CN108222961B - 一种挤压流动型底臌的治理方法 - Google Patents

一种挤压流动型底臌的治理方法 Download PDF

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Abstract

一种挤压流动型底臌的治理办法，其具体步骤为：开掘巷道，安装预应力锚杆，然后清理巷道底板表面障碍物，形成承载层开挖空间，安装帮锚杆；继续向下清挖底板，形成吸能层开挖空间Ⅰ与吸能层开挖空间Ⅱ；然后在空间Ⅰ内安装预应力锚杆；完成后，在空间I、Ⅱ内铺设吸能材料和塑钢网，形成下部吸能层；在承载层开挖空间内铺设混凝土打底，再铺菱形金属网，再灌注混凝土，依次循环充填结束，形成上部承载层；该发明方法从根本上切断了底臌变形发生的“力源”；有效释放岩体内高应力，同时提高底板岩层承载能力和承载范围，有效限制巷道底臌变形；巷道表面的设计使得底板整体强度、刚度和抗弯能力极大提高，避免了不利变形和破坏。

Description

一种挤压流动型底臌的治理方法
技术领域
本发明涉及一种防治巷道底臌的“凸型”吸能方法，尤其是一种挤压流动型底臌的治理方法。
背景技术
底臌是煤矿巷道最为常见的一种破坏形式，底臌变形会引起巷道断面大幅减小，影响矿井的正常运输、行人和通风，加之由于底板是巷道的基础，显著的底臌变形会导致整个巷道失稳，甚至造成重大安全事故。当前，巷道底臌变形最为常用的控制方法主要分为两大类：加固法和卸压法。对于加固法，通过锚杆索配合混凝土反底拱形成的刚性承载结构与底板岩层发生刚性接触，底板压力直接施加到混凝土反底拱结构上，随着高应力源源不断地从底板向混凝土结构释放，当混凝土结构无法承受高应力时，再次鼓起的底板岩层将造成混凝土反底拱结构的开裂、倾斜或失稳；当底臌变形妨碍生产时，需将混凝土结构完全破坏，进行卧底作业，重新建造反底拱。对于卸压法，由于通过钻孔或爆破形成的切缝多形成于围岩表层且空间有限，无法有效降低、缓冲或阻挡两帮传递高垂直应力及地层自身蕴藏的高水平应力；随着岩层运动逐渐加剧，切缝将逐渐闭合，围岩应力又将恢复至高应力状态，继而再次发生底鼓现象，需要重新开缝卸压，但由于底板岩层内水平应力非常强大，仅靠人工结构阻断应力传递是不现实的，而且该结构无法限制由两帮传递来的顶板压力。
发明内容
本发明为了克服底臌凸型形变的问题，提供了一种挤压流动型底臌的治理方法；其方法步骤为：
步骤1：按照设计要求开掘巷道后，对巷道顶板和两帮施工锚杆钻孔，在巷道表面铺设钢筋网、钢筋梯子梁，配合托盘、螺母安装预应力锚杆，保证顶板和两帮围岩稳定，为底板施工提供安全作业环境；
步骤2：清理巷道底板表面障碍物，采用卧底机从巷道设计面向下清挖底板，清挖高度为a，巷道宽度为b，形成承载层开挖空间，其中b为巷道断面设计宽度，a取500～1500mm；
步骤3：承载层开挖空间开挖成型后，立即对承载层开挖空间两帮施工锚杆钻孔，配合托盘、螺母安装帮锚杆，保证承载层开挖空间稳定。帮锚杆为直径20～22mm的全螺纹钢锚杆，外露长度0.1m，伸入围岩内部深度不小于2.0m，锚固长度不小于1.0m，预紧力不小于80KN；
步骤4：继续采用卧底机向下清挖底板，形成吸能层开挖空间Ⅰ，吸能层开挖空间Ⅰ的吸能层高度为c，巷道宽度为b，其中b为巷道开掘宽度，c取500～1000mm。
步骤5：在吸能层开挖空间Ⅰ内，采用人工或机器方法继续向两侧清挖底板，形成吸能层开挖空间Ⅱ，吸能层开挖空间Ⅱ的吸能层高度c，两侧开挖空间宽度为d，其中d取400～800mm；
步骤6：在吸能层开挖空间Ⅰ内，采用锚杆钻机向底板施工锚杆钻孔，配合托盘、螺母安装底板锚杆。底板锚杆为直径20～22mm的螺纹钢锚杆，外露长度0.1m，伸入围岩内部深度不小于2.0m，锚固长度不小于1.0m，预紧力不得低于80KN；
步骤7：在吸能层开挖空间Ⅰ和吸能层开挖空间Ⅱ内，先铺设一层厚度200～400mm的吸能材料，然后铺设一层塑钢网，再逐层铺设吸能材料和钢塑网，直至吸能层开挖空间Ⅰ和吸能层开挖空间Ⅱ充填结束，从而形成下部吸能层；吸能材料包括孔隙性比较大的浮矸、碎石、改性砂浆等岩石材料或兼具韧性和弹性的合成弹性材料等；
