一种沿空掘巷煤柱加固系统及其使用方法与流程

本发明属于煤矿沿空掘巷支护技术领域，具体涉及一种沿空掘巷煤柱加固系统及其使用方法。

背景技术：

随着煤矿开采机械化程度的提高,矿井产量和开采深度的加大,对煤炭采出率和回采巷道支护技术要求越来越高,传统的留设较宽的区段煤柱护巷的布置方式已不能满足要求。留窄煤柱沿空掘巷是提高煤炭采出率的有效方法之一。沿空掘巷是在上区段工作面回采引起的采动影响稳定以后沿采空区边缘掘进的巷道。沿空掘巷技术由于巷道具有煤炭采出率高、容易维护等诸多优点,近些年来在我国多个矿区逐渐推广应用，窄煤柱是沿空掘巷围岩的重要组成部分,其稳定性直接影响巷道整体的稳定性,因此需要对窄煤柱加强支护。

现有的技术中，针对沿空掘巷煤柱加固，进行了一系列技术改进，例如：(1)cn201410150974.8公开了一种沿空掘巷煤柱锚索对穿加固方法，虽然该方法采用锚索对穿加固技术能够对煤柱施加较大的锚固力，提高煤柱的支撑强度，保障煤柱的长期稳定，但该方法需在上区段开采完毕之后，提前在煤柱上进行打孔，安装预置锚索，工序繁琐，另外互巷煤柱存在宽度预留不准确，误差较大将导致对穿加固无法进行；(2)cn201710035988.9公开了一种沿空掘巷煤柱双向加固方法，采用胀锁式对穿锚索实现预留煤柱的双向加固，并在预留煤柱的一侧进行施工就能完成，能够增强互巷煤柱的承载力和稳定性，但该方法中胀锁式对穿锚索设计比较复杂，无法实时了解注浆时扩胀囊袋内的压力，并且扩张囊袋在未注浆前，容易被采空区矸石压瘪，注浆困难，导致煤柱双向加固无法进行，另外，在煤柱破碎时，该方法只能对煤柱两侧加固，无法做到煤柱内部加固，致使煤柱的稳定性和承载能力大大降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种沿空掘巷煤柱加固系统及其使用方法，其可在沿空掘巷内单向进行煤柱加固，提高煤柱的稳定性和承载能力。

本发明的任务之一在于提供一种沿空掘巷煤柱加固系统，其采用了以下技术方案：

一种沿空掘巷煤柱加固系统，包括煤柱加固锚索、注浆钻孔、注浆监测装置及注浆机，其特征在于：

所述的煤柱加固锚索包括锚固段、自由段及挡矸装置；

所述的锚固段包括气囊、前部固定环、后部固定环及注浆孔，所述前部固定环和所述后部固定环用于固定所述气囊，所述前部固定环位于所述气囊的前端，所述后部固定环位于气囊的后端，所述注浆孔位于所述后部固定环上；

所述的自由段包括钢绞线、托盘、锁具及内注浆管，所述内注浆管一端与所述注浆孔连接，另一端与所述注浆监测装置连接，所述的气囊沿钢绞线长度方向布置，所述的气囊包覆在所述钢绞线的外周面；

所述的挡矸装置包括圆柱、钢板、弹簧、螺栓及帆布，所述圆柱的直径与所述钢绞线的直径相同，在所述的圆柱左侧外周面均匀布置四个固定连接装置，在所述圆柱左侧布置竖向钻孔，在中间位置布置横向钻孔；所述钢板一端通过螺栓与所述固定连接装置连接；所述弹簧安装在所述横向钻孔和竖向钻孔内，所述弹簧两端与钢板连接，所述帆布内部含有铁丝，所述帆布固定在钢板上；

所述注浆机包括电动机、注浆钢管、控制阀门、储浆罐、螺旋推进装置、三脚支架、出浆钢管及转速控制器，所述储浆罐为圆柱形，所述电动机位于储浆罐的上部，所述注浆钢管设置于储浆罐上部侧面，所述注浆管与储浆罐之间设置所述控制阀门，所述储浆罐内部设置所述螺旋推进装置，所述螺旋推进装置包括轴芯及固设于轴芯侧面以其轴为旋转轴沿轴向螺旋前进从其前端延伸至后端的螺旋叶片，所述螺旋叶片内沿与轴芯密闭贴合，外沿与储浆罐壳体密闭贴合，螺旋叶片相邻叶身与轴芯之间对应形成一槽，整个螺旋叶片在轴芯上形成从其前端面延伸至后端面连通前后端面的螺旋式导质槽，所述三脚支架位于储浆罐下部，所述出浆钢管设置于储浆罐底部，所述出浆钢管与储浆罐之间设置控制阀门，所述转速控制器设置在储浆罐表面。

