CN108194100A - 一种裂隙煤岩体准三维预应力加固方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种裂隙煤岩体准三维预应力加固方法，它在锚网索初期支护，边掘进边喷射混凝土，在巷道的两帮和顶板上安装让压锚杆，在顶板中心线和两侧拱角部位分别安装让压锚索；第二步，注浆加固，在巷道的两帮和顶板向煤岩体中将注入膨胀性浆液；第三步，再次喷射100mm厚度混凝土，第四步，反拱加固；使注浆加固后的煤岩体处于一个准三维受力状态，自身承载能力明显提高。

Description

一种裂隙煤岩体准三维预应力加固方法
技术领域
本发明属于煤矿巷道支护领域。
背景技术
随着我国大埋深矿井的不断增多，带来了深井软岩巷道变形大和围岩破碎的问题，造成支护控制难度大，严重影响了煤矿的生产效益。目前针对此类问题，大部分煤矿普遍采用锚网索加U型钢支架、锚网索+钢管混凝土支架和U型钢全封闭+喷浆等深部巷道围岩控制技术。此类技术没有充分发挥围岩的自承载能力，主要是以钢支架为主的被动支护方法。由于深井地应力大的问题，支护巷道的锚杆和锚索易发生脱锚和拉断破坏、U型钢支架和钢管混凝土支架等发生严重变形等现象，导致支护系统失效。U型钢支架和钢管混凝土支架等被动支护设施，施工复杂，支护成本较高，而且巷道底鼓严重，整体变形量仍然较大，巷道维修较困难。
发明内容
为克服上述深井巷道围岩支护技术的不足，本发明根据复合压力拱协同支护原理，利用准三维预应力主动支护手段，提出了一种裂隙煤岩体准三维预应力加固方法。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种裂隙煤岩体准三维预应力加固方法，其步骤如下：
第一步，锚网索初期支护
首先按照巷道断面的设计形状掘进巷道，边掘进边用喷浆机喷射混凝土，称为初喷层，喷层厚度不小于50mm，以封闭软弱破碎巷道围岩表面；初喷完成后，在巷道的两帮和顶板上按照900mm×700mm间排距布置安装让压锚杆，在顶板中心线和两侧拱角部位分别安装让压锚索，同时布设金属网和钢筋梯，使外壁形成柔性封闭拱，内部形成初期锚网索挤压加固拱，使初期支护设计让压量达到10-30mm，完成巷道锚网索的初期支护；
为了保证设计让压量，上述的让压锚杆选用φ18/Q500左旋无纵肋高强预应力让压锚杆，采用150×150×10mm高强球形托盘，锚杆预紧力不小于40kN；上述的让压锚索选用φ17.8mm×6000mm预应力笼型让压锚索，采用300mm×300mm×12mm高强球形托盘，锚索预紧力不小于140kN，采用规格为CK2550树脂锚固剂进行锚固；钢筋梯采用φ14圆钢钢筋全焊接而成；金属网采用10#铁丝制作的网格60×60mm的菱形金属网；
第二步，注浆加固
初期支护完成一段时间、待深井巷道围岩部分卸压并得到初步控制后，在巷道的两帮和顶板打注浆锚杆钻孔和安装注浆锚杆；所述的注浆锚杆采用预应力中空注浆锚杆，要求中空注浆锚杆的外径D＝25mm，壁厚δ＝3.0-3.5mm，杆体上交叉布置6mm的注浆孔，并具有阻浆结构，安装后用快硬水泥药卷封堵注浆孔；
将中空注浆锚杆与注浆管路连接，通过注浆泵向煤岩体中将注入膨胀性浆液，注浆压力为2-3Mpa；注浆完成后，及时安装托盘、螺母等构件，并施加设定的预应力；
第三步，复喷
利用喷浆机再次喷射混凝土喷，称为复喷，复喷厚度不小于100mm；此时，在锚杆锚索的轴向预应力和膨胀浆液膨胀力的作用，在裂隙煤岩体中形成了准三维预应力加固拱；
第四步，反拱加固
待巷道处于基本稳定状态后，在巷道底板上开挖反拱，并喷射混凝土作为阻浆层，喷层厚度不小于50mm；然后向底板反拱围岩中如同第二步那样打孔安装注浆锚杆、注浆和施加预应力；最后用混凝土回填底板反拱空间至原巷道设计断面，回填混凝土的强度设计为C40；
最终使巷道全断面围岩的煤岩体形成复合压力拱；
上述的喷射混凝土组成成份为：普通425硅酸盐水泥200-220份、粉煤灰30-50份、细沙270-290份、碎石380-400份、速凝剂20-40％，减水剂2-3份；喷射时的水灰质量比为1：0.4-0.6；
