一种基于变角伞状超前注浆的富水断层破碎带垮塌巷道巷修方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于变角伞状超前注浆的富水断层破碎带垮塌巷道巷修方法，包括以下步骤：1）布置探水和导水钻孔；2）进行注浆；3）超前逐排布置堵水及加固封闭钻孔；4）依次逐排进行钻孔注浆；5）采用超前管棚支护；6）回撤被破坏的支架，并开挖冒落矸石；7）采用U型钢对变形区进行临时支护；8）进行钢筋混凝土衬砌浇筑施工，预埋浆管；9）增设补孔注浆排，顺序进行超前、临时及一次支护，直至通过垮塌区；10）利用预埋的注浆管进行壁后高压注浆充填加固。本发明是针对垮塌段巷道围岩注浆堵水加固的有效方法，在该方法基础上采用系统的控制和接续方法，基于此，此项围岩控制工程实践可降低现场巷修盲目性，保证巷道的长期稳定。
【专利说明】一种基于变角伞状超前注浆的富水断层破碎带垮塌巷道巷修方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及矿山领域，特别是涉及一种富水断层破碎带垮塌巷道后巷修时的支护方法。
【背景技术】
[0002]断层两盘在地质构造作用下产生相对运动，上、下盘相互挤压或拉伸，导致断层附近岩石揉搓破碎，形成与断层面大致平行的破碎带，称为断层破碎带。断层活动可能导通富水岩层和隔水岩层，打破了原有密闭的水环境，从而形成富水断层破碎带。富水断层破碎带的存在严重威胁巷道及工作面的作业安全，煤矿建井前应首先对矿区范围内的构造及水文地质条件等进行探测。
[0003]软岩富水断层破碎带内一般岩体极度破碎，并且具有良好的导水性能，岩体泥化程度高。如果在此区域内开掘巷道并采用常规U型钢或锚网索支护，将会出现围岩变形大、来压剧烈、支护体快速失效等围岩失稳灾变现象，并伴有明显的涌水或突水。对于已垮塌巷道，如盲目拆卸已经变形的支架，将造成富水松散破碎岩体二次滑移，冒落导升高度升高，围岩破碎区域进一步加大，给后期巷道维修带来很大困难。由于垮塌区涌水严重，加之富水破碎带水源位置不确定，施工设备无法布置，巷修工作极难开展，并且垮塌区位于已开掘空间，常规掌子面帷幕注浆方式无法施工，传统的注浆堵水方式将难以达到围岩控制的目的。因此，对于此类富水断层破碎带垮塌巷道，亟需一种有效的成套修复方法来解决施工难题。
【发明内容】
[0004]本发明的技术方案如下:一种基于变角伞状超前注浆的富水断层破碎带垮塌巷道巷修方法，特征包括以下步骤:
[0005]1)自巷道变形区(1)后方8-10m范围内的巷道布置1-3排探水和导水钻孔；
[0006]2)将水量大的探水和导水钻孔留作排水、导水孔，对无水或水量极小的探水和导水钻孔进行注浆，先后进行浅孔、深孔注浆；
[0007]3)超前逐排布置堵水及加固封闭钻孔；
[0008]4)依次逐排进行钻孔注浆，先浅孔注浆，再深孔注浆；
[0009]5)在变形区(1)采用超前管棚(2)支护；
[0010]6)回撤变形区(1)内被破坏的支架，并开挖冒落矸石；
[0011]7)在回撤失效支架的同时采用U型钢(3)对变形区(1)进行临时支护；
[0012]8)达到钢筋混凝土设计施工工作段后，布设模板进行钢筋混凝土衬砌浇筑施工，浇筑过程中预埋冒落空洞及破碎围岩区注浆管；
[0013]10)开挖推进后，根据实际坍塌范围，按照第六排钻孔角度增设补孔注浆排(8)，顺序进行超前管棚支护(2 )、U型钢(3 )及一次衬砌支护，直至通过垮塌区；[0014]11)衬砌稳定后，利用预埋的注浆管(5)对衬砌壁后冒落空洞及松散围岩进行高压注浆充填加固。
