CN110645018B - 矿井下强动压巷道预应力锚充一体化支护结构及方法 - Google Patents

矿井下强动压巷道预应力锚充一体化支护结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种矿井下强动压巷道预应力锚充一体化支护结构，包括：贴附于巷道开挖面的钢筋网，固定所述钢筋网的预应力高强度锚杆和锚索，所述钢筋网外侧设有模袋充填砂浆层，内侧设有混凝土喷层，支护方法为在钢筋网和巷道开挖面之间铺设双层柔性塑料模袋，将钢筋网用锚杆锚索永久固定在巷道壁上，将搅拌砂浆输送到钢筋网与巷道壁之间的预置模袋内充填，填充完毕后在钢筋网内侧自下而上喷射混凝土。本发明能够有效的在锚杆间形成全宽度的主动压应力带，从而主动恢复巷道浅区三维应力状态，维持围岩结构完整性，显著提高围岩自承载能力、抵抗剪胀变形能力，实现高效控制围岩稳定性。

Description

矿井下强动压巷道预应力锚充一体化支护结构及方法
技术领域
本发明涉及煤矿强动压巷道支护施工领域。更具体地说，本发明涉及一种矿井下强动压巷道预应力锚充一体化支护结构及方法。
背景技术
煤炭作为世界主要能源，一直占据着非常重要的地位。煤炭向深部开采是我国经济发展的必然要求，浅部煤炭资源不断减少，中东部地区已近枯竭，但深部煤炭资源相对丰富，埋深2000米以浅的煤炭资源总量为5.9万亿吨，其中埋深超过1000米的占50％以上，主要分布在我国中东部地区。该地区的煤矿大部分已进入千米及以下深部开采。为保证中东部经济快速发展的能源供给，深部煤炭资源开发势在必行，对于保障国家能源安全、支撑经济发展具有重要战略意义。
美国、澳大利亚等世界主要产煤国家井工煤矿开采深度大多小于600米，地应力较低、采动影响较小，巷道普遍采用锚杆支护，围岩相对易于控制。强采动巷道进行柱式、垛式支架加强支护，该技术也不适合我国深部煤矿。德国在深部巷道围岩控制方面处于国际领先水平。目前，德国煤矿最大开采深度达到1750m，GTA公司等开发出U型钢可缩性拱形支架、锚杆支护联合架后充填的围岩控制技术，在鲁尔、萨尔、亚琛矿区得到成功应用，但支护成本高达每延米数万元，难以在我国煤矿广泛应用。我国矿业在梯形工字钢支架、拱形金属支架的支护应用上取得了很大的发展，但成本投入高，对深部强动压巷道控制效果差。
二十余年来，高预应力锚杆锚索支护技术已在我国煤矿巷道围岩控制中得到大范围推广应用，取得了巨大经济效益和社会效益。然而，随着国家大煤炭基地战略的提出，矿井开发规模与开采深度不断增大，深部强烈动压留巷、冲击地压巷道等一系列复杂煤巷不断涌现，采用传统单一的高预应力锚杆、锚网、锚网喷支护方案已难以解决强动压巷道稳定性控制的问题。
对于我国绝大多数深部强动压巷道(包括岩石巷道、煤层巷道)，两帮最大移近量1000～1500mm左右，异常段巷帮鼓包破碎严重，底板岩层呈现出不同程度的底鼓变形，最大底鼓量800mm以上。巷道表现为大面积膨胀破碎，变形量大，变形持续时间长的特点，造成巷道出现前掘后修，反复维修，部分巷道在回采前期就得进行三次以上翻修。不仅巷道安全难以保证，而且影响了矿井开采生产的正常接续，同时耗费了大量的人力、物力，严重阻碍了矿井的安全高效生产。国内外试验过注浆锚杆、注浆锚索及钻锚注一体化等联合加固方案，尽管能够获得一定改善，但增加了材料成本，施工工艺复杂，难以广泛推广，一定程度上降低了围岩控制效果。因此亟待研发新技术，以实现对深部强动压巷道围岩高效支护、低成本稳定控制。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种矿井下强动压巷道预应力锚充一体化支护结构及方法，其能够有效的在锚杆间形成全宽度的主动压应力带，从而主动恢复巷道浅区三维应力状态，维持围岩结构完整性，显著提高围岩自承载能力、抵抗剪胀变形能力，实现高效控制围岩稳定性。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种矿井下强动压巷道预应力锚充一体化支护结构：
