CN108561153A - 基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法 - Google Patents

基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法 Download PDF

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欧阳振华
赵启峰
陈莞阳
王哲
王一哲
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方媚龄
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姜士源
董秋琪
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Abstract

本发明公开了一种基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，其步骤为，将巷道围岩划分为弱承载区、关键承载区、强承载区三个区域；分别在弱承载区、关键承载区、强承载区三个区域内安装上全长锚杆、短锚杆以及短锚索,直至整个巷道完成掘进。本发明的支护方法能够有效解决深部巷道结构性失稳的问题，提高了巷道围岩结构的稳定性以及巷道的安全系数。

Description

基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法
技术领域
本发明涉及一种巷道支护技术，特别涉及基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法。
背景技术
我国煤矿已经进入深部开采阶段，虽然很多深部矿井选择在岩性强度较大区域开挖巷道，但随之而来的围岩变形失稳严重、支护失效等问题还是不断出现。目前，针对深部岩巷支护设计，传统方法是采用“锚-网-喷-索-注”联合支护的方式，并减小锚杆、锚索支护间排距，由于该支护仅考虑了围岩切向应力集中影响，没有考虑开挖后围岩强度劣化、剪应力分布等因素，因而很难能解决深部巷道结构性失稳问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，该梯次支护方法能够有效解决深部巷道结构性失稳的问题，提高了巷道围岩结构的稳定性以及巷道的安全系数。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，包括以下步骤：
1)、根据巷道周围的围岩侧压系数，将巷道的复合承载体分为三个承载区域，三个承载区域从巷道顶板到围岩深部依次为弱承载区、关键承载区、强承载区；
所述弱承载区用于承载围岩中的少部分应力；
所述关键承载区用于承载围岩的剪切应力；
所述强承载区用于承载围岩次生应力场的大部分应力；
2)、根据划分的弱承载区、关键承载区、强承载区的厚度，选取分别用于支护弱承载区、关键承载区、强承载区的全长注浆锚杆、端头注浆锚杆以及短锚索；
3)、首先将用于安装在巷道顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚处的全长注浆锚杆安装在弱承载区上，在安装好全长注浆锚杆后，依次通过全长注浆锚杆在弱承载区内进行喷浆操作，然后再对巷道的拱形圈进行造壳支护；
4)、将端头注浆锚杆安装在全长注浆锚杆的一侧，端头注浆锚杆的注浆段位于关键承载区内，另一端位于巷道的拱形圈上，并进行锚固，然后再依次通过端头注浆锚杆向关键承载区内进行注浆；
5)、最后在端头注浆锚杆的一侧安装短锚索，短锚索的一端固定在巷道拱形圈上，另一端穿出强承载区，并向围岩深部延伸，端头注浆锚杆位于全长注浆锚杆与短锚索之间；
6)、在巷道掘进支护的过程中，重复步骤3)～5)，直至整个巷道掘进完成。
优选的，在步骤3)中，全长注浆锚杆在对弱承载区内进行注浆时，注浆厚度与弱承载区的围岩破碎厚度相适应。
优选的，在步骤4)中，端头注浆锚杆的注浆段的注浆范围与关键承载区的厚度相适应。
优选的，在巷道的掘进初始阶段，需要保证强承载区靠近巷壁。
优选的，在实施步骤3)前，首先对巷道顶板以及拱肩、侧帮进行初期支护，待3)以及步骤4)中的注浆浆液凝固后，拆除初期支护。
采用上述技术方案，本发明的基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明的基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，在开始掘进第一段巷道后，根据巷道围岩的侧压系数，将巷道周围的承载体划分为弱承载区、关键承载区、强承载区三个区域，并根据三个区域的支护要求设计相应的锚杆、锚索，使得锚杆、锚索定位精确，最大限度的保护承载体的完整性。
