CN107965332B - 煤矿巷道底板防底鼓预应力钢筋支护方法 - Google Patents
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Abstract
煤矿巷道底板防底鼓预应力钢筋支护方法，包括以下步骤：在预应力钢筋下端设置导向帽和下锚具；滞后掘进迎头打设竖向钻孔；推送预应力钢筋至竖向钻孔孔底并灌浆锚固，预埋注浆管，并将隔板设置在注浆管上；铺设槽钢梁、安装配套的托盘和上锚具，并张拉预紧；对隔板以上至地面的竖向钻孔进行封孔，并对底板地面进行硬化；通过预埋注浆管对封孔段下方的竖向通孔内部进行注浆加固。本发明在对巷道顶板和两帮进行强力支护的基础上，通过对巷道底板采用“预应力钢筋形成锚索群支护与注浆加固”协同控制方法，实现底板“高强度、高预应力、大深度”主动及时支护，保证复杂困难条件下巷道底板稳定性。
Description
技术领域
本发明属于煤矿巷道支护技术领域，具体涉及一种煤矿巷道底板防底鼓预应力钢筋支护方法。
背景技术
随着煤炭资源的逐步开采，煤矿开采深度日益增大、采动环境日益复杂、深部岩体呈现出软岩特性、巷道断面增长至大断面或特大断面，致使巷道底鼓问题日趋严重。对于煤矿巷道底板变形控制，目前常用的支护技术手段主要有：封闭支架支护、反底拱支护、锚杆支护、锚索支护以及注浆加固等，虽然采用常规技术手段减轻了巷道底板变形，但仍然存在以下问题：在支护设计思路上，仍然存在“重顶板和两帮、轻底板”的问题；在底板变形控制技术上，则存在底板“支护强度小、预应力不足、支护深度不够”的问题，致使底板破坏深度持续增大，使得底板处于“经常翻修、经常底鼓”的恶性循环当中，巷道底鼓问题得不到有效根治。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种煤矿巷道底板防底鼓预应力钢筋支护方法，该方法在对顶板和两帮进行强力支护的基础上，将“预应力钢筋形成锚索群支护和注浆加固”有机结合起来，可有效解决现有巷道底板变形控制技术中“支护强度小、预应力不足、支护深度不够”的问题，并通过注浆加固主动强化底板承载能力，真正实现巷道底板“高强度、高预应力、大深度”主动及时支护，进而有效控制深部高应力作用下软岩巷道严重底鼓问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：煤矿巷道底板防底鼓预应力钢筋支护方法，包括以下步骤，
（1）截取大于在巷道底板上进行竖向钻孔的深度50-100mm的预应力钢筋；将下锚具安装到预应力钢筋的下端部，使下锚具与预应力钢筋之间预紧，将导向帽安装到下锚具上，预应力钢筋的下端头位于导向帽内；
（2）在巷道掘出且顶板、两帮支护完成后，滞后掘进迎头40m-60m，按照设计巷道底板上的竖向钻孔的布置参数，在巷道底板上向下均匀钻若干个竖向钻孔；
（3）位于同一直线上的相邻的三个竖向钻孔为一组支护结构，将导向帽朝下，将带有导向帽和下锚具的预应力钢筋放入一组对支护结构的一个竖向钻孔内，直到导向帽下端与竖向钻孔的孔底接触后停止下放，使竖向钻孔的中心线与预应力钢筋的中心线重合；将搅拌好的水泥砂浆注入到竖向钻孔内形成灌浆锚固段，导向帽和下锚具被预埋到灌浆锚固段内；
（4）对该组支护结构的另两个竖向钻孔重复步骤（3）；