上述的膨胀性浆液组成成份为：水1000份、超细水泥780-800份、粉煤灰100-120份,膨胀剂75-80份、减水剂2-3份。
上述的注浆泵选用KBY-50/70型注浆泵和φ25mm高压注浆胶管。
本发明的积极效果如下：
1)开挖巷道断面后，及时喷射混凝土喷层，可以有效封闭软弱或破碎围岩表面，形成喷网柔性封闭拱。然后通过高预应力让压锚网索初期支护，形成初期锚网索挤压加固拱，其中锚索锚固到原岩压力拱，起连接作用。锚杆和锚索让压构件可以使巷道围岩释放部分原岩变形能，有利于后期的巷道支护控制。
2)混凝土喷层材料具有低碱速凝、后期强度高、密实防水抗渗等特点，7d强度能达到35MPa，28d抗压强度能达到50MPa，减水率达到10％以上，改善混凝土的微孔结构和渗透性，水化后C-S-H凝胶数量增多，混凝土致密性提高，满足巷道等锚喷混凝土的防水抗渗要求，抗渗等级可达P 12以上。
3)膨胀性浆液具有高流动性、高渗透性、高强度和高膨胀力等特性，体积膨胀系数为1.06～1.1，可控初凝时间为30～120min，可控终凝时间为3～7天。膨胀性浆液形成的预应力凝固体其承载强度大于母岩强度1～2倍，对破碎煤体的加固强度达到15-20MPa；因此采用膨胀性浆液形成的高膨胀力、和注浆锚杆的高预应力加在一起，相当于向软弱或破碎围岩结构施加了三维预应力，形成三维预应力加固拱，进而充分发挥围岩的自承载能力。
4)开挖巷道底板反底拱并联合使用注浆锚杆，并用混凝土回填底板至原设计断面。此时这种耦合支护方法在巷道全断面围岩的煤岩体中形成了复合压力拱，使巷道保持整体稳定状态。
总之，本发明根据复合压力拱协同支护原理，采用先让后控的主动支护方法，充分发挥围岩自承载能力，能有效控制深井软岩和破碎围岩的变形量，与目前深井巷道控制技术相比，施工简单，支护成本大幅较低。
附图说明
图1是本发明巷道支护断面示意图；
图2是图1的A部放大图；
图3是注浆锚杆安装示意图。
图中，1-巷道，2-让压锚杆，3-让压锚索，4-注浆锚杆，5-柔性封闭拱，6-准三维预应力加固拱，7-回填混凝土，8-阻浆层，9-金属网和钢筋梯，10-高强球形托盘，12-复喷层，13-初喷层，14-止浆塞，15-注浆孔,16-快硬水泥药卷。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案进行详细叙述。
一种裂隙煤岩体准三维预应力加固方法具体实施步骤如下：
一种裂隙煤岩体准三维预应力加固方法，如图1、图2所示：
第一步，锚网索初期支护
首先按照巷道断面的设计形状掘进巷道1，边掘进边用喷浆机喷射混凝土，称为初喷层13，喷层厚度不小于50mm，以封闭软弱破碎巷道围岩表面；初喷完成后，在巷道1的两帮和顶板上按照900mm×700mm间排距布置安装让压锚杆2，在顶板中心线和两侧拱角部位分别安装让压锚索3，同时布设金属网和钢筋梯9，使外壁形成柔性封闭拱5，内部形成初期锚网索挤压加固拱，使初期支护设计让压量达到10-30mm，完成巷道锚网索的初期支护；
为了保证设计让压量，上述的让压锚杆2选用φ18/Q500左旋无纵肋高强预应力让压锚杆，采用150×150×10mm高强球形托盘10，上紧螺母11,施加锚杆预紧力不小于40kN；上述的让压锚索3选用φ17.8mm×6000mm预应力笼型让压锚索，采用300mm×300mm×12mm高强球形托盘，锚索预紧力不小于140kN；采用规格为CK2550树脂锚固剂进行锚固；金属网和钢筋梯9分别采用采用10#铁丝制作的网格60×60mm的菱形金属网和φ14圆钢钢筋全焊接而成；
第二步，注浆加固
锚网索初期支护完成一段时间、待深井巷道围岩部分卸压并得到初步控制后，在巷道1的两帮和顶板打注浆锚杆钻孔和安装注浆锚杆4；所述的注浆锚杆4采用预应力中空注浆锚杆，要求预应力中空注浆锚杆的外径D＝25mm，壁厚δ＝3.0-3.5mm，杆体上交叉布置6mm的注浆孔15，并具有止浆塞14，如图3所示，安装后用快硬水泥药卷16封堵注浆孔15；
将注浆锚杆4与注浆管路连接，通过注浆泵向煤岩体中将注入膨胀性浆液，注浆压力为2-3Mpa；注浆完成后，及时安装托盘、螺母等构件，并施加设定的预应力；
