CN106050282B - 一种沿空留巷窄煤柱的锚固结构及加固方法 - Google Patents

Abstract

一种沿空留巷窄煤柱的锚固结构及加固方法，锚固结构包括沿窄煤柱长度方向间隔设置的斜拉锚固系统和沿留对位锚固系统，横向限帮加固装置将斜拉锚固系统进一步紧固；加固方法是首先在上区段回采巷道内向窄煤柱钻入水平钻孔和顶、底板倾斜钻孔，在各自钻孔内安装防跑浆袋、水平和倾斜注浆锚杆等斜拉锚固系统和沿留对拉锚固系统，并在窄煤柱两侧的斜拉锚固系统相应位置安装横向限帮加固系统，然后对各个系统上的螺母施加预应力，最后采用注浆机对其锚杆进行注浆。本发明有效保障窄煤柱沿空留巷的安全和稳定，有效减少巷道变形、煤柱塑性区减小，可缩减巷道返修成本，其结构设计合理简单、施工方便、加固效果明显、提高了煤炭采出率。

Description

一种沿空留巷窄煤柱的锚固结构及加固方法

技术领域

本发明涉及一种沿空留巷窄煤柱的锚固结构及加固方法，属于煤矿支护领域。

背景技术

沿空留巷具有显著的技术优势和经济效益，其分为宽煤柱沿空留巷、窄煤柱沿空留巷和无煤柱沿空留巷，煤柱用来替代人工构筑的“隔离墙体”，不仅节省了人工墙体泵注混凝土成本，更可减少混凝土输送管道铺管工时和材料费用，避免了混凝土等材料的运输。随着我国煤矿浅部资源逐渐枯竭，绝大部分矿井已经转入深部煤层开采，随之而来会产生一些问题，如矿山压力显现剧烈、巷道稳定性差、巷道维护困难、返修率高等，如不能科学合理地解决，盲目地以留设宽煤柱作为代价，必将带来煤炭资源浪费、煤炭资源采出率低、巷道掘进量大、工人劳动强度大、采掘接续紧张、区段煤柱应力集中显著等问题，因此采用窄煤柱沿空留巷技术相对于宽煤柱具有更加明显的经济优势，但是，目前煤柱支护的方法主要采用区段煤柱煤壁帮锚杆支护，将其应用在窄煤柱的支护上会产生煤柱内中心弹性核区小、塑性区大、巷道片帮严重、底鼓明显、安全稳定性差等问题，同时不利于沿空留巷后期维护，经常需要返修。因此如何选择窄煤柱支护结构体和加固技术对于窄煤柱留设成败至关重要。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种能够节约煤炭资源、提高煤炭采出率，能够减少劳动强度、缓解接续紧张、区段煤柱应力集中现象，可以保障煤体稳定性、保证矿井安全生产、降低返修成本、提高经济效益的沿空留巷窄煤柱锚固结构，本发明的另一目的在于提供一种安装方便，能够保证窄煤柱安全、稳定性强，可对煤体提供主动支承力，维护成本低的加固方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种沿空留巷窄煤柱的锚固结构，包括沿窄煤柱长度方向间隔设置的斜拉锚固系统和沿留对位锚固系统，

所述斜拉锚固系统包括对称安装在窄煤柱方形截面四个角的倾斜注浆锚杆，安装在窄煤柱顶板上的倾斜注浆锚杆两端分别穿过窄煤柱顶板和窄煤柱侧壁，安装在窄煤柱底板上的倾斜注浆锚杆两端分别穿过窄煤柱底板和窄煤柱侧壁，各个倾斜注浆锚杆上通过固定卡固定包裹防跑浆袋，所述倾斜注浆锚杆位于顶、底板外的端头上设有斜锚杆锚头，安装在窄煤柱方形截面上部顶角的倾斜注浆锚杆在位于窄煤柱侧壁上的外露段穿过固定在侧壁上的拉筋螺母件并被固定，安装在窄煤柱方形截面下部顶角的倾斜注浆锚杆在位于窄煤柱侧壁上的外露段穿过固定在侧壁上的“U”槽拉筋件并被固定，所述拉筋螺母件和“U”槽拉筋件通过横向限帮加固装置连接在一起；