作为本发明的一个优选方案，所述的注浆监测装置与所述的注浆机连接，所述的注浆监测装置包括主注浆管道，所述的主注浆管道上安装有主调节阀，所述主调节阀一侧安装有进浆调节阀，所述进浆调节阀上连接有压力表一，所述主调节阀另一侧安装有放浆调节阀，所述放浆调节阀上连接有压力表二，所述主注浆管道进浆调节阀侧端为进浆孔，所述进浆孔与所述注浆机的出浆管连接，所述放浆调节阀侧端为出浆孔，所述出浆孔连接有注浆软管。

进一步的，所述煤柱加固锚索布置方式为：第一排打三根煤柱加固锚索，第二排打两根煤柱加固锚索，如此循环，所述煤柱加固锚索间排距为1.5m×1.5m。

进一步的，所述注浆钻孔的深度为煤柱的一半。

本发明的另一任务在于提供上述一种沿空掘巷煤柱加固系统的使用方法，依次包括以下步骤：

a、在沿空掘巷采空区侧煤柱处钻设锚索钻孔，所述锚索钻孔的深度为穿透煤柱；

b、所述煤柱加固锚索通过所述锚索钻孔穿透煤柱，所述煤柱加固锚索的锚固段、挡矸装置位于采空区内，所述煤柱加固锚索的锚固段紧贴采空区侧煤柱壁；

c、所述挡矸装置安装在锚索钻孔内，弹簧处于压缩状态，钢板、帆布紧贴在气囊四周，当挡矸装置进入采空区时，弹簧弹开，钢板和帆布随之打开，形成“伞”的形状，以起到挡住采空区矸石的作用；

d、所述注浆软管与所述出浆孔连接，所述出浆管与所述进浆孔连接；

e、启动注浆机，通过调节转速控制器使浆体达到合适的速度排出，将浆体经过注浆监测装置注入气囊内，在注浆期间，观察压力表一、压力表二数值，通过调节主调节阀、进浆调节阀、放浆调节阀来控制浆体的流量，当压力表一、压力表二达到规定数值时，关闭注浆机，关闭主调节阀，停止注浆；

f、在所述煤柱加固锚索钻孔之间钻设注浆钻孔，所述注浆钻孔深度为煤柱一半，通过注浆机向所述注浆钻孔进行注浆；

g、沿巷道掘进方向，依次施工煤柱加固锚索，实现整个工作面的煤柱加固。

本发明所带来的有益技术效果为：

(1)本发明区别于传统的沿空掘巷预埋锚索加固方式，而是在巷道内采用煤柱加固锚索对煤柱进行加固，实现煤柱两个面互相约束，限制其变形；

(2)通过注浆钻孔向煤柱内注浆，可以提高煤柱的完整性，解决了传统沿空掘巷煤柱破碎、强度低的问题，提高煤柱整体的稳定性和承载能力，有效的减少巷道变形；

(3)通过煤柱加固锚索挡矸装置可以有效的防止采空区矸石压住或压破气囊，通过注浆监测装置可以实时了解气囊内压力，以防压力过大，气囊破裂；

(4)通过调节注浆机转速控制器控制螺旋推动装置转速，可以适应不同环境的注浆，可以有效的调节注浆的速度，以防注浆速度过快导致气囊破裂。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明一种沿空掘巷煤柱加固系统的结构示意图；