（5）截取一定长度的槽钢梁，将槽钢梁放置在该组支护结构的三个竖向钻孔的孔口上，在槽钢梁上开设三个钢筋穿孔和三个注浆孔，每个钢筋穿孔的中心线分别与一个竖向钻孔的中心线重合，每个注浆孔均邻近一个钢筋穿孔并位于一个竖向钻孔的孔口上方；
（6）选取一根注浆管和一个圆盘形的隔板，在隔板上开设第一圆孔和第二圆孔，第一圆孔位于隔板的中心处，第二圆孔与第一圆孔的距离等于相邻的钢筋穿孔和注浆孔的距离，将隔板放置到槽钢梁的底部，第一圆孔与钢筋穿孔上下对应，第二圆孔与注浆孔上下对应，将预应力钢筋上端自下而上穿过第一圆孔和钢筋穿孔，注浆管下端自上而下穿过注浆孔和第二圆孔，注浆管下端伸入到竖向钻孔内一段距离后，将槽钢梁抬起，在注浆管上位于隔板下方的位置设置支撑环，并使用胶带缠绕到注浆管上使支撑环固定，支撑环的外径大于第二圆孔的孔径，松开隔板，隔板落到支撑环上，放下槽钢梁，继续下放注浆管，使隔板距离竖向钻孔的孔口4000-500mm后停止；
（7）对该组支护结构的另两个竖向钻孔重复步骤（6）；
（8）待灌浆锚固段凝固2天后，在三根预应力钢筋上分别安装托盘和上锚具，同时对三根预应力钢筋向上张拉至设计预紧力，然后操作上锚具锚固预应力钢筋的上端；三根预应力组合起来形成预应力锚索群，实现巷道底板的高强度、高预应力、大深度主动支护；
（9）槽钢梁的宽度小于竖向钻孔的直径，通过槽钢梁与竖向钻孔之间的缺口，对三个竖向钻孔进行封孔，封孔过程为：向隔板上方的竖向钻孔内注入水泥砂浆进行封孔，并使用小型振动棒将水泥砂浆振实，凝固后形成封孔段；
（10）按照步骤（3）-（9）对其他若干组的支护结构进行施工；
（11）所有竖向钻孔全部封孔完成后，对巷道底板地面进行硬化，形成底板硬化层，底板硬化层由钢筋混凝土浇筑而成，底板硬化层的硬化厚度为300mm，槽钢梁、预应力钢筋上端、上锚具和托盘埋入底板硬化层内，注浆管上端伸出底板硬化层；
（12）巷道底板地面硬化完成后，根据巷道底板注浆参数，采用风动注浆泵，通过预埋的注浆管对灌浆锚固段和封孔段之间的竖向钻孔内注入水泥砂浆，使水泥砂浆充分伸入到竖向钻孔的孔壁的裂隙当中，加固底板破碎围岩，凝固后形成注浆加固段；
步骤（3）中灌浆锚固段的具体施工过程为：使用塑料胶管并将塑料胶管下端伸入到竖向钻孔的孔底，并将搅拌好的水泥砂浆通过塑料胶管进行反灌浆，边灌浆边往上提塑料胶管，同时使用振动棒伸入到竖向钻孔的底部，在注入水泥砂浆的同时，对水泥砂浆进行振实，直至达到设计灌浆深度，形成灌浆锚固段，导向帽和下锚具被预埋到灌浆锚固段内。
上锚具和下锚具的构造相同且上下对称设置；
下锚具包括锚固块，锚固块内开设有上下通透的通孔，通孔为下粗上细的圆锥形结构，通孔内设有两个半圆锥形的卡套，两个卡套中心设有与通孔同中心线的圆形插孔，预应力钢筋下端伸入到圆形插孔内，两个卡套之间具有两条均与通孔的中心线平行的间隙，圆形插孔的内壁设有增加与预应力钢筋外圆周轴向摩擦力的环形纹。
锚固块的外形为圆柱形，导向帽的上部为圆筒形结构，导向帽的下部为下尖上粗的圆锥形结构，导向帽的上部内圈螺纹连接在锚固块的外圆周上；
在步骤（3）中导向帽在自上而下进入到竖向钻孔内的过程中为预应力钢筋和下锚具导向。
预应力钢筋外圆周表面均匀设置有若干个浇注在灌浆锚固段内部的连接筋。
竖向钻孔的钻进深度要求进入稳定岩层2m以上，灌入的水泥砂浆的材料类型及参数应根据底板与浆液的作用特征确定。
