CN113958351B - 一种高应力三软煤层沿空巷道帮底稳定性控制方法 - Google Patents
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Abstract
发明公开一种高应力三软煤层沿空巷道帮底稳定性控制方法，涉及巷道支护技术领域，包括巷道两帮各两排帮注浆锚索、两帮底角各一排底角注浆锚索和三排底板注浆孔，包括以下步骤：步骤1、巷道成巷时，在其它支护工序全部完毕后，滞后工作面10～20m施工所述帮注浆锚索、底角注浆锚索及底板注浆孔，施工顺序为：先由上至下施工帮注浆锚索，而后施工底角注浆锚索，最后施工底板注浆孔；步骤2、滞后工作面50～100m，实施帮注浆锚索和底角注浆锚索注浆，注浆的具体顺序是：底角注浆锚索、帮下排锚索、帮上排锚索；步骤3、步骤3、通过所述底板注浆孔进行底板注浆，本发明可提高巷道两帮及底板围岩的稳定性，实现对底鼓与巷帮位移的有效控制。
Description
技术领域
本发明涉及巷道支护技术领域，具体是一种高应力三软煤层沿空巷道帮底稳定性控制方法。
背景技术
随着煤炭开采深度的逐渐增加，高应力软岩巷道支护问题更加突出，巷道底臌变形量大、围岩大范围失稳破坏、支护结构严重损坏及反复维修等问题频发，现有的支护方案虽然取得了一定成果，但由于围岩性质复杂，尤其是底板长期存在大量游离水的现状未被重视，导致围岩大变形问题一直未得到彻底解决，给煤矿安全生产构成重大威胁。
对于巷道顶板岩层、底板岩层及煤层软弱的高应力三软煤层沿空巷道，严重的底鼓和两帮内移是制约煤矿安全高效生产的重要因素之一，发生此类的变形的主要原因在于巷道底板缺少有效支护手段和底板岩石浸水软化。如图1所示，相对巷道顶板而言，因浸水软化且缺少有效锚杆索支护，底板松动圈对其外围岩体的径向作用力较小，帮部从上至下的支护强度虽然通常一致，但由于底板缺少支护的影响，帮部松动圈对外围煤岩体的径向作用力呈现出从上至下逐渐减小的态势，于是两帮下部和底部围岩松动圈外边界必然发生向外扩展，松动圈扩展会导致外围岩体的向内位移以及因松动破碎而引发的体积膨胀均会导致原本已经浸水软化的底板岩体遭受挤压而发生变形，由于底板受挤压变形的软化岩体变形位移的唯一出口仅可能是巷道上方，故必然形成巷道的底鼓。而帮下部因松动圈的扩展引发的碎胀和外围岩体的向内位移必然导致巷道下帮内缘向内位移，并呈现出两帮下部向内倾斜的特征。
此外，浸水软化后的底板松动圈对外围岩体的径向作用力进一步下降，并由此引发底板松动圈的进一步扩大，从而导致巷道整体松动圈呈现出竖向尺寸大于横向尺寸的情况，即呈现出近似竖向椭圆的特征,如图2所示。对于无限大弹性体中的竖向椭圆，依据弹性理论可知竖向地应力远大于横向地应力的时候，竖向椭圆两帮的稳定性远低于上下拱的稳定性，一旦两帮失稳破坏必将导致碎胀并向内内移，内移的过程中相应部位的松动圈因受挤压而随之向内位移，由于竖向椭圆形围岩松动圈的中点非常靠近巷道的底板位置，故底板附近往往向内的位移量较大，于是也形成了巷道下帮内移量大于巷道上帮内移量的现象。与此同时，由于巷道两帮失稳内移的过程中还会挤压巷道底板已经软化的岩体，并迫使软化岩体的向上位移，由此形成更加严重的底鼓。由此可见，巷道两帮对应竖向椭圆形围岩松动圈的中点位置及巷道底板处均需进行针对性加强支护，以保证巷道围岩的长期稳定性。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种高应力三软煤层沿空巷道帮底稳定性控制方法，通过在在普通锚网支护技术或棚架支护技术基础之上对巷道两帮和底板围岩实施的一种帮底稳定性加强支护技术，从而解决上述背景技术中的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种高应力三软煤层沿空巷道帮底稳定性控制方法，包括在巷道两帮各设置两排帮注浆锚索、两帮底角各设置一排底角注浆锚索以及在巷道底板上设置底板注浆孔，包括以下步骤：步骤1、巷道成巷时，在其它支护工序全部完毕后，滞后工作面10～20m施工所述帮注浆锚索、底角注浆锚索及底板注浆孔，施工顺序为：先由上至下施工帮注浆锚索，而后施工底角注浆锚索，最后施工底板注浆孔；