图2为煤柱加固锚索、注浆孔布置示意图；

图3为煤柱加固锚索压缩示意图；

图4为煤柱加固锚索展开示意图；

图5为煤柱加固锚索截面示意图；

图6为挡矸装置钻孔布置示意图；

图7为注浆监测装置示意图；

图8为注浆机示意图；

图9为注浆机转速控制器示意图；

图中：1-巷道；2-煤柱；3-采空区；4-煤柱加固锚索，41-锚固段，411-气囊，412-前部固定环，413-后部固定环，414-注浆孔，42-自由段，421-钢绞线，422-注浆软管，423-托盘，424-锁具，43-挡矸装置，431-高强度圆柱，4311-固定连接装置，4312-竖向钻孔，4313-横向钻孔，432-高强度钢板，433-螺栓，434-高强度弹簧，435-帆布；5-注浆机，51-电动机，52-注浆钢管，53-控制阀门，54-储浆罐，55-螺旋推进装置，551-轴芯，552-螺旋叶片，56-三脚支架，57-出浆管，58-转速控制器，581-“no”启动键，582-“off”停止键，583-速度控制键；6-注浆监测装置，61-主注浆管道，62-进浆孔，63-压力表一，64-进浆调节阀，65-主调节阀，66-压力表二，67-放浆调节阀，68-出浆孔；7-注浆钻孔。

具体实施方式

本发明提出了一种沿空掘巷煤柱加固系统及其使用方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

本发明，一种沿空掘巷煤柱加固系统，包括煤柱加固锚索4、注浆钻孔7、注浆机5、注浆监测装置6。结合图1、图2所示，煤柱加固锚索布置方式为：第一排打三根煤柱加固锚索4，第二排打两根煤柱加固锚索4，如此循环，煤柱加固锚索4间排距为1.5m×1.5m。注浆钻孔7在煤柱加固锚索4钻孔之间进行钻设，注浆钻孔7深度为煤柱一半。

结合图3-图6所示，本发明煤柱加固锚索4包括锚固段41，自由段42，挡矸装置43，锚固段41包括：气囊411，前部固定环412，后部固定环413，注浆孔414。气囊411采用高强度橡胶材质，气囊411沿钢绞线421长度方向布置，气囊411包覆在钢绞线421的外周面。前部固定环412和所述后部固定环413用于固定气囊411，前部固定环412位于气囊411前端，后部固定环413位于气囊411后端，后部固定环413设置一个注浆孔。

自由段42包括：钢绞线421，托盘423，锁具424，注浆软管422。钢绞线421规格视煤柱2加固强度确定。托盘423采用材质为高强度钢板冲压而成。注浆软管422为高压强软管，注浆软管422一端与注浆孔414连接，另一端与注浆监测装置6出浆孔68连接。

挡矸装置43包括：高强度圆柱431，高强度钢板432，高强度弹簧434，螺栓433，帆布435。高强度圆柱431长度为30cm，直径与钢绞线421直径相同，在高强度圆柱431左侧5cm位置外周面均匀布置四个固定连接装置4311，在高强度圆柱431左侧10cm位置布置竖向钻孔4312，在中间位置布置横向钻孔4313。所述高强度钢板432长度为35cm，宽度为5cm，厚度为0.8cm，所述高强度钢板432一端通过螺栓433与所述固定连接装置4311连接，所述高强度钢板432共有四个。高强度弹簧434安置在横向钻孔4313和竖向钻孔4312内，高强度弹簧434两端与高强度钢板432连接，高强度弹簧434共有两个。帆布435内部含有高强度铁丝，帆布435固定在高强度钢板432上。

挡矸装置43与锚固段41通过所述前部固定环412连接。

气囊411内浆体为锚固化学浆液，注浆钻孔7浆体为水泥浆液或马丽散等化学浆液。

结合图7-8所示，本发明注浆机5包括电动机51，注浆钢管52，控制阀门53，储浆罐54，螺旋推进装置55，轴芯551，螺旋叶片552，三脚支架56，出浆管57，转速控制器58，“no”启动键581，“off”停止键582，速度控制键583。

储浆罐54为圆柱形，电动机51位于储浆罐54的上部，注浆钢管52设置于储浆罐54上部侧面，注浆钢管52与储浆罐54之间设置控制阀门53，储浆罐54内部设置有螺旋推进装置55，螺旋推进装置55包括轴芯551及固设于轴芯侧面以其轴为旋转轴沿轴向螺旋前进从其前端延伸至后端的螺旋叶片552，螺旋叶片552内沿与轴芯551密闭贴合，外沿与储浆罐54壳体密闭贴合，螺旋叶片552相邻叶身与轴芯551之间对应形成一槽，整个螺旋叶片552在轴芯551上形成从其前端面延伸至后端面连通前后端面的螺旋式导质槽，三脚支架56位于储浆罐54下部，所述出浆管57设置于储浆罐54底部，所述出浆管57与储浆罐54之间设置控制阀门53，所述转速控制器58设置在储浆罐54表面，所述转速控制器58包括“no”启动键581、“off”停止键582、速度控制键583，所述速度控制键583分为“ⅰ”、“ⅱ”、“ⅲ”三个档位。

