CN114704267B - 一种增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构与建造方法 - Google Patents

一种增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构与建造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构与建造方法，属于沿空掘巷留煤柱开采技术领域，解决了现有的锚固结构不能达到巷道的安全和稳定性要求的问题。本发明的增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构的建造方法，包括：C巷道下帮的锚网铺设完成后，钻装第一锚索；完成C巷道下帮高度方向的一排第一锚索钻装后，使用第一钢带对一排的多个第一锚索进行连锁；在B面D巷道的掘进过程中，安装第一锚索位于D巷道上帮的外露端。本发明的增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构与建造方法，通过对A面C巷道下帮、B面D巷道上帮进行连锁锚固，实现第一锚索两次张拉及与第二锚杆在预紧力上的协同，能够显著增强煤柱强度和承载能力。

Description

一种增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构与建造方法
技术领域
本发明涉及沿空掘巷留煤柱开采技术领域，尤其涉及一种增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构与建造方法。
背景技术
进行煤矿采区工作面巷道布置时，沿空掘巷是指完全沿上一个采面(简称A面，以下同)采空区边缘或仅留较窄的煤柱掘进下一个工作面(简称B面，以下同)的回采巷道，一般情况下，更多地选择留较窄的煤柱作为巷帮，以增强巷道的稳定性。具体来说，就是即把B面的回采巷道布置在位于靠煤柱一侧的低应力场，便于巷道维护，减少变形量。其关键是控制好煤柱宽度和稳定性。
留小煤柱的目的，是将巷道与采空区隔离，防止采空区的水与有害气体串入巷道，危及安全生产。但煤柱宽度对巷道的稳定性与维护状况起决定作用，若煤柱过小，由于靠采空侧的煤柱受支承力的影响已呈塑形，容易失稳，片帮严重；若煤柱过大，则回采巷道布置在压力增高区内，巷道承受压力增大，稳定性控制困难。
根据煤矿瓦斯防治与稳定性控制要求，煤柱宽度一般选择为3～6m。由于A面回采巷道(简称C巷道，以下同)掘进与锚固时，对煤柱上侧(亦是A面C巷道的下帮，以下同)的锚固强度和控制方法存在不足，导致在A面回采结束后，煤柱上侧发生比较大的变形破坏，甚至发生较大幅度垮帮、片帮。而在B面回采巷道(简称D巷道，以下同)进行沿空掘巷时，也存在对煤柱下侧(亦是B面D巷道的上帮，以下同)的控制强度不足，使煤柱的应有宽度、强度等均达不到设计要求，带来煤柱的应有功能整体或大部分缺失，从而导致巷道产生大的变形破坏，不得不进行多次修巷，甚至出现巷道报废的情况。
发明内容
鉴于上述分析，本发明旨在提供一种增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构与建造方法，以解决现有的锚固结构不能达到巷道的安全和稳定性要求的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构的建造方法，包括以下步骤：
步骤1：进行A面C巷道掘进时，在C巷道下帮铺设锚网；
步骤2：C巷道下帮的锚网铺设完成后，钻装第一锚索；
步骤3：完成C巷道下帮高度方向的一排第一锚索钻装后，使用第一钢带对一排的多个第一锚索进行连锁；
步骤4：在B面D巷道的掘进过程中，安装第一锚索位于D巷道上帮的外露端。
进一步地，步骤2中，所述第一锚索的钻装角度与煤层倾角一致。
进一步地，所述第一锚索的总长为x＝b/cosθ+x3+x4，b为煤柱的水平宽度，θ为煤层倾角，x3为所述第一锚索在C巷道下帮的外露长度，x4为所述第一锚索在D巷道上帮的外露长度。
进一步地，步骤2中，所述第一锚索的锚索眼钻眼完成后，首先在锚索眼眼底装入保护套管，所述保护套管的长度为x2，且200mm≤(x2-x4)≤300mm。
