CN110388214B - 一种巷道围岩高温加热强化的支护方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种巷道围岩高温加热强化的支护方法和装置，该方法包括：步骤一：对预施工巷道的泥质软岩进行取样与分析，分析出泥质软岩中黏土矿物成分组成；步骤二：通过电阻热棒对预施工的泥质软岩岩样进行高温加热，并对其进行工程力学强度进行测定，确定其加热强化参数；步骤三：在泥质软岩掘进施工一个循环并采取临时支护后，将该装置布置在掘进工作面，在确定工作面无瓦斯、煤尘后及时对掘进工作面进行封闭；步骤四：启动该装置，对掘进施工后的泥质软岩进行高温加热，直至加热区域泥质软岩达到步骤二中的加热强化参数；步骤五：待加热区域泥质软岩温度恢复至26摄氏度以下后，立即进行锚杆、锚索等常规支护。
Description
技术领域
本发明涉及一种巷道围岩高温加热强化的支护方法和装置。
背景技术
随着我国中东部浅部煤炭资源趋于枯竭，矿井开采逐渐向深部延伸并向新疆、内蒙古、宁夏等煤炭资源丰富的西部矿区发展。泥质弱胶结软岩在西部矿区侏罗系及白垩系地层中广泛分布，其成岩时间晚、胶结差、强度低、易风化、遇水泥化崩解，是一类特殊软岩。泥质弱胶结软岩巷道开挖后，围岩变形剧烈、破坏严重，常规刚性支架与锚网喷支护技术难以有效维持巷道围岩稳定和安全，主要表现为锚杆、锚索等主动支护结构可锚性较差，锚杆、锚索极易脱锚，且所施预紧力较小，支护效果较差；U型钢支架等被动支护结构承受的围岩压力较大，因局部产生扭曲变形而失稳破坏。
泥质软岩揭露后，遇水极易泥化、崩解，膨胀性强，围岩变形量大，一直是软岩巷道支护中的重大难题，在现有支护方法中，锚杆、锚索等主动支护结构可锚性较差，锚杆、锚索极易脱锚，且所施预紧力较小，支护效果较差；U型钢支架等被动支护结构承受的围岩压力较大，因局部产生扭曲变形而失稳破坏；注浆加固技术由于泥岩裂隙不发育，很难达到浆液扩散，且浆液中的水会加速泥岩风化、崩解。因此，寻求一种新的泥质软岩支护方法，是当前我国煤炭主要产区亟待解决的技术难题。
通过对泥质软岩的电镜扫描分析显示，泥质软岩的特性与其矿物成分密切相关，地层中的粘土矿物常见有伊利石、蒙脱石和高岭土等类型的成分，因此岩石中不同的粘土矿物成分决定了不同的软岩力学性质。泥质软岩所含黏土矿物成分多少与地层年代不同而不同，也决定着泥质软岩的结构构造、水理性质、物化性质，决定了它的工程力学特性也不同。因此，要进行泥质软岩的支护及加固，应从泥质软岩工程力学特性的决定性因素出发，即寻找提高伊利石、蒙脱石、高岭土等矿物成分的性质转变、性能强化方法。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种巷道围岩高温加热强化的支护方法和装置，以解决泥质软岩遇水易泥化、崩解、膨胀导致巷道围岩过度变形影响巷道安全使用的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种巷道围岩高温加热强化的支护方法，该方法包括：
步骤一：对预施工巷道的泥质软岩进行取样与分析，分析出泥质软岩中黏土矿物成分组成；
步骤二：通过电阻热棒对预施工的泥质软岩岩样进行高温加热，加热温度在800℃～1200℃之间，使泥质软岩受热后达到的强度为未受热前的2倍以上，并对其工程力学强度和加热强化参数进行测定；
步骤三：在泥质软岩掘进施工一个循环并采取临时支护后，将巷道围岩高温加热强化的装置布置在掘进工作面，在确定工作面无瓦斯、煤尘后及时对掘进工作面进行封闭；
步骤四：启动巷道围岩高温加热强化的装置，对掘进施工后的泥质软岩进行高温加热，加热温度在800℃～1200℃之间，在巷道内将电阻热棒调整至与巷道断面协调后，通过电能加热电阻热棒，电阻热棒将高温传递给泥质软岩；同时为了达到加热范围，对巷道断面进行钻孔，形成锚杆钻孔，将电阻热棒深入锚杆钻孔内，保障巷道内的围岩均受到高温加热，最后对其进行工程力学强度进行测定，直至加热区域泥质软岩达到步骤二中的工程力学强度，最终在巷道的泥质软岩上形成一层泥质软岩硬化体，在锚杆钻孔的周围形成钻孔硬化体；