步骤2、滞后工作面50～100m，实施帮注浆锚索和底角注浆锚索注浆，注浆的具体顺序是：底角注浆锚索、帮下排锚索、帮上排锚索；
步骤3、通过所述底板注浆孔进行底板注浆。
作为本发明进一步的方案，所述帮注浆锚索的长度为煤柱宽度的0.8倍，所述帮注浆锚索在巷道两帮分别布置两排，位于竖向椭圆形围岩松动圈左右两侧中点位置，其合力作用线近似对准松动圈左右两侧中点处；所述底角注浆锚索设有两组分别设置于巷道左右两帮底角处各一排，布置方向是沿底角注浆锚索轴线向上倾斜设置，底角注浆锚索的底端被锚固在深部岩体中；所述底板注浆孔设有三行居中设置在在巷道底板上，中间一行位于底板中点处，底板孔深不小于巷道高度的1.3倍，孔间距为1.2m-1.6m之间。
作为本发明进一步的方案，所述帮注浆锚索和底角注浆锚索的注浆材料为低热早强无机高性能注浆料，注浆压力控制在1～3MPa，注浆时由低到高逐渐增压，注浆量控制在75～100kg/孔。
作为本发明进一步的方案，所述步骤3中，底板注浆采用深浅孔二次间隔排注浆方式，首先铺设100mm的C20混凝土地坪，然后浅孔注浆、最后深孔注浆；浅孔注浆完成后在巷道底板重新布置注浆孔再进行深孔注浆，底板注浆滞后工作面100～150m实施。
作为本发明进一步的方案，所述浅孔注浆采用二次间隔排注浆方式，注浆孔间排距1600*3200mm，每排3孔，孔深3000mm，注浆压力1～2Pa，注浆量10～20袋425硅酸盐水泥，先按照排距6400mm实施第一次浅孔注浆，间隔3天，再按照排距3200mm对未进行第一次浅孔注浆的底板注浆孔实施第二次浅孔注浆；浅孔首次注浆量20袋水泥/孔，注浆压力1MPa；浅孔二次注浆量15袋水泥/孔，注浆压力2MPa；水灰比0.6～0.8，水玻璃掺入量1.5％。
作为本发明进一步的方案，所述深孔注浆采用二次间隔排注浆方式，注浆孔间排距1600*3200mm，孔深6300mm，注浆压力2～3MPa，注浆量10～20袋425硅酸盐水泥，先按照排距6400mm实施第一次深孔注浆，间隔3天，再按照排距3200mm对未进行第一次深孔注浆的底板注浆孔实施第二次深孔注浆；深孔首次注浆量20袋水泥/孔，注浆压力2MPa；深孔二次注浆量15袋水泥/孔，注浆压力3MPa；水灰比0.6～0.8；水玻璃掺入量1.5％。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明考虑了三软煤层沿空巷道由于底板围岩浸水软化，将造成底板围岩松动圈范围扩大，使得实际整体巷道围岩松动圈呈竖向椭圆形这一围岩变形机理，利用帮注浆锚索、底角锚杆索及帮底注浆手段，在普通锚网支护技术或棚架支护技术基础之上对巷道两帮和底板围岩实施帮底稳定性加强支护，在巷道两帮各布置两排帮注浆锚索，两帮底角各布置一排底角注浆锚索，并在底板设置底板注浆孔，再通过注浆锚索压力注浆的方法实现松散煤体加固及锚索的全长锚固。提高了帮部和底部松动圈对外围稳定煤岩体保持有较高的承载能力，从而抑制松动圈的继续扩展及相应位移，实现对底鼓与巷帮下部位移的有效控制，具有较大的实用价值。
附图说明
图1为本发明的巷道及围岩松动圈变形规律示意图。
图2为本发明的巷道底板浸水软化后围岩松动圈范围示意图。
图3为本发明的支护结构示意图。
图4为本发明的帮注浆锚索、底角锚杆索及底板注浆孔布置图。
图5为本发明的巷道底板浅孔注浆方式示意图。
图6为本发明的巷道底板深孔注浆方式示意图。
图中：1、巷道；2、梯形巷道外接圆；3、巷道围岩松动圈外边界；4、围岩松动圈 5、硬岩；6、顶板软岩；7、煤层 8、底板软岩；9、巷道底板水；10、围岩松动圈两帮向内变形位移后位置；11、巷道底板底鼓变形位移后位置；12、巷道帮部变形位移后位置；13、帮注浆锚索；14、底角注浆锚索；15、底板注浆孔；16、巷道底板；17、第一次浅孔注浆；18、第二次浅孔注浆；19、第一次深孔注浆；20、第二次深孔注浆。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-6所示，一种高应力三软煤层沿空巷道帮底稳定性控制方法，具体步骤如下：