步骤（8）中预应力钢筋的设计预紧力要求达到极限载荷的50%以上，预应力钢筋的间距和排距的合理选择应能达到有效扩散预应力和有效注浆的目的。
步骤（1）中下锚具与预应力钢筋之间预紧的过程为：将预应力钢筋下端伸入到锚固块的圆锥形的通孔内，圆锥形结构的通孔的较粗端朝下，再把两个卡套夹持预应力钢筋的下端，由下向上插入到圆锥形结构的通孔内，使用锤子向上敲击把两个卡套的下端，并使两个卡套高度保持一致，使预应力钢筋、锚固块和两个卡套固定为一体。
采用上述技术方案，本发明具有以下技术效果：本发明在对巷道顶板和两帮进行强力支护的基础上，采用“预应力钢筋形成的锚索群支护和注浆加固的结构”协同控制巷道底板变形，通过采用“先灌浆锚固、再张拉预应力钢筋预紧、后注浆加固”的施工方法，既实现了预应力锚索群对破碎岩层的高强主动支护，又通过注浆加固主动强化底板承载能力，将浅部岩层锚固在深部稳定岩层中，真正实现了“高强度、高预应力、大深度”主动及时支护，能够有效解决现有底板控制技术中“支护强度小、预应力不足、支护深度不够”的问题，从而保证复杂困难条件下巷道底板稳定性。
本发明中的导向帽为下尖上粗的圆锥形结构，在预应力钢筋向下落入到竖向钻孔底部的过程中，可避免竖向钻孔的孔壁凹凸不平结构的阻挡，使下落到孔底的过程更加顺利。另外导向帽和下锚具在预埋到灌浆锚固段内，起到牢靠锚固预应力钢筋下端的作用。
在预应力钢筋的外部设置连接筋，可进一步增强预应力钢筋与注浆加固段之间连接强度的作用，提高支护效果。
支撑环起到支撑隔板不沿着注浆管下落的作用，隔板起到对封孔段进行注浆时支撑水泥砂浆的作用，同时也起到与预应力钢筋共同作用提高支护效果的作用。
灌浆锚固段和封孔段在注入水泥砂浆时，使用小型振动棒进行振实，特别是对于灌浆锚固段，可提高灌浆锚固段与竖向钻孔的孔壁之间连接强度，充分提高下锚具对预应力钢筋下端的锚固力。
注浆管的下端伸入到竖向钻孔内注浆加固段的下部，这样在使用风动注浆泵进行注浆时，可将浆液自下而上注入到注浆加固段的孔壁的裂隙中，提高注浆加固段与孔壁之间的连接强度。
上锚具和下锚具的构造相同且上下对称，预应力钢筋的外壁与两个卡套形成的圆形插孔内壁的环形纹产生摩擦力后，在预应力钢筋张紧过程中，预应力钢筋拉动两个卡套，两个卡套受到锚固块内圆锥形结构的通孔的阻挡，两个卡套之间的间隙会变小，预应力越大预应力钢筋与两个卡套之间的摩擦力越大，越拉越紧，从而起到良好的锚固作用。
附图说明
图1是发明中一个竖向钻孔内布置一根预应力钢筋的结构示意图；
图2是图1中下锚具和导向帽的放大图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的煤矿巷道底板防底鼓预应力钢筋支护方法，包括以下步骤，
（1）截取大于在巷道底板上进行竖向钻孔的深度50-100mm的预应力钢筋1，预应力钢筋1的直径可根据巷道底板的实际情况确定；将下锚具2安装到预应力钢筋1的下端部，使下锚具2与预应力钢筋1之间预紧，将导向帽3安装到下锚具2上，预应力钢筋1的下端头位于导向帽3内；
（2）在巷道掘出且顶板、两帮支护完成后，滞后掘进迎头40m-60m，按照设计巷道底板上的竖向钻孔的布置参数，在巷道底板上向下均匀钻若干个竖向钻孔；