[0015]使用上述支护方法，首先采用超前钻孔探水、导水，减小涌水区域水压，然后对探水和导水钻孔先浅孔注浆，再深孔注浆，接着采用超前管棚对巷道垮塌位置进行超前支护，为回撤工作提供空间和时间，回撤失效支架的同时，用U型钢(3)对变形区进行支护，减少管棚压力。采用U型钢支护完毕后，布设模板进行钢筋混凝土衬砌浇筑施工，对变形区进行一次支护，浇筑过程中预埋冒落空洞及破碎围岩区注浆管，最后向围岩破碎空洞区进行壁后注浆加固。通过伞状超前钻孔注浆、管棚超前支护进行围岩超前预处理，回撤并更换支架，然后采用钢筋混凝土或工字钢混凝土衬砌和预埋注浆管注浆对变形区进行一次、二次支护，巷道内涌水消失，围岩强度显著增强，并且巷道成型效果好，尤其对于服务年限长的主要巷道，确保了其长期稳定性，减少了由于巷道失稳对矿井安全生产造成的影响，给矿井生产带来巨大经济效益。
[0016]在步骤1)钻孔时钻两排探水和导水钻孔，在步骤3)进行钻孔时钻四排探水和导水钻孔，且均使用变角伞状钻孔模式，所述变角伞状钻孔模式为两排探水和导水钻孔均朝后方倾斜布设，且外插角从后往前逐渐变大，四排堵水及加固封闭钻孔均朝前方倾斜布设，且外插角从后往前逐渐变小，该六排钻孔呈伞状分布。使用上述支护方法，由于松散破碎体的掩埋和遮蔽，无法判别围岩内水流方向，基于先导水、排水，然后驱水的原则，首先朝巷道后方布置两排探水注浆孔，如果钻孔内有水涌出，即将前两排孔顶部孔留作排水孔，以减小碛头涌水量及压力。前方注浆完成后，适时封堵该排水孔，如前两排孔无水，则直接注浆封堵，如前方来水，由于围岩破碎，成孔效果较差，不宜导水。为保证巷修施工能够持续推进及方便现场作业，使水流方向逐渐远离施工工作面，起到驱水作用，采用变角伞状注浆模式，即从第1排注浆钻孔开始各排钻孔逐渐向巷道掘进方向摆动，夹角逐渐减小。防止注浆压力二次劈裂破坏，应保证合理的承压岩壁厚度，当外插角达到一定角度时，其后可保持同一角度注浆。由于全断面设有注浆孔，根据柱状注浆原理可以认为，每排注浆孔胶结体可形成三维“伞状”发散结构，并随角度减小，注浆区域逐渐封闭合拢，从而保证帷幕范围内围岩稳定。
[0017]第一排孔(10)朝后方倾斜布设，外插角η为60°，第二排钻孔(11)朝后方倾斜布设，外插角Θ为70°，第三排钻孔(12)朝前方倾斜布设,外插角λ为70。，第四排钻孔
(13)朝前方倾斜布设,外插角μ为63.4°，第五排钻孔(14)朝前方倾斜布设,外插角ν为33.7°，第六排钻孔(15)朝前方倾斜布设，外插角ξ为21.8°。
[0018]进行钻孔注浆时，排间钻孔挂孔位置采用梅花状布置，相邻钻孔排钻孔布置方式不同，使排间注浆范围形成互补，所有奇数排钻孔采用一环孔模式，所有偶数排钻孔采用二环孔模式；所述一环孔模式为在拱基线(6)及以上区域按照夹角α为30°的间隔布孔，底角为沿拱基线(6)以下夹角β为32°的角度布孔，底板单侧中线以下以夹角、为30°的角度布孔，且在底板中心垂直布孔，共有钻孔12个；所述二环孔模式为在拱基线(6)下方15°以上区域按照夹角δ为30°的间隔布孔，底角以拱基线(6)下方15°以下夹角ε为32°的角度布孔，底板单侧中线以下以夹角ζ为30°的角度布孔，且在底板中心垂直布孔，共有钻孔13个。使用这种布孔方式，能够更大程度的提高注浆范围，从而提高围岩强度，同时减少钻孔数量。[0019]在变形区(1)后方9m处布置第一排钻孔(10)，第一排钻孔(10)断面布置采用一环孔模式，仅布置拱基线以上钻孔；在变形区(1)后方7.5m处布置第二排钻孔(11 )，第二排钻孔断面布置采用二环孔模式，仅布置拱基线下方15°以上区域的钻孔，孔口朝向巷道后方；在变形区(1)后方6m、4.5m,3.5m和2.5m处还依次布置有第三排钻孔(12)、第四排钻孔
(13)、第五排钻孔(14)和第六排钻孔(15)，第三排钻孔和第五排钻孔断面布置采用一环孔模式，第四排钻孔和第六排钻孔断面布置采用二环孔模式，从变形区后9m处布置第一排钻孔，再向前每隔约1.5m布置一排钻孔，以增强超前注浆效果。采用超前浅孔及深孔联合注浆加固，能够封堵断层涌水，提高围岩自承能力。
