一种沿空掘巷煤柱双向加固方法与流程

本发明涉及煤矿开采技术领域，具体是一种沿空掘巷煤柱双向加固方法。

背景技术：

随着煤矿进入深部开采，原岩应力升高，护巷煤柱留设宽度越来越大，造成大量的煤炭资源浪费，国内外有关学者从巷道围岩所处的应力环境及节约煤炭资源的角度出发，开展了包括沿空留巷和沿空掘巷的无煤柱护巷开采技术。沿空掘巷技术由于可有效避开了上工作面回采对煤柱的应力扰动，并且巷道维护相对简单，维护成本低而应用广泛。由于沿空掘巷依靠窄煤柱支撑巷道顶板，所以需要加强对窄煤柱的强化支护。现有的常用的支护方法有对穿锚索加固方法，但该技术必须是岩体两侧同时施工，考虑到沿空掘巷护巷煤柱采空区侧封闭，只能在新掘一侧施工，因此无法完成对穿。还有一种对穿锚索技术需要在前一个工作面预埋入，等进入下一个工作面顺槽掘进时接长锚索或拉出预埋可缩段锚索实现对穿，但护巷煤柱存在宽度预留不准确，宽度误差超过±0.5m将导致对穿施工无法进行。

技术实现要素：

本发明的目的，就是为解决现有技术存在的问题，而设计了一种沿空掘巷煤柱双向加固方法，能快速有效地在新掘巷道一侧完成煤柱的双向加固，实现煤柱侧向围压的加固，从而提高煤柱承载力，也突破了传统沿空掘巷技术无法实现单向施工双向加固的难题。

本发明的技术方案为：一种沿空掘巷煤柱双向加固方法，包括以下步骤，

a、在靠近采空区一侧新掘巷道，在采空区与新掘巷道之间预留煤柱，在下区段回采工作面顺槽内钻孔，所述钻孔用以安置胀锁式对穿锚索，所述钻孔的深度为钻透预留煤柱；

b、在所述钻孔内放入胀锁式对穿锚索，所述胀锁式对穿锚索穿透预留煤柱,并使对穿锚索锚固段恰好安置在采空区侧；

c、通过注浆内管向胀锁式对穿锚索的前端注入浆体，通过注浆外管对钻孔内注入封堵浆料，所述浆体在采空区内起胀、凝固形成稳定锚固体后，在新掘巷道一侧对胀锁式对穿锚索施加预应力并锚固，进而实现预留煤柱的双向加固；

d、沿巷道掘进方向，依次施工胀锁式对穿锚索，从而实现整个工作面的预留煤柱对穿加固，完成该个采面的沿空掘巷。

在钻孔后，利用高压喷射注浆或机械扩孔工艺对钻孔进行扩孔处理，期间需不断注入水泥浆排渣。

上述胀锁式对穿锚索呈网格型或梅花形排列。根据实验测试结果显示，通过该设计，上述胀锁式对穿锚索可提供＞40吨的抗拉力，预留煤柱将增加＞80吨的竖向承载力，进而有效提高预留煤柱的承载力。

上述锚索间排距设置为1.0~1.5m×1.0~1.5m。

上述胀锁式对穿锚索包括锚固段和自由段，所述锚固段包括引导帽、中空的钢管、扩胀囊袋以及位于扩胀囊袋前后两端的锁具，所述扩胀囊袋包覆在所述钢管的外周面上，并通过所述锁具在钢管的前后两端进行固定，所述钢管的侧壁上设置有至少一个注浆孔，所述注浆孔与扩胀囊袋内部相连通；所述自由段包括至少一根锚筋、注浆内管、注浆外管和排气管，所述注浆内管、排气管端部设置有逆流阀，且两管均延伸入所述钢管内部，所述注浆外管设置在所述扩胀囊袋的后侧，所述锚筋贯穿所述钢管内部并与所述引导帽相连接。

上述钢管的前后两端分别安装有前端板和后端板，所述前端板和后端板上分别设置有用以固定锚筋的锚筋孔，所述后端板上还设置有注浆内管孔和排气管孔。

上述钻孔位于新掘巷道一侧的端口处设置有锁紧环和锚盘。锁紧环用于封堵钻孔，防止采空区漏风，锚盘用于阻止钻孔内浆液流出。

上述扩胀囊袋设置为梨形，所述梨形扩胀囊袋沿钢管的长度方向设置。由于双向加固的预留煤柱让压变形后可能导致采空区一侧的钻孔增大，通过将扩胀囊袋设置为梨形，在注浆后扩胀囊袋起胀，该梨形扩胀囊袋的梨尾处可以有效封闭钻孔，既能提升预留煤柱的承载力，也能防止采空区内的有害气体溢出。

