一种全煤巷道防冲击地压方法与流程

本发明涉及煤矿井下安全防护，特别是一种全煤巷道防冲击地压方法。

背景技术：
随着煤矿开采深度和开采强度的不断加大，冲击地压发生频次和强度也在不断增加，冲击地压发生瞬间释放大量的弹性压缩能，会使巷道遭受严重破坏，造成重大人员伤亡与设备损失安全事故。因此，如何防止冲击地压对巷道的破坏成为煤矿开采亟待解决的重大难题。目前，对冲击危险巷道围岩的支护大都采用锚杆、锚索、钢拱架和强支护等中的一种或几种联合使用的支护方式。其中最常用的是在巷道顶板和两帮设置由铁丝网、钢带和锚杆组成的常规支护(铁丝网铺设在巷道表面，在铁丝网上面沿巷道横向间隔分布钢带，锚杆间隔分布、并穿过钢带锚固在巷道围岩中)加钢绞线锚索。这种仅采取增加支护密度、加大支护强度的“强支硬顶”常规支护方式防冲击地压效果并不理想。为提高支护构件的防冲击地压性能，ZL201210579310.4号专利公开了一种由锚杆和锚索组成的吸能锚杆索，该吸能锚杆索通过让位连接套管使锚杆和锚索组合为一体，具有刚柔耦合特性和快速让位吸能特性，用其作为支护构件提高了构件的防冲击地压性能，但单独使用这种锚杆索仍不能抵御较严重的冲击地压。ZL201310657212.2号专利文献公开了一种锚网索-型钢支架耦合支护结构和方法，能够使准静态载荷巷道围岩变形均匀，并未考虑冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性。申请号为CN201410374840.4的专利说明书公开了一种恒阻大变形锚杆/锚索及其设计方法，并未考虑各个构件间的协同作用以及构件与围岩的相互作用，巷道围岩性质也未做改进。

技术实现要素：
根据上述现有技术存在的缺陷，本发明经研究证实，防冲击地压对巷道的破坏必须同时兼顾两个方面：一是组成巷道支护结构的构件应具有吸能功能，使冲击发生时，各构件能够快速吸收冲击能，降低冲击能对整个支护结构和巷道围岩的破坏程度；二是需改善围岩自身的力学性能，提高围岩本身的抗冲性能力。遵循这一研究结论，本发明的目的是提供一种多技术措施并举、具有立体分布式吸能防冲功能的全煤巷道防冲击地压方法，以有效防止冲击地压引发的煤矿生产安全事故。为实现上述目的，本发明提供的全煤巷道防冲击地压的方法，包括在巷道顶板和两帮设置由铁丝网、钢带和锚杆组成的常规支护，(铁丝网铺设在巷道表面，在铁丝网上面沿巷道横向间隔分布钢带，锚杆间隔分布、并穿过钢带锚固在巷道围岩中)；其特点是，还包括：A.在巷道顶板和两帮增设由吸能钢梁和吸能锚杆索组成的防冲支护；其中吸能钢梁沿巷道纵向间隔分布，吸能钢梁由相互间距80～100mm的两层钢板和间隔固定于两层钢板之间的吸能盒构成，吸能盒由与钢板同材质的四块方形钢板块垂直于上下两层钢板焊接在上下钢板上构成，吸能盒的间距与锚杆在钢带上的排距相同，所述吸能锚杆索穿过吸能盒所处的钢板和吸能盒插入巷道预先开设的钻孔中，其深部用树脂药卷锚固材料进行锚固，浅部(2m范围内)用钢纤维水泥砂浆注浆材料锚固；B.采用声波探测技术测定巷道围岩松动圈尺寸，在顶板和两帮上的相邻吸能钢梁和相邻钢带之间的巷道围岩上间隔打注浆钻孔，注浆钻孔的深度大于巷道围岩松动圈尺寸0.5m，采用高压注浆方法在注浆钻孔内注入能够使围岩具有阻尼性能的注浆材料；C.采用采动应力检测技术测定工作面超前影响范围，对工作面超前影响范围内的巷道两底角处进行爆破卸压，爆破卸压钻孔角度与巷道底板成40～50°角，爆破位置控制在两帮锚杆和吸能锚杆索作用范围外2～3m。