进一步地，所述保护套管为一端封口的空心圆柱管，所述保护套管内填充膏状物。
进一步地，步骤2中，所述保护套管安装完成后，在所述锚索眼中装入锚固剂，随后装入所述第一锚索。
进一步地，步骤2中，沿C巷道下帮的高度方向布置多个所述第一锚索。
进一步地，步骤3中，所述第一钢带安装完成后，在C巷道顶板最靠近煤柱上侧肩角处钻装第二锚索和第一锚杆。
进一步地，包括步骤5：在D巷道的上帮上钻装第二锚杆。
一种上述技术方案所述的增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构，包括第一锚索、保护套管、第一钢带、第二钢带和锚网，所述锚网铺设在煤柱的两侧，所述第一锚索钻装在煤柱上，且位于同一端面的多个所述第一锚索在C巷道下帮的外露部分通过所述第一钢带进行连锁，在D巷道上帮的外露部分通过所述第二钢带进行连锁。
本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明的增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构与建造方法，通过对A面C巷道下帮、B面D巷道上帮进行连锁锚固，实现第一锚索两次张拉及与第二锚杆在预紧力上的协同，能够显著增强煤柱强度和承载能力，更为有效地保护煤柱，发挥煤柱应有的承载作用，显著减少巷道变形。同时，进行B面D巷道掘进时，可明显减少其上帮锚固工程量和减少材料消耗，进而更好地实现煤矿安全、经济、高效的生产目标。
(2)本发明的协同锚护结构设有保护套管，保护套管安装在第一锚索的锚索眼的底部，保护套管内装有膏状的填充物，阻止锚固剂进入保护套管内，包装第一锚索的保护长度不受锚固剂的粘结和影响，从而保证D巷道掘进时，能够将D巷道上帮掘露出来的第一锚索的保护套管取下并将填充物去除，便于第一锚索的安装。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构的结构示意图；
图2为本发明实施例保护套管的结构示意图；
图3为本发明实施例第一锚索的安装示意图；
图4为本发明实施例煤柱上侧锚固平面图；
图5为本发明实施例煤柱下侧锚固平面图。
附图标记：
1-第一锚索，2-保护套管，3-锚固剂，4-第一钢带，5-第二锚杆，6-锚网，7-第二锚索，8-第一锚杆，9-第三锚索，10-第三锚杆，11-第二钢带。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
为了便于描述，定义A面为沿空掘巷的上一个工作面，A面的回采巷道为C巷道；定义B面为沿空掘巷的下一个工作面，B面的回采巷道为D巷道。煤柱的上侧为A面C巷道的下帮，煤柱的下侧为B面D巷道的上帮。
实施例1
本发明的一个实施例，如图1至图5所示，公开了一种增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构的建造方法，包括以下步骤：
步骤1：进行A面C巷道掘进时，在C巷道下帮铺设锚网6。
在进行煤矿采区工作面巷道布置时，掘进A面C巷道时，沿煤层顶板掘进。当煤层厚度高于1500mm时，C巷道的下帮高度与煤层厚度一致；当煤层厚度低于1500mm时，下帮开挖深度超过底板，以满足巷道正常使用需求。
C巷道掘进的过程中，同时铺设锚网6，锚网6采用钢筋网或钢丝网，以保证锚网6的强度和刚度，避免采用铁丝网，以减少煤体的破碎、掉落和臌帮。
步骤2：C巷道下帮的锚网6铺设完成后，钻装第一锚索1。
锚网6铺设完成后，在C巷道的下帮钻装第一锚索1，第一锚索1的钻装角度与煤层倾角一致，即第一锚索1始终平行于煤层钻装。当煤层倾角较大(例如，大于15°)时，利用迎头的煤矸进行煤柱上部第一锚索1的钻装，且位于最上部的第一锚索1与顶板的距离能够满足钻装施工需求。
本实施例中，第一锚索1的总长x＝b/cosθ+x3+x4，第一锚索1的锚索眼钻眼深度为x-x3。
其中，b为煤柱的水平宽度，θ为煤层倾角，x3为第一锚索1在C巷道下帮的外露长度，x4为第一锚索1在D巷道上帮的外露长度。