2.本发明的基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，在巷道的拱形圈采用造壳支护，改善了巷道拱形圈的受力状态，提高了承载体的承载能力，使得承载体发挥整体支护能力。
3.本发明的基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，采用梯次支护的方式，能够增大锚杆、锚索之间的排距，进而降低材料使用量，降低支护成本；
4.本发明的基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，在支护安装完成后，通过锚杆、锚索之间协同作用，使弱承载区、关键承载区、强承载区与承载体外的围岩形成一个整体，从而使得巷道周围的围岩结构失稳现象得到有效的限制，提高了巷道围岩结构的稳定性以及巷道的安全系数。
附图说明
图1是本发明的支护示意图；
图2是在无支护状态下的巷道围岩的应力集中系数与侧压系数的线性关系图；
图3是在梯次支护状态下的巷道围岩的应力集中系数与侧压系数的线性关系图。
具体实施方式
下面结合附图，通过对实施例的描述，对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明公开了一种基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护，包括划分在巷道围岩内的弱承载区1、关键承载区2、强承载区3，弱承载区1用于承载围岩中的少部分应力，关键承载区2用于承载围岩的剪切应力，强承载区3用于承载围岩次生应力场的大部分应力。
本发明的梯次支护方法，包括以下步骤：
1)、首先开挖巷道的首段，然后在挖好的巷道内，根据巷道周围的集中应力分布状况，将巷道的复合承载体分为三个承载区域，三个承载区域从巷道顶板到围岩深部依次为弱承载区1、关键承载区2、强承载区3；
2)、根据划分的弱承载区1、关键承载区2、强承载区3的厚度，制作分别用于支护弱承载区1、关键承载区2、强承载区3的全长注浆锚杆4、端头注浆锚杆5以及短锚索6；
3)、首先将用于安装在巷道顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚处的全长注浆锚杆4安装在弱承载区1上，在安装好全长注浆锚杆4后，依次通过全长注浆锚杆4在弱承载区1内进行喷浆操作，全长注浆锚杆4在对弱承载区1内进行注浆时，注浆厚度与弱承载区1的围岩破碎厚度相适应，然后再对巷道的拱形圈进行造壳支护；
4)、将端头注浆锚杆5安装在全长注浆锚杆4的一侧，端头注浆锚杆5的注浆段位于关键承载区2内，另一端位于巷道的拱形圈上，并进行锚固，然后再依次通过端头注浆锚杆5向关键承载区2内进行注浆，端头注浆锚杆5的注浆段的注浆范围与关键承载区2的厚度相适应；
5)、最后在端头注浆锚杆5的一侧安装短锚索6，短锚索6的一端固定在巷道拱形圈上，另一端穿出强承载区3，并向围岩深部延伸，端头注浆锚杆5位于全长注浆锚杆4与短锚索6之间；
6)、继续下一段的巷道挖掘，在巷道掘进支护的过程中，重复步骤3)～5)，直至整个巷道掘进完成。
由于在巷道掘进的过程中，强承载区会逐渐向巷道围岩的深部转移，不利于巷道掘进初期的围岩稳定性，因此，在巷道的掘进初始阶段，需要保证强承载区3靠近巷壁。
本发明为了防止掉矸或者冒顶事故的发生，在实施步骤3)前，首先对巷道顶板以及拱肩、侧帮进行初期支护，待3)以及步骤4)中的注浆浆液凝固后，拆除初期支护。
本发明为了验证梯次支护的有效程度，本发明在3种不同的侧压系数的巷道内进行了无梯次支护与有梯次支护的支护，并进行分析对比。
实施例1
在围岩侧压系数为1.0的围岩中挖掘巷道，在无梯次支护情况下划分弱承载区1、关键承载区2以及强承载区3时，巷道顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚的弱承载区1的厚度均为1.3m，关键承载区2的厚度均为2.0m，强承载区3的厚度均为2.6m，然后分别记录顶板、侧帮以及拱底脚的应力集中程度。
然后设计锚杆、锚索的有效长度如下：顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚处的全长注浆锚杆4的有效长度均为1.7m，顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚处的端头注浆锚杆5的有效长度为2.4m，顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚的短锚索6的有效长度为3.3m，然后按照步骤3)到步骤5)进行巷道的有梯次支护，再记录下在有梯次支护情况下顶板、侧帮以及拱底脚的应急集中程度以及在有梯次支护情况下顶板、侧帮以及拱底脚的弱承载区1、关键承载区2以及强承载区3的实际厚度。