矿井下强动压巷道预应力锚充一体化支护结构，其包括：贴附于巷道开挖面的钢筋网，固定所述钢筋网的预应力高强度锚杆和锚索，其特征在于，所述钢筋网外侧设有模袋充填砂浆层，内侧设有混凝土喷层。
矿井下强动压巷道预应力锚充一体化支护结构的支护方法，包括以下步骤：在钢筋网和巷道开挖面之间铺设双层柔性塑料模袋，将钢筋网用锚杆锚索永久固定在巷道壁上，将搅拌砂浆输送到钢筋网与巷道壁之间的预置模袋内充填，填充完毕后在钢筋网内侧自下而上喷射混凝土。
优选的是，按照钢筋网铺设的固定宽度形成的一段弧形为一循环，多个钢筋网循环首尾连接在巷道内，沿巷道轴向进行铺设，所述双层柔性塑料模袋的四角与所述钢筋网绑固，每一循环上所述双层柔性塑料模袋由顶中向下分段铺。
优选的是，多个钢筋网循环首尾连接的具体方法为：利用临时支护装置将钢筋网固定到围岩表面，用铁丝将前后排钢筋网搭接绑牢。
优选的是，钢筋网固定在巷道壁上的具体方式为，在巷道内钻孔并安装锚固剂、锚杆及W钢护板，搅拌后预紧螺母至高扭矩值；完成每循环锚杆支护后，打设顶板及巷帮部锚索，并施加高预紧力。
优选的是，搅拌砂浆的充填方式为由下向上进行，每次充填高度2-3m，充填厚度100mm，充填中顶时，先密封模袋充料口，再重复充填1-2次。
优选的是，搅拌砂浆为水、水泥和细砂的混合物，混凝土采用的水泥为普通硅酸盐水泥。
优选的是，钢筋网和双层柔性塑料模袋用铁丝连接进行预制，绑牢后直接一块铺设。
本发明至少包括以下有益效果：
通过高预应力网后充填膨胀技术，采用在钢筋网和巷道开挖面之间设置双层柔性塑料模袋，然后将钢筋网紧固，紧固后在双层柔性塑料模袋之间填充混合砂浆料，最后喷射混凝土面，能够有效的在锚杆间形成全宽度的主动压应力带，从而主动恢复巷道浅区三维应力状态，维持围岩结构完整性，显著提高围岩自承载能力、抵抗剪胀变形能力，实现高效控制围岩稳定性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的其中一种技术方案所述锚充一体化巷道支护断面图；
图2为本发明的其中一种技术方案所述A的局部放大图；
图3为本发明的其中一种技术方案所述顶板支护平面图；
图4为本发明的其中一种技术方案所述巷帮支护立面图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-4所示，矿井下强动压巷道预应力锚充一体化支护结构，包括：
贴附于巷道开挖面7的钢筋网4，固定所述钢筋网4的预应力高强度锚杆2和锚索，所述钢筋网4外侧设有模袋充填砂浆层5，内侧设有混凝土喷层6；
其中，巷道的截面可以为半圆拱形，也可为矩形，所述钢筋网4为多个循环收尾通过铁丝连接，分为多段铺设在巷道内，模袋充填砂浆层5由多个填充有砂浆的双层柔性塑料模袋连接铺设构成，所述锚索包括顶板锚索1和巷帮锚索3。
矿井下强动压巷道预应力锚充一体化支护结构的支护方法，具体步骤如下：
步骤一、在钢筋网4和巷道开挖面7之间铺设双层柔性塑料模袋；双层柔性塑料模袋预铺设在钢筋网4上，所述双层柔性塑料模袋的四角与所述钢筋网4绑固；钢筋网4上铺设好双层柔性塑料模袋后；按照钢筋网4铺设的固定宽度形成的一段弯曲的长方形片状钢筋网4为一循环，每一循环内的钢筋网4由顶中向下分单元铺设；铺设有双层柔性塑料模袋的一面紧贴巷道开挖面7，利用临时支护装置将钢筋网4固定，将多个钢筋网4循环首尾连接在巷道内，具体为用铁丝将前后排钢筋网4搭接绑牢；
步骤二、将钢筋网4用锚杆2锚索永久固定在巷道壁上，钢筋网4固定在巷道壁上的具体方式为，在巷道内钻孔并安装锚固剂、锚杆2及W钢护板8，安装后，预紧螺母拧至高扭矩值；完成每循环锚杆2支护后，打设顶板锚索1及巷帮锚索3，并施加高预紧力；
步骤三、混合物搅拌砂浆的填充；具体为：充填砂浆重量配比为水：水泥：细砂＝1：2：2，注浆用速凝减水添加剂比例5％，膨胀剂添加比例5％，将上述原料搅拌混合均匀制成混合物搅拌砂浆；将混合物搅拌砂浆输送到钢筋网4与巷道壁之间的双层柔性塑料模袋内充填；充填方式为由下至上的顺序进行，每次充填高度2-3m，充填厚度100mm，充填中顶时，先密封模袋充料口，再重复充填1-2次；
