CN106761867A - 急倾斜回采巷道围岩稳定支护设施及支护工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了急倾斜回采巷道围岩稳定支护设施及支护工艺，其中本发明的回采巷道的巷道断面为斜墙拱形；正上方为拱顶；顶板为斜墙，底板为拱形反底，拱顶下方为巷道底面，将巷道底面分为下一区段煤层及平底。支护设施包括由锚杆、锚索、钢带、金属网形成的锚网支护及在巷道表面的喷浆封闭层。本发明提供的支护工艺由锚网安装及在巷道表面喷射混凝土。本技术针对重复采动影响沿空回采巷道，利用高强度锚杆、锚索，结合W型钢带、金属网，再结合巷道表面喷混凝土的非对称多介质耦合支护方式，能有效控制巷道变形，满足巷道安全生产。急倾斜煤层在我国其储量占总储量15％‑20％，本技术为该类煤层巷道支护奠定了基础，推广前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及到一种煤矿的掘进巷道支护设施，以及掘进巷道支护工艺。属于煤矿开采领域。
背景技术
急倾斜煤层赋存角度为45°以上，是国际公认的难采煤层。我国大倾角和急倾斜煤层占15％～20％的储量，其年产量占全国煤炭总产量的10％左右。急倾斜煤层巷道的顶板、两帮和底板各自岩性不同，且岩层易沿层面滑移，所以巷道的围岩应力分布、矿压显现和支架的承载状况都要比其他煤层复杂，其主要特点为：(1)巷道围岩变形和破坏具有非对称性；(2)因煤层倾角大，重力沿层理方向的作用力增大，受回采影响后，很易引起岩体沿层面滑移；(3)急倾斜煤层巷道底板多为煤层，其强度一般都低于顶底板岩层，尤其是急倾斜煤层的顶底板与煤层的强度相差悬殊时，巷道底臌现象严重。可见，急倾斜煤层巷道的矿压显现较剧烈，支架的受载状况具有非对称性，而现用支架又都单一地仿照缓倾斜煤层巷道用的以承受顶压为主的对称性支架，导致支架因受局部应力集中而损坏，巷道往往需要多次维修与翻修后仍不能满足矿井安全生产的需求，巷道维修费用大大超过成巷费用，大量的巷道因维护不当而报废。
在实践中，采用采区前进，区内后退式回采采煤法进行开采。先采上层煤，后采下一区段层煤。上、下层保持一定的超前距离。回采巷道主要采用沿空留巷的方式，即上一区段工作面的运输平巷留作下一区段工作面的回风平巷。
因此，沿煤层布置的回采巷道要受到两次以上采面回采的影响。
在现有的巷道支护条件下，巷道围岩变形破坏通常具有以下特征：(1)巷道变形量大，在工字钢棚支护下无稳定期，表现出明显的软岩巷道特性。(2)巷道首先从底板开始变形，出现底鼓，继而引起帮脚失稳，最后导致顶板下沉。(3)巷道变形不对称，呈现“底板隆起，顶板下挫”的相互错动变形特征。(4)棚架顶梁没有明显弯曲现象，而棚腿出现严重的弯曲、扭转和钻底现象。(5)部分地段巷道受到水的影响，围岩出现泥化膨胀现象，造成巷道的变形加重。
很多时候，回采巷道在掘进过程中会变形破坏严重，部分区域顶底板移近量接近1m左右，两帮煤岩体松散破碎，通常需多次维修才能勉强维持巷道基本稳定，维修投入费用高，加之以后该巷道为后续采煤工作面服务后将受到更多次采动影响，巷道稳定性维护更加困难，严重影响正常生产，因此，非常有必要解决回采巷道支护问题，使用回采巷道保持稳定，为更多后续开采服务。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种急倾斜回采巷道围岩稳定支护设施，以及支护设施的施工工艺方法。
