CN108374672A - 一种加固深部矿井松散煤层巷道围岩的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加固深部矿井松散煤层巷道围岩的方法，在煤矿深部矿井掘进煤层巷道中，综合煤层赋存状况、巷道断面情况，进行超前探煤预设旋喷桩尺寸，在巷道断面轮廓钻孔进行水平旋喷并加钢筋，形成超前顶板旋喷拱形结构；在两帮部间隔设置的U型棚之间旋喷加锚杆形成帮部水平旋喷锚固桩组。本发明充分考虑了深部矿井下岩层条件的复杂程度，高压旋喷超前加固巷道顶板形成承载能力较高的超前顶板旋喷拱形结构，防止巷道掘进过程中工作面垮塌冒顶，确保了巷道安全掘进；掘进工作面后方巷道的U型棚配合帮部旋喷锚固桩组支护，支护阻力高、充分发挥了巷道围岩的自身承载能力，实现了全方位分时段控制巷道围岩，掘进后能够形成稳定的围岩承载结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种加固深部矿井松散煤层巷道围岩的方法，属于巷道围岩稳定性控制领域。
背景技术
深井煤层由于受成岩作用和高地应力的影响，常见松散破碎赋存状态，这类煤层强度低、胶结弱，散体颗粒粒度细。由于松散煤层强度低，锚杆支护难以形成稳定的锚固结构，极易出现锚固剂与围岩界面的分离；由于散煤粒度小，注浆扩散距离有限，注浆加固效果差；此外，由于地应力较高，煤层自稳能力差，被动支护效果差。目前，煤层巷道围岩控制的方法很多，大多采用联合控制方式，如中国专利CN 102817620 A公布了一种特厚松软煤层巷道支护方法，将加固和悬吊理论相结合，采用锚杆、锚索、钢带、网联合支护；中国专利CN 206608188 U公布了一种控制极松软煤层巷道的U型钢支护结构，采用U型钢支架配合锁腿锚杆和卸压钻孔控制极软煤层巷道；专利CN 103195442 A公布的一种煤矿巷道均布注浆结构及其施工工艺，其采用均布巷道周围的注浆锚杆注入浆液固结围岩，同时注浆锚杆形成加固组合拱。
考虑到深部矿井松散煤层巷道的控制难点和支护原理，以上关于煤矿巷道注浆加固、锚杆、架棚及其联合等支护形式加固效果并不好，且操作步骤复杂，不适用于松散煤层巷道稳定性控制。因此，如何提供新的松散煤层巷道围岩控制方法，对于该类煤层巷道围岩稳定性控制和矿井安全高效生产具有重要意义。
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加固深部矿井松散煤层巷道围岩的方法，易于操作，能够针对煤矿井下地质条件的特殊性和深部矿井松散煤层的特点对巷道围岩进行有效加固，可以解决在松散煤层掘巷过程中支护难的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种加固深部矿井松散煤层巷道围岩的方法，包括以下步骤：
步骤一：在巷道沿煤层底板掘进过程中，确定掘进工作面顶部、两帮为松散煤体后，在掘进工作面进行现场旋喷预试验，选取旋喷压力P条件的旋喷桩直径D，根据现场支护强度要求确定旋喷桩相互咬合的宽度系数λ，相邻旋喷桩的咬合量为λD；
步骤二：超前钻孔探煤：在掘进工作面靠近顶板位置处的开挖断面轮廓外侧D/2位置选取水平旋喷桩位，利用钻机沿掘进工作面设计掘进方向钻出超前探煤钻孔，钻孔时钻杆向上倾斜3°，钻进速度为0.04m/s，钻进总长度为L，确定煤层赋存状态以排除断层切割影响；
