深井软岩巷道的支护结构及支护方法与流程

本发明涉及巷道支护领域，尤其涉及一种深井软岩巷道的支护结构及支护方法。
背景技术：
随着我国浅部煤炭资源逐渐开采枯竭，很多矿井开始转向深部开采。深部巷道的支护属于一种特殊的地下工程。对深部巷道围岩来说，复杂的地质条件和高地应力场常引发围岩严重的变形破坏，常规的支护手段难以维持巷道围岩的稳定，尤其是当巷道在软弱岩体中掘进过程中遇到断层等地质构造时，应针对围岩的特点，采用特殊的支护理念和支护手段。在深井软岩支护系统中，任何一种单一支护体的特性曲线都不能满足深部软岩巷道围岩的变形要求。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种能够满足深井软岩巷道的支护要求的深井软岩巷道的支护结构及支护方法。本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：深井软岩巷道的支护结构，包括常规锚杆(1)、中空注浆锚杆(2)、常规锚索(3)、中空注浆锚索(4)；巷道采用直墙半圆拱形巷道，所述常规锚杆(1)、中空注浆锚杆(2)、常规锚索(3)、中空注浆锚索(4)均间隔布置在巷道的顶部和两帮；所述常规锚杆(1)的间距为750～850mm，排距为750～850mm；所述中空注浆锚杆(2)的间距为2250～2550mm，排距为2250～2550mm，所述常规锚索(3)的间距为1150～1250mm，排距为750～850mm，所述中空注浆锚索(4)的间距为2250～2550mm，排距为2250～2550mm。作为优化的技术方案，所述常规锚杆(1)、中空注浆锚杆(2)、常规锚索(3)、中空注浆锚索(4)均采用树脂端锚。作为优化的技术方案，所述中空注浆锚杆(2)、中空注浆锚索(4)的注浆材料均采用kwjg-1矿用无机加固复合砂浆。作为优化的技术方案，该支护结构还包括喷浆层，所述喷浆层设在巷道的顶部和两帮，所述喷浆层采用kwps-1qz矿用无机速凝喷射复合砂浆。作为优化的技术方案，该支护结构还包括底板注浆层，所述底板注浆层设在巷道底板处，所述底板注浆层的注浆材料采用kwjg-1矿用无机加固复合砂浆。用于制作上述深井软岩巷道的支护结构的深井软岩巷道的支护方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a，卧底、拆棚及刷扩：对巷道施工段进行卧底，然后再在临时支护下进行拆棚及刷扩；步骤b，进行锚杆支护：每施工3排锚杆，其中2排全部为常规锚杆(1)，另1排沿巷道周边每隔2根常规锚杆(1)施工1根中空注浆锚杆(2)，在有中空注浆锚杆(2)的那排里两帮底部为中空注浆锚杆(2)；步骤c，进行锚索支护：每施工3排锚索，其中2排全部为常规锚索(3)，另一排沿巷道周边每隔1根常规锚索(3)施工1根中空注浆锚索(4)，在有中空注浆锚索(4)的那排里两帮底部为中空注浆锚索(4)；步骤e，锚杆注浆：进行中空注浆锚杆(2)的注浆，注浆材料采用kwjg-1矿用无机加固复合砂浆；步骤f，锚索注浆：进行中空注浆锚索(4)的注浆，注浆材料采用kwjg-1矿用无机加固复合砂浆。作为优化的技术方案，常规锚杆(1)、空注浆锚杆(2)、常规锚索(3)均紧跟步骤a中的刷扩迎头施工，中空注浆锚索(4)滞后施工，将布置中空注浆锚索(4)的位置预留，待步骤e的中空注浆锚杆(2)注浆完毕后再进行中空注浆锚索(4)的施工及注浆。作为优化的技术方案，还包括以下步骤：步骤d，喷浆：在步骤e的中空注浆锚杆(2)注浆前对巷道进行喷浆，形成喷浆层，喷浆材料采用kwps-1qz矿用无机速凝喷射复合砂浆。作为优化的技术方案，步骤d的喷浆层的厚度为40～50mm，中空注浆锚杆(2)位置的喷浆层厚度大于或等于50mm。