由于第一锚索1的钻装先于D巷道的掘进，为了便于在D巷道掘进时找到第一锚索1在D巷道上帮的外露段，且不影响第一锚索1的锚固，在第一锚索1钻眼完成后，首先将保护套管2送入眼底。保护套管2的长度x2为480-520mm，第一锚索1在D巷道上帮的外露长度x4为200-300mm，且200mm≤(x2-x4)≤300mm，以便于D巷道掘进时对第一锚索1外露部分的找准和安装。
进一步地，第一锚索1在C巷道下帮的外露长度x3为180-220mm，以满足C巷道掘进时第一锚索1的安装。
进一步地，保护套管2为一端封口的空心圆柱管，保护套管2的封口端与圆柱形外壁一体加工成型，保证保护套管2的密封性。保护套管2的外径小于第一锚索1的锚索眼直径。优选地，保护套管2的外径比锚索眼直径小2-3mm，保护套管2的厚度为1-2mm，以便于在掘进D巷道时能够取下保护套管2。
进一步地，为了便于固定第一锚索1，同时，便于在掘进D巷道时取下保护套管2，保护套管2内填充膏状物，填充完成后保护套管2未封口的一端用塑料膜封住，防止保护套管2安装时内部填充的膏状物流出，同时使得第一锚索1能够容易地插入保护套管2。
优选地，保护套管2的填充物为软泥。
进一步地，将保护套管2送入眼底后，随即在锚索眼中装入锚固剂3，锚固剂3的安装长度(即，锚固长度)为x1。
优选地，锚固长度x1为2000mm～2500mm。锚固剂3的凝结时间需保证第一锚索1能够顺利推进入保护套管2内直至锚索眼眼底。
进一步地，完成保护套管2和锚固剂3的安装后，随后使用锚具安装第一锚索1，并使用第一锚索1对锚固剂3进行搅拌，使锚固剂3凝固。
本实施例中，当第一锚索1推入保护套管2内并进行搅拌时，保护套管2内的部分填充物被挤出，从而阻止锚固剂3进入保护套管2内，保证第一锚索1留有保护长度x2，不受到锚固剂3的粘结和影响，从而保证D巷道掘进时，能够将D巷道上帮掘露出来的第一锚索1的保护套管2取下并将填充物去除，并进行第一锚索1另一头的安装。
进一步地，沿着C巷道下帮的高度方向布置多个第一锚索1，相邻第一锚索1的间距a为700-1200mm，具体间距根据C巷道下帮高度、煤岩体结构及性能等进行选取。优选地，第一锚索1的排距为1600mm～2000mm。
步骤3：完成C巷道下帮高度方向的一排第一锚索1钻装后，使用第一钢带4对一排的多个第一锚索1进行连锁。
沿C巷道下帮高度方向的一排第一锚索1安装完成后，安装第一钢带4，对一排的多个第一锚索1进行连锁，第一钢带4布置的眼数、眼距与C巷道下帮布置的第一锚索1的数量、间距等同，以提高第一锚索1间的整体的协同锚固作用。
优选地，第一钢带4为W钢带，厚度为3～5mm。
进一步地，第一锚索1安装时的张拉力为180-220kN，且张拉仪开到额定压力后，需保持压力30S，以保证将张拉仪的压力整体传递到第一锚索1并形成对围岩的挤压作用。
第一钢带4安装完成后，在C巷道顶板最靠近煤柱上侧肩角处钻装第二锚索7和第一锚杆8，第二锚索7和第一锚杆8偏向煤柱上侧钻装且倾斜角度为12-18°，以避免顶板垮落时第二锚索7和第一锚杆8随顶板一同垮落。
优选地，当煤层倾角大于15°时，第二锚索7采用球形锚具安装，以减少张拉和应力对第二锚索7的剪切破坏。
进一步地，A面回采时，C巷道下帮的第一锚索1、顶板处的第二锚索7及第一锚杆8不拆除，而C巷道顶板和上帮的其它锚杆和锚索均需拆除固定锚杆或锚索的托盘、螺母或锚具，以促进顶板的及时垮落，减少在煤柱中产生的应力集中。
步骤4：在B面D巷道的掘进过程中，安装第一锚索1位于D巷道上帮的外露端。
进行B面D巷道的沿空掘巷时，煤柱水平宽度保持为b，或者保持煤柱宽度＝(x―x3―x4)不变，即保持D巷始终平行于C巷道，且煤柱宽度为定值，以便在D巷道掘进时找准第一锚索1的外露的部分并对使用锚具对第一锚索1位于D巷道上帮的外露端进行安装。
进一步地，由于D巷道平行于C巷道，在D巷道掘进时，在D巷道上帮会掘露出第一锚索1的部分保护管2，露头长度x4为200～300mm，将保护管2取下并去除填充物后，在D巷道上帮铺设锚网6、并用第二钢带11将D巷道上帮外露的第一锚索1进行连锁后即可进行第一锚索1的安装。