所述沿留对位锚固系统包括穿过窄煤柱方形截面预设水平钻孔的水平注浆锚杆，所述水平注浆锚杆上通过固定卡固定包裹防跑浆袋，水平注浆锚杆两端分别穿过对应水平钻孔的位置设在窄煤柱两侧的钢筋网和托盘，并被水平注浆锚杆配套螺母固定在壁面上。

优选的，所述横向限帮加固装置包括“U”型拉筋杆，所述“U”型拉筋杆的弯曲段卡在“U”槽拉筋件的U型槽内，“U”型拉筋杆的两端穿过“U”槽拉筋件上方的拉筋螺母件上对称的拉筋穿过孔，并被拉筋螺母固定。

优选的，上述“U”型拉筋杆材料为圆钢或螺纹钢筋，其两端带有10～20cm标准螺纹。

优选的，所述水平注浆锚杆有两根，上下平行设置。

优选的，所述水平注浆锚杆两端各伸出窄煤柱侧壁壁面20cm。

优选的，斜锚杆锚头采用尼龙分体组合式安装在倾斜注浆锚杆上。

优选的，防跑浆袋材料采用本质安全型的无纺布、编织布料或纤维布材料制成。

本发明还提供一种沿空留巷窄煤柱的加固方法，包括如下步骤：

步骤1、在上区段回采巷道和下区段沿空留巷内，采用坑道钻机或者锚杆钻机向区段窄煤柱钻进水平钻孔和顶、底板倾斜钻孔，水平钻孔和顶、底板倾斜钻孔在沿窄煤柱长度方向上依次间隔设置，清孔；

步骤2、将倾斜注浆锚杆穿过防跑浆袋，并采用固定卡将防跑浆袋固定在倾斜注浆锚杆两端；

步骤3、将包裹防跑浆袋的倾斜注浆锚杆穿过顶、底板倾斜钻孔，并将斜锚杆锚头安装到倾斜注浆锚杆位于顶、底板外的端头上，构成斜拉锚固系统；

步骤4、将拉筋螺母件的斜钻孔套在顶板上的倾斜注浆锚杆位于煤壁侧的外露段，并采用螺母将拉筋螺母件固定在煤壁上，拧紧螺母施加一定预紧力；同样的方式，将“U”槽拉筋件的斜钻孔套在底板上的倾斜注浆锚杆位于煤壁侧的外露段，并采用螺母将“U”槽拉筋件固定在煤壁上，拧紧螺母施加一定预紧力；

步骤5、在窄煤柱的两侧分别将“U”型拉筋杆的弯曲段卡在“U”槽拉筋件的U型槽内，“U”型拉筋杆的两端穿过拉筋螺母件的拉筋穿过孔，并在两端的螺纹处采用拉筋螺母上紧，施加一定预应力，构成纵向桁架拉筋结构，从而在窄煤柱两侧形成横向限帮加固装置；

步骤6、将水平注浆锚杆穿过防跑浆袋，并采用固定卡将防跑浆袋固定在水平注浆锚杆两端，若窄煤柱的宽度超过单根水平注浆锚杆的长度，可采用对接套管连接两根或多根水平注浆锚杆，然后将包裹安装好防跑浆袋的水平注浆锚杆送入水平钻孔内，水平注浆锚杆的两端分别穿过对应水平钻孔的位置设在窄煤柱两侧的钢筋网和托盘，并将水平注浆锚杆外露出窄煤柱壁面的端部采用水平注浆锚杆配套螺母固定在壁面上，并对水平注浆锚杆施加预紧力，构成沿留对拉锚固系统；

步骤7、把砼输送管路连接至倾斜注浆锚杆和水平注浆锚杆的尾部注浆孔，然后启动混凝土输送设备，将搅拌好的注浆材料经由砼输送管路注入各个防跑浆袋。

优选的，所述混凝土输送设备包括连接在一起的混凝土搅拌机和混凝土输送泵。

相对于现有的技术方案，本发明的优势在于：

①本发明沿窄煤柱长度方向间隔设置的斜拉锚固系统和沿留对位锚固系统可以对窄煤柱的顶板、底板、侧壁主动提供全面的支承力，减少了底鼓；结合横向限帮加固装置有效阻止了巷道片帮，避免了媒体破碎，整体结构设计合理、增大了区段煤柱弹性核区；