具体的，注浆机5操作流程：按下所述转速控制器58上“no”启动键581，所述电动机51启动，电动机51轴承转动，带动储浆罐54内部螺旋推进装置55转动，螺旋推动装置55高速螺旋旋转前进做工，产生运载浆体的推力，最终浆体从出浆管57排出，注浆结束按下所述转速控制器58上“off”停止键582，注浆机5停止工作。通过调节转速控制器58上面的速度控制键583调节螺旋推进装置55的转速，“ⅰ”、“ⅱ”、“ⅲ”三个档位速度依次增高，进而更好地适应不同环境下注浆工作。

如图9所示，本发明注浆监测装置6是与注浆机5连接的主注浆管道61，主注浆管道61上安装有主调节阀65，主调节阀65可以对进入浆体量灵活控制，主调节阀65一侧安装有进浆调节阀64，进浆调节阀64上连接有压力表一63，进浆调节阀64可以灵活调节浆体的压力，压力表一63用于显示压力值方便进浆调节阀64对浆体压力的调节，主调节阀65另一侧安装有放浆调节阀67，放浆调节阀67上连接有压力表二66，放浆阀67用于对注浆软管422输入的注浆量的控制，主注浆管道61进浆调节阀64侧端为进浆孔62，进浆孔62与注浆机出浆管57连接，注浆管道放浆调节阀67侧端为出浆孔68，出浆孔68与注浆软管422连接。

上述沿空掘巷煤柱加固系统的使用方法，包括以下步骤：

(1)在沿空掘巷采空区6侧煤柱2进行钻设锚索钻孔，锚索钻孔深度为穿透煤柱2，锚索钻孔用于安装煤柱加固锚索4。沿空掘巷预留煤柱一般在3-5m左右，如果煤柱留设过窄，煤柱的稳定性和承载能力达不到，煤柱容易被压坏，造成巷道变形、失稳；如果煤柱留设过宽，造成资源浪费；

(2)煤柱加固锚索4通过所述锚索钻孔穿透煤柱2，煤柱加固锚索4锚固段41、挡矸装置43位于采空区3内，煤柱加固锚索4锚固段41紧贴采空区3侧煤柱壁；

(3)挡矸装置43在锚索钻孔内，高强度弹簧434处于压缩状态，高强度钢板432、帆布435紧贴在气囊411四周，以防气囊411在锚索钻孔内前进过程中磨损破坏，当挡矸装置43进入采空区3时，高强度弹簧434弹开，高强度钢板432和帆布435随之打开，形成“伞”的形状，即可起到挡住采空区3矸石的作用，以防矸石压住气囊411；

(4)注浆软管422与注浆监测装置6的出浆孔68连接，注浆机5出浆管57与注浆监测装置6的进浆孔62连接；

(5)启动注浆机5，通过调节转速控制器58使浆体达到合适的速度排出，将浆体经过注浆监测装置6注入气囊411内，在注浆期间，观察压力表一63、压力表二66数值，通过调节主调节阀65、进浆调节阀64、放浆调节阀6来控制浆体的流量，当压力表一63、压力表二66达到规定数值时，关闭注浆机5，关闭主调节阀65，停止注浆。经实验测试，当压力检测装置6上压力表达到2mpa时停止注浆，等待2-3小时后气囊411形成稳定锚固体，气囊411注浆稳定后不仅可以起到锚固作用，也可以封堵钻孔，防止采空区3有害气体溢出，当气囊411内浆体凝固后，在巷道1一侧对煤柱加固锚索4用托盘423、锁具424锚固，施加预应力，气囊411内浆体为快速凝固化学浆液；

(6)在煤柱加固锚索钻孔之间进行钻设注浆钻孔7，注浆钻孔7深度为煤柱2一半，通过注浆机5向注浆钻孔7进行注浆；

(7)煤柱加固锚索4布置方式为：第一排打三根煤柱加固锚索4，第二排打两根煤柱加固锚索4，如此循环，所述煤柱加固锚索4间排距为1.5m×1.5m；

(8)沿巷道掘进方向，依次施工煤柱加固锚索4，实现整个工作面的煤柱2加固。

上述未述及的部分借鉴现有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。