专利名称：一种防止深埋煤层巷道底板鼓起变形的方法
技术领域：
本发明涉及一种在埋深超过800米条件下，进行煤矿中煤层巷道底板鼓起变形控制及灾害治理的方法。
背景技术：
煤层巷道底板鼓起变形是煤矿巷道围岩稳定中经常发生的问题之一，巷道底板鼓起使断面缩小，阻碍运输、通风和人员行走。强烈的底板鼓起会带来大量的维修工作，增加巷道维护费用，严重影响生产和威胁安全，甚至因底板鼓起而造成巷道报废。在我国煤矿进入800米以下深部开采后，在进行巷道掘进过程中这一问题更加突出和严重，已经成为深部开采等地下工程中危及生产安全，制约生产效率，增加生产成本等难以解决的关键问题。目前绝大部分煤层巷道底板鼓起变形的治理方法存在的主要问题及治理效果较差的原因，主要有(I)仅仅围绕底板进行加固，未深入研究巷道其它部位对底板鼓起变形的影响，加固措施往往难以凑效。实际上，巷道底板围岩的稳定控制是一个由顶板、两帮、底板共同构成的相互作用的系统结构，改变其中任何一部分的力学特性和应力状态，均会对底板鼓起变形造成影响。(2)底板锚杆加固底板的不足。控制底板鼓起变形的成败主要取决于岩层的性质，当底板为中硬层状岩层，在平行于层理方向的压应力作用下产生挠曲褶皱，通过打底板锚杆来防治底板鼓起变形可取得良好的效果。而深部巷道底板普遍为软岩的情况下，底板锚杆锚固基础较差，随底板上移时清底困难。(3)底板注浆加固底板的不足。通过提高底板岩层强度来实现控制底板鼓起变形的目的，一般适用于加固比较破碎的底板岩层。这种方法控制底板鼓起变形的效果与底板岩层性质、破碎程度、注浆材料、注浆压力、注浆深度及注浆时间等诸因素有关。底板注浆宜在底板鼓起变形已发展到最终深度的底板岩层时进行。深部软岩巷道底板岩体强度较低，粘土矿物含量较高，吸水膨胀性较强，底板注浆可以减小底板鼓起变形量但作用效果不明显，难以满足要求。(4)全封闭式支架加固的不足。全封闭式支架的底梁可以给底板岩层施加反力提高支架的整体作用力，也增加了支架控制底板鼓起变形的支护阻力，改变底板岩层附近的应力状况，从而可以在一定程度上抑制底板扩容、弯曲和膨胀变形的产生。虽然全封闭式支架可以较好的防治底板鼓起变形，但仅适用稳定性要求高、使用时间长的巷道，而不适用于要求使用时间短、造价低廉、施工进度快的采区煤巷。(5)混凝土反拱加固的不足。混凝土反拱能给巷道底板提供较高而且均匀的支护阻力，从而可以约束底板的变形，其控制底板鼓起变形的作用明显，应用效果也很好。但是该加固方法一般用在永久性巷道中，对于使用时间短的采区煤层巷道则不适用
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种有效减小巷道底板鼓起变形量、应用范围广且便于实施的防止深埋煤层巷道底板鼓起变形的方法。为实现上述目的，本发明的技术方案如下一种防止深埋煤层巷道底板鼓起变形的方法，包括如下步骤(I)以煤层巷道顶板的煤层进行组合加固，使顶板成为巷道压力的主承载体；和(2)对煤层巷道两帮的煤层进行组合加固，限制两帮的塑性区扩展，减小两帮底板约束的范围；和(3)斜向下方向加固煤层巷道底板底角的煤层，以分解两帮传递来的压力。进一步，所述步骤(I)与(2)中均使用高强高恒阻锚杆和锚索、高刚度平网以及高强度钢带梁进行组合加固。进一步，所述锚杆与锚索均匀布置，且相互交叉排列。进一步，所述步骤(3 )中对所述煤层巷道底板底角的煤层施加刚性注浆锚杆。进一步，所述刚性注浆锚杆与所述煤层巷道底板之间夹角为135度。本发明的有益效果在于，本发明与现有技术相比，本发明通过对深埋煤层巷道围岩的顶板、两帮及底板底角三个部位采取系统控制措施，改变三个部位的应力状态及变形量来实现对底板鼓起变形的控制，从而可有效地减小底板鼓起变形量，本发明的方法应用范围广泛，不但适用对稳定性要求高、使用时间长的巷道，而且适用于要求使用时间短、造价低廉、施工进度快的采区煤巷，本发明的方法为系统工程方法，实施手段非常普通，易于实施，便于推广，有很强的市场价值。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明图I为本发明一种防止深埋煤层巷道底板鼓起变形的方法中加固顶板对底板鼓起变形影响示意图；图2为两帮对底板鼓起变形影响示意图；图3为本发明一种防止深埋煤层巷道底板鼓起变形的方法中加固底板底角对底板鼓起变形影响示意图；图4为本发明一种防止深埋煤层巷道底板鼓起变形的方法中恒阻大变形锚杆结构示意图。
