专利名称：井下软岩巷道大变形塌方预防及治理方法
技术领域：
本发明涉及煤矿巷道施工技术领域，特别涉及一种井下软岩巷道大变形塌方预防 及治理方法。
背景技术：
煤矿软岩巷道支护问题是困扰煤矿建设及生产安全的重大问题之一。煤矿井下软 岩巷道具有大变形易塌方的特点。在生产实践中，经常发生因巷道围岩变形过大超出支护 材料允许变形量而导致的支护失效、巷道大面积塌方事故，造成了极大的人员伤亡和财产 损失。此外，因软岩巷道支护不当而造成的巨大的返修量不但造成了很大的经济损失，而且 经常使整个矿井的生产陷于困境，甚至关闭。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适应软岩巷道大变形特点的井下软岩巷道大变形塌 方预防及治理方法来保证软岩巷道的稳定，以解决现有技术存在的因围岩变形过大超出支 护材料允许变形量而导致的支护失效、巷道大面积塌方的问题。为了实现本发明的目的，本发明提供的井下软岩巷道大变形塌方预防及治理方法 包括按照所设计巷道的直墙半圆拱断面掘进成型或扩刷巷道；在所述巷道的顶板和两帮 上初喷第一层混凝土 ；在所述第一层混凝土上挂帮网和顶网；在所述顶板和两帮上安装恒 阻大变形锚杆，所述恒阻大变形锚杆包括杆体、托盘、螺母、恒阻装置，所述恒阻装置呈筒状 结构，并且所述恒阻装置内表面和所述杆体的外表面均为螺纹结构，所述恒阻装置套装于 所述杆体的尾部，所述托盘和螺母依次套装在所述恒阻装置的尾部，所述螺母和所述恒阻 装置通过螺纹连接；复喷第二层混凝土 ；在所述顶板上安装恒阻大变形锚索；挖底；在底 板上铺设第一层底板混凝土 ；在所述第一层底板混凝土上挂一层底网；在底角安装底角锚 杆；铺设第二层底板混凝土至地坪；在所述巷道的顶板和两帮上设置长期矿压监测点，若 所述巷道变形达到一预定值，则在所述巷道关键部位进行二次支护，并进行围岩加压注浆。本发明利用恒阻大变形锚杆、恒阻大变形锚索具有较大变形空间及较高的抗拔力 的特性，同时相应的配合其他支护材料，通过合理的设置支护结构、参数和支护过程，本发 明能吸收围岩变形能量，而且大变形后仍保持恒阻支护能力不变，可以很好的保证软岩巷 道大变形条件下的稳定性。另外，本发明还具有实施简单易行、成本较低的有益效果。
图1为本发明较优实施例的一巷道断面结构示意图；图2为本发明较优实施例的恒阻大变形锚杆的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细说明。
首先需要说明的是，在下述较优实施例中将涉及多个具体参数，如本领域普通技 术人员所熟知，所涉及的多个具体参数仅是为了举例便于说明该较优实施例而已，根据井 下软岩巷道的具体地质条件，下述所涉及的多个具体参数可具有多种变化以适应不同的地 质条件。图1示出了本发明较优实施例的一巷道的断面结构。在实施该较优实施例时，首 先进行掘进成型，也即按所设计巷道的直墙半圆拱断面掘进或扩刷巷道，并保证有良好的 成型，严禁超欠挖现象。为保证后续支护安全作业，掘进时还架设前探梁作为临时支护。接着在巷道的顶板和两帮上初喷60mm的第一层混凝土 11，并挂顶网和帮网12。 其中的顶网采用钢筋焊接而成的钢筋网，要求网片逐点焊接，整体性好，各网片之间逐扣连 接。帮网也同由钢筋焊接而成。连接各网片时，先连接顶网，后连接帮网。然后打锚杆眼、安装恒阻大变形锚杆14。恒阻大变形锚杆14通常也叫恒阻拉伸锚 杆，其能够在一定的变形范围内保证恒定的工作阻力，已经逐步在煤矿开采领域展开应用， 本发明较优实施例的恒阻大变形锚杆如图2所示。为了描述简洁，在清楚的情况，下面将把 恒阻大变形锚杆14和恒阻大变形锚索15简称为锚杆14和锚索15。在打锚杆眼之前，首先按照中、腰线严格检查巷道断面规格，不符合作业规程要求 时必须先进行处理，打眼前还要敲帮问顶，仔细检查顶帮围岩情况，清除活矸、危岩，确认安 全后，方可开始工作。