②本发明在锚杆上套设的防跑浆袋具有滤水不滤浆功能，通过对注浆锚杆注浆，浆液通过锚杆注浆孔进入防跑浆袋内，能够把多余的水过滤出去，但不会顺着裂隙、节理、围岩发育带发生跑浆现象，能够起到很好地全长锚固作用；同时防跑浆袋不仅可以保护杆体材料免受地下水侵蚀，更可以具有很好的抵抗围岩剪切破坏和抗压破坏作用。

③本发明提供的锚固结构可取代人工构筑混凝土墙体，不仅节省了人工墙体泵注混凝土成本，更可减少混凝土输送管道铺管工时和材料费用，避免了混凝土等材料的运输，大大减少了劳动强度；

④本发明提供的加固方法能够保证窄煤柱沿空留巷的安全和稳定、减少了巷道返修率，有效减少巷道围岩变形、提高了煤炭回采率，充分开发了宝贵的煤炭资源；

⑤通过本发明的实施，把整个区段煤柱视为整体结构考虑，有效地控制巷道围岩的变形，提高砼人工墙体整体稳定性，保障工作面采后沿空留巷成功留设，安全实用。

⑥本发明提供的加固方法安装方便快捷，可拓展应用于区段煤柱、护巷留设煤柱、回撤通道等方面，具有较好的推广价值和实用性。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是图1的A-A方向视图；

图3是拉筋螺母件的示意图；

图4是本发明的立体示意图；

图中，1.斜锚杆锚头，2.防跑浆袋，3.倾斜注浆锚杆，4.顶、底板倾斜钻孔，5.固定卡，6.螺母，7.拉筋螺母件，7-1.拉筋穿过孔，7-2.斜钻孔，8.拉筋螺母，9.“U”槽拉筋件，10.注浆孔，11.“U”型拉筋杆，12.水平注浆锚杆配套螺母，13.托盘，14.水平注浆锚杆，15.水平钻孔，21.下区段待采工作面，22.下区段沿空留巷，23.窄煤柱，24.上区段回采巷道，25.上区段待采工作面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图所示，一种沿空留巷窄煤柱的锚固结构，包括沿窄煤柱23长度方向间隔设置的斜拉锚固系统和沿留对位锚固系统，窄煤柱23两侧分别设有上区段回采巷道24和下区段沿空留巷22，上区段回采巷道24和下区段沿空留巷22外侧分别设有上区段待采工作面25和下区段待采工作面21。

所述斜拉锚固系统包括对称安装在窄煤柱23方形截面四个角的倾斜注浆锚杆3，安装在窄煤柱23顶板上的倾斜注浆锚杆3两端分别穿过窄煤柱23顶板和窄煤柱23侧壁，安装在窄煤柱23底板上的倾斜注浆锚杆3两端分别穿过窄煤柱23底板和窄煤柱23侧壁，各个倾斜注浆锚杆3上通过固定卡5固定包裹防跑浆袋2，固定卡5能够将防跑浆袋2紧密固定在倾斜注浆锚杆3上，防止防跑浆袋2出现浆液外溢；所述倾斜注浆锚杆3位于顶、底板外的端头上设有斜锚杆锚头1，安装在窄煤柱23方形截面上部顶角的倾斜注浆锚杆3在位于窄煤柱23侧壁上的外露段穿过固定在侧壁上的拉筋螺母件7的斜钻孔7-2并被固定，安装在窄煤柱23方形截面下部顶角的倾斜注浆锚杆3在位于窄煤柱23侧壁上的外露段穿过固定在侧壁上的“U”槽拉筋件9的斜钻孔并被固定，所述拉筋螺母件7和“U”槽拉筋件9通过横向限帮加固装置连接在一起；

所述沿留对位锚固系统包括穿过窄煤柱23方形截面预设水平钻孔15的水平注浆锚杆14，所述水平注浆锚杆14上通过固定卡5固定包裹防跑浆袋2，水平注浆锚杆14两端分别穿过对应水平钻孔15的位置设在窄煤柱23两侧的钢筋网和托盘13，并被水平注浆锚杆配套螺母12固定在壁面上。

