专利名称：煤岩复合顶板差异尺度锚杆联合支护方法
技术领域：
本发明涉及煤岩复合顶板差异尺度锚杆联合支护方法，尤其适用于预防和治理煤矿埋深大、高应力作用下存在软弱夹层(煤线、泥岩)地质弱面的巷道(煤巷、岩巷)复合顶板。
背景技术：
随着对煤炭资源的需求增大，我国大部分矿区煤矿开采已进入深部开采阶段。由于深部条件下，地质构造复杂，各种地质条件(断层、地下水等)相互影响，环境的未知性、复杂性、不可重复性使得深部巷道开挖与维护变得越来越困难。复合顶板巷道由于围岩内层理、节理等不连续面非常发育，岩层松软破碎，属困难条件巷道，支护难度大，巷道返修成本高，顶板层间粘结系数小，同层容易造成大面积冒顶事故，严重影响巷道的安全掘进。目前锚杆支护及其它锚杆组合支护体系中多采用统一长度的锚杆，虽能有效控制顶板变形，但是没有考虑顶板地质层分布形式，存在部分区域失稳现象，同时也造成了较大的成本浪费。也有采用长短锚杆组合支护结构，但是一般根据模拟计算的地应力进行设计，对地层结构考虑较少，支护效果随机风险性大，对顶板离层控制效果差。
发明内容
技术问题本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种方法简单、成本低、能控制高应力破碎的煤岩复合顶板差异尺度锚杆联合支护方法。技术方案本发明的煤岩复合顶板差异尺度锚杆联合支护方法，包括如下步骤
a.在预开掘的巷道顶板中部安放沿掘进方向的纵、横面发射电磁脉冲的地质雷达，通过地质雷达向纵面发射多个不同角度a的电磁脉冲，沿横面发射多个不同角度的电磁脉冲，横面发射电磁脉冲的多个角度β对应纵面发射电磁脉冲的多个角度σ，构成向纵、横面多个角度乘积数量的多个方向发射电磁脉冲；
b.通过地质雷达接收纵、横面多个角度乘积数量的多个方向电磁脉冲的反射信号，根据反射信号得到每个角度方向的完整岩体区与上破裂岩体区的交界面、上破裂岩体区与下破碎岩体区交界面至地质雷达的距离Z，通过距离L、角度a、角度β确定三维坐标系中对应的各点，连接各点构成三维复合顶板结构地质模型；
c.根据三维复合顶板结构地质模型中的完整岩体区、上破裂岩体区的破裂岩体区任意竖向截面高度和下破碎岩体区的破碎岩体区任意竖向截面高度，采用差异尺度的锚杆LI、L2、L3、金属网和钢带对开掘巷道的复合顶板进行联合支护，其中，差异尺度的锚杆LI、L2、L3满足锚杆LI的长度 > 锚杆L2的长度 > 锚杆L3的长度；锚杆的间距为700cm 1000cm,排距为700cm IOOOcm ；
d.开掘巷道每前进50 IOOm时，重复步骤a、b、c，直至完成整个巷道的掘进。所述纵面发射的多个不同角度ο·的电磁脉冲角度为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°七个角度；所述横面发射的不同角度卢的电磁脉冲为0°、30°、60°、90°、120。、150。、180。七个角度。所述差异尺度的锚杆LI、L2、L3长度的确定
锚杆LI的长度为开掘巷道顶板宽度范围内破裂岩体区任意竖向截面高度的最大值和开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度的最大值之和加上IOcm ；
锚杆L2的长度为O. 25倍的开掘巷道顶板宽度范围内破裂岩体区任意竖向截面高度的最大值与开掘巷道顶板范围内的破碎岩体区任意竖向截面高度的最大值之和；
锚杆L3的长度取O. 75倍的开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度的最大 值。所述差异尺度的锚杆LI、L2、L3选用
若锚杆位置对应复合顶板竖向破裂岩体区任意竖向截面高度与破碎岩体区任意竖向截面高度之和小于2800cm，且开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度的最大值小于1800cm或开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度的最大值小于1800cm,选用锚杆LI ；
若锚杆位置对应复合顶板竖向破碎岩体区任意竖向截面高度小于等于O. 75倍的开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度的最大值或开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度的最大值小于1800cm，且破裂岩体区任意竖向截面高度与破碎岩体区任意竖向截面高度之和大于2800cm，选用锚杆L2 ；