实施例2
与实施例1的区别之处在于，巷道围岩的侧压系数为1.5，无梯次支护情况下划分的巷道顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚的弱承载区1的厚度如下：顶板的弱承载区1、关键承载区2、强承载区3的厚度分别为1.45m、2.35m、2.6m，拱肩与拱底脚的弱承载区1、关键承载区2、强承载区3划分一致，弱承载区1、关键承载区2、强承载区3厚度分别为1.8m、2.85m、3.35m，帮部的弱承载区1、关键承载区2、强承载区3的厚度分别为1.5m、2.55m、2.8m，其余步骤以及所要记录数据与实施例1一致。
实施例3
与实施例1、2的区别之处在于，巷道围岩的侧压系数为1.5，无梯次支护情况下划分的巷道顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚的弱承载区1的厚度如下：顶板的弱承载区1、关键承载区2、强承载区3的厚度分别为1.65m、2.85m、3.15m，拱肩与拱底脚的弱承载区1、关键承载区2、强承载区3划分一致，弱承载区1、关键承载区2、强承载区3厚度分别为2.4m、3.4m、3.65m，帮部的弱承载区1、关键承载区2、强承载区3的厚度分别为1.95m、3.05m、3.5m，其余步骤以及所要记录数据与实施例1、2一致。
表1为无梯次支护情况下，围岩侧压系数分别为1.0、1.5、2.0时的弱承载区1、关键承载区2、强承载区3的厚度。
表2为有梯次支护情况下，围岩侧压系数分别为1.0、1.5、2.0时的弱承载区1、关键承载区2、强承载区3的厚度。
表1
表2
通过表1与表2的对比能够看出，采用了梯次支护后，巷道的承载体厚度有所降低，且更加靠近巷道内壁。由此可知，梯次支护能够有效的减小弱承载区1，限制关键承载区2与强承载区3的扩展，从而保证巷道围岩承载体的稳定性。
对比图2和图3可知，本发明在采用了梯次支护后，巷道的顶板、帮部、底拱脚的应力集中系数依次减小。随着侧压系数的增加，虽然应力集中系数也会随之增加，但是其增幅得到了有效的控制。因此，采用梯次支护后，能够有效的保证巷道围岩的稳定性。
上述的应力集中系数即为在实施例1、2、3中记录的顶板、侧帮以及拱底脚的应力集中程度。
本发明基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，在开始掘进第一段巷道后，根据巷道围岩的侧压系数，将巷道周围的承载体划分为弱承载区、关键承载区、强承载区三个区域，并根据三个区域的支护要求设计相应的锚杆、锚索，使得锚杆、锚索定位精确，最大限度的保护承载体的完整性；在巷道的拱形圈采用造壳支护，改善了巷道拱形圈的受力状态，提高了承载体的承载能力，使得承载体发挥整体支护能力；采用梯次支护的方式，能够增大锚杆、锚索之间的排距，进而降低材料使用量，降低支护成本；在支护安装完成后，通过锚杆、锚索之间协同作用，使弱承载区、关键承载区、强承载区与承载体外的围岩形成一个整体，从而使得巷道周围的围岩结构失稳现象得到有效的限制，提高了巷道围岩结构的稳定性以及巷道的安全系数。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、根据巷道周围的围岩侧压系数，将巷道的复合承载体分为三个承载区域，三个承载区域从巷道顶板到围岩深部依次为弱承载区(1)、关键承载区(2)、强承载区(3)；
所述弱承载区(1)用于承载围岩中的少部分应力；
所述关键承载区(2)用于承载围岩的剪切应力；
所述强承载区(3)用于承载围岩次生应力场的大部分应力；
2)、根据划分的弱承载区(1)、关键承载区(2)、强承载区(3)的厚度，选取分别用于支护弱承载区(1)、关键承载区(2)、强承载区(3)的全长注浆锚杆(4)、端头注浆锚杆(5)以及短锚索(6)；
3)、首先将用于安装在巷道顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚处的全长注浆锚杆(4)安装在弱承载区(1)上，在安装好全长注浆锚杆(4)后，依次通过全长注浆锚杆(4)在弱承载区(1)内进行喷浆操作，然后再对巷道的拱形圈进行造壳支护；
4)、将端头注浆锚杆(5)安装在全长注浆锚杆(4)的一侧，端头注浆锚杆(5)的注浆段位于关键承载区(2)内，另一端位于巷道的拱形圈上，并进行锚固，然后再依次通过端头注浆锚杆(5)向关键承载区(2)内进行注浆；
5)、最后在端头注浆锚杆(5)的一侧安装短锚索(6)，短锚索(6)的一端固定在巷道拱形圈上，另一端穿出强承载区(3)，并向围岩深部延伸，端头注浆锚杆(5)位于全长注浆锚杆(4)与短锚索(6)之间；
6)、在巷道掘进支护的过程中，重复步骤3)～5)，直至整个巷道掘进完成。