优选的，所述横向限帮加固装置包括“U”型拉筋杆11，所述“U”型拉筋杆11的弯曲段卡在“U”槽拉筋件9的U型槽内，“U”型拉筋杆11的两端穿过拉筋螺母件7上对称的拉筋穿过孔7-1，并被拉筋螺母8固定。“U”型拉筋杆11的作用在于给窄煤柱23提供了主动围岩侧限压力，能够提高煤柱的整体强度，有效限制了侧帮片帮和隆起。

“U”型拉筋杆11的材料选取需要保证强度，优选的，为了保证强度和使用安全，“U”型拉筋杆11材料为圆钢或螺纹钢筋，其两端带有10～20cm标准螺纹。

优选的，为了充分保证固定强度，所述水平注浆锚杆14有两根，上下平行设置。

优选的，所述水平注浆锚杆14两端各伸出窄煤柱23侧壁壁面20cm。

斜锚杆锚头1可为机械式锚头(倒楔式锚头、张壳式锚头)或粘结式锚头(采用树脂药卷锚固剂或水泥药卷锚固剂粘结)，优选的，为了保证强度和效果，减少成本，斜锚杆锚头1可以采用尼龙分体组合式安装在倾斜注浆锚杆3上。

优选的，为了保证矿下使用安全，防跑浆袋2材料采用本质安全型的无纺布、编织布料或纤维布材料制成。

下面结合具体的实施例对沿空留巷窄煤柱的加固方法进行阐述，主要包括如下步骤：

步骤1、在上区段回采巷道24和下区段沿空留巷22内，采用坑道钻机或者锚杆钻机向窄煤柱23(设煤柱宽度4.0m)钻进水平钻孔15(钻孔长度4.0m)和顶、底板倾斜钻孔4(钻孔长度2.0m)至预设位置，并清孔；

步骤2、将倾斜注浆锚杆3(锚杆长度2.2m、φ22cm)穿过防跑浆袋2，并采用固定卡5将防跑浆袋2固定在倾斜注浆锚杆3两端，防跑浆袋2具有滤水不滤浆功能，固定卡5防止注浆浆液从防跑浆袋2的两端外溢；

步骤3、将包裹防跑浆袋2的倾斜注浆锚杆3穿过顶、底板倾斜钻孔4，并将斜锚杆锚头1安装到倾斜注浆锚杆3位于顶、底板外的端头上，构成斜拉锚固系统；

步骤4、将拉筋螺母件7的斜钻孔7-2套在顶板上的倾斜注浆锚杆3位于煤壁侧的外露段，并采用螺母6将拉筋螺母件7固定在煤壁上，拧紧螺母6施加一定预紧力；同样的方式，将“U”槽拉筋件9的斜钻孔套在底板上的倾斜注浆锚杆3位于煤壁侧的外露段，并采用螺母6将“U”槽拉筋件9固定在煤壁上，拧紧螺母6施加一定预紧力；

步骤5、在窄煤柱23的两侧分别将“U”型拉筋杆11的弯曲段卡在“U”槽拉筋件9的U型槽内，“U”型拉筋杆11的两端穿过拉筋螺母件7的拉筋穿过孔7-1，并在两端的螺纹处采用拉筋螺母8上紧，施加一定预应力，构成纵向桁架拉筋结构，从而在窄煤柱23两侧形成横向限帮加固装置；

步骤6、将两根长度2.2m、φ22cm的水平注浆锚杆14由对接套管连接固定在一起，并穿过防跑浆袋2，用固定卡5将防跑浆袋2固定在对接形成的水平注浆锚杆14两端，然后将包裹安装好防跑浆袋2的水平注浆锚杆14送入水平钻孔15内，水平注浆锚杆14的两端分别穿过对应水平钻孔15的位置设在窄煤柱23两侧的钢筋网和托盘13，并将水平注浆锚杆14外露出窄煤柱23壁面的端部(外露长度20cm)采用水平注浆锚杆配套螺母12固定在壁面上，并对水平注浆锚杆14施加预紧力，构成沿留对拉锚固系统；