打眼时，锚杆14(直径Φ20πιπι)钻头选用Φ 30mm合金钻头，按“先开 水后开风”的顺序试运转。用手镐点眼定位，刨出眼窝，钻头放入眼窝后，启动手柄开关。点 眼后按规定的角度和方向均勻用力向前推进直至达到要求深度。点眼或打眼过程中，不准 用手直接扶或托钻杆和用手掏眼口的煤岩粉。打完眼后，先关水后停电。打锚杆眼时，应从 外向里进行，对于同排锚杆14，先打顶板的锚杆眼，后打肩部和两帮的锚杆眼。图1中，锚杆14端部的较粗结构为锚固剂，安装锚固剂前须用水或压缩空气将锚 杆眼内的岩屑、浮土清除干净。每一锚杆14里侧采用1根CK2370、外侧采用1根Z2335树 脂锚固剂。用风煤钻机将锚杆14的杆体旋进锚杆眼，然后依次安装、托盘、螺母(图中未标 记)等。安装后，托盘应在第一层混凝土 11或岩面平整处，以使承载力均勻分布，防止压力 传递，造成锚杆14产生弯曲应力。然后复喷40mm的第二层混凝土 13。接着打锚索眼，安装恒阻大变形锚索15，恒阻大变形锚索也能够在一定的变形范 围内保证恒定的工作阻力，已经逐步在煤矿开采领域展开应用。在此步骤中，可采用普通单 体锚杆机配中空六方接长式钻杆和双翼钻头湿式打眼。为保证锚索眼的孔深准确，可在起 始钻杆上用白色或黄色油漆标出终孔位置。锚索钻头选用合金钻头。插入树脂药卷时，快 凝药卷在上，缓凝药卷在下。每一锚索15里侧采用1根CK2370和外侧采用2根Z2335树 脂锚固剂，图1中，每一锚索15端部的较粗结构为锚固剂。安装锚索15之前，用棉丝将锚 索锚固段的水、煤岩屑等擦干净，用塑料胶带将树脂药卷与锚索15粘结定位。锚索15下端 装上安装锚索用搅拌驱动器，并用锚索15顶住锚固剂缓缓送入钻孔，在此过程中不能反复 抽拉锚索15，并确保锚固剂全部送到孔底。将安装锚索用搅拌驱动器尾部六方头插入锚杆 机上，边推进边搅拌，前半程用慢速旋转，后半程用快速旋转。停止搅拌时，继续保持锚杆机 的推力约3min，然后缩下锚杆机并移开打下一个锚索孔。IOmin后，先卸下安装锚索用搅拌 驱动器，为锚索15装上托梁、托盘、锚具，并将其托到紧贴顶板的位置，将张拉千斤顶套在锚索15上并托住，开泵进行张拉，并观察压力表读数，达到设计预紧力千斤顶行程结束时， 迅速换向回程，卸下张拉千斤顶。然后挖底，并在底板上铺设IOOmm第一层底板混凝土 16，接着在第一层底板混凝 土 16上挂第一层底网17、打底角锚杆眼、安装底角锚杆111，该底网7也由钢筋焊接而成。底角锚杆111的安装和锚索15的安装可同时进行，底角锚杆111的安装工艺和顶 板及两帮锚杆14安装工艺相同，具体施工角度及参数随地质条件改变。底角锚杆111用钢管式锚杆，在安装底角锚杆111之前，用压缩空气或扫孔器清净 底角锚杆眼内岩渣和积水，向钢管式底角锚杆111杆体套入金属托板，然后将杆体锥端插 入锚杆孔，用人工或机械方式把杆体打入，产生足够的锁固预应力。安装完毕，将底角锚杆 111管内的碎石清除后，向底角锚杆111管内灌入水泥浆，在管内插入钢筋。钻凿底角锚杆 眼时应有合理的孔、管径差值，且孔有较小的偏斜。针对软岩巷道的特性并结合缝管式锚杆 的特点，锚杆眼的钻凿具体要求为钻孔直径=0. 95 1. 05*锚杆直径、钻孔深度=锚杆长 度+200mm、钻孔偏斜率< 1. 5%。然后铺设第二层底板混凝土 18至地坪。也可以在铺设大约IOOmm厚的第二层底 板混凝土 18后，挂第二层底网19，并铺设第三层底板混凝土 110至地坪，该底网19由钢筋 焊接而成。最后，在巷道顶板及两帮设长期矿压观测点，也即每隔IOm设置一个表面位移 及锚杆和锚索受力监测断面，每隔20m设置一个顶板离层监测点，若巷道变形达大约 200mm时，在巷道关键部位进行二次支护，并进行围岩加压注浆。之后，若巷道变形每增加 100-150mm时，进行一次巷道围岩加压注浆，喷射纤维混凝土。