步骤三：超前顶板加固，形成水平旋喷加筋桩拱形结构：采用预先配制的高标号早强水泥喷浆材料，在超前探煤钻孔的位置进行旋喷注浆加固，钻杆倒退至距孔口约5m处时停止注浆，形成直径为D、长度为L的水平旋喷桩，将分段接长的钢筋沿轴向顶入水平旋喷桩中，然后对孔口用编织袋加速凝剂进行封口、补浆管置于中央进行补浆，凝固养护24小时，形成水平旋喷加筋桩；以超前探煤钻孔处形成的水平旋喷加筋桩为中心向开挖断面轮廓两侧间隔对称旋喷得到多个水平旋喷加筋桩，最终相邻的水平旋喷加筋桩之间相互咬合，形成具有承载能力的超前顶板旋喷拱形结构；
步骤四：巷道掘进、支护，在超前顶板旋喷拱形结构下挖掘巷道，在开挖断面轮廓内侧沿巷道长度方向每隔两米即时架设U型棚进行支护，帮部设背板防止垮塌；
步骤五：滞后帮部锚固，形成水平旋喷锚固桩组：在掘进形成的巷道两侧帮部相邻的两U型棚支架之间，垂直巷道走向自上而下间隔进行帮部水平旋喷锚固桩的施工，水平旋喷锚固桩与水平旋喷加筋桩在空间上相互垂直，且在巷道肩角位置相互搭接；具体施工时，先调整钻机位置进行帮部水平旋喷注浆形成帮部水平旋喷桩，帮部水平旋喷桩起强后在其中心位置钻出旋喷桩钻孔，在形成的旋喷桩钻孔中置入预应力锚杆，预应力锚杆露出帮部水平旋喷桩的外端加托盘和螺母固定，形成帮部水平旋喷锚固桩，一个帮部水平旋喷锚固桩形成后，依次从上向下间隔旋喷得到多个帮部水平旋喷锚固桩，同侧相邻的帮部水平旋喷锚固桩之间相互咬合形成帮部水平旋喷锚固桩组；
步骤六：将巷道同侧帮部依次相邻的水平旋喷锚固桩组之间采用锁腿钢带连接强化，锁腿钢带水平布置，将相邻的两个水平旋喷锚固桩组中处于同一高度的帮部水平旋喷锚固桩的预应力锚杆端部分别连接在一起。
优选的，所述旋喷压力P为20～40MPa，旋喷桩直径D为0.4～0.6m，旋喷桩相互咬合的宽度系数λ为0.5。
优选的，为了提升支护强度，所述步骤二中的钻进总长度L为20m。
优选的，所述步骤三旋喷注浆加固时钻杆倒退速度设定为0.25m/min，倒退至距孔口约5m处停止注浆。
优选的，所述步骤三中钢筋之间采用套筒螺纹连接，两端头2～3cm处用套丝固定。
相对于现有技术，本发明具有如下优势：
(1)本发明充分考虑到了深部矿井下岩层条件的复杂程度，以高压旋喷技术为基础，超前加固巷道顶板，形成承载能力较高的超前顶板旋喷拱形结构，防止巷道掘进过程中工作面垮塌冒顶事故的发生，确保了巷道可以安全掘进；间隔设置的U型棚配合帮部水平旋喷锚固桩组联合支护巷道，提高帮部的承载能力，实现立体全方位、分时段综合控制巷道围岩，巷道掘进过程中掘进工作面稳定，掘进后能够形成稳定的围岩承载结构，对松散煤层巷道控制的实际效果更好；
(2)本发明掘进工作面后方的巷道采用U型棚配合帮部旋喷锚固桩组支护，提供的支护阻力高，且充分发挥了巷道围岩的自身承载能力，支护结构有效防止了松散煤壁垮塌问题；
(3)本发明采用水平旋喷技术对有效射程内的煤体实现轻松置换，是一种先破坏后加固的松散煤层注浆加固技术，有效解决了松散煤体注浆加固效果差的问题；帮部水平旋喷锚固桩是在旋喷桩内部进行二次锚固，胶结强度高、与围岩界面结合强度高，有效解决了松散煤层巷道围岩锚固力低的问题，锚固效果好；
(4)本发明的支护方法易于操作，所提供的水平旋喷桩加固松散煤层巷道围岩的方法，综合了巷道布置、巷道断面尺寸、超前探煤和巷道支护等工序，巷道支护包括超前顶板加固和滞后帮部锚固两个部分，实现巷道施工全过程快速立体加固巷道围岩支护。
附图说明
图1是本发明加固深部矿井松散煤层巷道围岩的结构示意图；
图2是本发明水平旋喷加筋桩超前加固巷道顶板的示意图；
图3是本发明帮部U型棚配合帮部水平旋喷锚固桩支护的示意图；
