CN111335900B - 高强锚注自成巷方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高强锚注自成巷方法与系统，其技术方案为：获取围岩力学参数与围岩状况，进行全巷道多断面立体分区；通过锚注试验与数值计算，确定不同巷道区域的高强锚注参数与超前预裂参数，对巷道顶板进行高强锚注与超前预裂，架设让压支柱；在采空区顶板垮落形成矸石巷帮后，对矸石巷帮进行护帮、护表处理，形成高强锚注自成巷；根据巷道围岩变形、让压支柱受力与高强注浆锚索受力情况，确定让压支柱回撤时机；自成巷留设完成供下一工作面使用时，对自成巷进行评价。本发明利用高强锚注技术提高巷道顶板完整性，利用超前预裂技术切断采空区与巷道顶板间的应力传递，使巷道处于应力降低区，能够有效解决深部顶板破碎巷道支护难题，实现安全留巷。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采领域，尤其涉及一种高强锚注自成巷方法与系统。
背景技术
煤炭在我国一次能源消费中占主体地位。传统长壁开采方法，回采一个工作面，需掘进两条巷道并留设一个区段保护煤柱，上覆岩层回转变形导致煤柱处应力集中，极易出现围岩大变形、支护构件破断失效等现象，危及安全生产，且煤柱在工作面回采后无法采出，造成煤炭资源浪费。随着浅部煤炭资源的日益枯竭，煤炭开采深度逐步增加，深部围岩所处的“三高一扰动”复杂环境给煤炭开采带来一系列的问题：沿空巷道围岩压力大，巷道围岩变形量显著，围岩破碎严重，传统的锚杆(索)支护技术不能满足深部顶板破碎巷道的支护要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种以高强锚注、超前预裂为核心的高强锚注自成巷方法，该方法利用高强锚注提高巷道顶板完整性，实现锚杆(索)与破碎围岩的共同受力，提高破碎围岩的自承能力，同时利用超前预裂技术切断采空区与巷道顶板间的应力传递，使巷道处于应力降低区，形成高强锚注自成巷系统，实现安全留巷。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种高强锚注自成巷方法，包括：
获取围岩力学参数与围岩状况，进行全巷道多断面立体分区；
基于现场围岩力学参数与围岩状况进行锚注试验，确定不同巷道区域的注浆参数；
以数字钻进为核心对不同巷道区域顶板注浆效果进行定量评价，得到注浆后的围岩力学参数；
根据不同巷道区域顶板注浆后的围岩力学参数进行数值计算，建立定量评价指标，确定不同巷道区域的高强锚注参数与超前预裂参数；
对确定的高强锚注参数与超前预裂参数进行优化；
利用高强注浆锚索对巷道顶板进行高强锚注，并对高强锚注后的巷道顶板进行超前预裂、架设让压支柱；
在采空区顶板垮落形成矸石巷帮后，对矸石巷帮进行护帮、护表处理，形成高强锚注自成巷；并根据巷道围岩变形、让压支柱受力与高强注浆锚索受力情况，确定让压支柱回撤时机；
自成巷留设完成供下一工作面使用时，通过建立的围岩变形控制率、高强注浆锚索强度使用率定量评价指标对自成巷进行评价，根据评价结果对巷道顶板进行补强支护。
第二方面，本发明的实施例提供了一种高强锚注自成巷系统，包括巷道底板、实体煤帮与通过所述高强锚注自成巷方法形成的刚性顶板、密闭矸石巷帮。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
(1)本发明的一个或多个实施方式通过数字钻进、钻孔窥视探测预留巷道顶板围岩状况，进行巷道断面顶板分区，结合地质条件与多断面顶板分区情况进行全巷道立体区域划分；
(2)本发明的一个或多个实施方式通过锚注试验确定不同区域巷道顶板注浆参数，根据现场试验，获得浆液扩散范围与锚注前后的岩体力学参数、顶板裂隙情况；
(3)本发明的一个或多个实施方式通过数值计算与建立的定量评价指标，确定巷道不同区域的高强锚注参数和超前预裂参数，利用高强注浆锚索对巷道顶板围岩进行高强锚注，锚注后对采空区侧顶板进行超前预裂，并利用让压支柱对顶板预裂侧进行支撑，随着工作面推进不断回撤架设的超前支护构件，形成稳定的高强锚注自成巷，并能对锚注效果、自成巷效果定量评价，具有准确、高效、经济、安全等优点。
附图说明