具体实施例方式体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。图I、图2及图3分别示出了本发明中加固顶板、两帮及底板底角对底板鼓起变形影响不意图，其中A1为砂岩层，A2为灰岩层，A3为泥岩层，A4为煤层，B为垂直压力，C为底板滑移方向，X为底板鼓起变形，Y为锚杆、锚索悬吊挤压力。本发明的方法主要通过对深埋煤层巷道围岩的顶板、两帮、底板底角三个部位采取系统控制措施，改变三个部位的应力状态及变形量来实现对底板鼓起变形的控制，达到减小底板鼓起变形量。本发明中，通过高强高恒阻锚杆和锚索、高刚度的平网、高强高刚的钢带梁对顶板组合加固，高刚度的平网贴附顶板，高强度的钢带梁支撑顶板，并顶靠高刚度的平网，高强高恒阻锚杆和锚索交叉布设，并穿过高刚度的平网，托靠高强度的钢带梁。增加顶板岩层间的抗剪强度，阻止因离层而引起的水平错动，将锚固范围的薄层叠合梁变成加强的组合梁，提高顶板岩梁的抗弯刚度和弹性模量，以及承载强度，使顶板成为巷道压力的主承载体，达到减小底板上围岩应力荷载的目的，减小底板破坏变形。本发明中，通过高强高恒阻锚杆和锚索、高刚度的平网、高强高刚的钢带梁对煤层巷道两帮煤层的组合加固，结构与加固顶板相似，限制两帮的塑性区扩展，减小两帮对底板约束的范围，也就是减小底板鼓起的宽度，减小扰曲效应引起的底板的鼓起变形量。本发明中，通过对底板底角施加刚性注浆锚杆，刚性注浆锚杆材料有两种第一种是tp42mm无缝钢管，灌注水泥砂浆，插(p20mmMnSi左旋无纵筋螺纹钢筋；第二种是(p43mm管缝锚杆，管缝锚杆为外径43mm，内径39mm，管壁厚2mm的管状锚杆，锚杆两侧开口 4mm宽的缝隙，锚杆端部管口外卷起增粗，固定铁托盘，灌注水泥砂浆，插cp20mmMnSi左旋无纵筋螺纹钢筋，刚性注浆锚杆与底板之间夹角为135°。对底板产生两方面力学效应一是巷道开挖卸荷后，在底角易形成剪应力集中，通过施加刚性注浆锚杆，可以提高底角的剪切强度，增加抵御塑性剪切滑移破坏的能力；二是通过在角部施加斜向外45°的刚性锚杆，能将两帮传递到底板上的压应力分解为沿锚杆轴向和垂直锚杆的径向分力，削弱两帮应力集中传递到底板上的作用力，从而起到减小底板鼓起变形量的作用。通过实施本发明的技术方案加固煤层巷道后，在变形计算预测上，通过高强高恒阻高预紧力锚杆锚索提高顶板稳定性的同时，大幅度减小对两帮和底板的压力，可以减少底板鼓起变形量9. 8%;通过高强高恒阻高预紧力锚杆、高刚度网、高刚度梁加固两帮部，使底板塑性区范围变小，可以减少底板鼓起变形量34. 4% ;通过45°刚性注浆锚管加固底角，有效削弱来自巷道两侧的挤压应力，可以减小底板鼓起变形量19. 6%。采用本发明的方法后，巷道围岩变形在合理范围内，掘进和回采期间均保持稳定，满足使用要求，不需用多次卧底和返修，减小了工人劳动量，并有效防止因底板变形引起的工作面停产等事故的发生。下面详细介绍使用恒阻大变形锚杆、锚索加固深埋煤层巷道顶板和两帮的原理在埋深超过800米的深埋煤层巷道中，由于埋深大，巷道所处压力通常在22 28MPa之间，围岩岩性强度又较低，地质条件复杂，支护巷道的锚杆、锚索上的荷载大，导致加固的锚杆、锚索在大荷载作用下，极易发生拉伸变形，而普通的锚杆、锚索抗变形量小，在巷道巨大压力作用下容易折断，本发明中采用恒阻大变形锚杆、锚索进行加固，公告号为CN101858225B的专利已对该恒阻大变形锚杆进行了详细公开。