步骤7、把砼输送管路连接至倾斜注浆锚杆3和水平注浆锚杆14尾部的注浆孔10，然后启动混凝土输送设备，将搅拌好的注浆材料(42.5水泥:水＝0.5:1)经由砼输送管路注入各个防跑浆袋2，因防跑浆袋2具有滤水不滤浆功能，不必使用注浆锚杆封堵器，且可饱满充填注浆孔，起到全长锚杆锚固作用。

上述步骤7中的混凝土输送设备包括连接在一起的混凝土搅拌机和混凝土输送泵。

关键点1：对顶、底倾斜注浆锚杆3外部采用纵向拉紧构件(横向限帮加固装置)，可起到阻止帮部煤岩体发生片帮，增强围岩体内摩擦角，大大提高了围岩体整体强度，限制了围岩体变形，且顶、底倾斜注浆锚杆3镶嵌至稳定岩层中(斜拉锚固系统)，整体构件具有“包裹”作用，具有桁架支护作用效果；再配合帮部防跑浆水平注浆锚杆14(沿掘对拉锚固系统)从窄煤柱23两侧水平拉紧，提高了煤柱整体的稳定性。

关键点2：注浆锚杆外部套有柔软滤水不滤浆的防跑浆袋包裹，固定卡5能够将防跑浆袋2紧密固定在倾斜注浆锚杆3上，防止防跑浆袋2两端出现浆液外溢，不必使用注浆锚杆封堵器，且可饱满充填注浆孔，保证了浆液不会从破裂的围岩裂隙或节理裂隙中发生跑浆现象，可以保证设定的围岩压力值，起到良好的全长锚固作用。

关键点3：带有包裹防跑浆袋2的注浆锚杆，不仅可以保护杆体材料免受地下水侵蚀，更可以具有很好的抵抗围岩剪切破坏和抗压破坏作用。

Claims (9)

1.一种沿空留巷窄煤柱的锚固结构，其特征在于，包括沿窄煤柱(23)长度方向间隔设置的斜拉锚固系统和沿留对位锚固系统，

所述斜拉锚固系统包括对称安装在窄煤柱(23)方形截面四个角的倾斜注浆锚杆(3)，安装在窄煤柱(23)顶板上的倾斜注浆锚杆(3)两端分别穿过窄煤柱(23)顶板和窄煤柱(23)侧壁，安装在窄煤柱(23)底板上的倾斜注浆锚杆(3)两端分别穿过窄煤柱(23)底板和窄煤柱(23)侧壁，各个倾斜注浆锚杆(3)上通过固定卡(5)固定包裹防跑浆袋(2)，所述倾斜注浆锚杆(3)位于顶、底板外的端头上设有斜锚杆锚头(1)，安装在窄煤柱(23)方形截面上部顶角的倾斜注浆锚杆(3)在位于窄煤柱(23)侧壁上的外露段穿过固定在侧壁上的拉筋螺母件(7)并被固定，安装在窄煤柱(23)方形截面下部顶角的倾斜注浆锚杆(3)在位于窄煤柱(23)侧壁上的外露段穿过固定在侧壁上的“U”槽拉筋件(9)并被固定，所述拉筋螺母件(7)和“U”槽拉筋件(9)通过横向限帮加固装置连接在一起；

所述沿留对位锚固系统包括穿过窄煤柱(23)方形截面预设水平钻孔(15)的水平注浆锚杆(14)，所述水平注浆锚杆(14)上通过固定卡(5)固定包裹防跑浆袋(2)，水平注浆锚杆(14)两端分别穿过对应水平钻孔(15)的位置设在窄煤柱(23)两侧的钢筋网和托盘(13)，并被水平注浆锚杆配套螺母(12)固定在壁面上。

2.根据权利要求1所述的一种沿空留巷窄煤柱的锚固结构，其特征在于，所述横向限帮加固装置包括“U”型拉筋杆(11)，所述“U”型拉筋杆(11)的弯曲段卡在“U”槽拉筋件(9)的U型槽内，“U”型拉筋杆(11)的两端穿过“U”槽拉筋件(9)上方的拉筋螺母件(7)上对称的拉筋穿过孔(7-1)，并被拉筋螺母(8)固定。

