CN109026024A - 一种高水平应力作用巷道顶板变形控制方法 - Google Patents

一种高水平应力作用巷道顶板变形控制方法 Download PDF

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Abstract

一种高水平应力作用巷道顶板变形控制方法,包括以下步骤:(1)确定合理的巷道宽度和高度;(2)在巷道两帮上部的肩角围岩处向巷道顶板两侧钻进一组倾斜向上的超前卸压钻孔;(3)对“巷道顶板、巷道两帮、肩角围岩”实施高强高预紧力协同支护控制;(4)在巷道顶板两侧的肩角围岩打设注浆孔并进行注浆加固。本发明可以卸载巷道顶板两侧的高水平应力,将高水平应力转移至巷道顶板深部,并为巷道肩角围岩变形提供补偿空间;可以显著提高巷道围岩的整体抗变形能力,有效避免现有支护方式顾此失彼造成的局部失稳以及全断面的失稳;强化肩角围岩承载能力,增加其抵抗变形的能力,最终确保高水平应力作用下巷道顶板的稳定性。

Description

一种高水平应力作用巷道顶板变形控制方法
技术领域 _
[0001] 本发明属于巷道顶板变形控制技术领域,具体涉及一种高水平应力作用巷道顶板 变形控制方法。
背景技术
[0002] 煤矿地层应力往往以水平应力为主,随着煤矿开采日益进入深部,水平应力更为 突出,在断层、褶皱等构造区域,水平应力更达到垂直应力的2〜4倍。巷道开挖后,在顶板两 侧的高水平应力作用下,顶板受到水平挤压作用而出现严重下沉、离层以及变形破坏,如若 控制不合理,则会发生顶板冒落事故,对人员、设备及安全生产造成严重威胁。当前,对于高 水平应力作用下的巷道顶板控制,多采用加大锚杆锚索支护强度的围岩控制思路,虽然对 顶板控制起到一定改善作用,但是仍然存在以下问题:①加大锚杆锚索的支护强度所产生 的支护应力难以抗衡高水平应力作用下顶板的变形破坏;②高水平应力作用下,巷道顶板 和肩角(顶板和两帮的夹角位置)均易出现严重变形和破坏,肩角围岩的稳定性对顶板控制 具有重要影响,然而现有的支护方式忽视了对肩角围岩的控制。③现有支护方式忽视对顶 板、两帮及肩角的协同控制,顾此失彼造成局部失稳,局部失稳逐步扩展,最终造成顶板冒 落、片帮、巷道全断面收缩等全局性的巷道失稳。
发明内容
[0003] 本发明为克服现有技术存在的问题,提供一种高水平应力作用巷道顶板变形控制 方法,旨在通过巷道顶板水平应力卸压和巷道顶板、巷道两帮及肩角围岩的协同支护控制 技术,有效解决现有技术中存在的“巷道顶板水平应力高、巷道顶板和肩角围岩变形严重、 局部加强支护难以控制巷道顶板变形”等技术难题,从而有效改善巷道顶板变形控制效果。
[0004] 为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:一种高水平应力作用巷道顶板 变形控制方法,包括以下步骤, (1) 巷道断面设计时,在预留巷道变形量的基础上,综合考虑通风、运输、行人、设备安 装及生产安全间隙的需要,确定合理的巷道宽度和高度; (2) 掘进巷道前,在巷道两帮上部的肩角围岩处向巷道顶板两侧钻进一组倾斜向上的 超前卸压钻孔,以卸载巷道顶板两侧的高水平应力,将高水平应力转移至巷道顶板深部,并 为肩角围岩变形提供补偿空间,下一个卸压循环掘进时,在预留一定的超前卸压距离基础 上,再次钻进一组超前卸压钻孔; (3) 巷道掘出后,紧跟掘进头,及时对“巷道顶板、巷道两帮、肩角围岩,’实施高强高预紧 力协同支护控制,提高围岩的整体抗变形能力,并进一步改善巷道顶板的受力环境; (4) 待超前卸压钻孔出现较大径缩和变形破坏后,滞后掘进头一定距离,在巷道顶板两 侧的肩角围岩打设注浆孔并进行注浆加固,通过注浆加固强化肩角围岩承载能力,增加肩 角围岩抵抗变形的能力,并将巷道顶板荷载传递至两帮深部,有效减小巷道顶板变形。