步骤五：待加热区域泥质软岩温度恢复至26摄氏度以下后，立即进行锚杆、锚索常规支护，最终在巷道的泥质软岩上形成一层泥质软岩硬化体，在锚杆钻孔的周围形成钻孔硬化体。
优选地，步骤一中的取样与分析，是指采用无水取样法进行取样，保持泥质软岩原始状态，之后在实验室中采用电镜扫描或者X射线的方法分析出泥质软岩中黏土矿物成分组成。
一种巷道围岩高温加热强化的装置，包括布置在巷道内的若干个固定支架，所述固定支架的四周固定设置有若干个加热管托架，所述加热管托架沿着巷道的内壁周向布置，所述加热管托架上设置有若干个均匀分布的围岩加热管，所述围岩加热管贴紧在泥质软岩上，所述巷道的顶部和底部均开设有若干个锚杆钻孔，所述锚杆钻孔内设置有钻孔加热管，所述钻孔加热管至少有一部分延伸至泥质软岩内。
优选地，所述围岩加热管和所述钻孔加热管内均设有电阻热棒。
本发明的有益效果在于：能够解决泥质软岩遇水易泥化、崩解、膨胀导致巷道围岩过度变形影响巷道安全使用的问题，采用从泥质软岩矿物成分角度出发，根本性改变泥质软岩工程特性来达到泥质软岩巷道围岩控制目的。利用巷道围岩高温加热装置，对泥质软岩巷道围岩及锚杆钻孔进行高温加热，可在泥质软岩巷道围岩一定范围内形成一种工程力学特性更高的泥岩硬化产物，从而提高围岩整体承载能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为巷道断面及巷道围岩高温加热强化的装置示意图；
图2为图1中A-A向的剖视图(部分剖视)；
图3为巷道围岩高温加热装置示意图。
图4为高温加热后试样材料强度与温度的关系。
附图标记说明：
1-固定支架、2-加热管托架、3-钻孔加热管、4-围岩加热管、5-泥质软岩硬化体、6-锚杆钻孔、7-泥质软岩、8-钻孔硬化体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图4所示，一种巷道围岩高温加热强化的支护方法，该方法包括：
步骤一：对预施工巷道的泥质软岩7进行取样与分析，分析出泥质软岩7中黏土矿物成分组成；
步骤二：通过电阻热棒对预施工的泥质软岩岩样进行高温加热，加热温度在800℃～1200℃之间，使泥质软岩受热后达到的强度为未受热前的2倍以上，并对其工程力学强度和加热强化参数进行测定；
步骤三：在泥质软岩掘进施工一个循环并采取临时支护后，将巷道围岩高温加热强化的装置布置在掘进工作面，在确定工作面无瓦斯、煤尘后及时对掘进工作面进行封闭；
步骤四：启动启动巷道围岩高温加热强化的装置，对掘进施工后的泥质软岩7进行高温加热，加热温度在800℃～1200℃之间，在巷道内将电阻热棒调整至与巷道断面协调后，通过电能加热电阻热棒，电阻热棒将高温传递给泥质软岩7；同时为了达到加热范围，对巷道断面进行钻孔，形成锚杆钻孔6，将电阻热棒深入锚杆钻孔6内，保障巷道内的围岩均受到高温加热，最后对其进行工程力学强度进行测定，直至加热区域泥质软岩7达到步骤二中的工程力学强度，最终在巷道的泥质软岩7上形成一层泥质软岩硬化体5，在锚杆钻孔6的周围形成钻孔硬化体8；
步骤五：待加热区域泥质软岩7温度恢复至26摄氏度以下后，立即进行锚杆、锚索常规支护。
进一步的，步骤一中的取样与分析，是指采用无水取样法进行取样，保持泥质软岩原始状态，之后在实验室中采用电镜扫描或者X射线的方法分析出泥质软岩中黏土矿物成分组成。
一种巷道围岩高温加热强化的装置，包括布置在巷道内的若干个固定支架1，固定支架1架的四周固定设置有若干个加热管托架2，加热管托架2沿着巷道的内壁周向布置，加热管托架2上设置有若干个均匀分布的围岩加热管4，围岩加热管4贴紧在泥质软岩7上，巷道的顶部和底部均开设有若干个锚杆钻孔6，锚杆钻孔6内设置有钻孔加热管3，钻孔加热管3至少有一部分延伸至泥质软岩7内，其中钻孔加热管3要延伸到泥质软岩7松动圈以外，能够达到常规支护锚杆、锚索的锚固区，使锚固位置得以强化。