步骤1、巷道1成巷时，在其它支护工序全部完毕后，滞后工作面15m施工所述帮注浆锚索13、底角注浆锚索14及底板注浆孔15，施工顺序为：先由上至下施工帮注浆锚索13，而后施工底角注浆锚索14，最后施工底板注浆孔15；所述注浆锚索的长度通常是煤柱宽度的0.8倍；所述帮注浆锚索13在巷道1两帮分别布置两排，位于竖向椭圆形围岩松动圈4左右两侧中点位置附近，其合力作用线近似对准巷道围岩松动圈外边界3左右两侧中点处；所述底角注浆锚索14在巷道1左右两帮底角处各布置一排，布置方向是沿底角注浆锚索14轴线指向斜上方，而底角注浆锚索14的另一端被锚固在深部岩体中；所述底板注浆孔15在巷道底板居中设置三排，中间一排位于底板中点处，底板注浆孔15孔深通常在巷道高度的1.3倍以上，间距在1.4m之间。帮注浆锚索的主要作用主要有两个：第一，通过全长锚索和托盘形成的反向作用力增大松动圈对外围岩体的径向压力；第二，通过注浆加固松动圈并藉此达到增大松动圈对外围岩体的径向压力，两锚索的合力作用线距离近似竖向椭圆的横向中线较近，这对大幅提高近似竖向椭圆型松动圈的稳定性具有重要作用。
步骤2、滞后工作面60m，实施帮注浆锚索13和底角注浆锚索14注浆，注浆的具体顺序是：底角注浆锚索—帮下排锚索—帮上排锚索；所述帮注浆锚索13和底角注浆锚索14的注浆材料是KYZJ-1型矿用低热早强无机高性能注浆材料，通常要求24小时后的强度达到30MPa之上，28天的强度达到60MPa以上，注浆压力控制在2MPa，注浆时可由低到高逐渐增压，注浆量控制在100kg/孔，底角注浆锚索的作用有三个：第一，与帮注浆锚索的作用性质一致，对于控制近似竖向椭圆孔两帮偏下部位的稳定性具有很大作用；第二，巷道底角部位是应力集中程度最严重部位，围岩破碎十分严重，通过底角注浆锚索实施有效注浆，对提高松动圈的整体承载力具有很大作用；第三，底角注浆锚索对上部松动圈具有一个位移边界的作用，由于沿空巷道变形的主要特征是帮下部内移严重、底板底鼓严重，因此底角注浆锚索托盘一端的位移趋势方向是沿底角注浆锚索轴线指向斜上方，而底角注浆锚索的另一端被牢牢锚固在深部岩体中，故底角注浆锚索中会产生很大拉力，此种情况下其很难发生较大弯曲变形，于是就形成了一个很好的位移约束边界，从而有效抑制上部松动圈对底板松动圈的挤压，对防止底鼓有很好作用。
步骤3、最后在底板注浆孔15进行底板注浆；所述底板注浆采用深浅孔二次间隔排注浆方式，首先铺设100mm的C20混凝土地坪，然后浅孔注浆，最后深孔注浆；浅孔注浆完成后重新在巷道底板16布置注浆孔再进行深孔注浆，底板注浆滞后工作面120m实施；所述浅孔注浆采用二次间隔排注浆方式，注浆孔间排距1600*3200mm，每排3孔，孔深3000mm，注浆压力1.5MPa，注浆量18袋425硅酸盐水泥，即先按照排距6400mm实施第一次浅孔注浆17，3天后再按照排距3200mm对未进行第一次浅孔注浆17的底板注浆孔15实施第二次浅孔注浆18，浅孔首次注浆量20袋水泥/孔，注浆压力1MPa；浅孔二次注浆量15袋水泥/孔，注浆压力2MPa，水灰比0.7，水玻璃掺入量1.5％；所述深孔注浆采用二次间隔排注浆方式，注浆孔间排距1600*3200mm，孔深6300mm，注浆压力2.5MPa，注浆量18袋425硅酸盐水泥，即先按照排距6400mm实施第一次深孔注浆19，3天后再按照排距3200mm对未进行第一次深孔注浆19的底板注浆孔实施第二次深孔注浆20，深孔首次注浆量20袋水泥/孔，注浆压力2MPa；深孔二次注浆量15袋水泥/孔，注浆压力3MPa，水灰比0.7，水玻璃掺入量1.5％。所述底板注浆的作用有两个：第一，挤走底板积水，避免底板岩性的再次浸水软化；第二，加固底板松动围岩，提高其力学性能，从而使得其对外围岩体的承载力大幅提高，并进一步增大对外围岩体的径向压力，有效控制外围岩体的进一步松动破碎和位移。
