合步骤202中所确定的轴线，根据公式分别确定承压拱轴线上任意一点M(x,y)处的水平分力H_i和竖向分力V_i，取拱轴线上产生的最大水平分力和竖向分力，根据公式算出底板承压拱的拱圈厚度，式中，c、为底板注浆后岩石的黏聚力和内摩擦角；

步骤204、锚索钻孔位置的确定，在保证锚索足够预紧力的情况下，锚索钻孔的间距根据公式a＝L-4Δt/3计算，L为所用锚索长度；

步骤三、在锚索钻孔的孔口封堵超过24小时后，通过锚索注浆至注浆管返浆后，给注浆管安装截止阀继续注浆；若注浆管不返浆，则直接由注浆管注浆，保证注浆范围覆盖锚索的作用范围；

步骤四、注浆至少超24小时后，配套使用大托盘和工字钢梁以及锚索锁具施加预紧力；

步骤五、用碎矸石将反拱形沟槽填实、平整，以完成一次底板锚固作业循环。

其中：所述反拱形沟槽垂直于巷道轴线方向，其宽度至少大于等于所用锚索大托盘宽度100mm，其深度大于锚索施工完成后外露端长度，相邻反拱形沟槽的间距不大于上述步骤204中计算所得锚索间距，以保证沿巷道轴线方向各承压拱结构形成整体。

其中：锚索钻孔的方向垂直于反拱形沟槽的底部弧线，直径大于所用锚索直径和注浆管直径之和，钻孔有效深度等于所用锚索长度，下放锚索时需同时将注浆管同时下入锚索钻孔内，将注浆管绑扎在锚索上，留出外露长度后用铁丝一端系住锚索上部，铁线另一端固定在巷道底板上。锚索与注浆管上段封堵，封堵长度不小于300mm。

其中：所述中空注浆锚索由钢绞线缠绕在塑料注浆软管上构成，所述中空注浆锚索的两端分别设置有锚索截止阀，上端的锚索截止阀由丝扣和锚索连接，塑料注浆软管下三分之一处侧壁分布有锚索射浆孔。

其中：所述注浆管上端设有注浆截止阀，下二分之一处设置有注浆射浆孔。

其中：在步骤三中对所述锚索注浆之前需去掉上端的锚索截止阀和注浆管截止阀，对锚索注浆至注浆管返浆后，对注浆管截止阀继续注浆至3MPa以上，若注浆管不返浆，则直接由注浆管注浆至3MPa以上。

其中：步骤四中对所述锚索张拉时，需在步骤三中所述注浆完成24小时之后，锚索张拉前需把注浆管沿孔口折断，然后分别安装大托盘，工字钢梁以及锚索锁具，安装后锚索外露端长度不大于200mm，张拉预紧力不小于120kN。

通过上述结构可知，本发明的煤矿巷道底板用锚固方法实现了如下效果：

1、防治方法步骤简单，避免了大量的卧底工作，节省劳力，缩短工期；实现了井下废物再利用，节约施工材料，避免井下混凝土浇筑，材料搬运等大量复杂工序；施工期间，巷道仍保留部分通行，通风功能，不影响煤矿正常生产。

2、最大限度利用了巷道底板岩层的自承能力和自稳特性，变被动支护为主动支护，支护参数取值有据可依。考虑巷道顶底板和两帮的相互作用，把底板和两帮作为一个整体，通过拱结构把底板荷载传递至两帮，平衡两帮传递而来的荷载，有利于巷道围岩的整体稳定。

3、使用效果好，能有效解决复杂条件下巷道底鼓问题，尤其适用于控制以高地应力为主要特征的复杂条件下的煤矿巷道底鼓问题。

4、本发明方法步骤简单、实现方便且投入成本低、使用效果好，与现有其他巷道底板变形控制方法相比，更加有利于巷道围岩的整体稳定，避免了重复返修，降低了巷道维护成本。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的示意图；