（3）位于同一直线上的相邻的三个竖向钻孔为一组支护结构，将导向帽3朝下，将带有导向帽3和下锚具2的预应力钢筋1放入一组对支护结构的一个竖向钻孔内，直到导向帽3下端与竖向钻孔的孔底接触后停止下放，使竖向钻孔的中心线与预应力钢筋1的中心线重合；将搅拌好的水泥砂浆注入到竖向钻孔内形成灌浆锚固段4，导向帽3和下锚具2被预埋到灌浆锚固段4内；
（4）对该组支护结构的另两个竖向钻孔重复步骤（3）；
（5）截取一定长度的槽钢梁5，将槽钢梁5放置在该组支护结构的三个竖向钻孔的孔口上，在槽钢梁5上开设三个钢筋穿孔和三个注浆孔，每个钢筋穿孔的中心线分别与一个竖向钻孔的中心线重合，每个注浆孔均邻近一个钢筋穿孔并位于一个竖向钻孔的孔口上方；
（6）选取一根注浆管6和一个圆盘形的隔板7，在隔板7上开设第一圆孔和第二圆孔，第一圆孔位于隔板7的中心处，第二圆孔与第一圆孔的距离等于相邻的钢筋穿孔和注浆孔的距离，将隔板7放置到槽钢梁5的底部，第一圆孔与钢筋穿孔上下对应，第二圆孔与注浆孔上下对应，将预应力钢筋1上端自下而上穿过第一圆孔和钢筋穿孔，注浆管6下端自上而下穿过注浆孔和第二圆孔，注浆管6下端伸入到竖向钻孔内一段距离后，将槽钢梁5抬起，在注浆管6上位于隔板7下方的位置设置支撑环8，并使用胶带缠绕到注浆管6上使支撑环8固定，支撑环8的外径大于第二圆孔的孔径，松开隔板7，隔板7落到支撑环8上，放下槽钢梁5，继续下放注浆管6，使隔板7距离竖向钻孔的孔口4000-500mm后停止；
（7）对该组支护结构的另两个竖向钻孔重复步骤（6）；
（8）待灌浆锚固段4凝固2天后，在三根预应力钢筋1上分别安装托盘9和上锚具10，同时对三根预应力钢筋1向上张拉至设计预紧力，然后操作上锚具10锚固预应力钢筋1的上端；三根预应力组合起来形成预应力锚索群，实现巷道底板的高强度、高预应力、大深度主动支护；
（9）槽钢梁5的宽度小于竖向钻孔的直径，通过槽钢梁5与竖向钻孔之间的缺口，对三个竖向钻孔进行封孔，封孔过程为：向隔板7上方的竖向钻孔内注入水泥砂浆进行封孔，并使用小型振动棒将水泥砂浆振实，凝固后形成封孔段11；
（10）按照步骤（3）-（9）对其他若干组的支护结构进行施工；
（11）所有竖向钻孔全部封孔完成后，对巷道底板地面进行硬化，形成底板硬化层，底板硬化层由钢筋混凝土浇筑而成，底板硬化层的硬化厚度为300mm，槽钢梁5、预应力钢筋1上端、上锚具10和托盘9埋入底板硬化层内，注浆管6上端伸出底板硬化层；
（12）巷道底板地面硬化完成后，根据巷道底板注浆参数，采用风动注浆泵，通过预埋的注浆管6对灌浆锚固段4和封孔段11之间的竖向钻孔内注入水泥砂浆，使水泥砂浆充分伸入到竖向钻孔的孔壁的裂隙当中，加固底板破碎围岩，凝固后形成注浆加固段12；
步骤（3）中灌浆锚固段4的具体施工过程为：使用塑料胶管并将塑料胶管下端伸入到竖向钻孔的孔底，并将搅拌好的水泥砂浆通过塑料胶管进行反灌浆，边灌浆边往上提塑料胶管，同时使用振动棒伸入到竖向钻孔的底部，在注入水泥砂浆的同时，对水泥砂浆进行振实，直至达到设计灌浆深度，形成灌浆锚固段4，导向帽3和下锚具2被预埋到灌浆锚固段4内。
上锚具10和下锚具2的构造相同且上下对称设置；
下锚具2包括锚固块13，锚固块13内开设有上下通透的通孔，通孔为下粗上细的圆锥形结构，通孔内设有两个半圆锥形的卡套14，两个卡套14中心设有与通孔同中心线的圆形插孔15，预应力钢筋1下端伸入到圆形插孔15内，两个卡套14之间具有两条均与通孔的中心线平行的间隙17，圆形插孔15的内壁设有增加与预应力钢筋1外圆周轴向摩擦力的环形纹。