步骤四、混凝土喷层6的喷射；水泥采用普通硅酸盐水泥，进行水泥的预拌，拌好后填在钢筋网4内侧自下而上喷射混凝土，这里所述钢筋网4的内侧是指没有绑设双层柔性塑料模袋的一面；其中，水泥的强度等级42.5MPa，初始凝固时间不超过30min。
通过钢筋网后高预应力充填膨胀技术，采用在钢筋网4和巷道开挖面7之间设置双层柔性塑料模袋，然后将钢筋网紧固，紧固后在双层柔性塑料模袋之间填充混合物浆料，最后喷射混凝土面，能够有效的在锚杆2间形成全宽度的主动压应力带，从而主动恢复巷道浅区三维应力状态，维持围岩结构完整性，显著提高围岩自承载能力、抵抗剪胀变形能力，实现高效控制围岩稳定性。
下述为具体的现场实施例：
具体实施例案例如下：
山东某超千米深部矿井-1180岩石集中运输巷道采用直墙半圆拱形断面，属于全岩巷道，新掘巷道掘进宽度4.9m，掘进拱高3.95m，掘进毛断面面积16.77㎡。该岩巷采用炮掘工艺进行施工，掘进目的是为完善矿井五水平下山二采区的生产系统，满足矿井五水平下山二采区的通风、行人、运输、管线敷设的需要，服务于上部2613工作面、2412工作面接续回采，服务年限20年。
该岩巷会在二灰至煤11之间的中砂岩、粉砂岩中掘进。所穿岩层走向范围为310°～330°，倾角为30°～35°。该巷道自-1180m岩巷导18点(x＝3682.696，y＝4159.921，z＝-1174.041⊥)前8.2m处为巷道偏中开门，地面标高+108～+115m，井下标高-1177.6m，巷道埋深1300m左右，水平层位周围无采空区影响。-1180西岩巷地面投影为位于农田区域，无民房及建筑物，地势南高北低。
经过矿井下现场调研发现，受上部采煤工作面动压影响的大区域顶板喷层挤压破碎严重，下帮拱肩部锚杆锚索多处发生破断。典型破坏状态如图1所示。两帮最大移近量1000～1500mm左右，异常段巷帮鼓包破碎严重，底板岩层呈现出不同程度的底鼓变形，最大底鼓量800mm以上。巷道表现为非均匀破碎，变形量大(尤其底鼓严重)，变形持续时间长的特点，造成巷道出现前掘后修，反复维修，部分巷道在回采影响前就不得不进行三次以上翻修。不仅巷道安全难以保证，而且影响了矿井开采生产的正常接续，同时耗费了大量的人力、物力，严重阻碍了安全高效矿井的建设。
-1180岩石集中运输巷道锚充一体化联合支护详细参数如下：
一、锚杆支护
锚杆材料规格：左旋无纵肋螺纹钢筋专用锚杆钢材，钢号为CRMG700，杆体直径为22mm，长度为2.4m，屈服力不低于266kN，极限拉断力不低于323kN，断后伸长率不低于17％，冲击吸收功不低于90J，杆尾螺纹规格为M24，螺纹长度150mm，采用滚丝加工工艺成型。
锚杆托板规格：150×150×10mm拱形高强度托板，钢材牌号Q235，配合高强螺母、高强调心球垫和减摩尼龙垫圈，力学性能与锚杆杆体配套，托板拱高要求不低于34mm，承载力不低于346kN。
锚杆布置：半圆拱锚杆间排距900×900mm，每排9根；帮锚杆间排距900×900mm，每排4根；锚杆预紧力矩要求达到400N·m，且不能超过600N·m。
锚固方式：树脂加长锚固，钻孔直径30mm，采用一支MSK2335、一支MSZ2360树脂锚固剂，锚固长度1207mm。锚杆全部垂直岩壁打设，考虑到施工需要，允许5°误差。
W钢护板规格：采用W钢护板进行护表，四肋护板规格：厚度8mm，宽280mm，长度450mm。
网片规格：采用光圆钢筋直径为Φ8mm的钢筋网护表，预留充填空间，网孔规格80×80mm，网片长宽分别为3000×1000mm。每排4片。网间用10#铅丝双丝双扣孔孔连接。相邻两片网间搭接宽度不小于100mm。
二、充填注浆
锚杆支护后及时进行网外模袋充填。模袋规格：3000×800×10mm，采用双层无纺布材料缝制，防火防静电，可充填压力不小于1MPa，预留充填口与绑带。
充填砂浆配比为--水：水泥：细砂＝1：2：2，注浆用速凝减水添加剂比例5％，膨胀剂添加比例5％。水泥采用普通硅酸盐水泥，强度等级42.5MPa。初始凝固时间不超过30min。
三、锚索支护
网外模袋充填砂浆充分凝固后进行局部锚索补强支护。