图2显示了本发明的俯视图；

图3显示了本发明中注浆锚索结构图；

图4显示了本发明注浆软管的射浆孔分布图；

图5显示了本发明注浆管结构图；

图6显示了本发明底板锚索的俯视图；

图7显示了本发明注浆锚索的截面图。

具体实施方式

参见图1-2，显示了本发明的煤矿巷道底板用锚固方法。

所述煤矿巷道底板用锚固方法包含如下步骤：

步骤一、在巷道底板挖设多条平行设置的反拱形沟槽3；

其中，所述反拱形沟槽3为半椭圆形且可垂直于巷道轴线设置，在一些优选实施例中，宽度约为300～500mm。

步骤二、在所述反拱形沟槽3内设置多个垂直于沟槽底部弧线的锚索钻孔，在各锚索钻孔内下放绑扎有注浆管7的中空注浆锚索8并封孔，通过注浆和锚索预应力作用形成承压拱结构，还需在距孔口向下一段距离设置编织物配合使用胶凝材料封孔。

其中，对所述巷道底部支护体系所采用的反拱形沟槽3、承压拱结构5及锚索钻孔位置确定时，其确定过程如下：

步骤201、承压拱结构5跨度的确定：承压拱结构5的拱脚需作用在巷道两帮破坏范围1以外，反拱形沟槽3的跨度取巷道跨度和两帮破坏厚度之和。即根据公式：L＝l+2b计算出承压拱结构5的跨度L；式中，l为巷道跨度；b为巷道帮部破坏厚度。可选的是，对于帮部不支护或支护失效的巷道，帮部破坏厚度可按巷道极限破坏厚度计，则其中h为巷道高度，巷道高度按直墙高度计；对于帮部支护完好的巷道，破坏厚度取两帮支护用锚杆长度的一半，则b＝D/2，其中D为巷道帮部支护所用锚杆的有效长度。

步骤202、承压拱结构5轴线的确定：其轴线根据公式：确定(以巷道断面底板为X轴，过巷道底板中点且垂直于底板的直线为Y轴)，式中q_x，q_y分别为巷道底板处水平地应力和竖向地应力。即反拱形沟槽3轴线为焦点在巷道断面底板中点，长短轴分别为L(当q_x>q_y时，长短轴分别为：L，)的半椭圆。

步骤203、承压拱拱圈厚度的确定：结合步骤202中所确定的轴线，根据公式H_i＝q_xy，分别确定承压拱轴线上任意一点M(x,y)处的水平分力H_i和竖向分力V_i，取拱轴线上产生的最大水平分力和竖向分力，根据公式算出底板承压拱的拱圈厚度，式中，c、为底板注浆后岩石的黏聚力和内摩擦角，这两个参数为选用参数，可根据实际情况进行选择。

步骤204、锚索钻孔位置的确定，在保证锚索足够预紧力的情况下(一般来说应大于等于120kN)，锚索钻孔的间距可根据公式a＝L-4Δt/3计算。式中，L为所用锚索长度。

步骤三、在锚索钻孔的孔口封堵超过24小时后，通过锚索注浆至注浆管7返浆后，给注浆管安装上截止阀71继续注浆；若注浆管不返浆，则直接由注浆管注浆，保证注浆范围6覆盖锚索的作用范围9。

步骤四、注浆24小时后，配套使用大托盘10和工字钢梁11以及锚索锁具12施加预紧力。

步骤五、用碎矸石4将反拱形沟槽3填实、平整，重复步骤，以完成一次底板锚固作业循环。

其中，在具体实施例中，如对于新掘进完成的巷道，要先对巷道顶板和两帮采取及时有效的支护之后再开挖反拱形沟槽3；对于已经发生严重变形的巷道，还需要采用人工卧底的方法，恢复巷道至设计断面。

其中，所述反拱形沟槽垂直于巷道轴线方向，其宽度至少大于等于所用锚索大托盘宽度100mm，其深度大于锚索施工完成后外露端长度，相邻反拱形沟槽的间距不大于上述步骤204中计算所得锚索间距，以保证沿巷道轴线方向各承压拱结构形成整体。