2.根据权利要求1所述的基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，其特征在于，在步骤3)中，全长注浆锚杆(4)在对弱承载区(1)内进行注浆时，注浆厚度与弱承载区(1)的围岩破碎厚度相适应。
3.根据权利要求1或2所述的基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，其特征在于，在巷道的掘进初始阶段，需要保证强承载区(3)靠近巷壁。
4.根据权利要求3所述的基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，其特征在于，在实施步骤3)前，首先对巷道顶板以及拱肩、侧帮进行初期支护，待3)以及步骤4)中的注浆浆液凝固后，拆除初期支护。
5.根据权利要求4所述的基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，其特征在于：所述围岩侧压系数为1.0，所述顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚的弱承载区(1)的厚度均为1.3m，关键承载区(2)的厚度均为2.0m，强承载区(3)的厚度均为2.6m。
6.根据权利要求5所述的基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，其特征在于：所述顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚处的全长注浆锚杆(4)的有效长度均为1.7m，顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚处的端头注浆锚杆(5)的有效长度为2.4m，顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚的短锚索(6)的有效长度为3.3m。
7.根据权利要求4所述的基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，其特征在于：所述围岩侧压系数为1.5，所述顶板的弱承载区(1)、关键承载区(2)、强承载区(3)的厚度分别为1.45m、2.35m、2.6m，拱肩与拱底脚的弱承载区(1)、关键承载区(2)、强承载区(3)划分一致，弱承载区(1)、关键承载区(2)、强承载区(3)厚度分别为1.8m、2.85m、3.35m，帮部的弱承载区(1)、关键承载区(2)、强承载区(3)的厚度分别为1.5m、2.55m、2.8m。
8.根据权利要求7所述的基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，其特征在于：所述顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚处的全长注浆锚杆(4)的有效长度分别为2.2m、2.4m、2.0m、2.4m，顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚处的端头注浆锚杆(5)的有效长度分别为3.6m、3.4m、3.1m、3.4m，顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚处的短锚索(6)的有效长度分别为4.5m、4.2m、4.2m、4.2m。
9.根据权利要求4所述的基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，其特征在于：所述侧压系数为2.0，所述顶板的弱承载区(1)、关键承载区(2)、强承载区(3)的厚度分别为1.65m、2.85m、3.15m，拱肩与拱底脚的弱承载区(1)、关键承载区(2)、强承载区(3)划分一致，弱承载区(1)、关键承载区(2)、强承载区(3)厚度分别为2.4m、3.4m、3.65m，帮部的弱承载区(1)、关键承载区(2)、强承载区(3)的厚度分别为1.95m、3.05m、3.5m。
10.根据权利要求9所述的基于深部高水平应力圆形巷道复合承载体的梯次支护方法，其特征在于：所述顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚处的全长注浆锚杆(4)的有效长度分别为2.6m、2.6m、2.5m、2.6m，顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚处的端头注浆锚杆(5)的有效长度分别为3.7m、3.8m、3.7m、3.7m，顶板、拱肩、侧帮以及拱底脚处的短锚索(6)的有效长度分别为4.9m、5.2m、4.8m、5.2m。
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