[0005]步骤(3)施工过程具体为,对巷道顶板,采用高强锚杆、高强锚索配合金属网和钢 市进行支护,咼强锚杆和高强锚索间隔布置,g卩在每两排高强锚杆之间打设一排高强锚索; 对巷道两帮,采用高强锚杆配合金属网和钢带进行支护;对于肩角围岩,在前述铺设金属网 和钢带的基础上,在巷道顶板左右两侧和巷道两帮上部分别采用向肩角围岩倾斜的注浆锚 索进行支护,注浆锚索的末端采用树脂锚固剂锚固,锚固完成后对注浆锚索进行张拉预紧, 之后通过注浆锚索钻孔对肩角围岩进行注浆加固。
[0006]步骤(4)具体施工过程为,待超前卸压钻孔出现较大径缩和变形破坏后,滞后掘进 头一定距离,沿着巷道长度方向,在巷道顶板、巷道两帮的注浆锚索之间打设朝向肩角围岩 倾斜的注浆孔,并对注浆孔进行注浆,通过注浆强化肩角围岩承载能力,将巷道顶板荷载传 递至巷道两帮深部,有效减小巷道顶板变形。
[0007]巷道顶板及巷道两帮采用的高强锚杆屈服强度达到500MPa以上,预紧扭矩达到 500N • m以上,高强锚杆的长度达到2500mm以上,高强锚杆的锚固长度达到1200mm以上;采用 的高强锚索的规格为1 X 19结构的直径22mm以上的钢绞线,钢绞线拉断力达到500kN以上, 钢绞线长度达到7〇〇Omtn以上,钢绞线锚固长度达到2000mm以上,钢绞线安装时的张拉力达 至lj200kN以上。
[0008]打设注浆孔之前,需要采用超声波探测仪或钻孔窥视仪测试巷道肩角松动圈的裂 隙发育状态及范围,据此确定打设注浆孔的位置、深度及角度;注浆材料、注浆压力、注浆孔 的间排距等注浆参数则需要根据注浆试验进行确定。
[0009] 超前卸压钻孔的孔径、位置、角度、长度、间距参数应根据巷道围岩应力条件、围岩 结构及岩体力学性质因素选取。
[0010] 采用上述技术方案,本发明具有以下有益效果:本发明通过在肩角围岩向顶板两 侧钻进超前卸压钻孔,可以卸载巷道顶板两侧的高水平应力,将高水平应力转移至巷道顶 板深部,并为巷道肩角围岩变形提供补偿空间;通过紧随掘进头实施“巷道顶板、巷道两帮、 肩角围岩”高强高预紧力协同支护控制,可以显著提高巷道围岩的整体抗变形能力,并进一 步改善巷道顶板受力环境,有效避免现有支护方式顾此失彼造成的局部失稳以及全断面的 失稳;待卸压钻孔出现较大径缩和变形破坏后,通过对肩角围岩进行注浆加固,强化肩角围 岩承载能力,增加其抵抗变形的能力,并将巷道顶板荷载传递至巷道两帮的深部,最终确保 高水平应力作用下巷道顶板的稳定性。
附图说明
[0011] 图1为在肩角围岩处设置的超前卸压钻孔布置断面投影图; 图2为在肩角围岩处设置的超前卸压钻孔布置沿巷道走向水平投影图; 图3为在肩角围岩处设置的超前卸压钻孔布置沿巷道走向垂直剖面投影图; 图4为本发明中巷道顶板、巷道两帮及肩角围岩协同支护控制断面图 图5为巷道顶板支护布置俯视图; 图6为巷道两帮支护布置侧视图; 图7为本发明巷道肩角围岩注浆孔布置断面图。 _