其中，在一些实施例中，在步骤二中施工所述反拱形沟槽内的锚索钻孔时，如遇到底板岩层破碎不能成孔，则需要在反拱形沟槽完成后，对底板岩层进行预注浆，即对底板岩层钻下预注浆孔后进行预注浆，所述预注浆孔布置在反拱形沟槽底部，注浆完成24小时后，再施工锚索钻孔。

其中，锚索钻孔的方向垂直于反拱形沟槽的底部弧线，直径要略大于所用锚索直径和注浆管直径之和，钻孔有效深度等于所用锚索长度，在操作中，钻孔完成后要及时下放锚索，下放锚索时需同时将注浆管同时下入锚索钻孔内，为防止注浆管落入锚索钻孔内，将注浆管绑扎在锚索上，留出外露长度后用铁丝一端系住锚索上部，铁线另一端固定在巷道底板上。锚索与注浆管上段250～350mm处用废旧编织袋或棉纱绑扎在一起后填充，50～250mm段用安尔特A料封堵。

其中，参见图3-7，所述中空注浆锚索8由钢绞线83缠绕在塑料注浆软管82上构成，所述中空注浆锚索的两端分别设置有锚索截止阀81、84，上端的锚索截止阀81由丝扣和锚索连接，塑料注浆软管下三分之一处侧壁分布有锚索射浆孔821。

所述注浆管7长约2m，外直径约22mm的钢管，这里，本领域技术人员可根据需要进行注浆管7的具体参数选择，其上端设有注浆截止阀71，用丝扣连接，下二分之一处设置有注浆射浆孔72。

其中，在步骤三中对所述锚索注浆之前需去掉上端的锚索截止阀和注浆管截止阀，对锚索注浆至注浆管返浆后，对注浆管截止阀继续注浆至3MPa以上，若注浆管不返浆，则直接由注浆管注浆至3MPa以上。

其中，注浆的浆液选用安尔特A料，可选的是，所述浆液为按0.75:1的水灰比配制的水泥浆，注浆压力大于3MPa，注浆过程中如发现泄漏严重，应及时进行封堵后再注浆，注浆点至锚索钻孔施工点10m以上，以防止钻孔串浆。

其中，步骤四中对所述锚索张拉时，需在步骤三中所述注浆完成24小时之后，锚索张拉前需把注浆管沿孔口折断，然后分别安装大托盘，工字钢梁以及锚索锁具，安装后锚索外露端长度不大于200mm，张拉预紧力不小于120kN。

其中，步骤五中所述回填用矸石可采用仰拱沟槽开挖时产生的矸石，矸石回填之后需压实，平整，两相邻沟槽间距不大于同排锚索的间距。

下面描述一下本发明的具体实施例在工程操作中的实施：

步骤一、在巷道底板开挖反拱形沟槽3。

本实施例中，所述需治理的巷道为某煤矿回风大巷，该巷道平均埋深为620m，水平地应力较大，同时还受工作面采动和采空区侧向支承压力影响，且由于底板处于敞开不支护状态，巷道在掘进和临近采动影响期间，出现了较大的变形，平均底鼓量超过1m，部分区段达到1.5m以上，严重的影响到巷道的正常使用。所述需治理的回风大巷共计1500m。

对回风大巷首先采用人工清理巷道至设计断面，对巷道顶板和两帮施加锚杆、锚索并注浆支护后，在巷道底板开挖宽度约400mm，中间深度不小于400mm，两侧深部不小于200mm的仰拱沟槽。

步骤二、本实施例中，拟构建的底板承压拱跨度根据上述公式计算，巷道跨度为4m，根据现场实际情况，巷道治理前，帮部虽有较严重的片帮现象，但治理时采用注浆并补打了锚杆，故帮部破坏厚度取巷道支护所用帮锚杆长度的一半。则拟构建的底板承压拱跨度：L＝l+2b＝5.5+2×(1.8/2)＝7.3m。