3.根据权利要求2所述的一种沿空留巷窄煤柱的锚固结构，其特征在于，所述“U”型拉筋杆(11)材料为圆钢或螺纹钢筋，其两端带有10～20cm标准螺纹。

4.根据权利要求1所述的一种沿空留巷窄煤柱的锚固结构，其特征在于，所述水平注浆锚杆(14)有两根，上下平行设置。

5.根据权利要求1所述的一种沿空留巷窄煤柱的锚固结构，其特征在于，所述水平注浆锚杆(14)两端各伸出窄煤柱(23)侧壁壁面20cm。

6.根据权利要求1所述的一种沿空留巷窄煤柱的锚固结构，其特征在于，斜锚杆锚头(1)采用尼龙分体组合式安装在倾斜注浆锚杆(3)上。

7.根据权利要求1所述的一种沿空留巷窄煤柱的锚固结构，其特征在于，防跑浆袋(2)材料采用本质安全型的无纺布、编织布料或纤维布材料制成。

8.一种沿空留巷窄煤柱的加固方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在上区段回采巷道(24)和下区段沿空留巷(22)内，采用坑道钻机或者锚杆钻机向窄煤柱(23)钻进水平钻孔(15)和顶、底板倾斜钻孔(4)，水平钻孔(15)和顶、底板倾斜钻孔(4)在沿窄煤柱(23)长度方向上依次间隔设置，清孔；

步骤2、将倾斜注浆锚杆(3)穿过防跑浆袋(2)，并采用固定卡(5)将防跑浆袋(2)固定在倾斜注浆锚杆(3)两端；

步骤3、将包裹防跑浆袋(2)的倾斜注浆锚杆(3)穿过顶、底板倾斜钻孔(4)，并将斜锚杆锚头(1)安装到倾斜注浆锚杆(3)位于顶、底板外的端头上，构成斜拉锚固系统；

步骤4、将拉筋螺母件(7)的斜钻孔(7-2)套在顶板上的倾斜注浆锚杆(3)位于煤壁侧的外露段，并采用螺母(6)将拉筋螺母件(7)固定在煤壁上，拧紧螺母(6)施加一定预紧力；同样的方式，将“U”槽拉筋件(9)的斜钻孔套在底板上的倾斜注浆锚杆(3)位于煤壁侧的外露段，并采用螺母(6)将“U”槽拉筋件(9)固定在煤壁上，拧紧螺母(6)施加一定预紧力；

步骤5、在窄煤柱(23)的两侧分别将“U”型拉筋杆(11)的弯曲段卡在“U”槽拉筋件(9)的U型槽内，“U”型拉筋杆(11)的两端穿过拉筋螺母件(7)的拉筋穿过孔(7-1)，并在两端的螺纹处采用拉筋螺母(8)上紧，施加一定预应力，构成纵向桁架拉筋结构，从而在窄煤柱(23)两侧形成横向限帮加固装置；

步骤6、将水平注浆锚杆(14)穿过防跑浆袋(2)，并采用固定卡(5)将防跑浆袋(2)固定在水平注浆锚杆(14)两端，若窄煤柱(23)的宽度超过单根水平注浆锚杆(14)的长度，可采用对接套管连接两根或多根水平注浆锚杆(14)，然后将包裹安装好防跑浆袋(2)的水平注浆锚杆(14)送入水平钻孔(15)内，水平注浆锚杆(14)的两端分别穿过对应水平钻孔(15)的位置设在窄煤柱(23)两侧的钢筋网和托盘(13)，并将水平注浆锚杆(14)外露出窄煤柱(23)壁面的端部采用水平注浆锚杆配套螺母(12)固定在壁面上，并对水平注浆锚杆(14)施加预紧力，构成沿留对拉锚固系统；

步骤7、把砼输送管路连接至倾斜注浆锚杆(3)和水平注浆锚杆(14)的尾部注浆孔(10)，然后启动混凝土输送设备，将搅拌好的注浆材料经由砼输送管路注入各个防跑浆袋(2)。

9.根据权利要求8所述的一种沿空留巷窄煤柱的加固方法，其特征在于，所述混凝土输送设备包括连接在一起的混凝土搅拌机和混凝土输送泵。