若锚杆位置对应复合顶板竖向的破碎岩体区任意竖向截面高度大于等于O. 75倍的开掘巷道顶板范围内的破碎岩体区任意竖向截面高度的最大值，且开掘巷道顶板范围内的破碎岩体区任意竖向截面高度的最大值大于等于1800cm或破裂岩体区任意竖向截面高度与开掘巷道顶板范围内的破碎岩体区任意竖向截面高度之和小于等于开掘巷道顶板范围内的破碎岩体区任意竖向截面高度的最大值，且破裂岩体区任意竖向截面高度与破碎岩体区任意竖向截面高度之和大于2800cm，选用锚杆L3。有益效果本发明通过建立的复合顶板三维地质模型，能够非常直观、准确地表达顶板复杂地质数据，可视化界面形式有利于现场人员操作和进行锚杆长度确定。考虑顶板结构层分布形式，根据顶板层状分布厚度的差异，以建立的复合顶板三维地质模型为指导，合理布置差异尺度锚杆，锚杆LI的设置以悬吊理论为指导，保证顶板与强度较高的稳定围岩组合为整体，锚杆L2保证收开挖影响顶板各分层结合，连接锚杆LI和锚杆L3作用区域，形成群锚结构，锚杆L3的设置以松动圈理论为指导，保证松动破碎范围内破碎岩体整体性，提高破碎区围岩抗力，根据复合顶板破裂分区确定三种尺度的锚杆的长度及选用，将悬吊理论、组合(群)共同作用原理及松动圈支护机理有机结合，形成“强补弱，弱附强”的联合支护结构，有效控制复合顶板大变形和冒顶等问题。采用金属网与钢带作为差异尺度锚杆支护的附件，与锚杆共同形成支护体系。锚杆组合支护形式，等强锚杆全长锚固满足复合顶板地层锚固体的扩容变形和扩容应力，在复合顶板中形成一条强度大、结构稳定的承载体，有效控制围岩变形，节省大量成本，同时充分发挥锚杆的悬吊作用和锚杆群的联合作用，对部分薄弱区域起到了较好的控制。最适用于预防和治理应力高、夹层薄的复合顶板，配合使用锚索等其它支护方式，合理选择锚杆的组合方式，可有效控制顶板变形，减少锚杆数量，节约大量支护材料和维修费用，提高单产、单进，确保安全生产，具有广泛的实用性。
图I是本发明的地质雷达探测纵向剖面示意图。图2是本发明的地质雷达探测俯视图。图3是本发明的三维地质模型示意图。图4是本发明的某掘进断面分区破裂带示意图。图5是本发明的某掘进断面差异尺度锚杆布置示意图。图中1 一地质雷达，2—完整岩体区，3—上破裂岩体区，4一下破碎岩体区，5—二维复合顶板结构地质模型，6—破裂岩体区任意竖向截面高度，7—破碎岩体区任意竖向截面闻度，8—金属网，9一钢带，10一锚杆托盘，11一锚杆螺母，12一掘进工作面，13一巷道两帮，LI一铺杆，L2一铺杆，L3一铺杆。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述
本发明的煤岩复合顶板差异尺度锚杆联合支护方法
a.在预开掘的巷道顶板中部安放沿掘进方向的纵、横面发射电磁脉冲的地质雷达1，通过地质雷达I向纵面发射多个不同角度a的电磁脉冲，沿横面发射多个不同角度卢的电磁脉冲，横面发射电磁脉冲的多个角度β对应纵面发射电磁脉冲的多个角度σ，构成向纵、横面多个角度乘积数量的多个方向发射电磁脉冲；所述纵面发射的多个不同角度a的电磁脉冲角度为0°、15°、30°、45°、60°、75。、90°七个角度；所述横面发射的不同角度卢的电磁脉冲为0°、30。、60。、90。、120。、150。、180。七个角度；
b.通过地质雷达I接收纵、横面多个角度乘积数量的多个方向电磁脉冲的反射信号，根据反射信号得到每个角度方向的完整岩体区2与上破裂岩体区3的交界面、上破裂岩体区3与下破碎岩体区4交界面至地质雷达I的距离Z，通过距离L、角度〃、角度P确定三维坐标系中对应的各点，连接各点构成三维复合顶板结构地质模型5 ；
c.选用Φ22mm左旋无纵筋高强锚杆,锚杆间排距700mmX700mm,在三维复合顶板结构地质模型5中每700_切剖一个模型断面，如图4所示，按间距700_确定锚杆位置，量测每个剖面开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度6及其最大值和开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度7及其最大值，确定锚杆LI、锚杆L2和锚杆L3的长度及选用。差异尺度的锚杆L1、L2、L3满足锚杆LI的长度 > 锚杆L2的长度 > 锚杆L3的长度。所述差异尺度的锚杆LI、L2、L3长度的确定