对底板承压拱轴线确定时，先确定巷道底板处的地应力，取巷道埋深为620m，根据现场实际情况发现水平地应力较大，取侧压力系数为1.2，上覆岩层容重取25kN/m³，则底板承压拱轴线长短轴分别为：长轴：L＝5.8m；短轴：可见，拟构建的底板承压拱为焦点在巷道断面底板中点，长短轴分别为：7.3m，6.1m的半椭圆。

对底板承压拱拱圈厚度确定时，取承压拱轴线内可能存在的最大水平分力和竖向分力确定拱圈厚度，底板岩体注浆改善后的黏聚力和内摩擦角分别取：2.25MPa，44°则

可能产生的最大水平分力：H_i＝q_xy＝1.2×620×2500×(6.1/2)＝5.67×10⁶N；

可能产生的最大水平分力：V_i＝q_yx＝620×2500×(7.3/2)＝5.66×10⁶N。

由此可根据式(2)确定承压拱拱圈厚度：

对底板锚索位置的确定时，锚索长度为5m，除去外露段，有效锚固长度取4.5m，锚索张拉时预紧力为180kN，锚索施工垂直于沟槽底部弧线，锚索间距根据公式(3)计算则：

a＝L-4Δt/3＝4.5-4×0.76/3＝3.45m

由以上分析可知，锚索间距为3.45m即可在底板形成厚0.76m的承压拱，即巷道一个断面内最多只需要施工两根锚索。根据实际工况，锚索在底板拟采用“三二三”布置，即每排三根锚索和两根锚索间隔布置。每排三根锚索布置时，锚索分别布置在巷道底板中点和两边角；每排两根锚索布置时，分别距巷道两帮1.5m处。

步骤三、本实施例中注浆液选用安尔特A料，水泥浆按0.75:1的水灰比配制，注浆压力3MPa。

步骤四、注浆24小时后，配套使用大托盘10和工字钢梁11以及锚索锁具12安装锚索并施加预紧力。

本实施例中采用300x330x16mm拱形高强度锚索托盘，锁具型号为K22，锚索预紧力为180kN。

步骤五、用碎矸石4将沟槽填实、平整。

本实施例中，相邻两沟槽间距取2m。

通过具体的应用，本发明在工程实际中取得了良好的效果，经过一定时间的试用后，底板变形有了很大改善，变形量较之前减少了至少95％，且成本较低，使用效果更好。

通过上述结构可知，本发明的煤矿巷道底板用锚固方法具有如下优点：

1、防治方法步骤简单，避免了大量的卧底工作，节省劳力，缩短工期；实现了井下废物再利用，节约施工材料，避免井下混凝土浇筑，材料搬运等大量复杂工序；施工期间，巷道仍保留部分通行，通风功能，不影响煤矿正常生产。

2、最大限度利用了巷道底板岩层的自承能力和自稳特性，变被动支护为主动支护，支护参数取值有据可依。考虑巷道顶底板和两帮的相互作用，把底板和两帮作为一个整体，通过拱结构把底板荷载传递至两帮，平衡两帮传递而来的荷载，有利于巷道围岩的整体稳定。

3、使用效果好，能有效解决复杂条件下巷道底鼓问题，尤其适用于控制以高地应力为主要特征的复杂条件下的煤矿巷道底鼓问题。

4、本发明方法步骤简单、实现方便且投入成本低、使用效果好，与现有其他巷道底板变形控制方法相比，更加有利于巷道围岩的整体稳定，避免了重复返修，降低了巷道维护成本。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (7)

1.一种煤矿巷道底板用锚固方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一、在巷道底板挖设多条平行设置的反拱形沟槽；

其中，所述反拱形沟槽为半椭圆形；

步骤二、在所述反拱形沟槽内设置多个垂直于沟槽底部弧线的锚索钻孔，在各锚索钻孔内下放绑扎有注浆管的中空注浆锚索并封孔，通过注浆和锚索预应力作用形成底板的承压拱结构；

