CN104533453A - 巷道穿断层破碎带分步动态耦合支护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种巷道穿断层破碎带分步动态耦合支护方法，属于采矿建井支护技术领域，其解决了现有技术中断层破碎带巷道支护效果差等问题。本发明首先在断层破碎带巷道毛断面开挖成形后，选用混杂柔性纤维混凝土喷射一定厚度的喷层，形成初喷层以封闭围岩裂隙；待围岩剧烈变形速率趋于稳定后，进行“锚、网、带、索”安装，形成支护层；然后在巷道内侧安装马蹄形封闭式支架，该封闭式支架具有可伸缩性以限制围岩大量变形，混凝土复喷并进行全断面注浆；最后在巷道底板铺设碎矸石，浇筑混凝土地坪等步骤。本发明将围岩应力释放和巷道支护作为一个动态耦合支护体系，融合了巷道动态支护原理和分步加固技术，协同发挥主动和被动支护作用。

Description

巷道穿断层破碎带分步动态耦合支护方法

技术领域

本发明属于采矿建井支护技术领域，具体涉及一种复杂地质条件下巷道穿断层破碎带分步动态耦合支护方法。

背景技术

随着对煤炭需求量的增加和开采深度的不断加大，浅部资源日益枯竭，我国矿山相继进入了深部开采，地质力学环境更加复杂。断层破碎带地质构造复杂，地应力较大，巷道变形严重，是易形成较高的应力集中区，巷道围岩极为破碎，出现非线性大变形和显著的流变特征，增加了巷道支护的困难，影响通风断面，威胁到正常安全生产。在巷道掘进过程中出现底鼓、两帮位移、喷层开裂和脱落、拱顶下沉、钢筋网及支架扭曲变形、锚杆拉断等破坏，尤其是通过大型断层破碎带时，由于围岩破碎、自稳能力很差，如果不采取有效的巷道围岩控制技术，极易造成大范围失稳破坏。

目前，采用传统的锚网索、工字钢、U型棚或锚注支护难以满足断层破碎带复杂地质条件的巷道支护要求，支护设计不合理，主动支护和被动支护体系不协调，支护效果差，支护结构与围岩出现刚度、强度等不耦合问题突出。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种巷道穿断层破碎带分步动态耦合支护方法，该方法针对破碎带围岩变形特征，及时喷层、适时加固、滞后注浆，将围岩应力释放和巷道支护作为一个动态耦合支护体系，融合了巷道动态支护原理和分步加固技术，协同发挥主动和被动支护作用，解决复杂地质条件下巷道穿越断层破碎带时出现的巷道底鼓、两帮位移、喷层开裂和脱落、拱顶下沉、钢筋网及支架扭曲变形、锚杆拉断破坏等问题。

其技术解决方案包括：

一种巷道穿断层破碎带分步动态耦合支护方法，依次包括以下步骤：

a、在断层破碎带巷道毛断面开挖成形后，选用混杂柔性纤维混凝土喷射20mm～30mm厚的喷层，形成初喷层以封闭围岩裂隙；

b、待步骤a围岩剧烈变形速率趋于稳定后，进行“锚、网、带、索”安装，即：锚杆、锚索、金属网、钢带联合支护安装，形成支护层，用于对内部岩层提供强大的支护阻力；

c、在所述巷道内侧滞后步骤b支护层5m～10m处安装封闭式支架，所述封闭式支架与步骤b支护层形成强有力的共同承载结构，所述封闭式支架为马蹄形，所述封闭式支架是由四条U型钢两两搭接而成，在搭接处选用限位卡缆加一副中间卡缆固定，所述封闭式支架具有可伸缩性以限制围岩大量变形；

d、待步骤c完成后，进行混凝土复喷，喷射100mm～120mm厚并进行全断面注浆；

e、在所述巷道底板铺设300mm～400mm厚碎矸石，浇筑混凝土地坪，并在地坪距巷道帮部一侧150mm～200mm处砌筑水沟，用于排水工作。

作为本发明的一种优选方式，步骤a中，上述混杂柔性纤维混凝土是由素混凝土、钢纤维和聚丙烯纤维混合而成的，其中，钢纤维体积率为1.1％～2.0％、聚丙烯纤维体积率为0.11％～0.20％；上述混杂柔性纤维混凝土中水泥、黄沙、石子的重量比一次为1:2:2。

上述混杂柔性纤维混凝土由素混凝土、钢纤维和聚丙烯纤维混合而成，以提高混凝土的变形能力，增强混凝土的韧性，能满足开挖初期的巷道围岩变形和应力释放，减少混凝土中裂缝的产生并抑制其扩展。

作为本发明的另一种优选方式，上述马蹄形支架的架间距为500mm～600mm。

上述的马蹄形封闭式支架由U36型钢加工成4节组成，搭接处两侧用限位卡缆加一副中间卡缆固定，形成一个马蹄形封闭式支架，在架设时棚与棚之间，用4副8#槽钢加工的拉杆拉住，形成一个整体，马蹄形封闭支架可通过自身的压缩变形，使其不均匀的受力状态调整为均匀状态，从而提高了支架的承载能力。