本发明提供的技术如下。
本发明提供的急倾斜回采巷道围岩稳定支护设施，设置在回采巷道内，回采巷道设置有拱顶、顶板、底板。所述的回采巷道的巷道断面为斜墙拱形；具体为：回采巷道的正上方为拱顶3；顶板4为斜墙，自巷道拱顶沿煤层倾角直线倾斜向下；底板为拱形反底5，自巷道拱顶部弧线拱形向下至平底6；拱顶下方为巷道底面，将巷道底面分为左右侧，靠近顶板一侧为下一区段煤层11，靠近底板一侧为平底6；所述的拱顶高2.4-2.6m，巷道底面宽3-4m。
所述的支护设施包括由锚杆1、锚索2、钢带、金属网12共同形成的锚网支护；以及在巷道表面喷射混凝土形成的喷浆封闭层7。
所述的顶板上设置4排锚杆，靠近拱顶的一排锚杆向拱顶方侧倾斜37-43度；其余的3排锚杆垂直于顶板设置。
所述的拱顶布置一排锚杆，锚杆垂直于拱顶弧形的切线。
所述的拱形反底5布置4排锚杆，锚杆均垂直于拱形反底弧形的切线。
所述的平底6设置两排锚杆，其中一排锚杆设置在拱形反底与平底的夹角处，并向拱形反底方向倾斜40-50度，另一排锚杆设置在平底中部，并向拱形反底方向倾斜12-17度。
所述的顶板4中部设置1排锚索，并垂直于顶板；拱顶中部设置1排锚索，并向顶板侧倾斜8-12度；拱形反底设置3排锚索，并均垂直于拱形反底弧形的切线，锚索排距为950-1050mm。
如上所述的急倾斜回采巷道围岩稳定支护设施，更进一步说明为，所述的金属网为10#铅丝编制，网格规格80×80mm；所述的钢带为W型钢带，宽度280mm，厚度3mm，破断力大于30KN。
如上所述的急倾斜回采巷道围岩稳定支护设施，更进一步说明为，所述的回采巷道内各处的锚杆的排距为0.8m，锚杆之间的间距为0.8m；锚杆为直径20mm，长度为2500mm，预紧力不小于70KN。
如上所述的急倾斜回采巷道围岩稳定支护设施，更进一步说明为，所述的拱形反底设置的三排锚索其排距为1000mm。
如上所述的急倾斜回采巷道围岩稳定支护设施，更进一步说明为，所述的回采巷道内各处的锚索长度为9000mm，锚索间距均为3200mm。
本发明提供的急倾斜回采巷道围岩稳定支护工艺，由以下过程实现：
(1)在巷道巷层内进行钻孔眼，用于安装锚杆与锚索；锚杆孔眼直径28mm；孔眼打到稳定的岩层中，孔眼深2450～2500mm；然后用锚杆连接机锚杆将2只树脂药卷同时送到孔眼底，送进时缓慢推进并连续搅拌，时间为20～30秒；搅拌完毕后，静待2～3分钟待树脂凝固。
(2)铺装金属网12，在金属网下方拱形安装W型钢带，锚杆尾端安装托盘，托盘压住W型钢带，并固定金属网。
(3)打锚索的孔眼，孔眼打到稳定的岩层中，孔眼深9000mm以上，孔眼间距为3200mm，排距为1000mm，误差不超过100mm。
将注浆管用自粘带固定在锚索的一端，注浆管深入锚索0.5～1m，注浆管尾部超出锚索最外端300mm；将排气管绑在距锚索顶端30～50mm处，排气管尾部超出锚索尾端2～3m，然后将装好注浆管与排气管的锚索装入锚索孔眼并封闭锚索孔眼，然后注浆并养护水泥浆24h；在水泥凝固后，在锚索尾端上托盘、紧固定锚索。
(4)在巷道表面喷射混凝土，形成喷浆封闭层；喷射顺序为先喷巷道上帮、下帮，然后喷顶板，最后喷底板；喷射上帮和下帮时，从底部自下而上喷射；在喷射过程中，喷枪头应当与受喷面垂直，喷枪头与受喷面的垂直距离为0.8～1m；喷层厚度为100mm。