作为优化的技术方案，还包括以下步骤：步骤g，底板注浆：施工底板注浆孔，底板注浆孔包括底板浅孔和底板深孔，采用深、浅孔结合注浆，注浆材料采用kwjg-1矿用无机加固复合砂浆。本发明的优点在于：针对深井巷道修护中遇到的软岩及复杂的地质构造，采用了常规锚杆、中空注浆锚杆、常规锚索、中空注浆锚索、无机速凝喷射复合砂浆及矿用无机加固复合砂浆与多种支护方式相结合的技术，取得了良好的支护效果，满足了深井软岩巷道的支护要求，提高了软岩巷道的使用寿命，减少了巷道修护次数，确保了矿井正常生产和工作面接替。附图说明图1是本发明实施例深井软岩巷道的支护结构的主视示意图。图2是本发明实施例常规锚杆、中空注浆锚杆、常规锚索、中空注浆锚索的分布图。图3是本发明实施例顾桥矿北一13-1轨道下山层位关系图。图4是本发明实施例顾桥矿北一13-1轨道下山数值计算模型图。图5是本发明实施例工况一巷道围岩垂直应力云图。图6是本发明实施例工况一巷道围岩塑性区分布图。图7是本发明实施例工况一巷道围岩垂直位移云图。图8是本发明实施例工况一巷道围岩水平位移云图。图9是本发明实施例工况二巷道围岩垂直应力云图。图10是本发明实施例工况二巷道围岩塑性区分布图。图11是本发明实施例工况二巷道围岩垂直位移云图。图12是本发明实施例工况二巷道围岩水平位移云图。具体实施方式如图1-2所示，深井软岩巷道的支护结构，包括常规锚杆1、中空注浆锚杆2、常规锚索3、中空注浆锚索4、喷浆层、底板注浆层。巷道采用直墙半圆拱形巷道，巷道的断面规格为宽5800mm，高4600mm，断面积23.06m2。巷修加固形式为预应力锚注支护。常规锚杆1、中空注浆锚杆2、常规锚索3、中空注浆锚索4均间隔布置在巷道的顶部和两帮。常规锚杆1的间距为800mm，排距为800mm，中空注浆锚杆2的间距为2400mm，排距为2400mm，即每3排锚杆中，其中相邻的2排全部为常规锚杆1，另1排每隔2根常规锚杆1设1根中空注浆锚杆2，在有中空注浆锚杆2的那排里两帮底部为中空注浆锚杆2，其目的是为了对底板进行加固。常规锚杆1的规格为φ22×2500mm，其锚杆孔的孔径为φ32mm，孔深为2450mm。中空注浆锚杆2的规格为φ24×2530mm，其锚杆孔的孔径为φ32mm，孔深为2400mm。常规锚索3的间距为1200mm，排距为800mm，中空注浆锚索4的间距为2400mm，排距为2400mm，即每3排锚索中，其中相邻的2排全部为常规锚索3，另1排每隔2根常规锚索3设1根中空注浆锚索4，在有中空注浆锚索4的那排里两帮底部为中空注浆锚索4，其目的是为了对底板进行加固。常规锚索3的规格为φ21.8×7700mm，其锚索孔的孔径为φ32mm，孔深为7500mm。中空注浆锚索4的规格为φ22×7300mm，其锚索孔的孔径为φ32mm，孔深为7500mm。常规锚杆1、中空注浆锚杆2、常规锚索3、中空注浆锚索4均采用树脂端锚。锚杆锚索支护可以施加较大的预紧力，属于主动支护，它可以强化围岩强度、改变围岩受力状态，提高围岩的承载能力。但在修复深井软岩巷道中，由于围岩松软破碎，可锚性差是造成锚固力低和失效的重要原因。树脂端部锚杆和锚索虽然施工简单快捷，同时可以快速施加较大的预紧力，然而其锚固方式为端部锚固，锚固的有效性更大程度上依赖于锚杆锚索两端岩体的稳定性。一旦锚杆锚索两端松动破坏，必然导致锚杆锚索失效。预应力锚注加固技术是锚杆、锚索支护与注浆加固的有机结合，它是以树脂端部锚固锚杆、锚索为基础，以注浆加固为主的一种支护及加固围岩的方法。树脂端锚可以快速施加较大的预紧力，实现主动加固围岩的目的。注浆加固区的形成及锚杆、锚索全长锚固的实现，不仅可以将破碎或软弱的岩体胶结在一起，为锚杆、锚索提供可靠的着力基础，而且通过浆液充填孔壁使锚杆、锚索对松碎围岩的锚固作用得以充分发挥，二者相辅相成。中空注浆锚杆2、中空注浆锚索4的注浆材料均采用kwjg-1矿用无机加固复合砂浆。