[0020]回撤变形区(1)内被破坏的支架和对变形区(1)进行临时支护时，以0.6-1.2m为一个回撤、开挖和U型钢(3)支护工作段，即超前管棚(2)布设完毕后，先回撤0.6-1.2m范围内U型钢支架，开挖冒落矸石，然后及时布设两组U型钢(3)，并安装拉杆，并按此进尺循环。回撤时同时进行临时支护，最大限度减少管棚悬臂支撑时间，保证管棚稳定。
[0021 ] 钢筋混凝土浇筑时以2.4-3.6m为一个工作段，当U型钢(3 )架设满一个工作段后，开始在其后方一个工作段范围内制模、铺设钢筋网并浇筑混凝土(7)，这种方式可以进一步减少U型钢(3)单独支护时间。
[0022]为了减少施工步骤和优化支护效果，在步骤1)和步骤3)进行钻孔时采用中空注浆锚杆锚固并兼做注浆管，在步骤2)和步骤4)中通过该中空注浆锚杆进行注浆加固。
[0023]开挖推进后，根据实际坍塌范围，按照第六排钻孔角度增设补孔注浆排(8)，顺序进行超前管棚支护(2)、U型钢(3)及一次衬砌支护，直至通过垮塌区。
[0024]有益效果:本发明采用的“变角伞状超前注浆加固方法”是针对垮塌段巷道围岩注浆堵水加固的有效方法，在该方法基础上采用“超前注浆堵水加固-超前支护(管棚支护)-临时支护(U型钢支护)-一次支护(混凝土浇筑)-二次支护(高压壁后注浆)”的“顺序-联合”系统控制和接续方法，基于此，此项围岩控制工程实践可降低现场巷修盲目性，保证巷道的长期稳定。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为一环孔模式断面钻孔布置；
[0026]图2为二环孔模式断面钻孔布置；
[0027]图3为超前管棚布置图剖面；
[0028]图4为钢筋混凝土浇筑施工及注浆管布设图；
[0029]图5为变角伞状注浆钻孔布置图；
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0031]如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明包括以下步骤:
[0032]1)自巷道变形区1后方8-10m处的斜井内进行探水和导水，进行钻孔时，排间钻孔挂孔位置采用梅花状布置，相邻钻孔排钻孔布置方式不同，使排间注浆范围形成互补，所有奇数排钻孔采用一环孔模式，所有偶数排钻孔采用二环孔模式。所述一环孔模式为在拱基线6及以上区域按照夹角α为30°的间隔布孔，底角为沿拱基线6以下夹角β为32°的角度布孔，底板单侧中线以下以夹角Y为30°的角度布孔，且在底板中心垂直布孔，共有钻孔12个；所述二环孔模式为在拱基线6下方15°以上区域按照夹角δ为30°的间隔布孔，底角以拱基线6下方15°以下夹角ε为32°的角度布孔，底板单侧中线以下以夹角ζ为30°的角度布孔，且在底板中心垂直布孔，共有钻孔13个。在变形区1后方9m处布置第一排钻孔10，第一排钻孔10断面布置采用一环孔模式，仅布置拱基线6以上钻孔；在变形区1后方7.5m处布置第二排钻孔11，第二排钻孔11断面布置采用二环孔模式，仅布置拱基线6下方15°以上区域的钻孔，孔口朝向巷道后方，第一排钻孔10朝后方布设，夕卜插角η为60°。第二排钻孔11朝后方布设，夕卜插角Θ为70°。
[0033]2)将水量大的探水和导水钻孔留作排水、导水孔，对于无水或水量极小的探水和导水钻孔进行注浆先浅孔注浆再深孔注浆，浅孔注浆帷幕为5m左右，深孔注浆帷幕为10m左右。采用普通硅酸盐水泥或水泥-水玻璃双液浆，注浆浆液水灰比根据经验选择。超前浅部注浆压力不大于2-3MPa，深部注浆压力视现场松散破碎情况确定。加大注浆量时，如果现场发现明显漏浆及围岩鼓胀，适当减小注浆压力，确保安全。孔内注浆顺序为由近及远；钻一孔，注一孔；按1、2序孔跳孔注浆；后续钻孔作为检查孔或适时补打检查孔，适时加密钻孔。