锚杆LI的长度为开掘巷道顶板宽度范围内破裂岩体区任意竖向截面高度6的最大值 和开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度7的最大值之和加上IOcm ；
锚杆L2的长度为O. 25倍的开掘巷道顶板宽度范围内破裂岩体区任意竖向截面高度6的最大值与开掘巷道顶板范围内的破碎岩体区任意竖向截面高度7的最大值之和；
锚杆L3的长度取O. 75倍的开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度7的最大值。所述差异尺度的锚杆LI、L2、L3选用
若锚杆位置对应复合顶板竖向破裂岩体区任意竖向截面高度6与破碎岩体区任意竖向截面高度7之和小于2800cm，且开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度6的最大值小于1800cm或开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度7的最大值小于1800cm，选用锚杆LI ；
若锚杆位置对应复合顶板竖向破碎岩体区任意竖向截面高度7小于等于O. 75倍的开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度7的最大值或开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度7的最大值小于1800cm，且破裂岩体区任意竖向截面高度6与破碎岩体区任意竖向截面高度7之和大于2800cm，选用锚杆L2 ；
若锚杆位置对应复合顶板竖向的破碎岩体区任意竖向截面高度7大于等于O. 75倍的开掘巷道顶板范围内的破碎岩体区任意竖向截面高度7的最大值，且开掘巷道顶板范围内 的破碎岩体区任意竖向截面高度7的最大值大于等于1800cm或破裂岩体区任意竖向截面高度6与开掘巷道顶板范围内的破碎岩体区任意竖向截面高度7之和小于等于开掘巷道顶板范围内的破碎岩体区任意竖向截面高度7的最大值，且破裂岩体区任意竖向截面高度6与破碎岩体区任意竖向截面高度7之和大于2800cm，选用锚杆L3 ；
统计所需锚杆数量，标记每个剖面各长度锚杆安装位置，绘制锚杆支护施工图，如图5所示，掘进工作面完成一个循环进尺，在对应位置使用锚杆钻机安装选用的锚杆；
全断面敷设金属网8,采用Φ6. 5mm盘圆钢筋焊制而成，网幅为2mX Im,网格为100X 100mm，形状为菱形。网与网之间搭接宽度不小于100mm，联网时选用10#铁丝剪成的长400 mm的小段，双股对折，扭结圈数不小于3圈，联结密实，联结点间距不大于200mm ；选择W型钢带9宽度250mm,厚度6mm,孔距700mm,长度1200mm,在掘进断面顶板横向铺设W型钢带，锚杆穿入钢带孔眼，在钢带外侧安装锚杆托盘11和螺母12，初锚力不小于130KN ；
d.开掘巷道每前进50 IOOm时，重复步骤a、b、c，直至完成整个巷道的掘进。
权利要求
1.一种煤岩复合顶板差异尺度锚杆联合支护方法，其特征在于，包括如下步骤 a.在预开掘的巷道顶板中部安放沿掘进方向的纵、横面发射电磁脉冲的地质雷达(1)，通过地质雷达(I)向纵面发射多个不同角度 的电磁脉冲，沿横面发射多个不同角度衫的电磁脉冲，横面发射电磁脉冲的多个角度衫对应纵面发射电磁脉冲的多个角度O■，构成向纵、横面多个角度乘积数量的多个方向发射电磁脉冲； b.通过地质雷达(I)接收纵、横面多个角度乘积数量的多个方向电磁脉冲的反射信号，根据反射信号得到每个角度方向的完整岩体区(2)与上破裂岩体区(3)的交界面、上破裂岩体区(3)与下破碎岩体区(4)交界面至地质雷达(I)的距离Z，通过距离L、角度〃、角度3确定三维坐标系中对应的各点，连接各点构成三维复合顶板结构地质模型(5)； c.根据三维复合顶板结构地质模型(5)中的完整岩体区(2)、上破裂岩体区(3)的破裂岩体区任意竖向截面高度(6)和下破碎岩体区(4)的破碎岩体区任意竖向截面高度(7)，采用差异尺度的锚杆L1、L2、L3、金属网(8)和钢带(9)对开掘巷道的复合顶板进行联合支护，其中，差异尺度的锚杆L1、L2、L3满足锚杆LI的长度 > 锚杆L2的长度 > 锚杆L3的长度；锚杆的间距为700cm 1000cm，排距为700cm IOOOcm ； d.开掘巷道每前进50 IOOm时，重复步骤a、b、c，直至完成整个巷道的掘进。