如上所述的急倾斜回采巷道围岩稳定支护工艺，更进一步说明为，所述的混凝土按如下配料比配制：425#硅酸盐水泥10份、中粒河沙40份、粒径小于15mm的石子40份、速凝剂0.4份、水灰比为1:0.4～0.5。
如上所述的急倾斜回采巷道围岩稳定支护工艺，更进一步说明为，安装锚索过程中，所述的锚索外露长度为250～300mm，预紧力为23～24Mpa，锚固力为
如上所述的急倾斜回采巷道围岩稳定支护工艺，更进一步说明为，喷射混凝土分两次喷射，第一次喷40mm厚度，间隔24小时后，再喷60mm厚度。
有益效果：
本技术针对重复采动影响沿空回采巷道，利用高强度锚杆、锚索，结合W型钢带、金属网，再结合巷道表面喷混凝土的非对称多介质耦合支护方式，能够有效控制巷道围岩的变形，满足巷道安全生产需求。
本技术之前，煤矿采用的架棚支护，要经过多次维修，大大的增加了巷道的维护成本。而采用本支护技术后，大大地提高了支护效率，降低了维护成本，保证了工作面正常生产，增加了原煤产量。
本技术也极大地降低了工人劳动强度，改善了作业环境，消除了掘进与开采工作面安全隐患。
本技术为矿区推广锚网柔性联合支护技术的起到了示范与推动作用。
本技术提出了“主动支护、关键部位加强支护、二次喷混凝土、耦合支护”的巷道围岩稳定性控制原则，形成了急倾斜煤层重复采动沿空软岩巷道多介质耦合支护理论与技术，丰富了我国急倾斜角煤层的开采理论，拓展了核心技术研究领域，有力地促进了本行业科学技术研究水平的进一步提高。
急倾斜煤层在我国其储量占总储量15％-20％，西部矿区50％以上的矿井开采该类煤层，而且是许多矿区或矿井的主采煤层。本技术为该类煤层巷道支护奠定了坚实的基础，其市场巨大，推广应用前景非常广阔。
附图说明
图1是本发明巷道结构分布图。
图2是本发明巷道支护结构图。
附图标号对应：1-锚杆，2锚索，3-拱顶，4-顶板，5-拱形反底，6-平底，7-喷浆封闭层，8-顶板岩层，9-底板岩层，10-煤层，11-下一区段煤层，12-金属网。
具体实施方式
本发明实施过程产生良好效果的原理如下：
影响急倾斜巷道围岩稳定性的三个因素为：围岩应力、围岩强度、支护。
(1)改善围岩应力。在未受回采影响的岩体内，巷道的围岩变形是由巷道应力集中，以及相邻巷道的影响引起的。合理的巷道断面形状可降低巷道围岩应力，控制围岩变形。对于高应力作用下有剧烈变形的巷道，可通过在巷道掘进中预留变形量，并采用柔性的主动支护形式，使围岩在与支护的协调变形中释放高应力并共同承载。
(2)强化围岩强度。锚杆支护强化围岩强度，锚杆与岩体粘结在一起，提高了岩体的整体强度，增强了岩体的抗变形能力，加强了岩体的整体性；由于锚杆的抗拉作用，当锚杆穿越破碎岩层深入稳定岩层时，对不稳定岩层起着悬吊作用；对于层状岩体，由于锚杆的作用，对岩层离层的产生有着一定的阻碍作用，并增大了岩层间的摩擦力，与锚杆本身的抗剪作用阻住岩层间产生相对滑动，从而将各个岩层加紧形成组合梁，提高了岩层的承载能力。
(3)加强支护。锚杆、锚索、金属网、喷混凝土层等主动支护，就能实现支护结构的主动及时承载，避免围岩出现自由变形，同时锚杆、锚索伸入岩层内部对破碎围岩起到很好的加固作用，能充分调动围岩的自承能力。柔性支护结构具有较好的变形协调能力，能在支护过程中充分发挥其承载能力。支护结构除了要具有较高的承载能力外，还应具有较好的结构稳定性，应当采用锚网等稳定性较好的支护形式。