本实施例中，D巷道掘进时，为了防止第一锚索1的保护套管2被破坏，D巷道的掘进宽度＝D巷道实际宽度－第一锚索1保护段长度x2，即D巷道上帮留出第一锚索1保护段长度x2采用二次开挖，在D巷道掘进后采用防爆小型割煤机或其它设备对预留的宽度进行开挖，使第一锚索1的保护套管2露头长度达到200～300mm。
进一步地，D巷道上帮第一锚索1的张拉力为220-250kN，以将可能发生破裂和松散的煤柱进行有效的张拉和压紧。
步骤5：在D巷道的上帮上钻装第二锚杆5：
D巷道掘进时，若煤层倾角较大(例如，大于15°)时，此时，上帮高度较高，按照步骤4在D巷道上帮上完成第一锚索1的安装后，在上帮的空帮段钻装第二锚杆5进行补强锚固。第二锚杆5与外露的第一锚索1处于同一断面，并用第二钢带11进行整体连锁。
第二钢带11的布置的眼数、眼距与D巷道上帮布置的第一锚索1及第二锚杆5的数量、间距等同；第二钢带11的材料与第一钢带1相同。
进一步地，若D巷道底板没有明显底臌，第一锚杆5水平钻装，若存在明显底臌时，第一锚杆5需下扎30～45°钻装。
进一步地，若煤层倾角小于15°，则D巷道掘进时只需对其上帮的第一锚索1进行安装和张拉即可，不需要再钻装第二锚杆5，能够明显减少D巷道上帮的工程量和材料消耗。
第二锚杆5钻装完成后，在B面D巷道顶板最靠近煤柱下侧肩角处钻装第三锚索9和第三锚杆10，第三锚索9和第三锚杆10偏向煤柱下侧钻装且倾斜角度为12-18°，以避免顶板垮落时第三锚索9和第三锚杆10随顶板一同垮落。
进一步地，B面回采时，需要将D巷道上帮第一锚索1及第二锚杆5的托盘、锚具或螺母拆除，以促进煤柱的垮落。
本发明实施例的增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构的建造方法，通过对A面C巷道下帮、B面D巷道上帮进行连锁锚固，实现第一锚索两次张拉及与第二锚杆在预紧力上的协同，能够显著增强煤柱强度和承载能力，更为有效地保护煤柱，发挥煤柱应有的承载作用，显著减少巷道变形。同时，进行B面D巷道掘进时，可明显减少其上帮锚固工程量和减少材料消耗，进而更好地实现煤矿安全、经济、高效的生产目标。
实施例2
本发明的一个实施例，如图1至图5所示，公开了一种增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构，包括第一锚索1、保护套管2、第一钢带4、第二钢带11和锚网6，锚网6铺设在煤柱的两侧，第一锚索1钻装在煤柱上，且位于同一端面的多个第一锚索1在C巷道下帮的外露部分通过第一钢带4进行连锁，在D巷道上帮的外露部分通过第二钢带11进行连锁。
本实施例中，通过对A面C巷道下帮、B面D巷道上帮进行连锁锚固，实现第一锚索两次张拉及在预紧力上的协同，能够显著增强煤柱强度和承载能力，更为有效地保护煤柱，发挥煤柱应有的承载作用，显著减少巷道变形。
本实施例中，第一锚索1的总长为x＝b/cosθ+x3+x4，第一锚索1的锚索眼的钻眼深度为x-x3。
其中，b为煤柱的水平宽度，θ为煤层倾角，x3为第一锚索1在C巷道下帮的外露长度，x4为第一锚索1在D巷道上帮的外露长度。
由于第一锚索1的钻装先于D巷道的掘进，为了便于在D巷道掘进时找到第一锚索1在D巷道上帮的外露段，且不影响第一锚索1的锚固，本实施例的锚固结构还包括保护套管2。
进一步地，如图2所示，保护套管2为一端封口的空心圆柱管，保护套管2的封口端与圆柱形外壁一体加工成型，保证保护套管2的密封性。保护套管2的外径小于第一锚索1的锚索眼直径。优选地，保护套管2的外径比锚索眼直径小2-3mm，保护套管2的厚度为1-2mm，以便于在掘进D巷道时能够取下保护套管2。
进一步地，为了便于在掘进D巷道时取下保护套管2，保护套管2内填充膏状物，填充完成后保护套管2未封口的一端用塑料膜封住，防止保护套管2安装时内部填充的膏状物流出，同时使得第一锚索1能够容易地插入保护套管2。
在第一锚索1的锚索眼钻眼完成后，首先将保护套管2装入锚索眼眼底，随后在锚索眼内装入锚固剂3，再安装第一锚索1。
进一步地，对于倾角较大(例如，大于15°)的煤层，本实施例的锚固结构还设有第二锚杆5，第二锚杆5安装在D巷道上帮的空帮段，第二锚杆5与外露的第一锚索1处于同一断面，并使用第二钢带11将第一锚索1在D巷道上帮的外露端与第二锚杆5整体连锁，以实现第一锚索1与第二锚杆5的协同锚固。