对所述巷道底部支护体系所采用的反拱形沟槽、承压拱结构及锚索钻孔位置确定时，其确定过程如下：

步骤201、承压拱结构跨度的确定：承压拱结构的拱脚需作用在巷道两帮破坏范围以外，反拱形沟槽的跨度取巷道跨度和两帮破坏厚度之和，即根据公式：L＝l+2b计算出承压拱结构的跨度L；式中，l为巷道跨度；b为巷道帮部破坏厚度；

步骤202、承压拱结构轴线的确定：其轴线根据公式：确定，式中q_x，q_y分别为巷道底板处水平地应力和竖向地应力；

步骤203、承压拱拱圈厚度的确定：结合步骤202中所确定的轴线，根据公式分别确定承压拱轴线上任意一点M(x,y)处的水平分力H_i和竖向分力V_i，取拱轴线上产生的最大水平分力和竖向分力，根据公式算出底板承压拱的拱圈厚度，式中，c、为底板注浆后岩石的黏聚力和内摩擦角；

步骤204、锚索钻孔位置的确定，在保证锚索足够预紧力的情况下，锚索钻孔的间距根据公式a＝L-4Δt/3计算，L为所用锚索长度；

步骤三、在锚索钻孔的孔口封堵超过24小时后，通过锚索注浆至注浆管返浆后，给注浆管安装截止阀继续注浆；若注浆管不返浆，则直接由注浆管注浆，保证注浆范围覆盖锚索的作用范围；

步骤四、注浆至少超24小时后，配套使用大托盘和工字钢梁以及锚索锁具施加预紧力；

步骤五、用碎矸石将反拱形沟槽填实、平整，以完成一次底板锚固作业循环。

2.如权利要求1所述的煤矿巷道底板用锚固方法，其特征在于：所述反拱形沟槽垂直于巷道轴线方向，其宽度至少大于等于所用锚索大托盘宽度100mm，其深度大于锚索施工完成后外露端长度，相邻反拱形沟槽的间距不大于上述步骤204中计算所得锚索间距，以保证沿巷道轴线方向各承压拱结构形成整体。

3.如权利要求1所述的煤矿巷道底板用锚固方法，其特征在于：锚索钻孔的方向垂直于反拱形沟槽的底部弧线，直径大于所用锚索直径和注浆管直径之和，钻孔有效深度等于所用锚索长度，下放锚索时需同时将注浆管同时下入锚索钻孔内，将注浆管绑扎在锚索上，留出外露长度后用铁丝一端系住锚索上部，铁线另一端固定在巷道底板上。锚索与注浆管上段封堵，封堵长度不小于300mm。

4.如权利要求1所述的煤矿巷道底板用锚固方法，其特征在于：所述中空注浆锚索由钢绞线缠绕在塑料注浆软管上构成，所述中空注浆锚索的两端分别设置有锚索截止阀，上端的锚索截止阀由丝扣和锚索连接，塑料注浆软管下三分之一处侧壁分布有锚索射浆孔。

5.如权利要求4所述的煤矿巷道底板用锚固方法，其特征在于：所述注浆管上端设有注浆截止阀，下二分之一处设置有注浆射浆孔。

6.如权利要求5所述的煤矿巷道底板用锚固方法，其特征在于：在步骤三中对所述锚索注浆之前需去掉上端的锚索截止阀和注浆管截止阀，对锚索注浆至注浆管返浆后，对注浆管截止阀继续注浆至3MPa以上，若注浆管不返浆，则直接由注浆管注浆至3MPa以上。

7.如权利要求1所述的煤矿巷道底板用锚固方法，其特征在于：步骤四中对所述锚索张拉时，需在步骤三中所述注浆完成24小时之后，锚索张拉前需把注浆管沿孔口折断，然后分别安装大托盘，工字钢梁以及锚索锁具，安装后锚索外露端长度不大于200mm，张拉预紧力不小于120kN。