综合以上分析结果，单一的小范围的加固方法往往不能有效控制巷道围岩的变形与破坏，利用高强度锚杆、锚索，结合W钢带、金属网，再结合巷道表面喷混凝土的非对称多介质耦合支护方式，能够有效控制巷道围岩的变形，满足巷道安全生产需求。
示例一：
本发明进行实验性实施，其实验实施条件如下：
矿井回采巷道具有如下特征：
(1)均属于半煤岩巷，且巷道的顶底板均具有半煤岩特征，巷道的两侧分别为煤层的顶板和底板，这与一般倾角煤层截然不同。
(2)巷道所处煤岩体强度小，倾角大(平均64°)，顶底板均为泥、炭质软弱岩石，底板距下一煤层距离小，仅1.78m，部分段距离仅为0.3m。
(4)回采巷道既要作为本采煤区段煤层的运输巷，又要作为下一采区段煤层工作面的回风巷道，属于沿空巷道，巷道的服务时间较一般回采巷道长。
(5)巷道掘进爆破震动对围岩扰动影响大，巷道成形困难。
本示例的回采巷道设置：
回采巷道断面为斜墙拱形，具体为：回采巷道的正上方为拱顶3；顶板4为斜墙，自巷道拱顶沿煤层倾角直线倾斜向下；底板为拱形反底5，自巷道拱顶部弧线拱形向下至平底6；拱顶下方为巷道底面，将巷道底面分为左右侧，靠近顶板一侧为下一区段煤层11，靠近底板一侧为平底6；所述的拱顶高2.5m，巷道底面宽3.4m。顶板向上为顶板岩层，拱顶的正上方为本区段煤层10，煤层向拱形反底侧倾斜，为大倾角急倾斜煤层。拱形反底与平底均搌进在底板岩层9中。顶板4向上为顶板岩层8。
支护设置：
支护设施包括由锚杆、锚索、钢带、金属网共同形成的锚网支护；以及在巷道表面喷射混凝土形成的喷浆封闭层。
所述的顶板上设置4排锚杆，靠近拱顶的一排锚杆向拱顶方侧倾斜40度；其余的3排锚杆垂直于顶板设置。
所述的拱顶布置一排锚杆，锚杆垂直于拱顶弧形的切线。
所述的拱形反底布置4排锚杆，锚杆均垂直于拱形反底弧形的切线。
所述的平底设置两排锚杆，其中一排锚杆设置在拱形反底与平底的夹角处，并向拱形反底方向倾斜45度，另一排锚杆设置在平底中部，并向拱形反底方向倾斜15度。
所述的顶板中部设置1排锚索，并垂直于顶板；拱顶中部设置1排锚索，并向顶板侧倾斜10度；拱形反底设置3排锚索，并均垂直于拱形反底弧形的切线，锚索排距为1000mm。
本示例支护工艺：
1、锚杆的安装。
(1)、锚杆间距为0.8m，排距0.8m，施工时锚杆全部进入岩体，外露长度不大于50mm，锚杆间距、排距偏差不超过100mm。
(2)、锚杆孔眼钻径为28mm，孔眼必须打到稳定岩层中，孔眼深2450～2500mm。
(3)、用锚杆将树脂药卷送至孔底，送进时缓慢推进并连续搅拌，时间为20-30秒，每根锚杆装2根树脂药卷。
(4)、树脂锚杆搅拌完毕后，用锚杆连接机支撑2-3分钟，待树脂锚固剂凝固再取锚杆连接机。
(5)、安装锚杆托盘应在搅拌完成2分钟后进行。锚杆托盘采用规格为宽度200mm，长度200mm，厚底14mm的可调心托盘。
2、锚杆安装完毕后，再安装金属网、钢带。金属网采用10#铅丝编制，网格规格80×80mm。钢带宽度280mm，厚度3.0mm，破断力大于304kN。
3、安装锚索。
锚索采用双股笼形锚索。单股锚索钢绞线Φ17.8mm，强度级别为1860MPa，单股破断载荷不低于250kN，锚索长度9000mm。锚固方式采用树脂药卷端锚，并注水泥浆全长加固。
锚索注浆加固水泥浆采用普通425#硅酸盐水泥，加水玻璃量为水泥重量的3％，其水灰比为(水：水泥)＝1:2。注浆管采用普通4分焊接钢管制作(内径15mm、壁厚3.5mm)。排气管采用内径4mm、外径6mm的塑料管。