相比常规的水泥砂浆，kwjg-1矿用无机加固复合砂浆具有如下特点：①早期强度高，无收缩，微膨胀，剪切力可达20mpa；②水灰比低，可用普通水泥注浆泵施工；③不分层沉降，有利于机械泵输送。喷浆层设在巷道的顶部和两帮，喷浆层采用kwps-1qz矿用无机速凝喷射复合砂浆，喷浆层厚度为40～50mm，中空注浆锚杆2位置的喷浆层厚度大于或等于50mm。相比常规水泥配土产料喷浆，kwps-1qz矿用无机速凝喷射复合砂浆具有如下特点：①回弹率低，帮部基本上无回弹，顶部小于10％，能够有效节约喷浆材料；②喷浆材料最终的强度达到30mpa，强度是普通喷浆材料的2倍；③kwps-1qz矿用无机速凝喷射复合砂浆是预拌料，不需要现场进行拌料，减少施工劳动强度，节约人工。底板注浆层设在巷道底板处，底板注浆层的底板注浆孔的间距为2000mm，排距为2000mm，底板注浆孔垂直于巷道底板，底板注浆孔包括底板浅孔和底板深孔，底板浅孔的深度为1000～1500mm，底板深孔的深度为2000～2500m，底板注浆孔的注浆材料采用kwjg-1矿用无机加固复合砂浆。巷道底板治理要与顶板及巷帮围岩治理同时考虑。受重复采动影响的深井高应力巷道围压来自于巷道四周，如果不进行底板治理，基于“木桶理论”它就是支护的一个薄弱点，很容易发生严重底臌现象，底板破坏将会引起顶帮围岩应力的重新分布，造成顶帮的破坏，进而造成巷道加固体系失败。用于制作上述深井软岩巷道的支护结构的深井软岩巷道的支护方法，包括以下步骤：步骤a，卧底、拆棚及刷扩：对巷道施工段进行卧底，然后再在临时支护下进行拆棚及刷扩，当刷扩长度够打锚杆时，按照拆一锚一的循环方式进行锚杆及锚索的施工。步骤b，进行锚杆支护：常规锚杆1的间距为800mm，排距为800mm，中空注浆锚杆2的间距为2400mm，排距为2400mm，即每施工3排锚杆，其中2排全部为常规锚杆1，另1排沿巷道周边每隔2根常规锚杆1施工1根中空注浆锚杆2，在有中空注浆锚杆2的那排里两帮底部为中空注浆锚杆2，其目的是为了对底板进行加固。常规锚杆1的规格为φ22×2500mm，其锚杆孔的孔径为φ32mm，孔深为2450mm；中空注浆锚杆2的规格为φ24×2530mm，其锚杆孔的孔径为φ32mm，孔深为2400mm。常规锚杆1、中空注浆锚杆2均紧跟步骤a中的刷扩迎头施工。步骤c，进行锚索支护：常规锚索3的间距为1200mm，排距为800mm，中空注浆锚索4的间距为2400mm，排距为2400mm，即每施工3排锚索，其中2排全部为常规锚索3，另一排沿巷道周边每隔1根常规锚索3施工1根中空注浆锚索4，在有中空注浆锚索4的那排里两帮底部为中空注浆锚索4，其目的是为了对底板进行加固。锚索长度是锚索支护的最重要的参数，确定锚索长度的主要依据是顶板岩性结构及巷道断面，由于该巷道宽度为5800mm，若两帮各按松动600mm考虑，则巷道的实际跨度将达到7000mm。根据自然冒落拱理论设计，常规锚索3的规格为φ21.8×7700mm，其锚索孔的孔径为φ32mm，孔深为7500mm；中空注浆锚索4的规格为φ22×7300mm，其锚索孔的孔径为φ32mm，孔深为7500mm。常规锚索3紧跟步骤a中的刷扩迎头施工，中空注浆锚索4可以滞后施工，将布置中空注浆锚索4的位置预留，待中空注浆锚杆2注浆完毕后再进行中空注浆锚索4的施工及注浆。步骤d，喷浆：为了防止注浆时漏浆，中空注浆锚杆2注浆前对巷道进行喷浆，形成喷浆层。喷浆材料选用具有早强、速凝特性的kwps-1qz矿用无机速凝喷射复合砂浆，喷浆层厚度为40～50mm，中空注浆锚杆2位置的喷浆层厚度大于或等于50mm。步骤e，锚杆注浆：在步骤d后进行中空注浆锚杆2的注浆，注浆材料采用kwjg-1矿用无机加固复合砂浆，水灰比为0.28～0.5，注浆压力为3～4mpa，注浆顺序为由两帮到顶板。