进一步的，围岩加热管4和钻孔加热管3内均设有电阻热棒。
如图4所示，与自然状态(25℃)单轴试验值比较，经历400℃，800℃和1000℃高温后试样平均材料强度分别为48.06MPa，54.26MPa和31.27MPa，材料强度平均增幅分别为124.4％，153.3％和46.0％。经历1 000℃以内高温对弱黏结中砂岩具有强化作用，经历800℃以内试样材料强度随温度升高单调增加，超过800℃高温对试样材料强度有所弱化，但经历1 000℃材料强度仍高于自然状态试验值。
温度是影响泥岩蠕变性质的重要因素，高温作用下泥岩在较低的轴向应力作用就呈现出明显的黏性流动特征。在同等的应力水平下，700℃环境下泥岩的蠕变变形量可达到常温时的几倍。
本发明能够解决泥质软岩遇水易泥化、崩解、膨胀导致巷道围岩过度变形影响巷道安全使用的问题，采用从泥质软岩矿物成分角度出发，根本性改变泥质软岩工程特性来达到泥质软岩巷道围岩控制目的。利用巷道围岩高温加热装置，对泥质软岩巷道围岩及锚杆钻孔进行高温加热，可在泥质软岩巷道围岩一定范围内形成一种工程力学特性更高的泥岩硬化产物，从而提高围岩整体承载能力。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种巷道围岩高温加热强化的支护方法，其特征在于，该方法包括：
步骤一：对预施工巷道的泥质软岩进行取样与分析，分析出泥质软岩中黏土矿物成分组成；
步骤二：通过电阻热棒对预施工的泥质软岩岩样进行高温加热，加热温度在800℃～1200℃之间，使泥质软岩受热后达到的强度为未受热前的2倍以上，并对其工程力学强度和加热强化参数进行测定；
步骤三：在泥质软岩掘进施工一个循环并采取临时支护后，将巷道围岩高温加热强化的装置布置在掘进工作面，在确定工作面无瓦斯、煤尘后及时对掘进工作面进行封闭；
步骤四：启动巷道围岩高温加热强化的装置，对掘进施工后的泥质软岩进行高温加热，加热温度在800℃～1200℃之间，在巷道内将电阻热棒调整至与巷道断面协调后，通过电能加热电阻热棒，电阻热棒将高温传递给泥质软岩；同时为了达到加热范围，对巷道断面进行钻孔，形成锚杆钻孔，将电阻热棒深入锚杆钻孔内，保障巷道内的围岩均受到高温加热，最后对其进行工程力学强度进行测定，直至加热区域泥质软岩达到步骤二中的工程力学强度，最终在巷道的泥质软岩上形成一层泥质软岩硬化体，在锚杆钻孔的周围形成钻孔硬化体；
步骤五：待加热区域泥质软岩温度恢复至26摄氏度以下后，立即进行锚杆、锚索常规支护。
2.如权利要求1所述的一种巷道围岩高温加热强化的支护方法，其特征在于，步骤一中的取样与分析，是指采用无水取样法进行取样，保持泥质软岩原始状态，之后在实验室中采用电镜扫描或者X射线的方法分析出泥质软岩中黏土矿物成分组成。
3.基于权利要求1-2任一项所述的一种具有巷道围岩高温加热强化的支护方法的装置，其特征在于，包括布置在巷道内的若干个固定支架，所述固定支架的四周固定设置有若干个加热管托架，所述加热管托架沿着巷道的内壁周向布置，所述加热管托架上设置有若干个均匀分布的围岩加热管，所述围岩加热管贴紧在泥质软岩上，所述巷道的顶部和底部均开设有若干个锚杆钻孔，所述锚杆钻孔内设置有钻孔加热管，所述钻孔加热管至少有一部分延伸至泥质软岩内。
4.如权利要求3所述的一种具有巷道围岩高温加热强化的支护方法的装置，其特征在于，所述围岩加热管和所述钻孔加热管内均设有电阻热棒。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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