本发明马蹄形封闭式支架可通过自身的压缩变形，使其不均匀的受力状态调整为均匀状态，从而提高了支架的承载能力，在结构设计上具有以下特点：

①支架顶部和肩窝处半圆拱形，具有较大的承载顶部和45°方向上的压力；

②采用支架斜腿外扎布置，具有较大的抵抗两帮变形的能力；

③拱顶接头位置选在型钢同曲率半径处，连接件附加阻力小，支架的可缩性能好可减少或避免卡缆损坏；

④支架底梁采用不同的曲率半径，抵抗底角变形能力强，巷道卧底量小，巷道利用率较高；

⑤采用封底式设计，可避免支架插底现象，有利于减轻底鼓并减轻支架构件损坏；

⑥在侧压大，底鼓严重的回采巷道中使用可以大大减少巷道移近量，改善巷道的维护状况，保证巷道所需的最终断面，满足安全生产的要求。

本发明提出了一种巷道穿断层破碎带分步动态耦合支护方法，与现有技术相比，其具有以下有益技术效果：

(1)本发明将断层破碎带内巷道围岩应力释放与巷道支护的过程作为一个动态耦合支护体系，融合了巷道动态支护原理和分步加固技术，充分发挥主动和被动支护协同作用，科学地遵循了围岩的动态响应规律。

(2)整个穿越断层巷道支护体系在施工顺序和组织上，呈现出分步动态耦合控制的过程，结合主动和被动支护的优点，把握注浆时机，能很好地解决复杂地质条件下巷道穿断层破碎时，围岩松散破碎且极易垮落，在巷道掘进过程中发生冒顶、片帮、底臌、喷层开裂和脱落、拱顶下沉、钢筋网及支架扭曲变形、锚杆拉断等破坏。

(3)采用马蹄形封闭式支架改变了传统开放式支架支护方式，具有可伸缩性，有效地解决了以往在支护过程中出现的支架扭曲变形、巷道严重底臌等破坏，充分发挥支架“让抗结合”的优点，拱顶接头位置选在型钢同曲率半径处，连接件附加阻力小，支架的可缩性能好可减少或避免卡缆损坏；支架底梁采用不同的曲率半径，抵抗底角变形能力强，巷道卧底量小，巷道利用率较高；采用封底式设计，使全断面封闭成环，可避免支架插底，有利于减轻底鼓及支架构件损坏。

(4)采用混凝土复喷，将“锚、网、带、索”和马蹄形封闭式支架包裹在一起，并且充填支架与围岩的间隙和相邻支架之间的空间，使支架受力均匀又不产生横向移动，从而增强了支护的整体刚度和稳定性，且二次喷层将可缩接头包裹起来，提高了整体支护的抗力。

(5)采用的混杂柔性纤维混凝土改善了传统混凝土的性能，具有一定柔性，增加了韧性和防渗水等性能，在开挖成形的巷道断面初喷薄层混杂柔性纤维混凝土，既可以满足初期的围岩应力释放，又可以及时封闭围岩裂隙防止因地下水和风化作用造成围岩破坏与剥落，同时具有抗拉、抗剪作用。

(6)预应力注浆锚索用于深孔注浆加固松散破碎的围岩并胶结成整体，实现与围岩的共同承载，配合锚网喷支护，可以形成一个多层有效组合拱，为锚杆、锚索提供可靠的着力基础，使锚固岩体内锚杆、锚索转化为全长锚固。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明：

图1为本发明种巷道穿断层破碎带分步动态耦合支护结构示意图；

图2为马蹄形封闭结构示意图；

图3为马蹄形封闭式支架连接处卡缆A放大示意图；

图中：1-注浆锚索，2-高强预应力锚杆，3-金属网，4-混凝土喷层，5-马蹄形封闭式支架，6-注浆锚杆，7-卡缆，8-碎矸石，9-混凝土地坪，10-水沟。

具体实施方式

本发明提出了一种巷道穿断层破碎带分步动态耦合支护方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步清楚、完整的说明。

本发明，巷道穿断层破碎带分步动态耦合支护方法，具体包括以下步骤：

步骤1、结合图1所示，在断层破碎带巷道毛断面开挖成形后，及时用混杂柔性纤维混凝土喷射30mm～40mm厚的喷层，及时封闭围岩裂隙，加固并阻止风化作用，提高围岩强度，同时防止因水和风化作用造成的围岩破坏与剥落；

步骤2、初期围岩应力释放，围岩变形速率趋于稳定后，进行“锚、网、带、索”，形成支护层为内部岩层提供强大的支护阻力，在巷道顶部、两帮挂设金属网，安设高强预应力锚杆2和注浆锚索1，底板卧底后安装注浆锚杆，并在端部施加预应力，钢带用于对金属网3进一步加固，使喷层平整均匀，增加抗弯、抗剪能力；顶板和两帮锚杆为左旋无纵筋高强预应力锚杆，规格为长2400mm～2500mm，间排距为800mm×800mm，采用1卷MSK2850和2卷MSZ2850型树脂锚固剂加长锚固，锚固力不低于10t，预紧力矩不低于300N·m；