进一步地，在C巷道顶板最靠近煤柱上侧肩角处还设有第二锚索7和第一锚杆8，第二锚索7和第一锚杆8偏向煤柱上侧钻装且倾斜角度为12-18°；在D巷道巷道顶板最靠近煤柱下侧肩角处还设有第三锚索和第三锚杆10，第三锚索9和第三锚杆10偏向煤柱下侧钻装且倾斜角度为12-18°；第二锚索7和第一锚杆8、第三锚索9和第三锚杆10与第一锚索1和第二锚杆5一起构成本实施例的协同锚固结构，能够显著增强煤柱强度和承载能力，更为有效地保护煤柱，发挥煤柱应有的承载作用，显著减少巷道变形。
综上所述，本发明实施例提供的一种增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构与建造方法，通过对A面C巷道下帮、B面D巷道上帮进行连锁锚固，实现第一锚索两次张拉及与第二锚杆在预紧力上的协同，能够显著增强煤柱强度和承载能力，更为有效地保护煤柱，发挥煤柱应有的承载作用，显著减少巷道变形。同时，进行B面D巷道掘进时，可明显减少其上帮锚固工程量和减少材料消耗，进而更好地实现煤矿安全、经济、高效的生产目标。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构的建造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：进行A面C巷道掘进时，在C巷道下帮铺设锚网(6)；
步骤2：C巷道下帮的锚网(6)铺设完成后，钻装第一锚索(1)；
步骤3：完成C巷道下帮高度方向的一排第一锚索(1)钻装后，使用第一钢带(4)对一排的多个第一锚索(1)进行连锁；
步骤4：在B面D巷道的掘进过程中，安装第一锚索(1)位于D巷道上帮的外露端；
步骤5：在D巷道的上帮上钻装第二锚杆(5)；
步骤2中，所述第一锚索(1)的钻装角度与煤层倾角一致，所述第一锚索(1)的总长为x＝b/cosθ+x3+x4，所述第一锚索(1)的锚索眼钻眼深度为x-x3；其中，b为煤柱的水平宽度，θ为煤层倾角，x3为所述第一锚索(1)在C巷道下帮的外露长度，x4为所述第一锚索(1)在D巷道上帮的外露长度；
所述第一锚索(1)的锚索眼钻眼完成后，首先在锚索眼眼底装入保护套管(2)，所述保护套管(2)为一端封口的空心圆柱管，所述保护套管(2)内填充膏状物，填充完成后所述保护套管(2)未封口的一端用塑料膜封住，所述保护套管(2)的长度x2为480-520mm，所述第一锚索(1)在D巷道上帮的外露长度x4为200-300mm，且200mm≤(x2-x4)≤300mm；
步骤2中，将所述保护套管(2)送入眼底后，随即在锚索眼中装入锚固剂(3)，完成保护套管(2)和锚固剂(3)的安装后，随后使用锚具安装第一锚索(1)，并使用第一锚索(1)对锚固剂(3)进行搅拌，使锚固剂(3)凝固；
步骤3中，所述第一钢带(4)安装完成后，在C巷道顶板最靠近煤柱上侧肩角处钻装第二锚索(7)和第一锚杆(8)；
步骤4中，D巷道掘进时，D巷道的掘进宽度＝D巷道实际宽度－第一锚索(1)保护段长度，在D巷道掘进后对第一锚索(1)保护段长度进行开挖，保护段长度大于所述第一锚索(1)在D巷道上帮的外露长度x4；
步骤5中，所述第二锚杆(5)钻装完成后，在B面D巷道顶板最靠近煤柱下侧肩角处钻装第三锚索(9)和第三锚杆(10)。
2.根据权利要求1所述的增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构的建造方法，其特征在于，步骤2中，沿C巷道下帮的高度方向布置多个所述第一锚索(1)。
3.一种权利要求1或2所述的增强沿空掘巷煤柱稳定性的协同锚固结构，其特征在于，包括第一锚索(1)、保护套管(2)、第一钢带(4)、第二钢带(11)和锚网(6)，所述锚网(6)铺设在煤柱的两侧，所述第一锚索(1)钻装在煤柱上，且位于同一端面的多个所述第一锚索(1)在C巷道下帮的外露部分通过所述第一钢带(4)进行连锁，在D巷道上帮的外露部分通过所述第二钢带(11)进行连锁。
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