[0012] 图中,1为巷道,2为巷道两帮,3为巷道顶板,4为超前卸压钻孔,5为尚水平应力,6 为肩角围岩,7为高强锚杆,8为高强锚索,9为金属网,1〇为钢带,11为注衆锚索,I2为注菜 孔;11为巷道高度,L为巷道宽度,A为掘进头,B为下一个卸压循环的掘进头,a为卸压钻孔间 距,b为两个掘进头A和B之间的距离,c为超前掘进头B的距离;S、e、9为卸压钻孔与巷道顶板 的夹角,ay为卸压钻孔在水平面上与巷帮的夹角。
具体实施方式
[0013]如图1-图7所示,本发明提出一种高水平应力作用巷道顶板变形控制方法,包括以 下步骤, (1) 对巷道1进行断面设计,在预留巷道变形量的基础上,综合考虑通风、运输、行人、设 备安装及生产安全间隙的需要,确定合理的巷道1的宽度为L米和高度为H米; (2) 掘进巷道1前,紧跟掘进头A,在巷道两帮2的上部向巷道顶板3的两侧钻进一组倾斜 向上的超前卸压钻孔4,卸载巷道顶板3两侧的高水平应力5,将高水平应力5转移至巷道顶 板3深部,并为巷道肩角围岩6提供变形补偿空间,下一个卸压循环掘进时,给掘进头B预留 超前卸压距离c米,并在此掘进一组超前卸压钻孔4;掘进头A和掘进头B之间的距离为b米。 [00M]超前卸压钻孔4的布置参数:在巷道两帮2的上部每组布置三个超前卸压钻孔4,左 右两侧共布置6个超前卸压钻孔4,超前卸压钻孔4的直径为r米,相邻两个超前卸压钻孔4沿 巷道1走向的间距为a米,在水平面上每组的三个超前卸压钻孔4分别与巷道两帮2夹角分别 为H y,超前卸压钻孔4的最内端与掘进头A的距离为b+c米,超前卸压钻孔4的最内端与 掘进头B的距离为c米;在垂直剖面面上,每组的三个超前卸压钻孔4与巷道顶板3的夹角分 别为5、e、0。
[0015]超前卸压钻孔4的孔径、位置、角度、长度、间距等参数应根据巷道围岩应力条件、 围岩结构及岩体力学性质等因素选取。
[0016] (3)巷道1掘出后,紧跟掘进头A,及时对巷道顶板3、巷道两帮2及肩角围岩6实施高 强高预紧力协同支护控制,特别对肩角围岩6采用注浆锚索进行支护,具体施工步骤为:对 巷道顶板3,采用闻强锚杆7、高强锚索8配合金属网9和钢带10进行支护,高强锚杆7和高强 锚索8间隔布置,即在每两排高强锚杆7之间打设一排高强锚索8;对巷道两帮2,采用高强锚 杆7配合金属网9和钢带10进行支护;对于肩角围岩6,在前述巷道顶板3和巷道两帮2铺设金 属网9和钢带10的基础上,在巷道顶板3的左右两侧和巷道两帮2的上部分别采用朝向肩角 围岩6倾斜的注浆锚索11进行支护,每隔两排锚杆7或锚索8布置一根注浆锚索11,巷道顶板 3和巷道两帮2的注浆锚索11打设在同一排;注浆锚索11的末端采用树脂锚固剂锚固,锚固 后对注浆锚索11进行张拉预紧,之后通过注浆锚索11未锚固段的钻孔对肩角围岩6进行注 浆加固,充分利用注浆锚索11的高预紧力主动支护功能及其对肩角围岩6的注浆加固功能。 [0017]巷道顶板3及巷道两帮2采用的高强锚杆7屈服强度达到500MPa以上,预紧扭矩达 到500N_m以上,高强锚杆的长度达到2500mm以上,高强锚杆的锚固长度达到1200mtn以上;巷 道顶板3采用的高强锚索8的规格为1 X IQ结构的直径22mm以上的钢绞线,钢绞线拉断力达 至lj500kN以上,钢绞线长度达到7〇〇〇mm以上,钢绞线锚固长度达到2〇〇〇mm以上,钢绞线安装 时的张拉力达到200kN以上。
[0018] (4)待超前卸压钻孔4出现较大径缩和变形破坏后,滞后掘进头A—定距离,对肩角 围岩6进行钻孔注浆加固,具体施工过程为:沿着巷道长度方向,在巷道顶板3、巷道两帮2的 注浆锚索11之间打设朝向肩角围岩6倾斜的注浆孔12,并对注浆孔12进行注浆,通过注浆加 固强化肩角围岩6的承载能力,将巷道顶板3荷载传递至巷道两帮2的深部,有效减小巷道顶 板3的变形。