恒阻大变形锚杆、锚索，施加在煤层巷道的关键部位，各锚杆、锚索之间在横向与纵向上的间距需要根据地质条件进行计算分析。如图4所示，恒阻大变形锚杆6是专门针对深埋煤层巷道设计的一款可以在深埋煤层巷道巨大压力作用下保持恒阻并靠机械滑动装置保持延伸量而不断的锚杆。恒阻大变形锚杆6包括螺母61、球垫62、托盘63、恒阻装置64、连接套65与杆体66，恒阻装置64呈筒状结构，套装于杆体66的尾部，托盘63和螺母61依次套装在恒阻装置64的尾部，其中
5托盘63的中间部分设有一孔以供恒阻装置64穿过，螺母61螺纹连接于恒阻装置64，螺母61与托盘63之间安装缓冲的球垫62，连接套安装在恒阻装置64另一端。在将恒阻大变形锚杆6应用于煤层巷道中时，当巷道围岩的变形能超出锚杆所能承受的范围，通过其结合面上设置有螺纹结构的恒阻装置64和锚杆杆体66产生相对位移，也即该锚杆6随着围岩大变形而发生表现为径向拉伸的大变形。围岩发生大变形之后，其能量得到释放，而恒阻大变形锚杆6在拉伸之后仍然能够保持恒定的工作阻力，围岩的变形能小于恒阻大变形锚杆6的恒定工作阻力，恒阻装置64恢复原状并紧紧的套装在杆体66上时，巷道将再次处于稳定状态，实现了巷道的稳定，消除了冒顶冲击等安全隐患。恒阻大变形锚杆6承载力15 20KN，延伸量均可达到300 600mm，具有较大的变形能力以适应沿空巷道的大变形能力。在将恒阻大变形锚杆6应用于煤层巷道中时，由于锚杆本身具有很大的延伸性，所以可以对锚杆施加很大的预紧力，通过预紧力补偿巷道开挖引起的三维应力损失，快速实现巷道围岩稳定，而普通锚杆由于施加高的预紧力时会拉伸锚杆，消耗锚杆的延伸量，而其本身延伸量又很小，在巷道巨大压力作用下，就会导致延伸量不足而破断。恒阻大变形锚杆6由于有500mm的延伸量，延伸量充足，即使在高预紧力拉伸和巷道压力双重作用下，仍不会断裂，发挥支护作用。从而通过可以施加高的预紧力对顶板进行三维应力损失补偿，顶板加固的强度要大大高于普通锚杆、锚索，因此对减小底板鼓起的变形量作用也更明显。对于两帮，恒阻大变形锚杆6由于高的延伸量的特征，可以施加高的预紧力，产生高的支护阻力，配合高刚度的平网和钢梁，对两帮加固效果更好，使得两帮的塑性区扩展范围很小，减小了底板发生鼓起变形的宽度，减小了底板失稳的挠度变形。为说明本发明所能达到的效果，下面以徐州矿区夹河煤矿-800水平2443工作面材料道为具体实例作详细说明该巷道工程最大埋深达850m，为24采区第二个工作面第一条煤巷，无临近采动压力的影响，巷道设计断面为4. 2mX2. 6m(宽X高)，巷道沿主采煤层顶板掘进。主采煤层为古生界二叠系下石盒子组2#煤，煤层倾角近水平，碎块状，内生裂隙发育，松散易碎，厚度为2. 4m ;直接顶为泥页岩，裂隙发育，多为泥质胶结，局部赋存煤层，厚度为2. 6m ;老顶含有碳质软弱夹层，之上为中砂岩层；直接底为灰黑色泥质页岩，裂隙发育，厚度为I. 7m;老底为砂岩，厚度为10m。夹河煤矿埋深850m的2443工作面煤巷，掘进初期采用锚网索支护，顶板锚杆(p20mmx2400mm，两帮锚杆<p20mmx2000mm，间排距为 700mmX700mm。锚索采用q)15.24mnix7300rnm的高弹性低松弛钢绞线，间排距为1200mmX 1400mm，采用2-1-2布置(沿着巷道走向的方向，按照锚索布置的间距，施工锚索的断面上的锚索呈两根锚索与一根锚索交替布置)，顶板采用(pl2mm菱形铁丝网，两帮部用塑料网。巷道在掘进初期75天内，矿压显现极为强烈，IOOm范围内锚杆断裂39根，菱形网多处撕裂，托盘弯曲变形严重，钢筋梯梁多处拉断；2/3以上顶板网兜现象突出，顶板下沉最大375mm，两帮收缩最大520mm,端头最大底板鼓起变形量810mm，巷道平均累计底板鼓起变形量1100mm，巷道底板鼓起变形严重段曾先后卧底3次，仍无法控制底板鼓起变形。