第三步，复喷
利用喷浆机再次喷射混凝土，称为复喷层12，复喷厚度不小于100mm；此时，在锚杆锚索的轴向预应力和膨胀浆液膨胀力的作用，在裂隙煤岩体中形成了准三维预应力加固拱6；
第四步，反拱加固
待巷道1处于基本稳定状态后，在巷道1底板上开挖反拱，并喷射混凝土阻浆层8，喷层厚度不小于50mm；然后向底板反拱围岩中如同第二步那样打孔安装注浆锚杆2、注浆和施加预应力；最后用回填混凝土7回填底板反拱空间，至原巷道设计断面，回填混凝土7的强度设计为C40；
最终使巷道全断面围岩的煤岩体形成复合压力拱。
上述的喷射混凝土组成成份为：普通425硅酸盐水泥200-220份、粉煤灰30-50份、细沙270-290份、碎石380-400份、速凝剂20-40％，减水剂2-3份；喷射时的水灰比1：0.4-0.6。
上述的膨胀性浆液组成成份为：水1000份、超细水泥780-800份、粉煤灰100-120份,膨胀剂75-80份、减水剂2-3份。
上述的注浆泵选用KBY-50/70型注浆泵和φ25mm高压注浆胶管。
本发明所述的份数均指重量份。

Claims (3)

1.一种裂隙煤岩体准三维预应力加固方法，其特征在于，步骤如下：
第一步，锚网索初期支护
首先按照巷道断面的设计形状掘进巷道，边掘进边用喷浆机喷射混凝土，称为初喷层，喷层厚度不小于50mm，以封闭软弱破碎巷道围岩表面；初喷完成后，在巷道的两帮和顶板上按照900mm×700mm间排距布置安装让压锚杆，在顶板中心线和两侧拱角部位分别安装让压锚索，同时布设金属网和钢筋梯，使外壁形成柔性封闭拱，内部形成初期锚网索挤压加固拱，使初期支护设计让压量达到10-30mm，完成巷道锚网索的初期支护；
第二步，注浆加固
初期支护完成一段时间、待深井巷道围岩部分卸压并得到初步控制后，在巷道的两帮和顶板打注浆锚杆钻孔和安装注浆锚杆；所述的注浆锚杆采用预应力中空注浆锚杆，要求中空注浆锚杆的外径D＝25mm，壁厚δ＝3.0-3.5mm，杆体上交叉布置6mm的注浆孔，并具有阻浆结构，安装后用快硬水泥药卷封堵注浆孔；
将中空注浆锚杆与注浆管路连接，通过注浆泵向煤岩体中将注入膨胀性浆液，注浆压力为2-3Mpa；注浆完成后，及时安装托盘和螺母构件，并施加设定的预应力；
第三步，复喷
利用喷浆机再次喷射混凝土喷，称为复喷，复喷厚度不小于100mm；此时，在锚杆锚索的轴向预应力和膨胀浆液膨胀力的作用，在裂隙煤岩体中形成了准三维预应力加固拱；
第四步，反拱加固
待巷道处于基本稳定状态后，在巷道底板上开挖反拱，并喷射混凝土作为阻浆层，喷层厚度不小于50mm；然后向底板反拱围岩中如同第二步那样打孔安装注浆锚杆、注浆和施加预应力；最后用混凝土回填底板反拱空间至原巷道设计断面，回填混凝土的强度设计为C40；
最终使巷道全断面围岩的煤岩体形成复合压力拱。
2.如权利要求1所述的裂隙煤岩体准三维预应力加固方法，其特征在于，
所述的让压锚杆选用φ18/Q500左旋无纵肋高强预应力让压锚杆，采用150×150×10mm高强球形托盘，锚杆预紧力不小于40kN；
所述的让压锚索选用φ17.8mm×6000mm预应力笼型让压锚索，采用300mm×300mm×12mm高强球形托盘，锚索预紧力不小于140kN，采用规格为CK2550树脂锚固剂进行锚固；
所述的钢筋梯采用φ14圆钢钢筋全焊接而成；
所述的金属网采用10#铁丝制作的网格60×60mm的菱形金属网。
3.如权利要求所述的裂隙煤岩体准三维预应力加固方法，其特征在于，
所述的喷射混凝土组成成份为：普通425硅酸盐水泥200-220份、粉煤灰30-50份、细沙270-290份、碎石380-400份、速凝剂20-40份，减水剂2-3份；喷射时的水灰质量比1：0.4-0.6；
所述的膨胀性浆液组成成份为：水1000份、超细水泥780-800份、粉煤灰100-120份,膨胀剂75-80份，减水剂2-3份。
上述份数指的重量份。
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