构成本发明的一部分说明书附图用来对本发明进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的流程图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的自成巷顶板分区图；
图3是本发明根据一个或多个实施方式的巷道顶板围岩高强锚注图；
图4是本发明根据一个或多个实施方式的超前预裂与让压支柱支护图；
图5是本发明根据一个或多个实施方式的采空区顶板垮落后巷道支护图；
图6是本发明根据一个或多个实施方式的巷帮支护图；
其中，1、工作面；2、回采巷道；3、数字化钻机；4、强度劣化区；5、强度恢复区；6、原岩强度区；7、基本顶；8、直接顶；9、高强注浆锚索；10、超前预裂；11、锚注区；12、让压支柱；13、采空区；14、护帮柱；15、防护网；16、高强锚注自成巷。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一：
下面结合附图1-图6对本发明进行详细说明，具体如下：
本实施例提供了一种高强锚注自成巷方法，如图1所示，首先通过数字钻进、钻孔窥视获得围岩力学参数与围岩状况，进行全巷道多断面立体分区；基于现场围岩力学参数与围岩状况进行锚注试验与数值计算，确定不同巷道区域的高强锚注参数与超前预裂参数，并对高强锚注参数与超前预裂参数进行优化；对巷道顶板进行高强锚注、超前预裂10，并架设让压支柱12；采空区13的顶板垮落形成矸石巷帮后，对矸石巷帮进行护帮、护表处理，形成高强锚注自成巷16；并根据巷道围岩变形、让压支柱12与高强注浆锚索9受力情况，确定让压支柱12回撤时机。
具体步骤为：
步骤一，确定工作面1留设的回采巷道2，通过数字钻进、钻孔窥视得到巷道顶板围岩力学参数与围岩状况。如图2所示，对巷道顶板进行分区，划分为强度劣化区4、强度恢复区5和原岩强度区6，沿巷道走向将顶板分区相近的典型断面划分为同一区域，形成全巷道多断面立体分区。
巷道顶板的分区步骤为：对巷道顶板进行钻探，获得钻进方向的顶板围岩力学参数；对钻孔进行窥视，获得顶板围岩状况。所述顶板围岩力学参数包括单轴抗压强度、内摩擦角、粘聚力，所述顶板围岩状况包括顶板围岩破碎范围、破碎程度。
步骤二，根据划分的不同巷道区域顶板围岩力学参数与围岩状况，开展不同岩层性质岩性、不同破碎程度、粒径大小、不同注浆材料、不同水灰比、不同注浆压力、不同添加剂类别的锚注试验，确定对不同巷道区域顶板注浆时的注浆材料、注浆压力、水灰比、添加剂类别。
步骤三，以数字钻进为核心对锚注前现场不同区域巷道顶板进行探测，获得围岩力学参数Ra、顶板裂隙数量Fa，通过钻孔窥视、测试拉拔试验对数字钻进试验结果进行验证；对锚注后巷道顶板相同区域进行数字钻进，得到锚注后的围岩力学参数Rb、顶板裂隙数量Fb、浆液扩散范围S；建立围岩强度提升率、围岩裂隙填充率定量评价指标，对巷道顶板锚注效果进行定量评价。
其中，所述围岩强度提升率为锚注后围岩强度比锚注前围岩强度提高的百分比；所述围岩裂隙填充率为锚注后被填充裂隙数量与锚注前总裂隙数量的百分比。
步骤四，根据锚注后的围岩力学参数，对不同高强锚注参数与超前预裂参数方案进行数值计算，建立顶板应力释放率、侧向支承压力提升率、围岩变形控制率与高强注浆锚索强度使用率等定量评价指标进行对比分析，设计高强锚注参数、超前预裂参数、超前支护参数。
其中，所述顶板应力释放率为自成巷稳定后顶板应力比原岩应力降低的百分比；所述侧向支承压力提升率为自成巷稳定后实体煤帮侧向支承压力比原岩应力增大的百分比；所述围岩变形控制率为自成巷稳定后断面面积与设计断面面积的百分比；所述高强注浆锚索强度使用率为自成巷稳定后高强注浆锚索受力与其极限破断力的百分比。
步骤五，针对临近断层构造的巷道，确定的高强锚注参数与超前预裂参数还应乘以对应的安全系数α1；针对地应力大的巷道，确定的高强锚注参数与超前预裂参数还应乘以对应的安全系数α2；针对临近采空区的巷道顶板，确定的高强锚注参数还应乘以安全系数α3。
步骤六，根据设计的高强锚注参数，利用高强注浆锚索对巷道顶板进行高强锚注，利用超前预裂技术对巷道顶板进行超前预裂，并对顶板预裂高度、裂缝平整度进行探测；根据设计的超前支护参数，利用让压支柱12对巷道顶板进行支护，并在让压支柱12上安装应力监测元件，实时监测工作面回采过程中支柱的应力变化情况。采空区13的顶板垮落形成矸石巷帮后，通过架设护帮柱14对矸石巷帮进行支护，通过防护网15对矸石巷帮进行护表处理，形成高强锚注自成巷；并对自成巷过程中防护网15的变形与受力情况进行监测。