步骤8：在承载层开挖空间内，先铺设一层150～200mm厚的混凝土打底，然后铺上一层菱形金属网，再灌注混凝土，依次循环直至整个承载层开挖空间全部充填结束，形成上部承载层；菱形金属网网孔不得大于30mm×30mm。
一种挤压流动型底臌的治理方法工作原理是：
(1)有效卸压:以往的钻孔卸压法中，切缝多形成于围岩表层且空间有限，对围岩内应力释放极为有限；在新的支护结构中，吸能层开挖空间Ⅰ和吸能层开挖空间Ⅱ内的开挖范围遍及底板和两帮深部岩层，是底板压力的集中区域，吸能层开挖空间Ⅰ和吸能层开挖空间Ⅱ的开挖可大范围地释放底板岩层和两帮应力。
(2)吸能原理：充填底板空间的吸能材料可以是孔隙性较大的岩石材料(浮矸、碎石等)或兼具韧性和弹性的合成弹性材料(橡胶等)，该类材料在外力作用下可通过块体间较大的空隙或内部分子间紧密接触变形而发生显著压缩变形，从而将外部压力吸收转化为内力，达到吸收能量的目的。在底板岩层中采用上述岩石或合成材料充填底板空间，通过吸能层开挖空间Ⅰ和吸能层开挖空间Ⅱ内吸能材料的压缩变形，可使底板应力大幅度分散到吸能材料中，从而减低其力学效应，其吸能过程如下：①两帮传递来的垂直应力可直接作用于空间内的吸能材料上，通过材料的垂直压缩变形将由顶板传递来的压力完全吸收、分散，避免帮部煤体的鼓起变形和应力向巷道底板自由面传递；②底板岩层内蕴藏的高水平应力可通过吸能层开挖空间Ⅰ和吸能层开挖空间Ⅱ内吸能材料的水平压缩变形而被吸收、分散，避免直接作用底板岩层。
(3)承载原理：材料发生压缩变形后自身强度和弹性模量均会显著增大，极大提高了材料自身强度；巷道自由面处承载层由混凝土材料和钢筋网逐层浇筑而成，钢筋网的植入使得喷层结构整体强度、刚度和抗弯能力极大提高，以便于巷道运输、行人功能的实现；变形后的吸能层和混凝土层相结构，形成一个整体的凸型承载结构，显著提高了底板岩层的承载能力、整体性和承载范围。
(4)缓冲变形。以往支护结构中，底板岩层与混凝土结构的多是直接刚性接触，底板压力直接反馈到混凝土承载层上；在新的支护结构中，由于吸能材料起到的垫层作用，底板岩层的变形不会反馈到混凝土结构上，而是被垫层结构吸收，从而避免了混凝土结构的开裂、倾斜或失稳，极大提高了混凝土结构的稳定性。
该一种挤压流动型底臌的治理方法的有益效果是：
(1)本发明通过在底板岩层内部开挖空间并利用吸能材料充填，有效释放和转移了两帮传递的高垂直应力和深部底板高水平应力，避免了高应力向巷道自由面的转移，从根本上切断了底臌变形发生的“力源”。
(2)巷道表面设计的混凝土和钢筋网组合结构取代了原有的软弱底板结构，使得底板整体强度、刚度和抗弯能力极大提高，提高了围岩稳定性，避免了不利变形和破坏。
(3)通过本设计可在底板岩层内形成一个下部吸能，上部承载的“凸型”吸能—承载结构，可以有效释放岩体内高应力，同时提高底板岩层承载能力和承载范围，有效限制巷道底臌变形。
附图说明
附图1为本发明的结构原理示意图。
附图2为不同支护方案下巷道变形示意曲线。
图中1.巷道，2.预应力锚杆，3.承载层开挖空间，4.帮锚杆，5.吸能层开掘空间Ⅰ，6.吸能层开掘空间Ⅱ，7.底板锚杆，8.吸能材料，9.塑钢网，10.混凝土，11.菱形金属网，a.清挖高度，b.巷道宽度，c.吸能层高度，d.两侧开挖空间宽度。
具体实施方式
下面结合实施案例，将本发明所述方法与较为常见的锚杆配合混凝土反底拱支护方法进行对比。
某矿20323巷道，巷道宽度5.2m，高度3.5m，底板为3.6m的厚软弱泥岩，在采动压力下该底板极易发生挤压流动型底臌变形；在施工过程中，巷道前400m采用预应力锚杆2配合混凝土反底拱的方法控制底板变形，预应力锚杆2采用直径22mm，长度2.4m的螺纹钢锚杆，间距800mm，排距800mm，混凝土10反底拱厚度为500mm。后面300m采用本发明内容所述方法：清挖高度a为800mm，吸能层高度c为1000mm，两侧开挖空间宽度d为500mm，底板锚杆7底板和两侧帮锚杆4采用直径22mm，长度2.1m的螺纹钢锚杆，间距800mm，排距800mm，吸能材料8采用的是孔隙性较大的碎石块。
对比结果，巷道前400m底臌变形最大值为734mm，混凝土开裂、倾斜现象明显，影响巷道正常使用。巷道后300m底臌变形最大值为113mm，满足巷道正常各类需要无需返修。