锚索孔眼打到稳定的岩层中，严格控制眼深与锚索长度相一致，锚索外露长度控制在250～300mm，预紧力23～24MPa(80～100kN)，锚固力200kN。锚索孔眼的孔径、锚索直径与锚固剂直径相一致，锚索间距、排距允许误差±100mm。施工过程如下：
(1)、打眼：锚索孔眼径65mm，眼深8700mm。
(2)、安装锚索：将注浆管用自粘带固定在锚索的一端，注浆管深入锚索0.5m～1.0m，注浆管尾部超出锚索最外端300mm。将锚索拉直，把排气管绑在距锚索端30mm～50mm处，用胶带固定，排气管尾部超出锚索外端2m～3m。将锚索连同排气管、注浆管一同送入钻孔内。用棉纱将锚索孔眼四周封装严密，再用快硬水泥封堵严密确保不漏浆。
(3)、注浆：按水与水泥1∶2比例混合搅拌，再加入水玻璃搅拌完成配浆。将排气管放入盛满水的水桶内，开动注浆泵进行注浆，边搅拌边注浆。观察排气管，发现气泡冒出最多时放慢注浆速度，待排气管不再冒气时表明锚索孔已注满。
当水泥浆养护24h后，上锚索托盘、紧固锚索，锚索托盘采用18#槽钢制成，长度为1600mm，上下两根锚索共用一根槽钢托盘。
4、喷射混凝土。混凝土配比为，水泥：沙子：石子＝1：2：2，水泥选用425#硅酸盐水泥，沙子选用中粒河沙，石子粒径不大于15mm，速凝剂用量为水泥重量的4％，水灰比为0.4～0.5，混凝土强度为15MPa，喷层厚度为100mm，分两次喷射。锚网、W钢带装好后先初喷40mm，24小时后再复喷60mm。喷浆后巷道表面平整度不大于±100mm，无明显错差，巷道观感质量良好、表面平整，无明显裂缝、蜂窝、孔洞、露筋现象。
5、本实施例在实验性使用过程中，得到的结论如下：
(1)、巷道围岩变形量在正常值范围内，在开掘巷道25天左右时间，巷道围岩变形进入稳定期。从观测数据显示，拱形反底的底臌明显大于斜墙顶板，拱形反底围岩位移量也明显大于斜墙顶板。
(2)、顶板围岩深部位移：顶板在2m范围内位移量最大为6mm，在2～6m范围内位移量达到38mm，顶板岩层离层量相对较小，说明锚网索+钢带联合支护较可靠，并且已充分发挥了其主动支护作用。
(3)、通过现场观察和锚杆测力计监测表明，锚杆端部受力大小为拱顶最大，拱形返底次之，顶板最小。拱顶和拱形返底锚杆受力在安设4天后，开始下降，之后趋于稳定，而拱形返底锚杆端部受力缓慢增加。
(4)、观测历时278天，期间仅对巷道实验段拱形返底进行了1～2次拉底处理，巷道基本能保证正常生产。
因此，采用本技术后，巷道表面位移变化属于正常范围内，保持了顶板岩层的整体性，有效的控制了围岩变形，避免了工字刚棚支护时在采面回采前的多次返修。
上述实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.急倾斜回采巷道围岩稳定支护设施，设置在回采巷道内，回采巷道设置有拱顶、顶板、底板，其特征在于，所述的回采巷道的巷道断面为斜墙拱形；具体为：回采巷道的正上方为拱顶；顶板为斜墙，自巷道拱顶沿煤层倾角直线倾斜向下；底板为拱形反底，自巷道拱顶部弧线拱形向下至平底；拱顶下方为巷道底面，将巷道底面分为左右侧，靠近顶板一侧为下一区段煤层，靠近底板一侧为平底；所述的拱顶高2.4-2.6m，巷道底面宽3-4m；
所述的支护设施包括由锚杆、锚索、钢带、金属网共同形成的锚网支护；以及在巷道表面喷射混凝土形成的喷浆封闭层；