步骤f，锚索注浆：设计中空注浆锚索的目的是为了实现巷道深部围岩的注浆加固及常规锚索的全长锚固，步骤e后在预留的位置施工中空注浆锚索4，然后进行中空注浆锚索4的注浆。为了提高深部围岩的注浆效果，每施工1根中空注浆锚索4及时进行注浆，然后再施工下1根中空注浆锚索4，如此循环进行，注浆材料采用kwjg-1矿用无机加固复合砂浆，水灰比为0.28～0.5，注浆压力为8～10mpa。步骤g，底板注浆：①施工底板注浆孔：底板注浆孔的间距为2000mm，排距为2000mm，底板注浆孔垂直于巷道底板，底板注浆孔包括底板浅孔和底板深孔，采用深、浅孔结合注浆，底板浅孔的深度为1000～1500mm，底板深孔的深度为2000～2500m，底板注浆孔采用注浆胶囊管注浆。②注浆压力：底板浅孔的终孔压力为2mpa，底板深孔的终孔压力为2.5mpa。③浆液配比：注浆材料采用kwjg-1矿用无机加固复合砂浆，水灰比为0.28～0.5。④底板注浆采用深浅结合及间歇注浆方法，每个底板孔先进行浅部注浆，再进行深部注浆，每个底板孔注浆时，底板出现返浆停一段时间再注，通过反复注浆，直到底板不出现返浆再注到终压，方可结束注浆。以下为本发明深井软岩巷道的支护结构及支护方法在顾桥煤矿北一13-1轨道下山的应用实例：顾桥煤矿北一13-1轨道下山为采区系统生根巷道，巷道位于11-2煤层顶板、13-1煤层底板，距13-1煤层底板最近距离仅9m，巷道围岩以砂质泥岩及粘土岩为主。该巷道南侧为北一下山采区煤层回风下山及北一11-2下山采区-850m以下瓦斯治理工程排矸、提料斜巷，北侧为北一下山采区13-1胶带机下山、岩石回风下山及11-2煤层1122(1)、1123(1)及1124(1)工作面和13-1煤层1122(3)、1123(3)及1124(3)工作面。其中下山采区11-2煤层1122(1)和1123(1)工作面和13-1煤层1122(3)工作面均已收作，1123(3)和1124(1)工作面目前正在回采，由于受地压和工作面重复采动影响，自北一下山采区13-1轨道下山上变坡点至1123(3)提料斜巷段约210m，巷道严重变形，局部区域u型棚成尖顶，影响打运安全，为了保证该巷生产需要，必须要对该巷道进行修护加固。北一13-1轨道下山位于13-1煤层底板，距13-1煤层底板最近距离仅9m，巷道围岩以砂质泥岩及粘土岩为主，由于受北一下山采区11-2煤层和13-1煤层工作面重复采动影响，自北一下山采区13-1轨道下山上变坡点至1123(3)提料斜巷段约210m区段，巷道断面由半圆拱型变成尖顶形状，表现为两帮整体内移，底板鼓起，顶板下沉，巷道变形剧烈，巷道围岩破碎严重。理论及实践经验表明，对于受重复采动影响的永久巷道，巷修加固不能采用被动支护方法加固，而只能采用积极主动支护方法加固，因为被动支护不能对帮部和顶板实施主动加固，在动压影响下，巷道将发展出极限隐性拱，并最终导致支护失效。由于修复巷道围岩松软破碎，为此北一13-1轨道下山巷修加固的技术思路应采用分步注浆加固并配合锚杆锚索联合支护，其原理就是利用注浆锚杆注浆充填浅部围岩裂隙，利用注浆锚索注浆充填深部围岩裂隙，以形成的多层组合拱结构，从而扩大了支护结构的有效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载能力，达到改善破碎、动压高应力围岩巷道巷修加固的目的。有效的支护强度是保证受重复采动影响的深井永久巷道围岩稳定的前提条件，当巷道受重复采动影响时，不仅采动应力相互叠加，而且巷道围岩的松动范围也不断扩大，因此对于受重复采动影响的深井永久巷道，应提供较高的支护强度，使其与高围岩应力相抗衡，从而阻止或减缓巷道围岩的破坏与发展。预应力锚注支护是一个支护结构系统，这个系统中任何一处发生问题或存在薄弱环节，都会导致系统破坏，造成锚注支护效果降低或失败。