[0034]3)在变形区1后方6m、4.5m,3.5m和2.5m处依次布置有第三排钻孔12、第四排钻孔13、第五排钻孔14和第六排钻孔15，第三排钻孔和第五排钻孔断面布置采用一环孔模式，第四排钻孔和第六排钻孔断面布置采用二环孔模式。根据实际开挖情况，在开挖局部变形区1后，适时补打第一排补孔8和第二排补孔9，按照一环孔和二环孔交替模式。并且第三排钻孔12朝前方倾斜布设,外插角λ为70°，第四排钻孔13朝前方倾斜布设,外插角μ为63.4°，第五排钻孔14朝前方倾斜布设,外插角ν为33.7°，第六排钻孔15朝前方倾斜布设，外插角ξ为21.8°。
[0035]4)依次逐排进行钻孔注浆，先浅孔注浆，再深孔注浆。浅孔注浆帷幕为5m左右，深孔注浆帷幕为10m左右。采用普通硅酸盐水泥或水泥-水玻璃双液浆,注浆浆液水灰比据经验选择。超前浅部注浆压力不大于2-3MPa，深部注浆压力视现场松散破碎情况确定。加大注浆量时，如果现场发现明显漏浆及围岩鼓胀，适当减小注浆压力，确保安全。孔内注浆顺序为由近及远；钻一孔，注一孔；按1、2序孔跳孔注浆；后续钻孔作为检查孔或适时补打检查孔，适时加密钻孔。
[0036]5)在变形区1采用超前管棚2支护，超前管棚2的管径为Φ48_，外插角1_2°，超前管棚2长度为3m。
[0037]6)回撤变形区1内被破坏的支架，并开挖冒落矸石。
[0038]7)在回撤失效支架的同时采用U型钢3对变形区1进行临时支护，以0.6-1.2m为一个回撤、开挖和U型钢3支护工作段，即超前管棚2布设完毕后，先回撤0.6-1.2m范围内U型钢支架，开挖冒落矸石，然后及时布设两组U型钢3，并安装拉杆，并按此进尺循环。
[0039]8)达到钢筋混凝土设计施工工作段后，布设模板进行钢筋混凝土衬砌浇筑施工，浇筑过程中预埋冒落空洞及破碎围岩区注浆管。在钢筋混凝土浇筑时，以2.4-3.6m为一个工作段，当U型钢3架设满一个工作段后，开始在其后方一个工作段范围内制模、铺设钢筋网并浇筑混凝土 7。
[0040]9)开挖推进后，根据实际坍塌范围，按照第六排钻孔角度增设补孔注浆排8，顺序进行超前管棚支护2、U型钢3及一次衬砌支护，直至通过垮塌区；
[0041]10)衬砌稳定后，利用预埋的注浆管5对衬砌壁后冒落空洞及松散围岩进行高压注浆充填加固。
[0042]结合现场涌水情况，采用先探水、再导水，最后堵水的实践方案。注浆过程中逐渐调整注浆钻孔角度，从而达到闭合帷幕注浆区的目的，同时起到堵水和加固围岩的双重作用。系统地明确了 “超前注浆堵水加固-超前支护-临时支护-一次支护-二次支护”的“顺序-联合”的系统控制和接续方法，并在现场取得了较好的实践效果。试验过程中，超前伞状注浆加固后，巷道内涌水基本消失，同时围岩强度显著增强，巷道成型效果好，尤其对于服务年限长的主要巷道，保证了其长期稳定性，解决了富水断层破碎带内垮塌巷道的修复难题，给矿井带来极大经济效益。
[0043]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于变角伞状超前注浆的富水断层破碎带垮塌巷道巷修方法，特征在于包括以下步骤:1)自巷道变形区(1)后方8-10m范围内的巷道布置1-3排探水和导水钻孔；2)将水量大的探水和导水钻孔留作排水、导水孔，对无水或水量极小的探水和导水钻孔进行注浆，先后进行浅孔、深孔注浆；3)超前逐排布置堵水及加固封闭钻孔；4)依次逐排进行钻孔注浆，先浅孔注浆，再深孔注浆；5)在变形区(1)采用超前管棚(2)支护；6)回撤变形区(1)内被破坏的支架，并开挖冒落矸石；7)在回撤失效支架的同时采用U型钢(3)对变形区(1)进行临时支护；8)达到钢筋混凝土设计施工工作段后，布设模板进行钢筋混凝土衬砌浇筑施工，浇筑过程中预埋冒落空洞及破碎围岩区注浆管；10)开挖推进后，根据实际坍塌范围，按照第六排钻孔角度增设补孔注浆排(4)，顺序进行超前管棚支护(2)、U型钢(3)及一次衬砌支护，直至通过垮塌区；11)衬砌稳定后，利用预埋的注浆管(5)对巷道衬砌壁后冒落空洞及松散围岩进行高压注浆充填加固。