锚固块13的外形为圆柱形，导向帽3的上部为圆筒形结构，导向帽3的下部为下尖上粗的圆锥形结构，导向帽3的上部内圈螺纹连接在锚固块13的外圆周上；
在步骤（3）中导向帽3在自上而下进入到竖向钻孔内的过程中为预应力钢筋1和下锚具2导向。
预应力钢筋1外圆周表面均匀设置有若干个浇注在灌浆锚固段4内部的连接筋16。
竖向钻孔的钻进深度要求进入稳定岩层2m以上，灌入的水泥砂浆的材料类型及参数应根据底板与浆液的作用特征确定。
步骤（8）中预应力钢筋1的设计预紧力要求达到极限载荷的50%以上，预应力钢筋1的间距和排距的合理选择应能达到有效扩散预应力和有效注浆的目的。
步骤（1）中下锚具2与预应力钢筋1之间预紧的过程为：将预应力钢筋1下端伸入到锚固块13的圆锥形的通孔内，圆锥形结构的通孔的较粗端朝下，再把两个卡套14夹持预应力钢筋1的下端，由下向上插入到圆锥形结构的通孔内，使用锤子向上敲击把两个卡套14的下端，并使两个卡套14高度保持一致，使预应力钢筋1、锚固块13和两个卡套14固定为一体。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.煤矿巷道底板防底鼓预应力钢筋支护方法，其特征在于：包括以下步骤，
（1）截取大于在巷道底板上进行竖向钻孔的深度100mm的预应力钢筋；将下锚具安装到预应力钢筋的下端部，使下锚具与预应力钢筋之间预紧，将导向帽安装到下锚具上，预应力钢筋的下端头位于导向帽内；
（2）在巷道掘出且顶板、两帮支护完成后，滞后掘进迎头40m-60m，按照设计巷道底板上的竖向钻孔的布置参数，在巷道底板上向下均匀钻若干个竖向钻孔；
（3）位于同一直线上的相邻的三个竖向钻孔为一组支护结构，将导向帽朝下，将带有导向帽和下锚具的预应力钢筋放入一组支护结构的一个竖向钻孔内，直到导向帽下端与竖向钻孔的孔底接触后停止下放，使竖向钻孔的中心线与预应力钢筋的中心线重合；将搅拌好的水泥砂浆注入到竖向钻孔内形成灌浆锚固段，导向帽和下锚具被预埋到灌浆锚固段内；
（4）对该组支护结构的另两个竖向钻孔重复步骤（3）；
（5）截取一定长度的槽钢梁，将槽钢梁放置在该组支护结构的三个竖向钻孔的孔口上，在槽钢梁上开设三个钢筋穿孔和三个注浆孔，每个钢筋穿孔的中心线分别与一个竖向钻孔的中心线重合，每个注浆孔均邻近一个钢筋穿孔并位于一个竖向钻孔的孔口上方；
（6）选取一根注浆管和一个圆盘形的隔板，在隔板上开设第一圆孔和第二圆孔，第一圆孔位于隔板的中心处，第二圆孔与第一圆孔的距离等于相邻的钢筋穿孔和注浆孔的距离，将隔板放置到槽钢梁的底部，第一圆孔与钢筋穿孔上下对应，第二圆孔与注浆孔上下对应，将预应力钢筋上端自下而上穿过第一圆孔和钢筋穿孔，注浆管下端自上而下穿过注浆孔和第二圆孔，注浆管下端伸入到竖向钻孔内一段距离后，将槽钢梁抬起，在注浆管上位于隔板下方的位置设置支撑环，并使用胶带缠绕到注浆管上使支撑环固定，支撑环的外径大于第二圆孔的孔径，松开隔板，隔板落到支撑环上，放下槽钢梁，继续下放注浆管，使隔板距离竖向钻孔的孔口4000-500mm后停止；
（7）对该组支护结构的另两个竖向钻孔重复步骤（6）；
（8）待灌浆锚固段凝固2天后，在三根预应力钢筋上分别安装托盘和上锚具，同时对三根预应力钢筋向上张拉至设计预紧力，然后操作上锚具锚固预应力钢筋的上端；三根预应力组合起来形成预应力锚索群，实现巷道底板的高强度、高预应力、大深度主动支护；