对于受重复采动影响的深井永久巷道，在提高巷道支护强度的同时，同时还必须要保证锚杆或锚索的外锚结构具有与之相匹配的支护性能。锚索外锚的支护性能要求包括两个方面，一是外锚结构的强度应该能在锚索额定锚固力下正常工作而不会被压坏；二是外锚结构不会因锚索载荷高而发生塑性变形，从而使顶板岩层发生较大变形或锚索外锚发生松动卸载。为了验证本发明深井软岩巷道的支护方法的合理性，设计采用离散元udec4.0软件对本发明深井软岩巷道的支护方法进行数值模拟分析。因为离散单元法是一种适用于节理岩体的数值方法，它既能模拟块体受力后的运动，又能模拟块体本身受力变形状态。该法放弃了连续介质的假设，每个单元块体可以根据各自所受的力而运动，甚至允许脱离母体而自由下落，避开了连续介质的假设，克服了只能给出煤岩破坏前的应力和位移的缺陷，因而采用离散单元法对巷道加固所选取的支护参数进行数值计算是合适的。1、数值模型的建立如图3-4所示，根据顾桥矿北一13-1轨道下山围岩地质条件，建立长×高为300m×125m的计算模型。模型的左右及下边界均为位移固约束边界，上边界为应力边界，按上覆岩层厚度施加均布荷载，材料破坏遵循mohr-coulomb强度准则。顾桥矿北一13-1轨道下山位于13-1煤层和11-2煤层之间，同时受其上方1124(1)工作面和下方1123(3)工作面回采，工作面停采线平距280m，法距约63m。2、模拟方案模拟巷道为顾桥矿北一13-1轨道下山，巷道断面为直墙半圆拱形，断面大小为5800mm×4600mm，模拟方案如下：工况一：巷道仅采用架棚巷修加固。工况二：采用本发明深井软岩巷道的支护方法中的以锚杆锚索主动支护为基础的预应力锚注分步注浆加固技术。3、数值模拟计算结果分析如图5-12所示，顾桥矿北一13-1轨道下山两种加固方案围岩的垂直应力云图、塑性区分布图、垂直位移云图和水平位移云图。表1为顾桥矿北一13-1轨道下山两种加固方案围岩位移量一览表。表1顾桥矿北一13-1轨道下山围岩位移量一览表类别左帮(mm)右帮(mm)顶板下沉量(mm)底臌量(mm)工况一302321462604工况二151165106181对比两种加固方案巷道围岩垂直应力云图可以看出，两种工况下巷道周边围岩应力分布形态总体基本相似，均是在经历北一采区11-2煤层及13-1煤层两次重复采动影响后，在巷道两帮一定深处形成应力集中区。由于两种加固方案支护强度的不同，造成围岩周边垂直应力峰值及距巷帮边缘距离也不同，工况一两帮垂直应力峰值距巷帮边缘5m左右，应力峰值为37.2mpa；工况二两帮垂直应力峰值距巷帮边缘4m左右，应力峰值为35.5mpa；工况二两帮垂直应力峰值及距巷帮边缘距离均较工况一小，这是由于工况二采用以锚杆锚索主动支护为基础的预应力锚注分步注浆加固技术对巷道周边围岩进行加固后，提高了巷道围岩的力学参数，改善了巷道围岩应力环境。对比两种加固方案巷道围岩塑性区分布图可以看出，工况一巷道底角位置出现拉伸破坏，而工况二巷道围岩未出现拉伸破坏区域，且工况二巷道围岩塑性区分布区域面积远小于工况一，表明工况二巷道围岩较工况一稳定。对比两种加固方案巷道围岩垂直位移云图和水平位移云图可以看出，工况一，顶板最大下沉值为462mm，最大底臌量为604mm，左帮最大位移值为302mm，右帮最大位移为321mm；工况二，顶板最大下沉值为106mm，最大底臌量为181mm，左帮最大位移值为151mm，右帮最大位移为165m。对比两种加固方案可以看出，工况一不仅顶板下沉量大，且大变形区域集中在巷道拱尖处，工况二巷道围岩顶板下沉量小，且大变形区域较均匀地分布在拱顶处，顶板控制比工况一好，表明工况二采用以锚杆锚索主动支护为基础的预应力锚注分步注浆加固技术能取得更为显著的加固效果。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。当前第1页12