(1)顶板锚索
锚索形式和规格：φ21.8mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度5300mm。钻孔直径30mm，采用一支MSK2335、两支MSZ2360树脂锚固剂，锚固长度1970mm。钢绞线极限破断拉力不低于554kN，最大力总伸长率不小于5％。
锚索托板：采用300mm×300mm×16mm高强度可调心托板及配套调心球垫、锚具。
锚索布置：拱部顶板每排布置3根锚索，锚索排距900mm，间距1800mm，垂直于巷道岩面打设。
锚索设计预紧力：初始张拉预紧力为300kN。
(2)帮部锚索
锚索形式和规格：Φ21.8mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度4300mm，钻孔直径30mm。锚固方式、锚索托板规格与顶板锚索相同。
锚索布置：每排每帮布置1根锚索，锚索排距为900mm，位置距底板1000mm，垂直巷帮打设。锚索设计预紧力：初始张拉预紧力为300kN。
四、喷射混凝土
进行锚索补强支护后，集中进行巷道表面喷射混凝土施工，混凝土喷层厚度50～100mm，混凝土强度不低于C30(水：水泥：砂子：石子＝1:2:5:3)，注浆用速凝减水添加剂比例5％，全断面封闭围岩及防止锚杆锚索钢筋网裸漏锈蚀。
特别情况说明：遇到顶板破碎、顶板淋水等条件时要及时补打锚索。遇到地质条件发生变化或断层、陷落柱等大地质构造时需及时停掘汇报，调整支护方案，制定专门措施加强支护设计。此外，支护材料及其余不明参数参照国家标准GB/T35056-2018《煤矿巷道锚杆支护技术规范》。遇到断层落差较小时，相对正常地质条件支护方案，采用每两排锚杆补设4根顶板锚索进行加固；当断层落差较大时或遇到较大陷落柱时，采用联合支护。锚杆排距缩小至600mm，锚索排距相应缩小并架设U形钢棚进行联合支护，棚间距为600mm，联合支护范围延伸至正常地质段前后各5m。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.矿井下强动压巷道预应力锚充一体化支护结构的支护方法，其特征在于，
矿井下强动压巷道预应力锚充一体化支护结构包括：
贴附于巷道开挖面的钢筋网，固定所述钢筋网的预应力高强度锚杆和锚索，所述钢筋网外侧设有模袋充填砂浆层，内侧设有混凝土喷层；
矿井下强动压巷道预应力锚充一体化支护结构的支护方法包括：
在钢筋网和巷道开挖面之间铺设双层柔性塑料模袋，将钢筋网用锚杆锚索永久固定在巷道壁上，将搅拌砂浆输送到钢筋网与巷道壁之间的预置模袋内充填，填充完毕后在钢筋网内侧自下而上喷射混凝土；
其中，按照钢筋网铺设的固定宽度形成的一段弯曲成弧形的长方形片状钢筋网为一循环，多个钢筋网循环沿巷道轴向拼接铺设在巷道内，所述双层柔性塑料模袋的四角与所述钢筋网绑固，每一循环上所述双层柔性塑料模袋由顶中向下分段铺，所述钢筋网铺设有双层柔性塑料模袋的一面紧贴巷道开挖面，利用临时支护装置将钢筋网固定，将多个钢筋网循环首尾连接在巷道内，具体为用铁丝将前后排钢筋网搭接绑牢。
2.如权利要求1所述的支护方法，其特征在于，多个钢筋网循环拼接的具体方法为：利用临时支护装置将钢筋网固定到围岩表面，用铁丝将前后排钢筋网搭接绑牢。
3.如权利要求1所述的支护方法，其特征在于，钢筋网固定在巷道壁上的具体方式为，在巷道内钻孔并安装锚固剂、锚杆及W钢护板，搅拌后预紧螺母至高扭矩值；完成每循环锚杆支护后，打设顶板及巷帮部锚索，并施加高预紧力。
4.如权利要求1所述的支护方法，其特征在于，搅拌砂浆的充填方式为由下向上进行，每次充填高度2-3m，充填厚度100mm，充填中顶时，先密封模袋充料口，再重复充填1-2次。
5.如权利要求1所述的支护方法，其特征在于，搅拌砂浆为水、水泥和细砂的混合物，混凝土采用的水泥为普通硅酸盐水泥。
6.如权利要求1所述的支护方法，其特征在于，钢筋网和双层柔性塑料模袋用铁丝连接进行预制，绑牢后直接一块铺设。
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