（9）槽钢梁的宽度小于竖向钻孔的直径，通过槽钢梁与竖向钻孔之间的缺口，对三个竖向钻孔进行封孔，封孔过程为：向隔板上方的竖向钻孔内注入水泥砂浆进行封孔，并使用小型振动棒将水泥砂浆振实，凝固后形成封孔段；
（10）按照步骤（3）-（9）对其他若干组的支护结构进行施工；
（11）所有竖向钻孔全部封孔完成后，对巷道底板地面进行硬化，形成底板硬化层，底板硬化层由钢筋混凝土浇筑而成，底板硬化层的硬化厚度为300mm，槽钢梁、预应力钢筋上端、上锚具和托盘埋入底板硬化层内，注浆管上端伸出底板硬化层；
（12）巷道底板地面硬化完成后，根据巷道底板注浆参数，采用风动注浆泵，通过预埋的注浆管对灌浆锚固段和封孔段之间的竖向钻孔内注入水泥砂浆，使水泥砂浆充分伸入到竖向钻孔的孔壁的裂隙当中，加固底板破碎围岩，凝固后形成注浆加固段；
步骤（3）中灌浆锚固段的具体施工过程为：使用塑料胶管并将塑料胶管下端伸入到竖向钻孔的孔底，并将搅拌好的水泥砂浆通过塑料胶管进行反灌浆，边灌浆边往上提塑料胶管，同时使用振动棒伸入到竖向钻孔的底部，在注入水泥砂浆的同时，对水泥砂浆进行振实，直至达到设计灌浆深度，形成灌浆锚固段，导向帽和下锚具被预埋到灌浆锚固段内。
2.根据权利要求1所述的煤矿巷道底板防底鼓预应力钢筋支护方法，其特征在于：上锚具和下锚具的构造相同且上下对称设置；
下锚具包括锚固块，锚固块内开设有上下通透的通孔，通孔为下粗上细的圆锥形结构，通孔内设有两个半圆锥形的卡套，两个卡套中心设有与通孔同中心线的圆形插孔，预应力钢筋下端伸入到圆形插孔内，两个卡套之间具有两条均与通孔的中心线平行的间隙，圆形插孔的内壁设有增加与预应力钢筋外圆周轴向摩擦力的环形纹。
3.根据权利要求2所述的煤矿巷道底板防底鼓预应力钢筋支护方法，其特征在于：锚固块的外形为圆柱形，导向帽的上部为圆筒形结构，导向帽的下部为下尖上粗的圆锥形结构，导向帽的上部内圈螺纹连接在锚固块的外圆周上；
在步骤（3）中导向帽在自上而下进入到竖向钻孔内的过程中为预应力钢筋和下锚具导向。
4.根据权利要求1所述的煤矿巷道底板防底鼓预应力钢筋支护方法，其特征在于：预应力钢筋外圆周表面均匀设置有若干个浇注在灌浆锚固段内部的连接筋。
5.根据权利要求1所述的煤矿巷道底板防底鼓预应力钢筋支护方法，其特征在于：竖向钻孔的钻进深度要求进入稳定岩层2m以上，灌入的水泥砂浆的材料类型及参数应根据底板与浆液的作用特征确定。
6.根据权利要求1所述的煤矿巷道底板防底鼓预应力钢筋支护方法，其特征在于：步骤（8）中预应力钢筋的设计预紧力要求达到极限载荷的50%以上，预应力钢筋的间距和排距的合理选择应能达到有效扩散预应力和有效注浆的目的。
7.根据权利要求3所述的煤矿巷道底板防底鼓预应力钢筋支护方法，其特征在于：步骤（1）中下锚具与预应力钢筋之间预紧的过程为：将预应力钢筋下端伸入到锚固块的圆锥形的通孔内，圆锥形结构的通孔的较粗端朝下，再把两个卡套夹持预应力钢筋的下端，由下向上插入到圆锥形结构的通孔内，使用锤子向上敲击把两个卡套的下端，并使两个卡套高度保持一致，使预应力钢筋、锚固块和两个卡套固定为一体。
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