为提高吸能钢梁的抗弯性能，在所述吸能钢梁的两层钢板的下表面(与巷道表面相背的表面)粘贴有高强度抗拉碳纤维布。所述能够使围岩具有阻尼性能的粘性材料为含玄武岩纤维的聚氨酯注浆材料。本发明中的防冲支护由吸能钢梁和吸能锚杆索相结合构成，其中吸能钢梁在巷道表面将各个吸能锚杆索连接，使吸能锚杆索的受力趋于均匀，有利于发挥吸能锚杆索的整体同步吸能作用；此外，冲击地压发生时，分布于吸能钢梁间的吸能盒在一定压力下轴向被迅速压缩，吸收冲击能，可极大消减巷道表面反射应力波，削弱反射应力波对巷道浅部围岩体的冲击拉伸作用。将吸能锚杆索与吸能钢梁相结合构成的这种防冲支护，其防冲击地压性能比单独使用吸能锚杆索可提高数倍。在巷道常规支护的基础上再增加这种防冲支护后，可使整个巷道支护的防冲击地压性能比单独使用常规支护或防冲支护进一步提高。本发明采取注浆技术将巷道围岩由松散状态改变为具有阻尼性能的粘性和柔性介质，可对冲击应力波起到阻尼耗能功效，减轻冲击地压能对支护结构的作用，从而使巷道的防冲击地压功能在常规支护和防冲支护的基础上，得到更进一步提高。本发明在加强巷道支护和围岩改性的同时，还在巷道底角采取爆破卸压，可防止因采动引起巷道底板高能量积聚而导致的底板冲击地压发生。与现有技术相比较，本发明同时采取常规支护、防冲支护、围岩改性和巷道底角爆破卸压等四项技术措施，构成巷道“点-线-面-体”立体分布式吸能防冲体系。其中由常规支护和防冲支护相结合的支护结构既能削弱入射应力波作用，又能消减巷道表面反射应力波作用；改性后的松散围岩体具有大柔度、大变形、高阻尼和高耗能特性，可大幅度减轻冲击能对支护结构的作用。四项技术措施相辅相成、协同增效，使巷道防冲击地压能力大幅度提高，有效保证冲击地压作用下煤层巷道的稳定性，避免冲击地压和矿震引起的煤矿生产安全事故。附图说明附图为本发明实施例的示意图，其中：图1为采用本发明支护结构的巷道平面展开图；图2为图1中防冲支护的纵向剖视图；图3为相邻两根吸能托梁搭接处纵向剖面局部放大图。图中：1-锚杆，2-钢带，3-铁丝网，4-吸能锚杆索，5-吸能钢梁，6-注浆钻孔，7-巷道围岩，8-钢板，9-吸能盒，10-碳纤维布，11-树脂药卷锚固材料，12-钢纤维水泥砂浆注浆材料，13-中间岩体，14-巷道深部坚固岩体。具体实施方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明全煤巷道防冲击地压方法，巷道支护结构如图1所示，巷道掘进后，首先采用常规技术在巷道顶板(图1中两虚线之间部分)和两帮(图1中两虚线之外部分)的巷道表面铺设铁丝网3，在铁丝网上面沿巷道横向间隔分布钢带2，沿钢带间隔分布锚杆1，将锚杆穿过钢带锚固在巷道围岩中，构成由铁丝网、钢带和锚杆组成的常规支护。然后在巷道顶板和两帮的上述常规支护基础上，增设由吸能钢梁5和吸能锚杆索4(吸能锚杆索为现有技术)组成的防冲支护。其中吸能钢梁如图2和图3所示，由相互间距80mm的两层钢板8和间隔固定于两层钢板之间的吸能盒9构成。在两层钢板的下面(与巷道表面相背的表面)粘贴高强度抗拉碳纤维布10，以增强钢板的抗弯性能。采用与钢板同材质的四块方形钢板块垂直于上下两层钢板焊接在上下钢板上构成封闭的吸能盒9。吸能盒之间的间距与锚杆在钢带上的排距相同。在构成吸能盒的上下钢板上开设供所述吸能锚杆索穿越的孔道。相邻吸能钢梁采用共节点的搭接方式连接，节点处设有吸能盒。