2.根据权利要求I所述的煤岩复合顶板差异尺度锚杆联合支护方法，其特征在于所述纵面发射的多个不同角度的电磁脉冲角度为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°七个角度；所述横面发射的不同角度卢的电磁脉冲为0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°七个角度。
3.根据权利要求I所述的煤岩复合顶板差异尺度锚杆联合支护方法，其特征在于所述差异尺度的锚杆LI、L2、L3长度的确定 锚杆LI的长度为开掘巷道顶板宽度范围内破裂岩体区任意竖向截面高度(6)的最大值和开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度(7)的最大值之和加上IOcm ； 锚杆L2的长度为0. 25倍的开掘巷道顶板宽度范围内破裂岩体区任意竖向截面高度(6)的最大值与开掘巷道顶板范围内的破碎岩体区任意竖向截面高度(7)的最大值之和； 锚杆L3的长度取0. 75倍的开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度(7)的最大值。
4.根据权利要求I所述的煤岩复合顶板差异尺度锚杆联合支护方法，其特征在于所述差异尺度的锚杆L1、L2、L3选用 若锚杆位置对应复合顶板竖向破裂岩体区任意竖向截面高度(6)与破碎岩体区任意竖向截面高度(7)之和小于2800cm，且开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度(6)的最大值小于1800cm或开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度(7)的最大值小于1800cm，选用锚杆LI ； 若锚杆位置对应复合顶板竖向破碎岩体区任意竖向截面高度(7)小于等于0. 75倍的开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度(7)的最大值或开掘巷道顶板范围内破碎岩体区任意竖向截面高度(7)的最大值小于1800cm，且破裂岩体区任意竖向截面高度(6)与破碎岩体区任意竖向截面高度(7)之和大于2800cm，选用锚杆L2 ； 若锚杆位置对应复合顶板竖向的破碎岩体区任意竖向截面高度(7)大于等于0. 75倍的开掘巷道顶板范围内的破碎岩体区任意竖向截面高度(7)的最大值，且开掘巷道顶板范围内的破碎岩体区任意竖向截面高度(7)的最大值大于等于1800cm或破裂岩体区任意竖向截面高度(6)与开掘巷道顶板范围内的破碎岩体区任意竖向截面高度(7)之和小于等于开掘巷道顶板范围内的破碎岩体区任意竖向截面高度(7)的最大值，且破裂岩体区任意竖向截面高度(6)与破碎岩体区任意竖向截面高度(7)之和大于2800c m，选用锚杆L3。
全文摘要
一种煤岩复合顶板差异尺度锚杆联合支护方法，采用地质雷达对预开掘巷道顶板范围发射电磁脉冲进行超前探测，根据地质雷达接收的反射信号对预开掘巷道50～100m复合顶板范围内完整岩体区、破裂岩体区和破碎岩体区的交界面进行确定，并通过计算机手段形成三维复合顶板结构地质模型，通过模型切剖断面的分区几何参数计算差异尺度锚杆的长度并选用合适的锚杆，对复合顶板进行支护，并辅助金属网和钢带形成联合支护结构。通过建立的复合顶板三维地质模型，能够非常直观、准确地表达顶板复杂地质数据，可视化界面形式有利于现场人员操作和进行锚杆长度确定。可有效控制顶板变形，减少锚杆数量，节约大量支护材料和维修费用，提高单产、单进，确保安全生产。
文档编号G01V3/12GK102661158SQ20121016737
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月28日 优先权日2012年5月28日
发明者东兆星, 李斌, 李贵生, 贺志宏, 齐燕军 申请人:中国矿业大学, 山西汾西矿业(集团)有限责任公司