上述封堵材料采用泡沫封堵剂或炮泥或高浓度快硬水泥浆，以防止采空区内瓦斯等有害气体溢出，同时封堵材料强度低，不影响锚索自由段发挥拉应力。

上述浆体采用速凝快硬注浆料或化学浆液。

本发明的有益效果可通过上述方案得出：本发明提出了一种全新的沿空掘巷煤柱双向加固方法，不同于传统沿空掘巷只能在一侧加固护巷煤柱的方法，而是采用胀锁式对穿锚索实现预留煤柱的双向加固，同时只在预留煤柱的一侧进行施工就能完成。本发明解决了煤柱双向加固时采空区封闭的困扰，突破了传统沿空掘巷技术无法实现单向施工双向加固的难题，也解决了岩体双侧同时施工造成预留煤柱不稳定的困扰。本发明中，预留煤柱双向加固后对顶板的承载力大幅度提高，大大增强了护巷煤柱承载力和稳定性，沿空掘巷更容易实现，具有广泛的实用价值。

由此可见，本发明与现有技术相比具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中胀锁式对穿锚索的结构示意图；

图3为图2中A向的剖视示意图；

图4为胀锁式对穿锚索呈网格形排列的示意图；

图5为胀锁式对穿锚索呈梅花形排列的示意图；；

其中，1为采空区，2为预留煤柱，3为胀锁式对穿锚索，4巷道掘进方向，5为扩胀囊袋，6为锚网喷支护，7为锚盘，8为逆流阀，9为锚筋，10为排气管，11为注浆内管，12为注浆外管，13为锁紧环，14-1为后端板，14-2为前端板，15为锁具，16为引导帽，17为紧固头，18为注浆孔，19为中空的钢管，20为自由段，21为锚固段。

具体实施方式：

为了更好地理解本发明，下面结合附图来详细解释本发明的实施方式。

具体实施方式：沿空掘巷工作中，上区段回采工作面采煤工作结束后，即开展下区段回采工作面沿空掘巷施工，巷道掘进后，在掘进扰动作用下，围岩应力重新分布，上区段采空区1煤矸石被不断压缩，采空区变形、垮落，应力逐渐恢复至原岩应力，预留煤柱2两侧有一定范围的破碎区，对顶板的承载能力下降。本发明提供了一种沿空掘巷煤柱双向加固方法，包括以下步骤，

本发明提供了一种沿空掘巷煤柱双向加固方法，包括以下步骤，

a、在靠近采空区一侧新掘巷道，在采空区1与新掘巷道之间设置预留煤柱2，在下区段回采工作面顺槽内钻孔，所述钻孔用以安置胀锁式对穿锚索3，所述钻孔的深度为钻透预留煤柱2；预留煤柱2的宽度一般设计为3~6m，预留煤柱2的宽度设计太窄容易整体受压破碎，达不到加固效果；预留煤柱2设计太宽将导致锚索双向加固力难以发挥，同时造成资源浪费，也会引起下层的应力集中过大。一般随开采煤层的厚度增加适度增加预留煤柱2的宽度。

b、在钻孔后，利用高压喷射注浆或机械扩孔工艺对钻孔进行扩孔处理，期间需不断注入水泥浆排渣。

c、在所述钻孔内放入胀锁式对穿锚索3，所述胀锁式对穿锚索3穿透预留煤柱2。

d、通过注浆内管11向胀锁式对穿锚索3的前端注入浆体，通过注浆外管12对钻孔内注入封堵浆料，所述浆体在采空区1内起胀、凝固形成稳定锚固体后，在新掘巷道一侧对胀锁式对穿锚索3施加预应力并锚固，进而实现预留煤柱2的双向加固；上述封堵材料采用泡沫封堵剂或炮泥或高浓度快硬水泥浆。浆体采用速凝快硬注浆料或化学浆液。通常情况下，浆体的凝固时间不高于2小时，一般注浆3~5小时后，即可在新掘巷道一侧对胀锁式对穿锚索3施加预应力并锚固，进而实现预留煤柱2的双向加固。

e、沿巷道掘进方向，依次施工胀锁式对穿锚索3，从而实现整个工作面的预留煤柱2的对穿加固，完成该个采面的沿空掘巷。在施工过程中，胀锁式对穿锚索3呈网格型或梅花形排列，锚索3间排距设置为1.0~1.5m×1.0~1.5m。根据实验测试结果显示，通过该设计，上述胀锁式对穿锚索3可提供＞40吨的抗拉力，预留煤柱2将增加＞80吨的竖向承载力，进而有效提高预留煤柱2的承载力。