图4是本发明中的水平旋喷锚固桩的具体结构图；
图中：Ⅰ、超前顶板旋喷拱形结构；1、掘进工作面；2、顶板；3、底板；4、超前探煤钻孔；5a、钢筋；5、水平旋喷加筋桩；Ⅱ、U型棚；Ⅲ、帮部水平旋喷锚固桩组；6、帮部水平旋喷锚固桩；6-1、帮部水平旋喷桩；6-2、旋喷桩钻孔；6-3、预应力锚杆；6-4、托盘；6-5、螺母；7、锁腿钢带；8、松散煤体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图所示，某煤矿1012掘进工作面处于松散煤层，走向长380m，煤层赋存稳定、结构复杂；煤质呈粉末-碎块状，局部鳞片状，顶板2、底板3均为泥岩，巷道处于松散煤体8中，断面为拱形。以该掘进工作面支护为例说明加固深部矿井松散煤层巷道围岩的方法，具体包括以下步骤：
步骤一：在巷道沿煤层底板3掘进过程中，确定掘进工作面1顶部、两帮为松散煤体8后，在掘进工作面1进行现场旋喷预试验，选取旋喷压力P为40MPa，旋喷桩直径D为0.6m，确定旋喷桩相互咬合的宽度系数λ为0.5，相邻旋喷桩的咬合量为0.3m；
步骤二：超前钻孔探煤：在掘进工作面1靠近顶板2位置处的开挖断面轮廓外侧0.3m位置选取水平旋喷桩位，利用钻机沿掘进工作面1设计掘进方向钻出超前探煤钻孔4，钻孔时钻杆向上倾斜3°，钻进速度为0.04m/s，钻进总长度为20m，确定煤层赋存状态以排除断层切割影响；
步骤三：超前顶板加固，形成水平旋喷加筋桩拱形结构：采用预先配制的高标号早强水泥喷浆材料，在超前探煤钻孔4的位置进行旋喷注浆加固，钻杆倒退速度设定为0.25m/min，钻杆倒退至距孔口约5m处时停止注浆，形成直径为0.6m、长度为20m的水平旋喷桩，将分段接长的钢筋5a沿轴向顶入水平旋喷桩中，钢筋5a之间采用套筒螺纹连接，两端头2-3cm处套丝固定；然后对孔口用编织袋加速凝剂进行封口、补浆管置于中央进行补浆，凝固养护24小时，形成水平旋喷加筋桩5；以超前探煤钻孔4处形成的水平旋喷加筋桩5为中心向开挖断面轮廓两侧间隔对称旋喷得到多个水平旋喷加筋桩5，最终相邻的水平旋喷加筋桩5之间相互咬合，形成具有承载能力的超前顶板旋喷拱形结构Ⅰ；
步骤四：巷道掘进、支护，在超前顶板旋喷拱形结构Ⅰ下挖掘巷道，在开挖断面轮廓内侧沿巷道长度方向每隔两米即时架设U型棚Ⅱ进行支护，帮部设背板防止垮塌；
步骤五：滞后帮部锚固，形成水平旋喷锚固桩组：在掘进形成的巷道两侧帮部相邻的两U型棚Ⅱ支架之间，垂直巷道走向自上而下间隔进行帮部水平旋喷锚固桩6的施工，水平旋喷锚固桩6与水平旋喷加筋桩5在空间上相互垂直，且在巷道肩角位置相互搭接；具体施工时，先调整钻机位置进行帮部水平旋喷注浆形成帮部水平旋喷桩6-1，帮部水平旋喷桩6-1起强后在其中心位置钻出旋喷桩钻孔6-2，在形成的旋喷桩钻孔6-2中置入预应力锚杆6-3，预应力锚杆6-3露出帮部水平旋喷桩6-1的外端加托盘6-4和螺母6-5固定，形成帮部水平旋喷锚固桩6，一个帮部水平旋喷锚固桩6形成后，依次从上向下间隔旋喷得到多个帮部水平旋喷锚固桩6，同侧相邻的帮部水平旋喷锚固桩6之间相互咬合形成帮部水平旋喷锚固桩组Ⅲ；
步骤六：将巷道同侧帮部依次相邻的水平旋喷锚固桩组之间采用锁腿钢带7连接强化，锁腿钢带7水平布置，将相邻的两个水平旋喷锚固桩组中处于同一高度的帮部水平旋喷锚固桩6的预应力锚杆6-3端部分别连接在一起进一步强化巷道帮部支护。
Claims (5)