[0019]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 (6)

1.一种高水平应力作用巷道顶板变形控制方法,其特征在于:包括以下步骤, (1) 巷道断面设计时,在预留巷道变形量的基础上,综合考虑通风、运输、行人、设备安 装及生产安全间隙的需要,确定合理的巷道宽度和高度; (2) 掘进巷道前,在巷道两帮上部的肩角围岩处向巷道顶板两侧钻进一组倾斜向上的 超前卸压钻孔,以卸载巷道顶板两侧的高水平应力,将高水平应力转移至巷道顶板深部,并 为肩角围岩变形提供补偿空间,下一个卸压循环掘进时,在预留一定的超前卸压距离基础 上,再次钻进一组超前卸压钻孔; (3) 巷道掘出后,紧跟掘进头,及时对巷道顶板、巷道两帮、肩角围岩”实施高强高预紧 力协同支护控制,提高围岩的整体抗变形能力,并进一步改善巷道顶板的受力环境; (4) 待超前卸压钻孔出现较大径缩和变形破坏后,滞后掘进头一定距离,在巷道顶板两 侧的肩角围岩打设注浆孔并进行注浆加固,通过注浆加固强化肩角围岩承载能力,增加肩 角围岩抵抗变形的能力,并将巷道顶板荷载传递至两帮深部,有效减小巷道顶板变形。
2.根据权利要求1所述的一种高水平应力作用巷道顶板变形控制方法,其特征在于:步 骤(3)施工过程具体为,对巷道顶板,采用高强锚杆、高强锚索配合金属网和钢带进行支护, 高强锚杆和高强锚索间隔布置,即在每两排高强锚杆之间打设一排高强锚索;对巷道两帮, 采用高强锚杆配合金属网和钢带进行支护;对于肩角围岩,在前述铺设金属网和钢带的基 础上,在巷道顶板左右两侧和巷道两帮上部分别采用向肩角围岩倾斜的注浆锚索进行支 护,注浆锚索的末端采用树脂锚固剂锚固,锚固完成后对注浆锚索进行张拉预紧,之后通过 注浆锚索钻孔对肩角围岩进行注浆加固。
3.根据权利要求1所述的一种高水平应力作用巷道顶板变形控制方法,其特征在于:步 骤(4)具体施工过程为,待超前卸压钻孔出现较大径缩和变形破坏后,滞后掘进头一定距 离,沿着巷道长度方向,在巷道顶板、巷道两帮的注浆锚索之间打设朝向肩角围岩倾斜的注 浆孔,并对注浆孔进行注浆,通过注浆强化肩角围岩承载能力,将巷道顶板荷载传递至巷道 两帮深部,有效减小巷道顶板变形。
4. 根据权利要求2所述的一种高水平应力作用巷道顶板变形控制方法,其特征在于:巷 道顶板及巷道两帮采用的高强锚杆屈服强度达到500MPa以上,预紧扭矩达到500N.m以上, 高强锚杆的长度达到2500mm以上,高强锚杆的锚固长度达到1200mm以上;采用的高强锚索 的规格为IX I9结构的直径22mm以上的钢绞线,钢绞线拉断力达到500kN以上,钢绞线长度 达到7〇OOmm以上,钢绞线错固长度达到2000mm以上,钢绞线安装时的张拉力达到2〇〇kN以 上。
5. 根据权利要求3所述的一种高水平应力作用巷道顶板变形控制方法,其特征在于:打 设注浆孔之前,需要采用超声波探测仪或钻孔窥视仪测试巷道肩角松动圈的裂隙发育状态 及范围,据此确定打设注浆孔的位置、深度及角度;注浆材料、注浆压力、注浆孔的间排距等 注浆参数则需要根据注浆试验进行确定。
6.根据权利要求1所述的一种高水平应力作用巷道顶板变形控制方法,其特征在于:超 前卸压钻孔的孔径、位置、角度、长度、间距参数应根据巷道围岩应力条件、围岩结构及岩体 力学性质因素选取。
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