所述的顶板上设置4排锚杆，靠近拱顶的一排锚杆向拱顶方侧倾斜37-43度；其余的3排锚杆垂直于顶板设置；
所述的拱顶布置一排锚杆，锚杆垂直于拱顶弧形的切线；
所述的拱形反底布置4排锚杆，锚杆均垂直于拱形反底弧形的切线；
所述的平底设置两排锚杆，其中一排锚杆设置在拱形反底与平底的夹角处，并向拱形反底方向倾斜40-50度，另一排锚杆设置在平底中部，并向拱形反底方向倾斜12-17度；
所述的顶板中部设置1排锚索，并垂直于顶板；拱顶中部设置1排锚索，并向顶板侧倾斜8-12度；拱形反底设置3排锚索，并均垂直于拱形反底弧形的切线，锚索排距为950-1050mm。
2.如权利要求1所述的急倾斜回采巷道围岩稳定支护设施，其特征在于，所述的金属网为10#铅丝编制，网格规格80×80mm；所述的钢带为W型钢带，宽度280mm，厚度3mm，破断力大于30KN。
3.如权利要求1所述的急倾斜回采巷道围岩稳定支护设施，其特征在于，所述的回采巷道内各处的锚杆的排距为0.8m，锚杆之间的间距为0.8m；锚杆为直径20mm，长度为2500mm，预紧力不小于70KN。
4.如权利要求1所述的急倾斜回采巷道围岩稳定支护设施，其特征在于，所述的拱形反底设置的三排锚索的排距为1000mm。
5.如权利要求1所述的急倾斜回采巷道围岩稳定支护设施，其特征在于，所述的回采巷道内各处的锚索长度为9000mm，锚索间距均为3200mm。
6.急倾斜回采巷道围岩稳定支护工艺，由以下过程实现：
(1)在巷道岩层内进行钻锚杆孔眼，用于安装锚杆与锚索；孔眼直径28mm；孔眼打到稳定的岩层中，孔眼深2450～2500mm；然后用锚杆连接机锚杆将2只树脂药卷同时送到孔眼底，送进时缓慢推进并连续搅拌，时间为20～30秒；搅拌完毕后，静待2～3分钟待树脂凝固；
(2)铺装金属网，在金属网下方拱形安装W型钢带，锚杆尾端安装托盘，托盘压住W型钢带，并固定金属网；
(3)打锚索孔眼，锚索孔眼打到稳定的岩层中，孔眼深9000mm以上，孔眼间距为3200mm，排距为1000mm，误差不超过100mm；
将注浆管用自粘带固定在锚索的一端，注浆管深入锚索0.5～1m，注浆管尾部超出锚索最外端300mm；将排气管绑在距锚索顶端30～50mm处，排气管尾部超出锚索尾端2～3m，然后将装好注浆管与排气管的锚索装入锚索孔眼并封闭锚索孔眼，然后注浆并养护水泥浆24h；在水泥凝固后，在锚索尾端上托盘、紧固定锚索；
(4)在巷道表面喷射混凝土，形成喷浆封闭层；喷射顺序为先喷巷道两侧，然后喷拱顶，最后喷底面；喷射巷道两侧时，从底部自下而上喷射；在喷射过程中，喷枪头应当与受喷面垂直，喷枪头与受喷面的垂直距离为0.8～1m；喷层厚度为100mm。
7.如权利要求6所述的急倾斜回采巷道围岩稳定支护工艺，其特征在于，所述的混凝土按如下配料比配制：425#硅酸盐水泥10份、中粒河沙40份、粒径小于15mm的石子40份、速凝剂0.4份、水灰比为1:0.4～0.5。
8.如权利要求6所述的急倾斜回采巷道围岩稳定支护工艺，其特征在于，安装锚索过程中，所述的锚索外露长度为250～300mm，预紧力为23～24Mpa，锚固力为200KN。
9.如权利要求6所述的急倾斜回采巷道围岩稳定支护工艺，其特征在于，喷射混凝土分两次喷射，第一次喷40mm厚度，间隔24小时后，再喷60mm厚度。
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