为控制底板鼓起，采用了本发明的设计方案，考虑了巷道顶板、两帮、底角部位的支护。顶板优化围岩结构，去掉软弱伪顶，提高顶板持力层强度，并采用大直径高强高恒阻高预紧力的锚索φ18.9mmx7300mm，2-2-2布置(沿着巷道走向的方向，按照锚索布置的间距，施工锚索的断面上的锚索呈两根锚索平行布置)，锚索间用高刚度20#槽钢连接，锚索预紧力提高至I5t，顶板锚杆为高强左旋螺纹钢锚杆q>20mmx2400mm，钢筋梯换成W型钢带，两帮采用<p20mmx2200mm高强左旋螺纹钢锚杆，网换成q>6 mm电焊平钢筋网，采用异型复合托盘，既增加锚头摩阻力，又可以适度变形释放有害变形能，底角采用(p43mmx 1600mm管缝式锚杆，插入(p22mm钢筋后，高压注浆。采用本发明的设计方案后，顶板、两帮、底角得到明显的控制，底板鼓起变形量也大大减小，由原支护下的平均累计底板鼓起变形量IlOOmm减小为新设计下的平均底板鼓起变形量210mm，并且围岩保持稳定，底板鼓起变形得到有效控制。本发明的有益效果在于，本发明与现有技术相比，本发明通过对深埋煤层巷道围岩的顶板、两帮及底板底角三个部位采取系统控制措施，改变三个部位的应力状态及变形量来实现对底板鼓起变形的控制，从而可有效地减小底板鼓起变形量，本发明的方法应用范围广泛，不但适用对稳定性要求高、使用时间长的巷道，而且适用于要求使用时间短、造价低廉、施工进度快的采区煤巷，本发明的方法为系统工程方法，实施手段非常普通，易于实施，便于推广，有很强的市场价值。本发明的技术方案已由优选实施例揭示如上。本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。
权利要求
1.一种防止深埋煤层巷道底板鼓起变形的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)以煤层巷道顶板的煤层进行组合加固，使顶板成为巷道压力的主承载体；和(2)对煤层巷道两帮的煤层进行组合加固，限制两帮的塑性区扩展，减小两帮底板约束的范围；和(3)斜向下方向加固煤层巷道底板底角的煤层，以分解两帮传递来的压力。
2.如权利要求I所述的防止深埋煤层巷道底板鼓起变形的方法，其特征在于，所述步骤(I)与(2)中均使用高强高恒阻锚杆和锚索、高刚度平网以及高强度钢带梁进行组合加固。
3.如权利要求2所述的防止深埋煤层巷道底板鼓起变形的方法，其特征在于，所述锚杆与锚索均匀布置，且相互交叉排列。
4.如权利要求I所述的防止深埋煤层巷道底板鼓起变形的方法，其特征在于，所述步骤(3 )中对所述煤层巷道底板底角的煤层施加刚性注浆锚杆。
5.如权利要求4所述的防止深埋煤层巷道底板鼓起变形的方法，其特征在于，所述刚性注浆锚杆与所述煤层巷道底板之间夹角为135度。
全文摘要
本发明公开了一种防止深埋煤层巷道底板鼓起变形的方法，包括如下步骤(1)以煤层巷道顶板的煤层进行组合加固，使顶板成为巷道压力的主承载体；和(2)对煤层巷道两帮的煤层进行组合加固，限制两帮的塑性区扩展，减小两帮底板约束的范围；和(3)斜向下方向加固煤层巷道底板底角的煤层，以分解两帮传递来的压力。本发明通过对深埋煤层巷道围岩的顶板、两帮及底板底角三个部位采取系统控制措施，改变三个部位的应力状态及变形量来实现对底板鼓起变形的控制，从而可有效地减小底板鼓起变形量。
文档编号E21D11/00GK102913255SQ20121044780
公开日2013年2月6日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者何满潮, 孙晓明, 张国锋 申请人:中国矿业大学(北京)