1.一种加固深部矿井松散煤层巷道围岩的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在巷道沿煤层底板(3)掘进过程中，确定掘进工作面(1)顶部、两帮为松散煤体(8)后，在掘进工作面(1)进行现场旋喷预试验，选取旋喷压力P条件的旋喷桩直径D，根据现场支护强度要求确定旋喷桩相互咬合的宽度系数λ，相邻旋喷桩的咬合量为λD；
步骤二：超前钻孔探煤：在掘进工作面(1)靠近顶板(2)位置处的开挖断面轮廓外侧D/2位置选取水平旋喷桩位，利用钻机沿掘进工作面(1)设计掘进方向钻出超前探煤钻孔(4)，钻孔时钻杆向上倾斜3°，钻进速度为0.04m/s，钻进总长度为L，确定煤层赋存状态以排除断层切割影响；
步骤三：超前顶板加固，形成水平旋喷加筋桩拱形结构：采用预先配制的高标号早强水泥喷浆材料，在超前探煤钻孔(4)的位置进行旋喷注浆加固，钻杆倒退至距孔口约5m处时停止注浆，形成直径为D、长度为L的水平旋喷桩，将分段接长的钢筋(5a)沿轴向顶入水平旋喷桩中，然后对孔口用编织袋加速凝剂进行封口、补浆管置于中央进行补浆，凝固养护24小时，形成水平旋喷加筋桩(5)；以超前探煤钻孔(4)处形成的水平旋喷加筋桩(5)为中心向开挖断面轮廓两侧间隔对称旋喷得到多个水平旋喷加筋桩(5)，最终相邻的水平旋喷加筋桩(5)之间相互咬合，形成具有承载能力的超前顶板旋喷拱形结构(Ⅰ)；
步骤四：巷道掘进、支护，在超前顶板旋喷拱形结构(Ⅰ)下挖掘巷道，在开挖断面轮廓内侧沿巷道长度方向每隔两米即时架设U型棚(Ⅱ)进行支护，帮部设背板防止垮塌；
步骤五：滞后帮部锚固，形成水平旋喷锚固桩组：在掘进形成的巷道两侧帮部相邻的两U型棚(Ⅱ)支架之间，垂直巷道走向自上而下间隔进行帮部水平旋喷锚固桩(6)的施工，水平旋喷锚固桩(6)与水平旋喷加筋桩(5)在空间上相互垂直，且在巷道肩角位置相互搭接；具体施工时，先调整钻机位置进行帮部水平旋喷注浆形成帮部水平旋喷桩(6-1)，帮部水平旋喷桩(6-1)起强后在其中心位置钻出旋喷桩钻孔(6-2)，在形成的旋喷桩钻孔(6-2)中置入预应力锚杆(6-3)，预应力锚杆(6-3)露出帮部水平旋喷桩(6-1)的外端加托盘(6-4)和螺母(6-5)固定，形成帮部水平旋喷锚固桩(6)，一个帮部水平旋喷锚固桩(6)形成后，依次从上向下间隔旋喷得到多个帮部水平旋喷锚固桩(6)，同侧相邻的帮部水平旋喷锚固桩(6)之间相互咬合形成帮部水平旋喷锚固桩组(Ⅲ)；
步骤六：将巷道同侧帮部依次相邻的水平旋喷锚固桩组之间采用锁腿钢带(7)连接强化，锁腿钢带(7)水平布置，将相邻的两个水平旋喷锚固桩组中处于同一高度的帮部水平旋喷锚固桩(6)的预应力锚杆(6-3)端部分别连接在一起。
2.根据权利要求1所述的加固深部矿井松散煤层巷道围岩的方法，其特征在于，所述旋喷压力P为20～40MPa，旋喷桩直径D为0.4～0.6m，旋喷桩相互咬合的宽度系数λ为0.5。
3.根据权利要求1所述的加固深部矿井松散煤层巷道围岩的方法，其特征在于，所述步骤二中的钻进总长度L为20m。
4.根据权利要求1所述的加固深部矿井松散煤层巷道围岩的方法，其特征在于，所述步骤三旋喷注浆加固时钻杆倒退速度设定为0.25m/min，倒退至距孔口约5m处停止注浆。
5.根据权利要求1所述的加固深部矿井松散煤层巷道围岩的方法，其特征在于，所述步骤三中钢筋(5a)之间采用套筒螺纹连接，两端头2～3cm处用套丝固定。
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