Claims (8)

1.一种挤压流动型底臌的治理方法：一种挤压流动型底臌的治理方法中的承载结构包括：巷道(1)，预应力锚杆(2)，承载层开挖空间(3)，帮锚杆(4)，吸能层开掘空间Ⅰ(5)，吸能层开掘空间Ⅱ(6)，底板锚杆(7)，吸能材料(8)，塑钢网(9)，混凝土(10)，菱形金属网(11)，清挖高度(a)，巷道宽度(b)，吸能层高度(c)，两侧开挖空间宽度(d)；
所述的一种挤压流动型底臌的治理方法，其特征步骤为：
步骤1：按照设计要求开掘巷道(1)后，对巷道顶板和两帮施工锚杆钻孔，在巷道表面铺设钢筋网、钢筋梯子梁，配合托盘、螺母安装预应力锚杆(2)，保证顶板和两帮围岩稳定，为底板施工提供安全作业环境；
步骤2：清理巷道底板表面障碍物，形成承载层开挖空间(3)；
步骤3：承载层开挖空间(3)开挖成型后，立即对承载层开挖空间(3)两帮施工锚杆钻孔，配合托盘、螺母安装帮锚杆(4)，保证承载层开挖空间(3)稳定；
步骤4：继续采用卧底机向下清挖底板，形成吸能层开挖空间Ⅰ(5)；
步骤5：在吸能层开掘空间Ⅰ(5)内，采用人工或机器方法继续向两侧清挖底板，形成吸能层开挖空间Ⅱ(6)；
步骤6：在吸能层开挖空间Ⅰ(5)内，采用锚杆钻机向底板施工锚杆钻孔，配合托盘、螺母安装预应力底板锚杆(7)；
步骤7：在吸能层开挖空间I(5)和吸能层开挖空间Ⅱ(6)内，先铺设一层吸能材料(8)，然后铺设一层塑钢网(9)，再逐层铺设吸能材料和钢塑网，直至吸能层开挖空间I(5)和吸能层开挖空间Ⅱ(6)充填结束，从而形成下部吸能层；
步骤8：在承载层开挖空间(3)内，先铺设一层混凝土(10)打底，然后铺上一层菱形金属网(11)，再灌注混凝土，依次循环直至整个承载层开挖空间(3)全部充填结束，形成上部承载层。
2.根据权利要求1所述的一种挤压流动型底臌的治理方法，其特征步骤2中清理巷道采用的是卧底机从巷道设计面向下清挖底板，承载层开挖空间(3)清挖高度为（ a） ，巷道宽度（ b） ，其中（ b） 为巷道断面设计宽度，（ a） 取500～1500mm。
3.根据权利要求1所述的一种挤压流动型底臌的治理方法，其特征步骤3中帮锚杆(4)为直径20～22mm的全螺纹钢锚杆，外露长度0.1m，伸入围岩内部深度不小于2.0m，锚固长度不小于1.0m，预紧力不小于80KN。
4.根据权利要求1所述的一种挤压流动型底臌的治理方法，其特征步骤4中的吸能层开挖空间Ⅰ(5)的吸能层高度为c，巷道宽度为b，巷道宽度b为巷道开掘宽度，c取500～1000mm。
5.根据权利要求1所述的一种挤压流动型底臌的治理方法，其特征步骤5中的吸能层开挖空间Ⅱ(6)的吸能层高度为c，两侧开挖空间宽度为d，其中d取400～800mm。
6.根据权利要求1所述的一种挤压流动型底臌的治理方法，其特征步骤6中的底板锚杆(7)为直径20～22mm的螺纹钢锚杆，外露长度0.1m，伸入围岩内部深度不小于2.0m，锚固长度不小于1.0m，预紧力不得低于80KN。
7.根据权利要求1所述的一种挤压流动型底臌的治理方法，其特征步骤7中的吸能材料(8)厚度为200～400mm，吸能材料(8)包括孔隙性比较大的浮矸、碎石、改性砂浆等岩石材料或兼具韧性和弹性的合成弹性材料。
8.根据权利要求1所述的一种挤压流动型底臌的治理方法，其特征步骤8中的混凝土(10)厚度为150～200mm，菱形金属网网孔不得大于30mm×30mm。
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