在上述对穿锚索3双向加固施工作业中，为防止采空区漏风，钻孔必须及时封堵。本发明提出两种封堵技术：一是高瓦斯采面，本发明提出使用树脂发泡剂快速密封钻孔，所述发泡剂包括树脂剂和催化剂，按比例混合后可膨胀为原体积的数十倍，由预先绑定在锚筋9上的注浆外管12完成发泡剂注浆，边注浆边拔出该注浆外管12，形成长条形密封发泡体。二是低瓦斯采面，本发明提出采用炮泥或高浓度快硬水泥浆或橡胶封孔塞封孔。

在本实施例中，上述加固方法所采用的胀锁式对穿锚索3包括锚固段21和自由段20，其中，自由段20包括至少一个锚筋9、注浆内管11、注浆外管12和排气管10，锚固段包括引导帽16、中空的钢管19、扩胀囊袋5以及位于扩胀囊袋5前后两端的锁具15。注浆内管11、排气管10端部分别设置有逆流阀8，以阻止浆液倒流和外部气体进入，两管均延伸入所述钢管19内部，注浆外管12设置在扩胀囊袋5的后侧，锚筋9贯穿所述钢管19内部并与所述引导帽16相连接。该对穿锚索3还包括锁紧环13和锚盘7，锁紧环13和锚盘7位于下区段回采工作面顺槽一端端口一侧。锁紧环13、锚盘7由非金属材料制成，锁紧环13用于封堵钻孔，防止采空区1漏风，锚盘7用于阻止钻孔内浆液流出。

在上述锚固段中，扩胀囊袋5包覆在所述钢管19的外周面上，并通过锁具15在钢管19的前后两端进行固定，保证接口部位的密封性能。钢管19的侧壁上设置有至少一个注浆孔18，注浆孔18与扩胀囊袋5的内部相连通；上述钢管19的前后两端分别设置有前端板14-2和后端板14-1，钢管19分别与前端板14-2和后端板14-1螺纹连接，前端板14-2和后端板14-1上分别设置有用以固定锚筋9的锚筋孔，后端板14-1的中部还设置有注浆内管孔和排气管孔，在本实施例中，锚筋孔设置在注浆内管孔和排气管孔的外侧。通过设置前端板14-2和后端板14-1，能够用以固定和隔离锚筋9、注浆内管11、注浆外管12和排气管10。另外，在前后端板处可使用紧固头17将锚筋9固定锁住，以增强锚筋9的紧固性。

上述扩胀囊袋5设置为梨形，梨形扩胀囊袋5沿钢管19的长度方向设置。由于双向加固的预留煤柱2让压变形后可能导致采空区1一侧的钻孔增大，通过将扩胀囊袋5设置为梨形，在注浆时，浆体由注浆内管11进入钢管19并通过钢管19侧壁的注浆孔18进入扩胀囊袋5内，扩胀囊袋5起胀，挤压采空区侧周围碎块岩体形成如图2所示的膨胀性囊袋承载体，该梨形扩胀囊袋5的梨尾处可以有效封闭钻孔，既能提升预留煤柱2的承载力，也能防止采空区1内的有害气体溢出。所述扩胀囊袋5采用帆布等高强度反渗透材料制成，可承受1~2MPa的压力。根据工期长短以及浆液的凝固时间特性，选择扩胀囊袋5内的浆液类型如水泥浆、水泥砂浆以及水玻璃浆液等。

在加固过程中，可通过观察浆体是否从排气管10流出来判断扩胀囊袋5内浆体是否注浆完成。当排气管10有稳定的浆体流出后，可停止注浆，并将各管口封闭。

本发明提出的沿空掘巷技术方法，不同于传统沿空掘巷只能在一侧加固护巷煤柱的方法，而是采用胀锁式对穿锚索实现预留煤柱的双向加固，同时只在预留煤柱的一侧进行施工就能完成。本发明解决了煤柱双向加固时采空区封闭的困扰，也解决了岩体双侧同时施工造成预留煤柱不稳定的困扰。预留煤柱双向加固后对顶板的承载力大幅度提高，大大增强了护巷煤柱承载力和稳定性，沿空掘巷更容易实现，具有广泛的实用价值。

上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。