如图1所示，将吸能钢梁紧贴巷道表面、沿巷道纵向间隔布置(吸能钢梁与钢带垂直)，按照吸能锚杆索与锚杆在纵向和横向均相互错开的布局，将吸能锚杆索穿过所述上下钢板上开设的孔道插入巷道预先开设的钻孔中，吸能锚杆索穿过巷道围岩7和中间岩体13，插到巷道深部坚固岩体14上，其深部采用树脂药卷锚固材料11进行锚固，浅部(2m范围内)采用钢纤维水泥砂浆注浆材料12进行锚固，用吸能锚杆索尾部的预紧螺母(未图示)将吸能钢梁紧固在巷道表面。在完成上述常规支护和防冲支护后，采用声波探测技术测定巷道围岩松动圈尺寸，然后在顶板和两帮上相邻吸能钢梁和相邻钢带之间的巷道围岩7上打注浆钻孔6，注浆钻孔的深度大于巷道围岩松动圈尺寸0.5m，采用高压注浆方法在注浆钻孔内注入含有玄武岩纤维的聚氨酯注浆材料，使围岩具有粘性和柔性，对冲击起到阻尼作用。为避免漏注或注浆不足，可利用钻孔窥视方法检验注浆效果，如有漏注或注浆不足，需进行补注。与此同时，随着工作面的推进，采用采动应力检测技术测定工作面超前影响范围，对工作面超前影响范围内的巷道两底角处进行爆破卸压，防止采动引起巷道底板高能量积聚而导致冲击地压发生。爆破卸压钻孔角度与巷道底板成40°角，爆破位置控制在两帮锚杆和吸能锚杆索的作用范围外3m处。本发明中常规支护和防冲支护所用锚杆、钢带、锚杆索及吸能钢梁等结构件的设计尺寸、纵向排距、横向间距等技术参数可通过计算不同等级矿震冲击所释放的能量和每根锚杆及吸能锚杆索冲击变形过程中能吸收的能量来确定。实施例：某矿一工作面，煤层厚度12m，煤层赋存稳定，进风巷为21m3的直墙拱形断面，属全煤巷道，具有强冲击危险，在掘进期间选择了90m长巷道进行了下述三种支护方式的试验：试验段1：巷道长度30m，采用常规加钢绞线锚索支护，即在巷道顶板采用“锚杆+铁网+钢带”另加钢绞线锚索的支护方式。其中锚杆长度为2.2m，间距为0.8m，排距为0.8m，锚索直径为17.8mm、长度为7m，锚索间距为1.6m，排距1.2m。两帮采用“锚杆+铁网+钢带”支护，锚杆长度为2.2m，间距为0.8m，排距为0.8m。试验段2：巷道长度30m，其支护结构为用吸能锚杆索替代试验段1中的钢绞线锚索，同时在巷道两帮也增加吸能锚杆索，其余与试验段1相同。吸能锚杆索用直径17.8mm，长7m的钢绞线锚索与直径22mm、长2.2m的螺纹钢锚杆组合而成。试验段3：巷道长度30m，采用本发明方法，即在试验段2的支护基础上，采用吸能钢梁将吸能锚杆索连接起来，在巷道顶板及两帮通过注入含玄武岩纤维的聚氨酯注浆材料改性巷道围岩，同时对工作面超前影响范围内的巷道两底角处进行爆破卸压。工作回采期间发生了一次强烈矿震，经微震定位，震源位置在距离试验段3中间位置，与巷道顶板垂直距离50m，与巷道左帮水平距离60m，震级为2.8级，微震释放能量为106J。试验段1距离震源最远，但巷道整体变形严重，其中顶板下沉0.8m，左帮位移0.6m，大部分巷道表面围岩破碎垮落，部分钢绞线锚索破断，巷道完全不能使用。试验段2距离震源稍远，巷道整体变形严重，其中顶板下沉0.6m，左帮移近0.5m，没有发现吸能锚杆索破断，但相邻两吸能锚索间的围岩表现为局部脱落，部分锚杆失去托锚基础，巷道需要维修后才能满足使用要求。试验段3距离震源位置最近，但巷道没有发生大的变形破坏，只是顶板下沉0.3m(吸能锚杆索的吸能长度)，左帮移近0.3～0.4m，巷道表面围岩完整性较好，完全能够满足巷道继续使用。