工作原理：三软煤层沿空巷道由于底板围岩浸水软化，将造成底板围岩松动圈范围扩大，使得实际整体巷道围岩松动圈呈竖向椭圆形这一围岩变形机理，并依据弹性理论得出，竖向椭圆形松动圈两侧竖向部分的稳定性远低于上下拱的稳定性，因此两侧中点部位围岩位移量最大，且由于竖向椭圆的中点非常靠近巷道的底板位置，故底板附近往往向内的位移量较大这一结论。依据该结论利用帮注浆锚索、底角锚杆索及帮底注浆技术，在普通锚网支护技术或棚架支护技术基础之上对巷道两帮和底板围岩实施帮底稳定性加强支护，在巷道两帮各布置两排帮注浆锚索，两帮底角各布置一排底角注浆锚索，并在底板设置三条底板注浆孔，再通过注浆锚索压力注浆的方法实现松散煤体加固及锚索的全长锚固。本发明可保证帮部和底部松动圈对外围稳定煤岩体保持有较高的承载能力，从而抑制松动圈的继续扩展及相应位移，实现对底鼓与巷帮下部位移的有效控制，具有较好的实用性和创造性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种高应力三软煤层沿空巷道帮底稳定性控制方法，其特征在于，包括在巷道两帮各设置两排帮注浆锚索、两帮底角各设置一排底角注浆锚索以及在巷道底板上设置底板注浆孔，包括以下步骤：
步骤1、巷道成巷时，在其它支护工序全部完毕后，滞后工作面10～20m施工所述帮注浆锚索、底角注浆锚索及底板注浆孔，施工顺序为：先由上至下施工帮注浆锚索，而后施工底角注浆锚索，最后施工底板注浆孔；
步骤2、滞后工作面50～100m，实施帮注浆锚索和底角注浆锚索注浆，注浆的具体顺序是：底角注浆锚索、帮下排锚索、帮上排锚索；
步骤3、通过所述底板注浆孔进行底板注浆;
所述帮注浆锚索的长度为煤柱宽度的0.8倍，所述帮注浆锚索在巷道两帮分别布置两排，位于竖向椭圆形围岩松动圈左右两侧中点位置，其合力作用线近似对准松动圈左右两侧中点处；
所述底角注浆锚索设有两组分别设置于巷道左右两帮底角处各一排，布置方向是沿底角注浆锚索轴线向上倾斜设置，底角注浆锚索的底端被锚固在深部岩体中；
所述底板注浆孔设有三行居中设置在巷道底板上，中间一行位于底板中点处，底板孔深不小于巷道高度的1.3倍，孔间距为1.2m-1.6m之间。
2.根据权利要求1所述的一种高应力三软煤层沿空巷道帮底稳定性控制方法，其特征在于，所述帮注浆锚索和底角注浆锚索的注浆材料为低热早强无机高性能注浆料，注浆压力控制在1～3MPa，注浆时由低到高逐渐增压，注浆量控制在75～100kg/孔。
3.根据权利要求1所述的一种高应力三软煤层沿空巷道帮底稳定性控制方法，其特征在于，所述步骤3中，底板注浆采用深浅孔二次间隔排注浆方式，首先铺设100mm的C20混凝土地坪，然后浅孔注浆、最后深孔注浆；浅孔注浆完成后在巷道底板重新布置注浆孔再进行深孔注浆，底板注浆滞后工作面100～150m实施。
4.根据权利要求3所述的一种高应力三软煤层沿空巷道帮底稳定性控制方法，其特征在于，所述浅孔注浆采用二次间隔排注浆方式，注浆孔间排距1600*3200mm，每排3孔，孔深3000mm，注浆压力1～2Pa，注浆量10～20袋425硅酸盐水泥，先按照排距6400mm实施第一次浅孔注浆，间隔3天，再按照排距3200mm对未进行第一次浅孔注浆的底板注浆孔实施第二次浅孔注浆；
浅孔首次注浆量20袋水泥/孔，注浆压力1MPa；浅孔二次注浆量15袋水泥/孔，注浆压力2MPa；水灰比0.6～0.8，水玻璃掺入量1.5％。
5.根据权利要求3所述的一种高应力三软煤层沿空巷道帮底稳定性控制方法，其特征在于，所述深孔注浆采用二次间隔排注浆方式，注浆孔间排距1600*3200mm，孔深6300mm，注浆压力2～3MPa，注浆量10～20袋425硅酸盐水泥，先按照排距6400mm实施第一次深孔注浆，间隔3天，再按照排距3200mm对未进行第一次深孔注浆的底板注浆孔实施第二次深孔注浆；
深孔首次注浆量20袋水泥/孔，注浆压力2MPa；深孔二次注浆量15袋水泥/孔，注浆压力3MPa；水灰比0.6～0.8；水玻璃掺入量1.5％。
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