后来的巷道变形没有首次巷 道变形时，即要进行一次围岩加压注浆。若锚杆或锚索受力超过额定范围，要及时在其所在 区域补打恒阻大变形锚杆或恒阻大变形锚索。需要说明的是，本优选实施例的第二层底板 混凝土 18和第二层底网19为可选的，其可以增加巷道底板的强度。如图2所示，该恒阻大变形锚杆包括螺母2、托盘3、恒阻装置4、杆体6。恒阻装置 4呈筒状结构，套装于杆体6的尾部，托盘3和螺母2依次套装在恒阻装置4的尾部，其中托 盘3的中间部分设有一孔31以供恒阻装置4穿过，螺母2螺纹连接于恒阻装置4，恒阻装置 4的优选长度为990mm-1010mm。为了实现通过拉伸其长度而适应围岩大变形并保持恒定的工作阻力，恒阻装置4 内表面和杆体6的外表面均为螺纹结构。如图2所示，恒阻装置4的外表面设有螺纹结构 41以与螺母2连接，其内表面设有螺纹结构42以与杆体6配合产生固定的工作阻力。静 态时，恒阻装置4紧紧的套装在杆体6上，当受到的轴向拉力小于恒阻装置4和杆体6之间 的静止摩擦力时，恒阻装置4和杆体处于相对静止状态；当受到的轴向拉力大于恒阻装置 4和杆体6之间的静止摩擦力时，杆体6和恒阻装置4之间将发生相对位移，同时恒阻装置 4发生表现为径向膨胀的微小弹性形变以利于发生该相对位移，在发生该相对位移的过程 中，恒阻装置4和杆体6之间仍保持恒定的工作阻力，当外部轴向拉力减小至恒阻装置4和 杆体6之间的摩擦力时，二者将不再发生相对位移而处于静止状态，恒阻装置4从微小的弹 性形变恢复至原状态并再次紧紧的套装在杆体6上。为了增加部件强度，恒阻装置4由金属材料制成，托盘3为金属蝶形托盘。杆体6 的头部呈楔形(图中未标记)，该楔形头部为搅拌头，用于搅拌锚固剂，并且该楔形头部的长度优选为35mm-45mm。在某些地质条件下，需要在巷道围岩上安装较长的锚杆，但是巷道空间一般都比 较狭小，难以采用较长的恒阻装置。为了解决该问题，恒阻装置4头部还连接一连接套5，当 需要较长的恒阻装置时，可以通过连接套5将两恒阻装置连接在一起以解决前述问题，连 接筒状结构的金属材质的恒阻装置4的连接套5具有多种实现结构，也即能够将两筒状结 构的恒阻装置4固接在一起即可。井下巷道多为潮湿环境，为了防止水分进入恒阻装置4而导致恒阻装置4和杆体6 的连接面发生锈蚀，恒阻装置4的尾部端口还设有一封盖1以使恒阻装置4的中空腔体处 于密封状态。在将本优选实施例应用于巷道中时，巷道围岩出现大变形初期的能量较大，巷道 围岩的变形能超出锚杆所能承受的范围，恒阻装置4和杆体6产生相对位移，也即图2所示 恒阻大变形锚杆随着围岩大变形而发生表现为轴向拉伸的大变形。围岩发生大变形之后， 其能量得到释放，围岩的变形能小于恒定工作阻力时，恒阻装置恢复原状并紧紧的套装在 杆体上时，巷道将再次处于稳定状态。通过上述较优实施例的描述可以分析得知，本发明能够在围岩压力未达到恒阻大 变形锚杆或恒阻大变形锚索工作阻力时，利用恒阻大变形锚杆和锚索控制顶板和两帮的变 形，使巷道保持稳定；在围岩压力未达到或超过锚杆或锚索工作阻力情况下，巷道围岩产生 大变形时，恒阻大变形锚杆和锚索能够与围岩协调变形，并保持恒定的工作阻力，使支护体 不失效，保证巷道不发生塌方事故，操作简单，性能可靠；巷道围岩通过变形释放能量，围岩 裂隙增加，强度降低，恒阻大变形锚杆或锚索通过变形吸收能量，当围岩的变形力与支护反 力平衡时，围岩和支护体处于平衡状态，对围岩进行加压注浆，改善围岩完整性，提高围岩 强度，使巷道达到稳定状态。采用钢管、钢筋和混凝土作为底角锚杆控制软岩巷道底臌，操 作简单，并且能够很好的保持巷道底板的稳定性。由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方 案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所 有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