金属网为规格2000mm×1000mm的钢筋网，网孔900mm×900mm；钢带为3mm厚度的钢板制成，长度为3900mm；注浆锚索采用螺旋预应力钢丝加工，内有注浆管，规格为长7000mm～8000mm，间排距为1600mm×1600mm，托盘规格为150mm×150mm×12mm，采用1卷MSK2850和3卷MSZ2850型树脂锚固剂加长锚固；

底板注浆锚杆由的钢管加工而成，长2000mm，螺扣长100mm，以满足安装托盘的要求，间排距为1600mm×1600mm注浆段为1400mm，在杆体上交叉布置Ф8mm的注浆孔15个，孔距100mm，并设有止浆塞，堵板距注浆端长度为200mm；

步骤3、结合图2和图3所示，在巷道内侧滞后步骤2支护层5m～10m安装马蹄形封闭式支架5，搭接处两侧用限位卡缆7加一副中间卡缆固定限制围岩大量变形，棚与棚之间，用4副8#槽钢加工的拉杆拉住，形成一个整体，架间距500mm～600mm，与“锚、网、带、索”形成强有力的共同承载结构；

步骤4、进行混凝土复喷，混凝土喷层4的厚度为100mm～120mm，将“锚、网、带、索”和马蹄形封闭式支架都封闭在一起，支护结构和巷道围岩紧密接触，既起到支护作用，又充分发挥金属网在碹体中抗剪、抗拉作用；

步骤5、注浆滞后迎头20m～50m，注浆时逐排逐孔、自下而上进行，两帮同时注浆，每帮一次注两孔依次向上，把围岩裂隙充填满不可漏注或少注，注浆锚索深孔锚注加固松散破碎的围岩并胶结成整体，提高围岩的内聚力和内摩擦角，实现与围岩的共同承载，配合锚网喷支护，可以形成一个多层有效组合拱，为注浆锚杆6、注浆锚索1提供可靠的着力基础，使锚固岩体内锚杆、锚索转化为全长锚固；注浆浆液采用单液水泥浆，选用普通硅酸盐水泥425#，水灰比为0.5～0.6，注浆压力为2～4MPa；

步骤6、在底板铺设300mm～400mm厚度的碎矸石8，然后浇筑混凝土地坪9，并在地坪距帮部一侧150mm～200mm砌筑水沟10，用于排水工作。

本发明马蹄形封闭式支架是由4段U型钢通过卡缆连接，具有可伸缩性，以适应围岩的连续变形和整体位移，与围岩组成一个统一的力学体系，可以有效控制底臌和巷道变形，马蹄形封闭支架可通过自身的压缩变形，使其不均匀的受力状态调整为均匀状态，从而提高了支架的承载能力，预应力注浆锚索用于深孔注浆加固松散破碎的围岩并胶结成整体，实现与围岩的共同承载，配合锚网喷支护，可以形成一个多层有效组合拱，为锚杆、锚索提供可靠的着力基础，使锚固岩体内锚杆、锚索转化为全长锚固。

Claims (3)

1.一种巷道穿断层破碎带分步动态耦合支护方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

a、在断层破碎带巷道毛断面开挖成形后，选用混杂柔性纤维混凝土喷射20mm～30mm厚的喷层，形成初喷层以封闭围岩裂隙；

b、待步骤a围岩剧烈变形速率趋于稳定后，进行锚杆、锚索、金属网、钢带联合支护安装，形成支护层，用于对内部岩层提供强大的支护阻力；

c、在所述巷道内侧滞后步骤b所述支护层5m～10m处安装封闭式支架，所述封闭式支架与步骤b支护层形成强有力的共同承载结构，所述封闭式支架为马蹄形，其是由四条U型钢两两搭接而成，在搭接处选用限位卡缆加一副中间卡缆固定，所述封闭式支架具有可伸缩性以限制围岩大量变形；

d、待步骤c完成后，进行混凝土复喷，喷射厚度为100～120mm，然后进行全断面注浆；

e、在所述巷道的底板处铺设厚度为300mm～400mm的碎矸石，浇筑混凝土地坪，并在地坪距所述巷道的帮部150mm～200mm处砌筑水沟，用于排水工作。

2.根据权利要求1所述的巷道穿断层破碎带分步动态耦合支护方法，其特征在于：步骤a中，所述混杂柔性纤维混凝土是由素混凝土、钢纤维和聚丙烯纤维混合而成，其中，钢纤维体积率为1.1％～2.0％、聚丙烯纤维体积率为0.11％～0.20％；所述混杂柔性纤维混凝土中水泥、黄沙、石子的重量比依次为1:2:2。

3.根据权利要求1所述的巷道穿断层破碎带分步动态耦合支护方法，其特征在于：所述马蹄形支架的架间距为500mm～600mm。