其中，所述超前预裂参数包括超前预裂高度、超前预裂角度；所述超前支护参数包括超前支护构件类型、间排距。所述超前预裂技术包括定向爆破、密集钻孔、机械切割、激光切割、水力切割；所述顶板预裂高度、裂缝平整度通过窥视或激光扫描进行探测。在本实施中，所述让压支柱12为液压支柱、约束混凝土让压支柱。所述护帮柱14为护帮钢板、约束混凝土护帮柱或可定量让压的侧向支撑架的一种或多种。所述防护网15可以为聚酯纤维柔性网或钢筋网。
步骤七，利用地质雷达对采空区矸石与顶板接触情况进行探测，建立基本顶7有效支撑率等定量评价指标，定量评价采空区13矸石对顶板的支撑效果。
所述基本顶有效支撑率为一定范围内基本顶接触矸石的面积与基本顶面积的百分比。
步骤八，根据工作面1回采过程中围岩变形、让压支柱12与高强注浆锚索9受力情况，确定让压支柱12回撤时机，间隔回撤架设的让压支柱12。
让压支柱12回撤是根据工作面1回采过程中现场监测的巷道顶底移近量与超前支柱受力不再继续增大，并在工作面1继续回采一个周期来压步距后，开始间隔回撤让压支柱12。
步骤九，自成巷留设完成供下一工作面使用时，通过建立的围岩变形控制率、高强注浆锚索强度使用率等定量评价指标对自成巷进行评价，根据评价结果对巷道顶板进行补强支护。
实施例二：
本实施例提供了一种高强锚注自成巷系统，包括巷道底板、实体煤帮与通过实施例一所述高强锚注自成巷方法形成的刚性顶板、密闭矸石巷帮。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.高强锚注自成巷方法，其特征在于，包括：
获取围岩力学参数与围岩状况，进行全巷道多断面立体分区，确定工作面留设的回采巷道，通过数字钻进、钻孔窥视得到巷道顶板围岩力学参数与围岩状况，将巷道顶板划分为强度劣化区、强度恢复区、原岩强度区，沿巷道走向将顶板分区相近的典型断面划分为同一区域，形成全巷道多断面立体分区；
基于现场围岩力学参数与围岩状况进行锚注试验，确定不同巷道区域的注浆参数；根据划分的不同巷道区域顶板围岩力学参数与围岩状况，开展不同岩层性质、不同破碎程度、不同注浆材料、不同水灰比、不同注浆压力、不同添加剂类别的锚注试验；
以数字钻进为核心对不同巷道区域顶板注浆效果进行定量评价，得到注浆后的围岩力学参数；所述顶板注浆效果的定量评价指标包括顶板应力释放率、侧向支承压力提升率、围岩变形控制率与锚索强度使用率，所述顶板应力释放率为自成巷稳定后顶板应力比原岩应力降低的百分比；所述侧向支承压力提升率为自成巷稳定后实体煤帮侧向支承压力比原岩应力增大的百分比；所述围岩变形控制率为自成巷稳定后断面面积与设计断面面积的百分比；所述锚索强度使用率为自成巷稳定后高强注浆锚索受力与其极限破断力的百分比；
根据不同巷道区域顶板注浆后的围岩力学参数进行数值计算，建立定量评价指标，确定不同巷道区域的高强锚注参数与超前预裂参数；
对确定的高强锚注参数与超前预裂参数进行优化；
利用高强注浆锚索对巷道顶板进行高强锚注，并对高强锚注后的巷道顶板进行超前预裂、架设让压支柱；
在采空区顶板垮落形成矸石巷帮后，对矸石巷帮进行护帮、护表处理，形成高强锚注自成巷；并根据巷道围岩变形、让压支柱受力与高强注浆锚索受力情况，确定让压支柱回撤时机；
自成巷留设完成供下一工作面使用时，通过建立的围岩变形控制率、高强注浆锚索强度使用率定量评价指标对自成巷进行评价，根据评价结果对巷道顶板进行补强支护；所述对自成巷进行评价包括利用地质雷达对采空区矸石与顶板接触情况进行探测，建立定量评价指标，定量评价采空区矸石对顶板的支撑效果。
2.根据权利要求1所述的高强锚注自成巷方法，其特征在于，还包括确定对不同巷道区域顶板注浆时的注浆材料、注浆压力、水灰比、添加剂类别。
3.根据权利要求1所述的高强锚注自成巷方法，其特征在于，以数字钻进为核心对锚注前现场不同巷道区域顶板进行探测，获得围岩力学参数Ra、顶板裂隙数量Fa；通过钻孔窥视、测试拉拔试验对数字钻进试验结果进行验证；在锚注后巷道顶板相同区域开展数字钻进试验，得到锚注后的围岩力学参数Rb、顶板裂隙数量Fb、浆液扩散范围S；建立围岩强度提升率、围岩裂隙填充率定量评价指标，对巷道顶板锚注效果进行定量评价。