权利要求
一种井下软岩巷道大变形塌方预防及治理方法，其特征在于，包括以下步骤按照所设计巷道的直墙半圆拱断面掘进成型或扩刷巷道；在所述巷道的顶板和两帮上初喷第一层混凝土；在所述第一层混凝土上挂帮网和顶网；在所述顶板和两帮上安装恒阻大变形锚杆，所述恒阻大变形锚杆包括杆体、托盘、螺母、恒阻装置，所述恒阻装置呈筒状结构，并且所述恒阻装置内表面和所述杆体的外表面均为螺纹结构，所述恒阻装置套装于所述杆体的尾部，所述托盘和螺母依次套装在所述恒阻装置的尾部，所述螺母和所述恒阻装置通过螺纹连接；复喷第二层混凝土；在所述顶板上安装恒阻大变形锚索；挖底；在底板上铺设第一层底板混凝土；在所述第一层底板混凝土上挂一层底网；在底角安装底角锚杆；铺设第二层底板混凝土至地坪；在所述巷道的顶板和两帮上设置长期矿压监测点，若所述巷道变形达到一预定值，则在所述巷道关键部位进行二次支护，并进行围岩加压注浆。
2.根据权利要求1所述的井下软岩巷道大变形塌方预防及治理方法，其特征在于，在 掘进成型巷道或扩刷巷道时，还架设前探梁作为临时支护，以保证后续支护安全作业。
3.根据权利要求1所述的井下软岩巷道大变形塌方预防及治理方法，其特征在于，在 所述第一层混凝土上挂帮网和顶网时，所述帮网和顶网的各网片之间逐扣连接，并且先连 接所述顶网，再连接所述帮网。
4.根据权利要求1所述的井下软岩巷道大变形塌方预防及治理方法，其特征在于，在 所述顶板上安装恒阻大变形锚索和在底角安装底角锚杆同时进行。
5.根据权利要求1所述的井下软岩巷道大变形塌方预防及治理方法，其特征在于，所 述底角锚杆为钢管式锚杆，内插钢筋并灌浆。
6.根据权利要求1所述的井下软岩巷道大变形塌方预防及治理方法，其特征在于，在 所述巷道的顶板和两帮上设置长期矿压监测点的步骤具体为每隔一定距离设置一个表面 位移及锚杆和锚索受力监测断面，每隔一定距离设置一个顶板离层监测点。
7.根据权利要求6所述的井下软岩巷道大变形塌方预防及治理方法，其特征在于，所 述表面位移及锚杆和锚索受力监测断面的间隔距离为10米，所述顶板离层监测点的间隔 距离为20米。
8.根据权利要求1所述的井下软岩巷道大变形塌方预防及治理方法，其特征在于，在 所述巷道关键部位进行二次支护，并进行围岩加压注浆之后，所述巷道变形每增加100 150mm,则进行巷道围岩加压注浆，并喷射纤维混凝土。
9.根据权利要求1所述的井下软岩巷道大变形塌方预防及治理方法，其特征在于，当 所述恒阻大变形锚杆或恒阻大变形锚索受力超过额定范围时，则在受力超过额定范围的恒 阻大变形锚杆或恒阻大变形锚索所在区域补打恒阻大变形锚杆或恒阻大变形锚索。
10.根据权利要求1所述的井下软岩巷道大变形塌方预防及治理方法，其特征在于，在第二层底板混凝土上挂另一层底网，然后铺设第三层底板混凝土至地坪。
全文摘要
一种井下软岩巷道大变形塌方预防及治理方法，包括掘进成型或扩刷巷道；初喷第一层混凝土，并在所述第一层混凝土上挂帮网和顶网；安装恒阻大变形锚杆；复喷第二层混凝土；在所述顶板上安装恒阻大变形锚索；挖底并在底板上铺设第一层底板混凝土；在所述第一层底板混凝土上挂一层底网，并在底角安装底角锚杆；铺设第二层底板混凝土至地坪；设置长期矿压监测点，若所述巷道变形达到一预定值，则在所述巷道关键部位进行二次支护，并进行围岩加压注浆。本发明能够很好的保证软岩巷道大变形条件下的稳定性。另外，本发明还具有实施简单易行、成本较低的有益效果。
文档编号E21D11/10GK101906977SQ201010231928
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月21日 优先权日2010年7月21日
发明者何满潮, 冯吉利, 陈新 申请人:中国矿业大学(北京)