2.根据权利要求1所述的一种基于变角伞状超前注浆的富水断层破碎带垮塌巷道巷修方法，其特征在于:在步骤1)钻孔时钻两排探水和导水钻孔，在步骤3)进行钻孔时钻四排探水和导水钻孔，且均使用变角伞状钻孔模式，所述变角伞状钻孔模式为两排探水和导水钻孔均朝后方倾斜布设，且外插角从后往前逐渐变大，四排堵水及加固封闭钻孔均朝前方倾斜布设，且外插角从后往前逐渐变小，该六排钻孔呈伞状分布。
3.根据权利要求2所述的一种基于变角伞状超前注浆的富水断层破碎带垮塌巷道巷修方法，其特征在于:第一排孔(?ο)朝后方倾斜布设,外插角η为60°，第二排钻孔(11)朝后方倾斜布设，外插角Θ为70。，第三排钻孔(12)朝前方倾斜布设，外插角λ为70°，第四排钻孔(13)朝前方倾斜布设,外插角μ为63.4°，第五排钻孔(14)朝前方倾斜布设，外插角ν为33.7°，第六排钻孔(15)朝前方倾斜布设,外插角ξ为21.8°。
4.根据权利要求1所述的基于变角伞状超前注浆的富水断层破碎带垮塌巷道巷修方法，其特征在于:进行钻孔注浆时，排间钻孔挂孔位置采用梅花状布置，相邻钻孔排钻孔布置方式不同，使排间注浆范围形成互补，所有奇数排钻孔采用一环孔模式，所有偶数排钻孔采用二环孔模式；所述一环孔模式为在拱基线(6)及以上区域按照夹角α为30°的间隔布孔，底角为沿拱基线(6)以下夹角β为32°的角度布孔，底板单侧中线以下以夹角、为30°的角度布孔，且在底板中心垂直布孔，共有钻孔12个；所述二环孔模式为在拱基线(6)下方15°以上区域按照夹角δ为30°的间隔布孔，底角以拱基线(6)下方15°以下夹角ε为32°的角度布孔，底板单侧中线以下以夹角ζ为30°的角度布孔，且在底板中心垂直布孔，共有钻孔13个。
5.根据权利要求4所述的一种基于变角伞状超前注浆的富水断层破碎带垮塌巷道巷修方法，其特征在于:在变形区(1)后方9m处布置第一排钻孔(10)，第一排钻孔(10)断面布置采用一环孔模式，仅布置拱基线以上钻孔；在变形区(1)后方7.5m处布置第二排钻孔(11)，第二排钻孔断面布置采用二环孔模式，仅布置拱基线下方15°以上区域的钻孔，孔口朝向巷道后方；在变形区(1)后方6m、4.5m,3.5m和2.5m处还依次布置有第三排钻孔(12)、第四排钻孔(13)、第五排钻孔(14)和第六排钻孔(15)，第三排钻孔和第五排钻孔断面布置采用一环孔模式，第四排钻孔和第六排钻孔断面布置采用二环孔模式。
6.根据权利要求1所述的一种基于变角伞状超前注浆的富水断层破碎带垮塌巷道巷修方法，其特征在于:回撤变形区(1)内被破坏的支架和对变形区(1)进行临时支护时，以0.6-1.2m为一个回撤、开挖和U型钢(3)支护工作段，即超前管棚(2)布设完毕后，先回撤 0.6-1.2m范围内U型钢支架，开挖冒落矸石，然后及时布设两组U型钢(3)，并安装拉杆，并按此进尺循环。
7.根据权利要求1所述的一种基于变角伞状超前注浆的富水断层破碎带垮塌巷道巷修方法，其特征在于:钢筋混凝土浇筑时以2.4-3.6m为一个工作段，当U型钢(3)架设满一个工作段后，开始在其后方一个工作段范围内制模、铺设钢筋网并浇筑混凝土(7)。
8.根据权利要求1所述的一种基于变角伞状超前注浆的富水断层破碎带垮塌巷道巷修方法，其特征在于:在步骤1)和步骤3)进行钻孔时采用中空注浆锚杆锚固并兼做注浆管，在步骤2)和步骤4)中通过该中空注浆锚杆进行注浆加固。
【文档编号】E21D11/10GK103628894SQ201310513597
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】曹树刚, 洛锋, 李国栋, 郭平, 张遵国, 李勇, 孙传猛, 刘延保, 杨红运 申请人:重庆大学