4.根据权利要求3所述的高强锚注自成巷方法，其特征在于，所述围岩强度提升率为锚注后围岩强度比锚注前围岩强度提高的百分比，围岩裂隙填充率为锚注后填充裂隙数量与锚注前总裂隙数量的百分比。
5.根据权利要求1所述的高强锚注自成巷方法，其特征在于，针对临近断层构造的巷道，确定的高强锚注参数与超前预裂参数还应乘以对应的安全系数α1；针对地应力大的巷道，确定的高强锚注参数与超前预裂参数还应乘以对应的安全系数α2；针对临近采空区的巷道顶板，确定的高强锚注参数还应乘以安全系数α3。
6.根据权利要求1所述的高强锚注自成巷方法，其特征在于，根据所述高强锚注参数对巷道顶板进行高强锚注，利用超前预裂技术对巷道顶板进行超前预裂，并利用窥视或激光扫描方法对顶板预裂高度、裂缝平整度进行探测；根据所述超前支护参数，利用让压支柱对巷道顶板进行支护，并在让压支柱上安装应力监测元件，以实时监测工作面回采过程中让压支柱的应力变化情况。
7.根据权利要求1所述的高强锚注自成巷方法，其特征在于，通过架设护帮柱对矸石巷帮进行支护，通过防护网对矸石巷帮进行护表处理，形成高强锚注自成巷；让压支柱回撤是根据工作面回采过程中现场监测的巷道顶底移近量与超前支柱受力不再继续增大，并在工作面继续回采一个周期来压步距后，开始间隔回撤让压支柱。
8.高强锚注自成巷系统，其特征在于，包括巷道底板、实体煤帮与通过如权利要求1-7任一所述高强锚注自成巷方法形成的刚性顶板、密闭的矸石巷帮。
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Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117167085B (zh) * | 2023-08-10 | 2024-05-07 | 中国矿业大学 | 一种无煤柱开采留巷锚注支护方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0813996A (ja) * | 1994-06-27 | 1996-01-16 | Kajima Corp | 多円形シールドトンネル工法における構造柱の盛替え方法 |
| CN104215748A (zh) * | 2014-08-19 | 2014-12-17 | 山东大学 | 一种地下工程破碎围岩注浆加固效果的综合定量检测方法 |
| CN104763428A (zh) * | 2015-03-10 | 2015-07-08 | 太原理工大学 | 分级分区注浆加固陷落柱使综采面直过软陷落柱的方法 |
| CN107083977A (zh) * | 2017-06-23 | 2017-08-22 | 中国矿业大学 | 一种泥质软岩巷道分区多粒度的注浆加固方法 |
| CN108663269A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-10-16 | 山东大学 | 基于等效岩体强度的地下工程围岩数字钻探分区方法 |
| CN109779663A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-05-21 | 王�琦 | 沿空留巷分区协同控制方法 |
| CN109854252A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-06-07 | 王�琦 | 地下工程分阶段完整控制方法 |
| CN110439560A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-11-12 | 四川华蓥山龙滩煤电有限责任公司 | 一种中厚煤层采煤工作面沿空护巷的施工工艺 |
-
2020
- 2020-03-25 CN CN202010218328.6A patent/CN111335900B/zh active Active
Patent Citations (8)
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111335900A (zh) | 2020-06-26 |
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